CN110417279A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

电力转换装置具有半导体模块、冷却单元、电容器模块、放电电阻基板、控制电路基板和壳体。半导体模块形成电力转换电路。电容器模块电连接到半导体模块。放电电阻布置在放电电阻基板上并使电容器模块放电。控制电路基板对半导体模块的运转进行控制。壳体收容半导体模块、冷却单元、电容器模块、放电电阻基板和控制电路基板。放电电阻基板布置在电容器模块的外壁面与控制电路基板之间，并且沿垂直于控制电路基板的方向布置，使得放电电阻基板与电容器模块的外壁面及控制电路基板分开就位。

Description

电力转换装置
技术领域
本公开涉及一种电力转换装置。
背景技术
电力转换装置安装在各种类型的车辆上，例如，安装在混合动力车辆和电动车辆上以驱动电动机等。例如，电动机通常配备有形成逆变器的半导体模块、供冷却剂流过的冷却单元、包括平滑电容器的电容器模块、电路板和壳体。壳体收容半导体模块、逆变器、冷却单元、电容器模块和电路板等。通常，已进行各种尝试以减小壳体的整体尺寸。例如，已尝试确保壳体中的半导体模块、电容器模块、逆变器、冷却单元和电路板的最佳结构和布置。
专利文献1，日本专利特开2016-73096号公报公开了一种用于车辆电力转换装置的电容器模块的结构，该电容器模块具有第一电路基板和第二电路基板。控制电路安装在电容器壳体上。用于对电容器的电压进行检测的电压检测单元布置在第二电路基板上。第一电路基板与第二电路基板分开布置。例如，第二电路基板安装在壳体的一侧壁上，而第一电路基板安装在壳体的另一侧壁上。
在专利文献1所示的电容器模块中，第二电路基板与第一电路基板分开。这种结构允许第一电路基板不具有绝缘图案，并减小了电容器模块的尺寸，并且由此减小了电力转换装置的整体尺寸。
放电电阻安装在第二电路基板上，使得放电电阻与电容器并联布置。积聚在电容器中的电荷通过放电电阻被放电。例如，当车辆的点火关断时，电容器中的内部电荷通过放电电阻逐渐放电。这允许用户利用新的逆变器安全地执行逆变器的更换。
由于将电能转换为热能，因此，放电电阻总是在高温下运转。因此，专利文献1公开的电力转换装置的结构会导致缺陷。也就是说，由于安装有放电电阻的第二电路基板布置成面向壳体的安装有电容器的侧面，并且电容器元件布置在放电电阻附近，因此，电容器元件接收由放电电阻产生的大量热能。这导致电容器元件的劣化并降低电容器元件的寿命。
发明内容
本公开期望提供一示例性实施方式，其提供具有紧凑尺寸的电力转换装置，该电力转换装置寿命长，同时能够抑制因放电电阻中产生的热能引起的电力转换装置中的部件劣化。
根据本公开的示例性实施方式，提供一种电力转换装置，具有半导体模块、冷却单元、电容器模块、控制电路基板和壳体。壳体收容半导体模块、冷却单元、电容器模块、放电电阻基板和控制电路基板。
半导体模块形成电力转换电路。冷却单元对半导体模块的温度进行冷却。电容器模块电连接到半导体模块。放电电阻布置在放电电阻基板上。放电电阻使电容器模块中积聚的电荷放电。特别地，控制电路基板对半导体模块的运转进行控制。放电电阻基板布置在电容器模块的外壁面(40A)与控制电路基板之间，并且在垂直于控制电路基板的方向上，与外壁面及控制电路基板分开。
根据本公开的示例性实施方式的电力转换装置具有改进结构，在该改进结构中，独立地设置控制电路基板和具有放电电阻的放电电阻基板。此外，放电电阻基板沿垂直于控制电路基板的方向布置在控制电路基板与电容器模块之间。电力转换装置的这种改进布置使得能够减小控制电路模块的整体尺寸，并且将它们以紧凑尺寸收容在壳体中，同时维持控制电路基板、电容器模块和放电电阻基板之间的电连接。
此外，由于放电电阻基板与电容器模块及控制电路基板分开布置，因此，这种布置使得能够尽可能减小放电电阻中产生的热能的影响。因此，前述电力变换装置的改进结构能够抑制电容器模块中的电容器元件的温度升高，并且防止因放电电阻中产生的热能引起的电容器元件劣化。
具有前述改进结构的电力转换装置使得能够抑制因放电电阻中产生的热能引起的、包括电容器元件在内的各种部件劣化，并且寿命长，同时能够维持其紧凑结构。
附图说明
将参照附图，以举例的方式描述本发明优选的非限制性实施方式，其中：
图1是示出根据本公开示例性实施方式的电力转换装置的整体结构的图；
图2是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置的、沿着电容器模块的宽度方向的主要部分的示意结构的图；
图3A和图3B是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置的、沿着电容器模块的纵向方向的主要部分的示意结构的图；
图4是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置的主要部分的结构的立体图；
图5是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置中的电力转换电路的图；
图6是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置的整体结构的分解立体图；
图7是示出在根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置中将放电电阻基板安装到电容器模块上的结构示例的图。
具体实施方式
下文将参照附图，对本公开的各实施方式进行描述。在各实施方式的以下描述中，在通篇的若干附图中，相似的附图标记或数字表示相似或等同的组成部分。
示例性实施方式
将参照图1至图7，给出根据本公开示例性实施方式的电力转换装置1的描述。
图1是示出根据本公开示例性实施方式的电力转换装置1的整体结构的图。如图1所示，根据示例性实施方式的电力转换装置具有半导体模块2、冷却单元3、电容器模块4、放电电阻基板5、控制电路基板6和壳体C。冷却单元3对半导体模块2的温度进行冷却。电容器模块4被电连接到半导体模块2。电容器模块4中积聚的电荷通过布置在放电电阻基板5上的放电电阻51放电。控制电路基板6对半导体模块2的运转进行控制。壳体C收容半导体模块2、冷却单元3、电容器模块4、放电电阻基板5和控制电路基板6。
图2是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置1的、沿着电容器模块4的宽度方向的主要部分的示意结构的图。图3A和图3B是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置1的、沿着电容器模块4的纵向方向的主要部分的示意结构的图。
如图2、图3A和图3B所示，放电电阻基板5布置在控制电路基板6与电容器模块4的顶壁面40A之间，从而与顶壁面40A及控制电路基板6均分离。顶壁面40A是电容器模块4的其中一个外壁面。此外，如图1和图2所示，放电电阻基板5沿垂直于控制电路基板6的方向布置在壳体C中。
如图1所示，放电电阻基板5与壳体C的内壁面C11平行地布置在壳体C与冷却单元3之间。如图1、图2和图3A所示，冷却单元3布置在电容器模块4与控制电路基板6之间。
图4是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置1的主要部分的结构的立体图。
如图4所示，电容器模块4收容滤波电容器41和平滑电容器42。电容器壳体40收容电容器模块4。电容器壳体40形成顶壁面40A。滤波电容器41和平滑电容器42中的每一个对电流进行平滑。
放电电阻基板5附接到基板固定部43，该基板固定部43从顶壁面40A突出到电容器壳体40的外部。
根据示例性实施方式的电力转换装置1还具有电压检测端子13(13a至13d)。电压检测端子13被电连接到电容器模块4。电容器电压的检测信号通过电压检测端子13被传输到控制电路基板6。如图3B所示，电压检测端子13与放电电阻基板5平行地布置在放电电阻基板5与控制电路基板6之间。
在根据图1、图2、图3A、图3B和图6所示的示例性实施方式的电力转换装置1的结构中，Z轴方向(Z方向)对应于放电电阻基板5的纵向方向(例如，该纵向方向对应于图3A所示的垂直方向)。放电电阻基板5布置成沿与控制电路基板6垂直的方向延伸。例如，图3A和图3B中的水平方向、即X轴方向(X方向)垂直于Z方向，并且对应于半导体模块2和电容器模块4(40)中的每一个的纵向方向。Y方向对应于半导体模块2和电容器模块4中的每一个的宽度方向。Y方向对应于图3B中的垂直方向。
现将参照图5，给出对形成根据示例性实施方式的电力转换装置1的每个部件的详细结构和详细电路结构的描述。
图5是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置1中的电力转换电路的图。如图5所示，根据示例性实施方式的电力转换装置1配备有升压转换器11和交流(AC)逆变器12。升压转换器11升高电池B的高直流电力(DC电力)，而AC逆变器12将升高后的DC电力转换为U相、V相和W相的三相交流电力(三相AC电力)。
例如，根据示例性实施方式的电力转换装置1应用于混合动力车辆、电动车辆等，以将AC电力供给到车辆的驱动电动机M。
滤波电容器41布置在升压转换器11的输入侧。平滑电容器42布置在升压转换器11的输出侧。滤波电容器41对从电池B供给至升压转换器11的输入电流进行平滑，以抑制输入电流变动。平滑电容器42对从升压转换器11供给到AC逆变器12的升压后的输入电流进行平滑，以抑制这一电流变动。
如图5所示，放电电阻51与平滑电容器42平行地布置。在电力转换装置1停止的期间等，放电电阻51将平滑电容器42中积聚的电荷放电。
例如，电池B是包括锂离子电池的车载电池。升压转换器11包括升压电抗器L和半导体模块2。AC逆变器12包括三相半导体模块2(即2U、2V、2W)。每个半导体模块2具有串联连接的两个开关元件，作为上臂和下臂。
当接收从控制电路基板6传输的控制信号时，三相半导体模块2中的开关元件接通/关断。
三相半导体模块2中的每个开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS FET)等中的一个。二极管与各个开关元件并联布置。
如图5所示，滤波电容器41的正电极端子连接到电压检测端子13a，而滤波电容器41的负电极端子连接到电压检测端子13b。平滑电容器42的正电极端子连接到电压检测端子13c，而平滑电容器42的负电极端子连接到电压检测端子13d。
电压检测端子13a～13d连接到控制电路基板6。电压检测信号通过电压检测端子13a～13d传输到安装在控制电路基板6上的电压检测电路。电流传感器14布置在AC逆变器12的输出侧。电流传感器4对AC逆变器12的U相、V相和W相中的每一个的输出电流进行检测，并将检测信号传输到控制电路基板6。
图6是示出根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置1的整体结构的分解立体图。
如图6所示，壳体C包括沿着Z方向分开的三个部分。也就是说，壳体C包括大致矩形柱状的第一壳体C1、大致矩形容器状的第二壳体C2和大致板状的罩壳体盖C3。在第一壳体C1的Z方向的底侧，第二壳体C2与第一壳体C1的一端侧处的开口部配合。在第二壳体C2的Z方向的上侧，第三壳体C3与第二壳体C2的一端侧处的开口部配合。例如，第一壳体C1、第二壳体C2和罩壳体盖C3组装在一起以形成盒状的壳体C。
第一壳体C1对功率单元U和输入端子台15进行收容。也就是说，功率单元U和输入端子台15布置在第一壳体C1内部。
半导体模块2和冷却单元3在功率单元U中组装在一起。在图6所示的Z方向上，控制电路基板6布置在功率单元U与罩壳体盖C3之间，使得控制电路基板6的基板表面61具有与罩壳体盖C3的平坦顶面及第二壳体C2的底面大致平行的平坦面。
电容器模块4、输出端子台16和电抗器L(未示出)等布置在第二壳体C2内部。
如图4所示，电容器壳体40形成电容器模块4的外壁面。电容器壳体40对滤波电容器41和平滑电容器42进行收容。对滤波电容器41和平滑电容器42进行收容的电容器壳体40填充有例如绝缘树脂，以将电容器壳体40密封。在图4所示的示例性实施方式中，滤波电容器41包括单个电容器元件，平滑电容器42包括两个电容器元件。
如图4所示，电容器壳体40具有供放电电阻基板5安装的基板固定部43。基板固定部43位于电容器壳体40的外壁面上，该外壁面对应于电容器模块4的顶壁面40A。
多个放电电阻51(未示出)布置在放电电阻基板5的基板表面52上。例如，每个放电电阻51包括芯片电阻等。
滤波电容器41和平滑电容器42沿着电容器壳体40的纵向(即，沿着X方向)布置在电容器壳体40的两个端部处，使得滤波电容器41与平滑电容器42分开。
输入汇流条44和连接汇流条47在滤波电容器41侧被附接到电容器壳体40的外壁面。正电极侧汇流条45和负电极侧汇流条46在平滑电容器42侧被安装到电容器壳体40的外表面。
从电容器壳体40的顶壁面40A观察，输入汇流条44、正电极侧汇流条45和负电极侧汇流条46布置在同一表面上。基板固定部43布置在顶壁面40A的大致中心部处。可接受的是，根据需要对它们重新布置。
如图3A和图3B所示，输入汇流条44布置成从电容器壳体40的顶壁面40A朝向Y方向延伸。输入汇流条44被连接到输入端子台15(参见图6)。
正电极侧汇流条45和负电极侧汇流条46布置成朝向X方向延伸并且在顶壁面40A一侧附近彼此平行。
正电极侧汇流条45和负电极侧汇流条46布置成面向功率单元U，该功率单元U布置在Z方向上的顶侧。
正电极侧汇流条45和负电极侧汇流条46通过焊接等与功率单元U中的半导体模块2的正电极端子21(参见图2)及负电极端子22(参见图2)连接。
正电极侧汇流条45和负电极侧汇流条46分别连接到放电电阻51的正电极端子和负电极端子。
连接汇流条47连接到在Z方向上从外壁面延伸的电抗器L(未示出)的输出端子(未示出)，该外壁面与电容器壳体40的输入端子侧相反。
功率单元U包括沿X方向交替堆叠的半导体模块2和扁平状的冷却管33。冷却管33的两侧连接到成对的冷却管31、32。冷却管31、32布置成在Y方向上彼此平行。冷却管33和冷却管31、32形成冷却单元3。
半导体模块2收容多个开关元件，多个开关元件布置在与冷却管33一起堆叠的扁平状的主体部上。半导体模块2具有：交流端子23；以及沿Z方向突出的负电极端子22和正电极端子21。
如图2所示，半导体模块2通过沿Z方向突出的控制端子24连接到控制电路基板6。
图7是示出在根据图1所示的示例性实施方式的电力转换装置1中将放电电阻基板5安装到电容器模块4上的结构示例的图。
如图7所示，基板固定部43具有扁平状壳体，该扁平状壳体垂直地布置在电容器模块4的顶壁面40A上。放电电阻基板5布置成覆盖基板固定部43的扁平状壳体的开口部。放电电阻基板5通过使用螺栓固定到基板固定部43。在图7所示的情况下，使用三个螺栓将放电电阻基板5固定到电容器模块4上。
端子支承部43A布置在电容器模块4中的基板固定部43的侧面，以对电压检测端子13a～13d进行支承。电压检测端子13a～13d是信号引脚，高电压通过该信号引脚被供给到升压转换器11和AC逆变器12。电压检测端子13a～13d连接到正电极侧汇流条45、负电极侧汇流条46和输入汇流条44。此外，电压检测端子13a～13d沿Z方向延伸以连接到控制电路基板6(参见图2)。
电容器壳体40的基板固定部43和顶壁面40A组装在一起。亦可接受的是，将基板固定部43固定到待组装在一起的电容器壳体40。能够容易地将基板固定部43安装在电容器壳体40的外壁面上。这使得能够将放电电阻基板5布置在壳体C中的所需区域。
本公开的概念不限制前述放电电阻基板5的布置和形状。可接受的是，根据壳体C的内腔的尺寸以及收容在壳体C中的功率单元U、电容器模块4和控制电路基板6之间的布置关系，来调节放电电阻基板5的布置和形状。亦可接受的是，根据壳体C的内腔的尺寸以及收容在壳体C中的功率单元U、电容器模块4和控制电路基板6之间的布置关系，来调节基板固定部43的布置和形状。
在图3A和图3B所示的结构中，可接受的是，根据功率单元U的高度，放电电阻基板5和基板固定部43中的每一个呈在横向方向上延伸的扁平矩形。亦可接受的是，根据功率单元U的高度，放电电阻基板5和基板固定部43中的每一个呈在横向方向上延伸的大致扁平方形。
可接受的是，例如根据壳体C中的腔的尺寸，将基板固定部43附接到电容器模块4的顶壁面40A的附接位置调节为靠近功率单元U的位置的中心部附近。
亦可接受的是，将基板固定部43布置在电容器模块4的顶壁面40A的端部处。
在图6所示的壳体C的结构中，电容器模块4、输入端子台15和输出端子台16布置在功率单元U周围。
形成冷却单元3的成对的冷却管31、32连接到外部冷却剂再循环单元，以使冷却剂再循环。冷却剂对半导体模块2进行冷却。也就是说，冷却剂降低半导体模块2及其周围元件的温度。冷却管31、32中的一个是入口管，冷却剂通过该入口管引入到根据示例性实施方式的电力转换装置1中。另一个冷却管是出口管，冷却剂通过该出口管排放和再循环。
输入端子台15通过线缆(未示出)连接到外部电池B，以向电力转换电路供给电力。输出端子台16具有连接到线缆(未示出)的输出端子16a～16c，通过该线缆将由电力转换电路转换的三相AC电力供给到电动机M。
输出端子台16配备有电流传感器14，该电流传感器14能够对U相、V相和W相中的每一个的输出电流进行检测。电流传感器14连接到控制电路基板6。
如图1所示，第一壳体C1布置成面向第二壳体C2，并且第一壳体C1和第二壳体C2通过使用螺栓经由每个凸缘部固定在一起。在这种结构中，电容器模块4布置成靠近第二壳体C2的底壁侧和侧壁。基板固定部43和放电电阻基板5沿Z方向突出，并且布置在第一壳体C1内部。
基板固定部43与壳体C的内壁面C11平行地布置。放电电阻基板5布置在基板固定部43内部并与基板固定部43平行，使得放电电阻基板5面向功率单元U的冷却管31。
现将给出具有前述结构的电力转换装置1的运转和效果的描述。
在前述电力转换装置1的结构中，放电电阻基板5的基板表面52独立地设置，并且与电容器模块4的顶壁面40A及控制电路基板6的基板表面61分开，使得基板表面52布置成与顶壁面40A及基板表面61中的每一个垂直地延伸。这种结构使得能够将安装在放电电阻基板5上的放电电阻51与电容器模块4中的电容器元件分开，同时彼此电绝缘。因此，能够抑制因放电电阻51的热能引起的电容器元件的温度上升，并且能够抑制电容器元件劣化，从而实现电容器元件和电力转换装置1的长寿命。
在根据示例性实施方式的电力转换装置1中，由于被基板固定部43支承的放电电阻基板5与内壁面C11及功率单元U平行地布置在壳体C的内壁面C11与功率单元U之间，因此，这种结构使得能够有效地利用壳体C中的间隙。
此外，由于放电电阻基板5布置成靠近壳体C的内壁面C11，因此，能够通过壳体C增强热能排放能力。由于放电电阻基板5布置在功率单元U中的冷却管31、32侧，因此，这种布置使得能够改进冷却效果。因此，容易对由放电电阻51产生的热能进行排放，并且抑制电容器元件的温度升高。
由于功率单元U的冷却单元3布置在电容器模块4与控制电路基板6之间，因此，这种结构使得能够将放电电阻基板5布置成更靠近壳体C和冷却单元3。这种结构使得能够容易地对由放电电阻51产生的热能进行排放，并且改善电容器元件的温度升高。
在根据示例性实施方式的电力转换装置1中，由于放电电阻基板5由基板固定部43支承，因此，这种结构使得能够将放电电阻基板5固定到壳体C中的期望位置。由于基板固定部43布置在电容器模块4的顶壁面40A处，因此，这种结构使得放电电阻基板5容易与壳体C的内壁面C11及冷却单元3绝缘。
此外，由于电压检测端子13a～13d沿着放电电阻基板5的延伸方向布置，并且对电压检测端子13a～13d进行支承的端子支承部43A布置在基板固定部43的侧面上，因此，这种结构使得能够容易地将放电电阻基板5和电压检测端子13a～13d布置在壳体C中。
这种结构使得能够在考虑壳体C体积的同时，有效地使用壳体C的内部区域。
在具有前述结构的根据示例性实施方式的电力转换装置1中，当接收到从控制电路基板6传输的控制信号时，形成升压转换器11的半导体模块2被驱动以升高电池B的DC电压。通过电压检测端子13检测出升压电压和作为电池B的DC电压的输入电压。为了获得期望的升压电压，半导体模块2中的开关元件基于从控制电路基板6传输的控制信号而被接通/关断。由于半导体模块2中的开关元件的切换操作，在电池B与升压转换器11之间流动的电流会发生变动。滤波电容器41对电池B与升压转换器11之间流动的电流的变动进行平滑。
控制电路基板6基于由电流传感器14检测的电流和检测到的电流的频率，执行针对各相中的开关元件的接通/关断操作的结果的反馈控制。在已通过开关元件的切换操作提高DC电压之后，平滑电容器42对电流变动进行平滑。
另一方面，当点火开关(未示出)关断并且电力转换装置1停止运转时，在电容器模块4的滤波电容器41和平滑电容器42中积聚的电荷通过放电电阻51被放电到安全电压。
由于根据示例性实施方式的电力转换装置1具有前述改进结构，因此，由放电电阻51产生的热能通过壳体C被有效地排出到外部。
电容器模块4的热能接收区域的减小使得能够抑制电容器元件的温度上升。这允许在不增大电容器模块4的整体尺寸的情况下保护电容器模块4，并且使得电力转换装置1具有长寿命和紧凑尺寸。
虽然已详细描述了本发明的具体实施方式，但本领域技术人员将会理解，根据本公开的总体教导，可以对这些细节开发各种改型和替代。因此，所公开的特定布置仅旨在说明而非限于本公开的范围，其将被赋予所附权利要求书及其所有等同物的全部范围。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
半导体模块(2)，所述半导体模块(2)形成电力转换电路；
冷却单元(3)，所述冷却单元(3)对所述半导体模块的温度进行冷却；
电容器模块(4)，所述电容器模块(4)电连接到所述半导体模块；
放电电阻基板(5)，所述放电电阻基板(5)供放电电阻(51)布置，所述放电电阻使在所述电容器模块中积聚的电荷放电；
控制电路基板(6)，所述控制电路基板(6)对所述半导体模块的运转进行控制；以及
壳体(C)，所述壳体(C)收容所述半导体模块、所述冷却单元、所述电容器模块、所述放电电阻基板和所述控制电路基板，
其中，所述放电电阻基板布置在所述电容器模块的外壁面(40A)与所述控制电路基板之间，并且在垂直于所述控制电路基板的方向上，与所述外壁面及所述控制电路基板分开。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述放电电阻基板与所述壳体的内壁面(C11)平行地布置在所述壳体与所述冷却单元之间。
3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，还包括电容器壳体(40)，所述电容器壳体(40)收容所述电容器模块，其中，
所述电容器模块包括滤波电容器(41)和对所述电力转换装置中流动的电流进行平滑的平滑电容器(42)，所述电容器壳体形成所述电容器模块的所述外壁面，
所述放电电阻基板附接到基板固定部(43)，所述基板固定部(43)从所述电容器模块的所述外壁面向外延伸。
4.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述冷却单元布置在所述电容器模块与所述控制电路基板之间。
5.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
还包括连接到所述电容器模块的电压检测端子(13)，通过所述电压检测端子(13)来检测电容器电压，其中，
所述电压检测端子与所述放电电阻基板平行地布置在所述放电电阻基板与所述控制电路基板之间。
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