CN110121835A - 电力转换装置及功率模块 - Google Patents

Abstract

电力转换装置(100)具备：功率模块(10)，其具备桥接电路(11)、电容器电路(12)以及第1端子(13)，该桥接电路(11)具有第1及第2开关元件(11a、11b)，该电容器电路(12)与桥接电路(11)并联连接，该电容器电路(12)构成为，将第1电容器(12a)和第2电容器(12b)串联连接，该第1端子(13)与电容器电路(12)的中性点(12d)连接；以及第3电容器，其一端与第1端子(13)连接，另一端与接地电位(22)连接。

Description

电力转换装置及功率模块

技术领域

本发明涉及内置有开关元件的功率模块、及具备该功率模块的电力转换装置。

背景技术

就电力转换装置而言，有时由于所搭载的开关元件的通断动作而产生的浪涌电压及噪声成为问题。浪涌电压成为电力转换装置的动作故障的原因之一。另外，噪声成为电力转换装置的动作故障、或环境恶化的原因之一。

针对上述问题，在专利文献1中公开了在搭载有开关元件的功率模块内置电容器的结构。另外，在专利文献2中公开了为了除去共模噪声而内置滤波电容器的结构。

专利文献1：日本特开2014-187874号公报

专利文献2：日本特开2004-335625号公报

发明内容

在上述现有技术中，通过将电容器内置于功率模块，从而实现浪涌电压及噪声的降低。但是，在现有技术中，浪涌电压及噪声的降低不充分，谋求进一步的改善。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到能够进一步降低浪涌电压及噪声的电力转换装置。

为了解决上述课题，达成目的，本发明涉及的电力转换装置具备功率模块。功率模块具备：开关电路，其具有开关元件；电容器电路，其与开关电路并联连接，电容器电路构成为，将第1电容器和第2电容器串联连接；以及外部连接用端子，其与电容器电路的中性点连接。电力转换装置还具备第3电容器，该第3电容器的一端与外部连接用端子连接，另一端与接地电位连接。

发明的效果

根据本发明，由于第1电容器、第2电容器和第3电容器作为Y电容进行动作，因此取得能够进一步降低浪涌电压及噪声的效果。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的电力转换装置的结构例的电路图。

图2是表示实施方式2涉及的电力转换装置的结构例的电路图。

图3是用于说明实施方式3涉及的电力转换装置的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式涉及的电力转换装置及功率模块进行详细说明。此外，本发明并不限于下面的实施方式。另外，在以下的说明中，没有对“物理性连接”和“电连接”进行区分，单纯称为“连接”。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的电力转换装置的结构例的电路图。实施方式1涉及的电力转换装置100具备：功率模块10；以及电容器12c，其一端与功率模块10的第1端子13连接，另一端使用电气配线即连接线24与接地电位22连接。

直流电压源1为将直流电压施加于功率模块10的电源。直流电压源1既可以是处于模块封装体的外部的电源，也可以是内置于模块封装体的电容器。

功率模块10具备将第1开关元件11a、第2开关元件11b串联连接的上下桥臂结构的桥接电路11。桥接电路11也可以是至少具备1个开关元件的开关电路。

另外，功率模块10具备将电容器12a、电容器12b串联连接的电容器电路12，该电容器12a为用于除去噪声的第1电容器，该电容器12b为用于除去噪声的第2电容器。电容器电路12并联连接于桥接电路11的一个电极11c与另一个电极11d之间。

功率模块10除了上述第1端子13之外，还具备：第2端子14，其成为功率模块10的正极侧端子；第3端子15，其成为功率模块10的负极侧端子；第4端子16，其成为功率模块10的负载连接端子；以及第5端子17，其成为功率模块10的驱动信号输入端子。此外，如上所述，在第1端子13连接有外部元件即电容器12c，第1端子13成为功率模块10的外部连接用端子。

此外，本实施方式中的功率模块10是指，具备上述开关电路、电容器等电子部件，在设置了外部连接用端子的状态下以模塑型、壳体型进行了树脂封装的模块。

第2端子14与从直流电压源1的正极引出的电源配线即正极线1a连接。正极线1a对桥接电路11及电容器电路12的一端赋予第1电位。第3端子15与从直流电压源1的负极引出的电源配线即负极线1b连接。负极线1b对桥接电路11及电容器电路12的另一端赋予第2电位。第2电位是比第1电位低的电位。因此，也将第1电位称为上级电位，将第2电位称为下级电位。第4端子16在功率模块10的内部，连接于第1开关元件11a和第2开关元件11b的连接点。另外，第4端子16与负载装置4连接。

第1端子13在功率模块10的内部，连接于电容器12a和电容器12b的连接点即中性点12d。另外，如上所述，第1端子13连接于在功率模块10的外部配置的电容器12c的一端。电容器12c为用于除去噪声的电容器。另外，电容器12c与电容器12a及电容器12b一起作为所谓的Y电容进行动作，有效地降低共模噪声。下面，在不标记标号而对电容器12c与其它电容器进行区分的情况下，称为“第3电容器”。

除了功率模块10及电容器12c之外，电力转换装置100还具备驱动控制电路3，该驱动控制电路3对桥接电路11的第1开关元件11a及第2开关元件11b的通断动作进行控制。驱动控制电路3与第5端子17连接。从驱动控制电路3输出的驱动信号经由第5端子17输入至第1开关元件11a和第2开关元件11b。

在第3端子15和第4端子16之间连接负载装置4。负载装置4的一个例子为旋转电机。

接着，对实施方式1涉及的电力转换装置100的动作进行说明。驱动控制电路3基于从驱动控制电路3的外部赋予的电压指令，生成对第1开关元件11a、第2开关元件11b进行驱动的驱动信号。生成的驱动信号经由第5端子17赋予给第1开关元件11a及第2开关元件11b。此时，第1开关元件11a及第2开关元件11b各自进行通断动作。通过第1开关元件11a及第2开关元件11b的通断动作，从桥接电路11对负载装置4施加电压恒定或者可变且频率恒定或者可变的模拟正弦波。由此，对负载装置4进行驱动。

接着，对通过将实施方式1涉及的电力转换装置100如图1所示那样构成而实现的效果进行说明。

在背景技术的部分也说明过，由于在功率模块10搭载的各开关元件的通断动作，在桥接电路11产生浪涌电压及噪声。然而，由于在功率模块10产生的浪涌电压的大小及频率以及噪声的大小及频率依赖于负载装置4的种类、额定值或用途，因此是各式各样的。除此之外，在功率模块10内置的电容器不容易更换。特别是对于电容器被树脂覆盖的构造的功率模块10而言，电容器电路12的更换大多是困难的。因此，难以与负载装置4的种类、额定值及用途对应地将在功率模块10内置的电容器通用地进行运用。

在这点上，就实施方式1涉及的电力转换装置100而言，构成为第3电容器即电容器12c外置于功率模块10，电容器12c连接于在功率模块10设置的外部连接用端子即第1端子13，经由电容器12c对电容器12a和电容器12b赋予接地电位22。通过该结构，在由电容器12a、12b、12c构成的噪声抑制电路中，能够在功率模块10的外部调整对噪声进行滤波的滤波频率。由此，能够提高电力转换装置100中的噪声的降低效果。

另外，就实施方式1涉及的电力转换装置100而言，成为电容器12a和电容器12c相对于接地电位22而串联连接，并且，电容器12b和电容器12c相对于接地电位22串联连接的结构。即，就实施方式1涉及的电力转换装置100而言，由于成为相对于接地电位22串联2个电容器的结构，因此具有容易确保元件耐压，使成本及尺寸减小这样的效果。

另外，根据实施方式1涉及的电力转换装置100，在为了抑制浪涌及降低噪声而运用了内置的电容器12a、12b的基础上，将与电容器12a、12b的中性点连接的第1端子13设置为外部连接用端子，在功率模块10的外部新配置电容器12c而与外部连接用端子即第1端子13连接，因此能够有效地构成在功率模块10设置的Y电容的功能。

而且，根据实施方式1涉及的电力转换装置100，由于仅使电容器12c为在外部连接，因此能够有效运用通过将电容器12a、12b内置于功率模块10而实现浪涌电压及噪声的降低这样的现有的特征，并且减少新附加的部件的数量，提高浪涌电压及噪声的降低效果。

而且除此之外，根据实施方式1涉及的电力转换装置100，与在功率模块10的内部将电容器连接于接地电位22的情况相比，能够小型化。在将用于赋予接地电位22的部位设置于功率模块10的内部的情况下，由于需要设置与其它电位的绝缘距离，因此功率模块10的尺寸变大。如果使用本实施方式，则不需要在工作模块内部设置赋予接地电位的部位以及与其周围的绝缘空间，因此还具有使功率模块10小型化的效果。

此外，在图1中，配置有单一的电容器12c，但在想要降低的噪声成分遍及多个频带而存在的情况下，也可以并联地配置多个电容器12c。在连接线24存在寄生电感，如果将该寄生电感的成分设为L，将电容器12c的静电电容设为C，则共振频率f能够由来表示。通过配置多个电容器12c，对多个电容器12c的静电电容C进行选择，从而能够将共振频率设为多个，降低各个频率成分的噪声。

另外，在实施方式1中，作为具有开关元件的开关电路的一个例子，使用具有第1开关元件11a及第2开关元件11b的由上下桥臂构成的桥接电路11进行了说明，但也可以仅使用1个开关元件来构成桥接电路11。

另外，在实施方式1中，公开了功率模块10具备一相的上下桥臂的结构，但也可以具备单相或者三相上下桥臂这样的多个上下桥臂。此外，在这些结构的情况下，电容器电路12不需要针对多个上下桥臂的每一者来设置，在整个桥接电路11设置1个电容器电路12的结构即可。

另外，实施方式1涉及的电力转换装置100具备与各开关元件逆并联连接的二极管，但该二极管也可以由在开关元件内置的体二极管来代替，还可以不具备二极管本身。

另外，在实施方式1中，对在直流电压源1的正极和负极之间连接开关电路的情况进行了说明，但也可以应用于一部分的开关电路，而不是电路整体。

实施方式2.

图2是表示实施方式2涉及的电力转换装置的结构例的电路图。实施方式2涉及的电力转换装置100A是在图1所示的实施方式1涉及的电力转换装置100中，将外置的电容器12c配置于功率模块10的内部而得到的。由此，就实施方式2涉及的功率模块10而言，外部连接用端子即第1端子13被用作接地电位连接用端子。另外，在功率模块10的内部，电容器12a、12b、12c构成Y型地连接的电容器电路12A。另外，在功率模块10的外部，通过连接线24对第1端子13赋予接地电位22。此外，关于其它结构及动作，与图1所示的实施方式1的结构相同或等同，对相同或等同的结构部标注相同标号，省略重复的说明。

接着，对通过将实施方式2涉及的电力转换装置100A如图2所示那样构成而实现的效果进行说明。

首先，就实施方式2涉及的电力转换装置100A而言，由于将电容器12c配置在功率模块10内部，因此与实施方式1的功率模块10相比，能够减小功率模块10内的电路的配线电感。由此，能够使得浪涌电压及噪声的产生比实施方式1小。

此外，在实施方式2的结构中，电容器12c的数量也可以不是1个，而是设置多个。另外，在设置多个电容器12c的情况下，接地电位连接用端子即第1端子13可以是1个，也可以是多个。在第1端子13为1个的情况下，具有不需要设置多个连接线24的效果。另外，在第1端子13为多个的情况下具有如下效果，即，无需对与第1端子13各自连接的电容器12c的静电电容进行变更，通过对连接线24的长度进行调整，即可变更谐振频率。

实施方式3.

在实施方式3中，参照图3对构成噪声抑制电路的电容器12a、12b、12c的静电电容进行说明。图3是用于说明实施方式3涉及的电力转换装置的图。图3所示的电路与图1所示的相同，但示出了可能存在于正极线1a的寄生电感20a、和可能存在于负极线1b的寄生电感20b这一点是与图1的区别。此外，关于其它结构，与图1所示的实施方式1相同，对相同结构部标注相同标号，省略重复的说明。

首先，在对电容器12a、12b、12c的静电电容C进行选择的情况下，需要设为小于或等于与漏电流的限制值相伴的上限值。以下，对其理由进行说明。

首先，如上所述，对于电容器12a、12b、12c的静电电容C，与想要抑制的频率f相匹配地选择这样的静电电容。这里，L为包含电容器电路12及电容器12c的噪声抑制电路的寄生电感成分。如果频率f低，则能够通过增大静电电容C来应对，但如果静电电容C变大，则向接地的漏电流增大。漏电流的量由安全标准规定。因此，例如，如果将漏电流的限制值设为Ileak[A]，将噪声的电压设为V[V]，则需要以满足C≤Ileak/(V·2πf)的方式对C进行选择，C＝Ileak/(V·2πf)成为上限值。此外，在想要选择的C已经大于或等于上限值的情况下，通过对上限值进行选择，从而得到最大的效果。即，在想要选择的C处于C>Ileak/(V·2πf)的关系的情况下，通过对满足C＝Ileak/(V·2πf)的C进行选择，从而能够符合漏电流的限制，并且使噪声降低。

接着，对正极线1a及负极线1b的匹配进行说明。具体而言，正极线1a及负极线1b的匹配以下述方式构成。此外，下面，将接地电位22记为“接地电位(E)”，将正极线1a记为“P线”，将负极线1b记为“N线”，将直流电压源1记为“电源”。

使得将P线、电容器电路12、电容器12c和接地电位(E)连接的路径的阻抗Z1比将接地电位(E)、电源和P线连接的路径的阻抗Z2小，并且使得该Z1比将接地电位(E)、电源和N线连接的路径的阻抗Z3小。

对以上述方式构成的理由进行说明。桥接电路11成为噪声源，但从满足标准的观点及抑制对其它装置的影响的观点来看，应该使噪声不会进入电源。如果以上述方式构成，则与连接于电源的各路径的阻抗相比，包含噪声抑制电路的路径的阻抗变小，因此噪声变得容易流向包含噪声抑制电路的路径，得到向电源侧的噪声量变小，降低对电源的影响这样的效果。

实施方式4.

在实施方式4中，对形成第1开关元件11a及第2开关元件11b的材料进行说明。作为桥接电路11所使用的第1开关元件11a及第2开关元件11b，通常是以硅(Si)为材料的半导体开关元件(下面记为“Si元件”)，但也可以使用以近年来受关注的碳化硅(SiC)为材料的半导体开关元件(下面记为“SiC元件”)。

SiC元件与Si元件相比，具有传热系数大，能够进行高温下的工作这样的优异的特性。通过将SiC元件用作第1开关元件11a及第2开关元件11b能够得到由SiC元件带来的益处。即，由于SiC元件的导通损耗小，因此能够降低桥接电路11中的损耗，得到能够抑制内置有第1开关元件11a及第2开关元件11b的功率模块10的发热这样的效果。

此外，考虑到比Si元件带隙大这一特性，SiC元件是被称为宽带隙半导体的半导体的一个例子。除了该SiC元件之外，使用例如氮化镓系材料、或金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性与SiC类似的点也多。因此，使用SiC之外的其它宽带隙半导体的结构也构成本发明的要点。

另外，由上述的宽带隙半导体形成的开关元件的耐压性高，容许电流密度也高，因此能够实现开关元件的小型化，通过使用这些小型化的开关元件，能够实现搭载了这些元件的功率模块的小型化。

另外，由于由宽带隙半导体形成的开关元件耐热性也高，因此在需要散热器这样的冷却机构的开关元件的情况下，能够实现冷却机构的小型化，能够实现搭载了开关元件的功率模块的进一步小型化。

另一方面，虽然通断速度的增加在提高效率的观点上是有效的，但在驱动SiC元件时，由于集电极-发射极电压随时间的变化量即“dv/dt”、集电极电流随时间的变化量即“di/dt”变得急剧，因此产生噪声增加这样的问题。

针对该问题，如果使用上述实施方式1至3所示的功率模块10，则能够使功率模块内的配线电感减小，另外，能够有效地将功率模块内产生的噪声降低至接地电位。因此，实施方式1至3所示的功率模块10对于搭载有SiC元件的功率模块会有效地起作用，毫不夸张地说，其是能够灵活应对将来的趋势的技术之一。

此外，以上的实施方式所示的结构表示的是本发明的内容的一个例子，也可以与其它的公知的技术组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也可以对结构的一部分进行省略、变更。

标号的说明

1直流电压源，1a正极线，1b负极线，3驱动控制电路，4负载装置，10功率模块，11桥接电路，11a第1开关元件，11b第2开关元件，11c、11d电极，12、12A电容器电路，12a、12b、12c电容器，12d中性点，13第1端子，14第2端子，15第3端子，16第4端子，17第5端子，20a、20b寄生电感，22接地电位，24连接线，100、100A电力转换装置。

Claims (8)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

功率模块，其具备开关电路、电容器电路以及外部连接用端子，该开关电路具有开关元件，该电容器电路与所述开关电路并联连接，该电容器电路构成为，将第1电容器和第2电容器串联连接，该外部连接用端子与所述电容器电路的中性点连接；以及

第3电容器，其一端与所述外部连接用端子连接，另一端与接地电位连接。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述第3电容器由多个电容器构成。

3.一种功率模块，其具备开关电路，该开关电路具有开关元件，

该功率模块的特征在于，具备：

第1电容器；

第2电容器，其与所述第1电容器串联连接；

第3电容器，其一端与所述第1电容器和所述第2电容器的连接点连接；以及

外部连接用端子，其与所述第3电容器的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，

所述第3电容器由多个电容器构成。

5.一种电力转换装置，其特征在于，

具备权利要求3或4所述的功率模块，

所述外部连接用端子与接地电位连接。

6.根据权利要求1、2或5所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述功率模块设置有多个所述外部连接用端子。

7.根据权利要求1、2、5或6所述的电力转换装置，其特征在于，

所述开关元件由宽带隙半导体形成。

8.根据权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于，

所述宽带隙半导体为使用了碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石的半导体。