CN109074109B - 电力转换装置、以及使用该电力转换装置的电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

横截面是长方形的电源电压端子(33)以及接地端子(34)分别插入到电源图案(21)的第一端子孔(23)、以及接地图案(22)的第二端子孔(24)。电感器(40)安装在基板(20)的表面，且呈与电源图案(21)连接的输入端(43)和与电源继电器(45)连接的输出端(44)面对面的长方体。电容器(50)的第一电极端子(53)与电源图案(21)连接，第二电极端子(54)与接地图案(22)连接，与电感器(40)一起构成滤波电路。电感器(40)的输入端(43)的壁面与第一端子孔(23)的长边轴向(x方向)平行地配置。并且，电感器(40)在x方向上与第一端子孔(23)对置，使得在输入端(23)的宽度Wt的范围内包括第一端子孔(23)的全长Wh。

Description

电力转换装置、以及使用该电力转换装置的电动助力转向 装置
相关申请的交叉引用
本申请主张于2016年6月1日提出的专利申请编号2016－109834号的优先权，并在此引用其记载内容。
技术领域
本公开涉及对从直流电源输入的电力进行转换并输出到负载的电力转换装置、以及使用该电力转换装置的电动助力转向装置。
背景技术
以往，公知有对从蓄电池等直流电源输入的电力进行转换并输出到马达等负载的电力转换装置。例如在电动助力转向装置的驱动转向操纵辅助马达的电力转换装置中，由于安装空间的限制而大电流通电的功率部和包括微机等的控制部并排配置在同一基板上。因此，使基板上的元件产生的热量适当地散热特别重要。
例如专利文献1所公开的装置将安装于基板的开关元件产生的热量经由接合图案向连接器侧散热，并且经由散热凝胶散热到散热片。
专利文献1：日本特开2015－126097号公报
一般，在电力转换装置的输入部设置有包括电感器以及电容器的滤波电路，以除去从电源线束进入装置的干扰噪声、从装置输出到外部的开关噪声。另外，作为滤波电路的电感器，代替在圆柱形铁芯缠绕绕组的以往的扼流线圈，近年来，呈使用有利于小型化的表面安装型电感器的趋势。
专利文献1的装置虽然实现了开关元件的散热性提高，但没有对表面安装型电感器的散热进行考虑。因此，作为安装于基板的整个元件的散热性并不充分。
发明内容
本公开的目的在于提供使表面安装型电感器的散热性提高的电力转换装置。
本公开是通过电力转换电路的动作对从直流电源经由电源线束输入的电力转换并输出到负载的电力转换装置。该电力转换装置具备基板、连接器部、电源图案、接地图案、电源继电器、电感器、以及一个以上的电容器。
连接器部具有横截面为长方形的电源电压端子以及接地端子，并能够供电源线束插入。
电源图案形成于基板的表层，具有供电源电压端子插入的长形的第一端子孔。
接地图案形成于基板的表层，且具有供接地端子插入的长形的第二端子孔。
电源继电器设置于电力转换电路的输入部，且能够切断电力路径。
电感器安装于基板的表面，呈与电源图案连接的输入端和与电源继电器连接的输出端面对面的长方体。这里“长方体”并不局限于精确的长方体，是指整体几乎是块状的“大致长方体”。
一个以上的电容器的一方的电极端子与电源图案连接，另一方的电极端子与接地图案连接，且与电感器一起构成滤波电路。
电感器的输入端的壁面与第一端子孔的长边轴向平行地配置，并且，在第一端子孔的长边轴向上，输入端的宽度和第一端子孔的全长至少一部分重复。优选的是，电感器在第一端子孔的长边轴向上与第一端子孔对置，使得第一端子孔的全长包含在输入端的宽度的范围内。另外，只要能够制造，优选从第一端子孔到电感器的输入端的距离设定得尽可能短。
由此，能够适当地从表面安装型电感器经由电源电压端子向电源线束散热。
并且，优选电容器安装于基板的表面，连结二个电极端子的方向与连结电感器的输入端和输出端的接线方向平行，与接地图案连接的电极端子配置于接近第二端子孔的一侧。通过尽可能地缩短电容器与接地端子的距离，减小滤波电路的环路面积，能够使耐噪声性能提高。
本公开的电力转换装置例如在车辆的电动助力转向装置中作为驱动转向操纵辅助马达的装置应用。电动助力转向装置的转向操纵辅助马达要求突然产生较大的输出，所以电感器或电力转换电路中流通有大电流，产生热量。并且，由于车辆的安装空间被限制，不得不使电力转换装置小型，所以自然冷却比较不利。因此，通过本公开的构成，能特别有效地发挥使电感器的散热性提高的效果。
附图说明
本公开的上述目的以及其他的目的、特征、优点通过参照添加的附图的下述的详细描述更加明确。该附图中：
图1是应用了各实施方式的ECU(电力转换装置)的电动助力转向装置的整体示意图，
图2是各实施方式的ECU的电路构成图，
图3是第一实施方式的ECU基板的俯视图，
图4是表示第一实施方式的ECU的滤波电路部的基板安装构成的示意图，
图5是表示电源电压端子与表面安装型电感器的连接的侧视图，
图6A是表面安装型电感器的俯视图，
图6B是图6A的VIB方向向视图，
图6C是图6A的VIC方向向视图，
图7是表示第二实施方式的ECU的滤波电路部的基板安装构成的示意图，
图8是表示第三实施方式的ECU的滤波电路部的基板安装构成的示意图，
图9是表示第四实施方式的ECU的滤波电路部的基板安装构成的示意图。
具体实施方式
以下，基于附图对电力转换装置的多个实施方式进行说明。这些实施方式的电力转换装置例如在车辆的电动助力转向装置中作为向输出转向操纵辅助转矩的马达供给电力的装置来应用。将以下的第一～第四实施方式包括在内称为“本实施方式”。
最初，参照图1对电动助力转向装置的概略结构进行说明。
电动助力转向装置90具备输出转向操纵辅助转矩的作为“负载”的马达80、以及向马达80供给电力的作为“电力转换装置”的ECU10。
ECU10根据来自设置于转向轴92的转矩传感器95的转矩信号trq，对作为“直流电源”的蓄电池15的直流电力进行转换并供给到马达80。马达80根据驾驶员的转向操纵方向例如在将方向盘91向右转时正转，将方向盘91向左转时反转。
此外，图1所例示的电动助力转向装置90为马达80安装于齿条轴93的齿条辅助式的电动助力转向装置，但本实施方式也同样地能够应用于柱辅助式的电动助力转向装置。
接下来，参照图2，以转向操纵辅助马达80是DC马达的情况为例对ECU10的电路构成进行说明。ECU10具有包括电力转换电路的功率部60、以及控制功率部60的通电的控制部70。
在驱动对象是DC马达80的情况下，功率部60包括将四个开关元件61－64桥连接而成的H桥电路作为电力转换电路。作为开关元件61－64，例如使用MOSFET(即，金属氧化物半导体场效应晶体管)。
作为H桥电路的一方的半桥的中间点的第一节点N1、以及作为另一方的半桥的中间点的第二节点N2分别与马达端子37、38连接。在经由马达80连结第一节点N1与第二节点N2之间的电力路径LP设置有防止从马达80输入感应电力的马达继电器65。另外，例如在H桥电路的接地侧设置有电流检测用的分流电阻67。
控制部70获取转矩信号trq、车速信号等车辆信息。另外，由功率部60检测到的电流信息等被反馈，基于这些信息将开关信号输出到功率部60的电力转换电路。在驱动对象是DC马达80的情况下，控制部70控制马达80的通电以及旋转方向。
此外，作为构成控制部70的基板安装部件，使用微机41以及定制IC42等。
从共用的蓄电池15供给通电给功率部60的驱动用电力、以及控制部70的动作用的控制电力。
ECU10的电源电压端子33经由电源线束16的PIG线与蓄电池15的正极连接。接地端子34经由电源线束16的PGND线接地。另外，通过点火开关17开/关输入有控制电力的IG线的导通。
在电源电压端子33与功率部60之间设置有能够切断PIG线的导通的电源继电器45。电源继电器45也考虑错误地反向连接蓄电池15的极性的情况的保护，例如，由寄生二极管的方向相互反向地串联连接的二个MOSFET构成。或者，也可以由电磁开闭式的机械继电器构成电源继电器45。
以下，电源继电器45的“前面”是指输入侧，即电源电压端子33侧，电源继电器45的“后面”是指功率部60侧。
在本实施方式中，在电源继电器45的前面设置有由电感器40以及电容器50构成的滤波电路。电感器40在PIG线上输入端43与电源电压端子33连接，输出端44与电源继电器45连接。电容器50的一个电极端子53与电感器40的输入端43连接，另一个电极端子54与接地端子34连接。
滤波电路除去从外部的电源线束16进入ECU10的干扰噪声，并且除去随着功率部60的开关动作产生且从ECU10向外部输出的开关噪声。后述的“耐噪声性能”是指对于这两种噪声的除去能力。
在电源继电器45的后面设置有将对功率部60的输入电力平滑化的继电器后电容器55。若严格地分开使用术语，则与“继电器后电容器55”对应地，与电感器40的输入端43连接的电容器50为“继电器前电容器50”。但是，在以下的说明中，几乎不关注继电器后电容器55，仅提及继电器前的电容器50。因此，省略“继电器前电容器50”，只记为“电容器50”。电源继电器45前的电容器50相当于“电容器”。
如后述那样，在本实施方式的基板安装构成中，作为电感器40，不使用扼流线圈型的电感器，而使用表面安装型的电感器。
另外，对于在图2中分别由1个电气符号图示的电容器50以及继电器后电容器55，在现实的基板安装中，也可以并联连接有多个电容器元件。即，图2中的一个电容器的电气符号作为实体被解释为“一个以上的电容器”。
然而，在专利文献1(日本特开2015－126097号公报)所公开的现有技术中，未对电感器的散热进行考虑。
虽然专利文献1的说明书未清楚地显示，但若根据专利文献1的图3、图4等的记载基于本领域技术人员的技术常识判断，则推测在电源继电器的后面设置有表面安装型的电感器以及多个继电器后电容器。另外，根据现有的技术常识，通常考虑在电源电压端子紧接之后设置电源继电器，避免在继电器切断时对电感器或电容器施加电压。
在本实施方式中，对于这样的现有技术的布局，在电源继电器45的前面配置电感器40以及电容器50，以提高电感器的散热性。总之，在电源继电器45的前面配置表面安装型的电感器40以及电容器50这样的本实施方式的构成其本身清楚地显示出对现有技术的贡献。
另外，在本实施方式中，为了提高电感器40的散热性，对于ECU10的滤波电路部的基板安装构成，更具体地设计了元件配置。这样，以在现有技术中完全没关注的电感器40的散热性提高为目的的本实施方式的基板安装构成并不相当于所有的设计事项。
以下，按每个实施方式对基板安装构成的详细进行说明。作为各实施方式的ECU10的附图标记，对接着“10”的第三位标注实施方式的编号。
(第一实施方式)
参照图3～图6对第一实施方式进行说明。图3是安装有ECU101的电路的基板20的俯视图，与专利文献1的图3等对应。以下的安装构成的说明基本上以图3的观察方向亦即俯视为基准进行描述。
基板20由环氧玻璃、陶瓷等绝缘性材料形成。在基板20的表层由铜等导电性物质形成有电源图案21等布线图案。图3中省略电源图案21以外的布线图案的图示。
在本实施方式中，对继电器后电容器55的配置、功率部60中的开关元件61－64的配置、和控制部70中的微机71以及定制IC72的配置省略图示。
另外，省略专利文献1详细记载的与主要有助于开关元件61－64的散热的散热片、散热凝胶等有关的图示以及说明。
在大致长方形的基板20的一边设置有能够插入用于将电力或信号与外部输入输出的线束的连接器部30。连接器部30包含有与图2的电路图对应的电源电压端子33、接地端子34、马达端子37、38以及控制端子39。对于控制端子39而言，用一个附图标记包括输入有来自IG线的控制电力的端子和输入有车辆信息信号的端子。另外，将与各端子对应的多个线束如何分组适当地设定即可。至少包含有PIG线的线束是电源线束16。
电源电压端子33、接地端子34以及马达端子37、38分别插入在基板20形成的端子孔23、24、27、28，通过焊接等与对应的各布线图案电连接。对于这些端子的连接构成中的马达端子37、38不做更多的提及。
电源电压端子33以及接地端子34的横截面形成为长方形，以对大电流的通电有利。与此对应，插入有电源电压端子33的第一端子孔23、以及插入有接地端子34的第二端子孔24形成为长孔状。
接着，参照图4、图6A、6B、6C对第一实施方式的ECU101的滤波电路部的基板安装构成进行说明。
在图4中，以梨皮花纹示出在基板20的表层形成的电源图案21的区域。
另外，由虚线框示出在基板20的表层形成的接地图案22中，连接电容器50的电极端子54和接地端子34的部分。
参照图2所示，接地图案22与继电器后电容器55、功率部60、控制部70的接地侧接点共通连接。例如，在现实的产品中，也可以将电源图案21或其他的布线图案的区域以外的整个表层区域作为接地图案22。但是，在图4等中，为了特别显示电容器50的电极端子54与接地端子34的连接，所以省略其他的部分的接地图案22的图示。
在电源图案21形成有插入有横截面为长方形的电源电压端子33的长形的第一端子孔23。同样地，在接地图案22形成有插入有横截面为长方形的接地端子34的长形的第二端子孔24。
在图4的例子中，第一端子孔23以及第二端子孔24呈使圆形孔向一个方向平行移动而得到的长孔形状。但是，第一端子孔23以及第二端子孔24并不局限于该形状，是例如被倒角的长方形等那样电源电压端子33以及接地端子34能够彼此不干扰地插入的“长形”的形状即可。
插入第一端子孔23以及第二端子孔24的电源电压端子33以及接地端子34通过焊接等与电源图案21以及接地图案22电连接。
以下，将第一端子孔23的长边轴向定义为“x方向”。在图4的例子中，第一端子孔23的长边轴和第二端子孔24的长边轴配置在同一直线上。此外，在其他的实施方式中，第二端子孔24可以相对于第一端子孔23平行地偏移，也可以非平行地配置。这里，将第一端子孔23的x方向的全长表示为Wh。
在电源图案21连接有电感器40的输入端43、以及电容器50的一方的电极端子53。在接地图案22连接有电容器50的另一方的电极端子54。
在本实施方式中，作为构成滤波电路的电感器，使用表面安装型的电感器40。
图6A、6B、6C示出呈大致长方体的表面安装型电感器40的三面图。图6A的俯视图中的线圈41的图示示意性地表示电气符号，并不表示实体的形状。线圈41缠绕于主体42的铁芯。
线圈41的输入端43和输出端44形成长方体的相对面。因此，输入端43以及输出端44的壁面与用最短距离连结输入端43和输出端44的线圈41的接线方向正交。
输入端43以及输出端44也形成为没有区别能够互换。但是，为了方便说明，将与电源图案21连接的端部作为输入端43，将与电源继电器45侧的布线图案连接的端部作为输出端44。电源继电器45侧的布线图案省略图示。
另外，将输入端43的宽度表示为Wt。在图4中，连接第一端子孔23和输入端43的部分中的电源图案21的宽度Wp形成为大于输入端43的宽度Wt。
电容器50也可以是具有极性的电解电容器、或者无极性电容器的任意一种。电容器50的两个电极端子53、54不管极性的有无，都将与电源图案21连接的电极端子作为第一电极端子53，将与接地图案22连接的电极端子作为第二电极端子54。
第一实施方式的ECU101对于滤波电路部的基板安装构成具有如下的点。
(1)大致长方体的表面安装型电感器40的输入端43的壁面与第一端子孔23的长边轴向亦即x方向平行地配置。因此，将与输入端43的壁面正交的线圈41的接线方向定义为与x方向正交的“y方向”。在图4以后的图中，将xy坐标轴作为参照来记载。
而且，在x方向上，输入端43的宽度Wt和第一端子孔23的全长Wh至少一部分重复。
如图5所示，电感器40的发热Q从输入端43经由基板20的表层的电源图案21传递到插入第一端子孔23的电源电压端子33，进一步从连接器部30传递到电源线束16。
因此，通过在连接输入端43和第一端子孔23的电源图案21的导热路径中，配置为输入端43和第一端子孔23的至少一部分对置，从而能够有效地确保导热路径，使电感器40的散热性提高。
另外，只要能够制造，优选输入端43与第一端子孔23的距离D1设定得尽可能短。
电动助力转向装置90的转向操纵辅助马达80要求突然产生较大的输出，所以在PIG线的电感器40、功率部60中流通有大电流，产生热量。并且，因为车辆的安装空间被限制，不得不使ECU101小型，所以自然冷却比较不利。因此，通过上述构成，能特别有效地发挥使电感器40的散热性提高的效果。
(2)特别是在第一实施方式中，电感器40在x方向上与第一端子孔23对置，使得第一端子孔23的全长Wh包含在输入端43的宽度Wt的范围内。由此，能够特别有效地确保基板20的表层的电源图案21的导热路径。
(3)电容器50的连结第一电极端子53和第二电极端子54的方向是与电感器40的接线方向平行的y方向，第二电极端子54配置于接近第二端子孔24的一侧。这里，“与接线方向平行”并不局限于精确的平行，包括能够解释为几乎平行的范围。简而言之，也可以将连结第一电极端子53和第二电极端子54的方向不与x方向一致，且能够辨别第一电极端子53和第二电极端子54的哪一个在接近第二端子24的一侧的方式全部解释为“是接线方向，即与y方向平行”。
由此，通过尽可能地缩短第二电极端子54与接地端子34的距离，减小滤波电路的环路面积，能够使耐噪声性能提高。
(4)如图4中块状箭头所示，在y方向上，电容器50的中心位置CC相对于电感器40的中心位置CL向第二端子孔24侧偏移。由此，有利于缩短第二电极端子54与接地端子34的距离，能够使耐噪声性更加提高。
接下来，参照与第一实施方式的图4对应的图7、图8、图9对对于第一实施方式变更了一部分滤波电路部的基板安装构成的第二、第三、第四实施方式的构成进行说明。在以下的实施方式的说明中，对与第一实施方式基本上相同的构成标注相同的附图标记，省略说明。
(第二实施方式)
图7所示的第二实施方式的ECU102与第一实施方式的不同之处在于在电源继电器45的前面并联连接有两个电容器501、502。在y方向上，两个电容器501、502的中心位置CC1、CC2均相对于电感器40的中心位置CL位于第二端子孔24侧。
另外，电容器501、502的第二电极端子54在y方向上均配置于接近第二端子孔24的一侧。
第二实施方式起到与第一实施方式相同的效果。
作为第二实施方式的变形例，输入部的滤波电路也可以由在电源图案21与接地图案22之间并联连接的三个以上的继电器前电容器构成。在多个继电器前电容器并联连接的构成中，优选其中至少一个电容器的中心位置相对于电感器40的中心位置CL位于第二端子孔24侧。
(第三实施方式)
图8所示的第三实施方式的ECU103与第一实施方式的不同之处在于电感器40与第一端子孔23的位置关系。在x方向上，电感器40的输入端43的范围Wt成为不完全包含第一端子孔23的范围Wh，一部分重复的状态。此外，优选输入端43与第一端子孔23的距离D1和第一实施方式相同地设定得尽可能短。
第三实施方式起到与第一实施方式的效果(1)、(3)、(4)相同的效果。
(第四实施方式)
图9所示的第四实施方式的ECU104与第一实施方式的不同之处在于电感器40与电容器50的位置关系。在y方向上，电容器50的中心位置CC位于与电感器40的中心位置CL几乎相同的位置。若简洁地表现，则在图9中，电容器50配置于电感器40的旁边。
另外，电容器50的第二电极端子54在y方向上配置在远离第二端子孔24的一侧。因此，接地图案22的一部分延伸为绕电源图案21的电容器50侧。
第四实施方式起到与第一实施方式的效果(1)、(2)相同的效果。
(其他的实施方式)
(a)对于本公开的实施方式中的基板20的安装构成，除了电感器40以及电容器50和电源图案21以及接地图案22的端子孔23、24的配置以外，并不局限于图3所例示的构成。例如，也可以将功率部60的区域和控制部70的区域的配置对于图3全部变更。或者，也可以不将功率部60和控制部70安装在同一基板，将功率基板和控制基板分别独立地设置。
(b)在本公开中，收容有基板20的散热片的形状、在功率部60的开关元件61－64与散热片之间填充散热凝胶等的点并不特定。但是，通过利用专利文献1的现有技术并与本公开组合，能够期待包括开关元件61－64以及电感器40的整个ECU基板的散热性提高。
(c)对于驱动DC马达的上述实施方式，也可以为具备三相变频器作为功率部的电力转换电路，且驱动作为负载的三相交流马达的电力转换装置。
另外，本公开的电力转换装置并不局限于电动助力转向装置的驱动转向操纵辅助马达的装置，能够应用于对从直流电源输入的电力进行转换，并输出到某负载的所有的电力转换装置。
以上，本公开并不完全局限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围中以各种方式实施。
本公开根据实施方式进行了描述。然而，本公开并不局限于该实施方式以及结构。本公开也包含各种变形例以及均等的范围内的变形。另外，各种组合以及方式、甚至其中仅包含一个要素、更多、或者更少的其他的组合以及方式也包含在本公开的范畴以及思想范围。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，是通过电力转换电路(60)的动作对从直流电源(15)经由电源线束(16)输入的电力进行转换并输出到负载(80)的电力转换装置，具备：
基板(20)；
连接器部(30)，具有横截面为长方形的电源电压端子(33)以及接地端子(34)，能够供上述电源线束插入；
电源图案(21)，形成于上述基板的表层，且具有供上述电源电压端子插入的长形的第一端子孔(23)；
接地图案(22)，形成于上述基板的表层，且具有供上述接地端子插入的长形的第二端子孔(24)；
电源继电器(45)，设置于上述电力转换电路的输入部，且能够切断电力路径；
电感器(40)，安装于上述基板的表面，呈与上述电源图案连接的输入端(43)和与上述电源继电器连接的输出端(44)面对面的长方体；以及
一个以上的电容器(50)，一方的电极端子(53)与上述电源图案连接，另一方的电极端子(54)与上述接地图案连接，该一个以上的电容器(50)与上述电感器一起构成滤波电路，
上述电感器的上述输入端的壁面与上述第一端子孔的长边轴向平行地配置，并且，在上述第一端子孔的长边轴向上，上述输入端的宽度(Wt)和第一端子孔的全长(Wh)至少一部分重复。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
上述电感器在上述第一端子孔的长边轴向上与上述第一端子孔对置，使得在上述输入端的宽度的范围内包括上述第一端子孔的全长。
3.根据权利要求1或者2所述的电力转换装置，其中，
上述电容器安装于上述基板的表面，连结二个上述电极端子的方向与连结上述电感器的上述输入端和上述输出端的接线方向平行，与上述接地图案连接的电极端子配置在接近上述第二端子孔的一侧。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
在上述电感器的接线方向上，至少一个上述电容器的中心位置相对于上述电感器的中心位置位于上述第二端子孔侧。
5.根据权利要求1或者2所述的电力转换装置，其中，
连接第一端子孔(23)和输入端(43)的部分中的电源图案(21)的宽度(Wp)形成为大于输入端(43)的宽度(Wt)。
6.一种电动助力转向装置，具备：
安装于车辆的权利要求1～5的任一项所述的电力转换装置；以及
作为上述负载的马达(80)，利用从上述电力转换装置供给的电力输出转向操纵辅助转矩。
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