CN112928900A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率转换装置包括：主电路(101)，该主电路具有分别设置在基板(10)的两个表面的第一和第二布线层(21、22)、安装于第一和第二布线层的部件(19、20)、以及在基板的外层部(10a、b)与内层部(10c)之间，在与形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的所述部件、第一和第二布线层相对应的区域中分别形成的第一和第二GND层(23、24)；冷却器(28)，该冷却器经由设置在基板的端部的第一通孔(26)并利用安装螺钉来安装，第一和第二GND层在插入有连接第一和第二布线层的引线插入部件(20)的第二通孔周缘隔开爬电距离来形成，以抑制部件与布线层的发热。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及功率转换装置。
背景技术
以往，在用于功率转换装置的多层印刷布线板中，在AC(Alternating Current：交流电)/DC(Direct Current：直流电)转换器、DC/DC转换器和逆变器等中，当主电路电流流过基板上的布线层时，为了将其抑制在基板玻璃转变温度所决定的允许电流以内，通过增加布线层的铜箔厚度、或增加基板的布线层数、降低布线阻抗等方法来应对。或者，设置直接或间接冷却布线层的构造来形成热路径，并实施散热对策。
另一方面，作为噪声对策，需要设置用于常模噪声/共模噪声的对策的跨线电容器(以下称为X电容器)、线性电容器(以下称为Y电容器)、基于线圈等的滤波器，并考虑部件、布线层、壳体等彼此间的寄生电容和寄生电感分量来进行设计。实际的详细设计中存在各种限制条件，因此较为复杂。
现有的印刷布线板的接地构造体中，其印刷布线板的内层GND(Ground：接地)图案与壳体之间的连接利用通孔、以及通过安装螺钉安装的端子台来进行连接，印刷布线板的内层GND图案与壳体之间介入有端子台，因此其连接阻抗变高，在印刷布线板与壳体之间产生电位差，这成为噪声产生的原因，引起问题。此外，端子台需要确保安装螺钉的2倍的安装面积，限制了产品的小型化。
因此，专利文献1中公开了如下印刷布线板：对于印刷布线板的内层GND图案与壳体的GND连接，设为经由贯通了螺钉孔周边的印刷布线板以及导体连接盘双方的通孔来连接的构造，从而能降低印刷布线板与壳体间的连接阻抗并降低噪声。
此外，现有的电路模块中，至少需要将异形部件的一面固定于散热器等，此外，由于异形部件的数量和形状而导致向散热器的固定方法较为困难，其结果是在现有的异形部件的安装构造中存在如下问题：在拉伸力从外部传递到绝缘基板等的情况下，螺钉会损坏或异形部件会变形，异形部件自身将从散热器剥离。此外，存在如下问题：难以与安装有控制功率半导体和异形部件的一般电子部件的电路基板相邻地设置。此外，存在如下问题：将电路模块与散热器等进行固定的方法较为困难。
因此，专利文献2中公开了如下电路模块：使用树脂构造体来固定异形部件的一部分以上，从而即使是各种形状、重量、数量的异形部件也能牢固地固定，此外，使用固定有异形部件的一部分以上的树脂构造体来固定由构成散热基板的引线框的一部分所构成的连接布线部，从而提高连接布线部和引线框自身从导热层剥离的剥离强度并使散热基板自身高强度化，并且将安装有控制安装于散热基板的功率半导体等的一般电子部件等的电路基板与散热基板大致并行地设置，从而改善了电路模块的小型化、耐噪声特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2014－90018号公报(段落0010、图1)
专利文献2：日本专利特开2009－135372号公报(段落0013～0015、图1)
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，专利文献1的情况下，低阻抗化是抑制噪声的有效方法，但需要确保爬电距离，存在需要确保布线图案的高压/低压间的绝缘性的问题。此外，专利文献2的情况下，通过构造将主电路和控制系统的电路分离来将安装有发热的功率半导体等的主电路部设在散热基板侧，通过将电路基板与该散热基板大致并行地配置从而可以改善散热性，但是在散热基板和电路基板混合安装的情况下，存在需要扩大所需的安装板面积的问题。此外，各电路的电气长度因基板面积扩大而变长，并因图案中的损耗产生和伴随主电路动作的谐振产生而导致产生噪声和基于谐振的损耗，因此，存在功率转换装置的效率下降和耐噪声性能恶化的问题。
本申请公开用于解决上述问题的技术，其目的在于提供一种功率转换装置，不仅在抑制噪声产生的同时确保散热性，还能实现小型化和低成本化。
解决技术问题所采用的技术方案
本申请所公开的功率转换装置包括主电路和冷却器，所述主电路具有：分别设置于基板的两个表面的第一布线层和第二布线层；安装于所述第一布线层和所述第二布线层的安装部件，该安装部件包含形成具有作为集中常数的电感分量的电路的安装部件以及形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的安装部件；以及在所述基板的外层部与内层部之间，并且在与形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的所述安装部件以及所述第一布线层和所述第二布线层相对应的区域中分别形成的第一GND层和第二GND层，所述冷却器经由设置在所述基板的端部的第一通孔并利用安装螺钉来安装，所述第一GND层与所述第二GND层在插入有连接所述第一布线层和所述第二布线层的、作为形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的所述安装部件之一的安装部件的引线的第二通孔周缘隔开爬电距离来形成。
发明效果
根据本申请的功率转换装置，在成为主电路的对象的部件和布线层周边形成散热路径，因此，能抑制部件和布线层的发热，能使更多电流量流过，并能抑制基板成本。此外，能使耐噪声性能提高。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的结构的剖视图。
图2是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的结构的电路图。
图3是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的结构的放大剖视图。
图4是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的布线层的结构的俯视图。
图5是示出实施方式2所涉及的功率转换装置的主电路的结构的剖视图。
图6是示出实施方式2所涉及的功率转换装置的主电路的结构的放大剖视图。
具体实施方式
实施方式1
图1是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的结构的剖视图。图2是示出功率转换装置的主电路的结构的电路图。图3是图1的区域A的局部放大图。
如图1所示，实施方式1的功率转换装置的主电路101构成为包括：基板10；设置在基板10的两面的第一布线层21和第二布线层22；在第一布线层21和第二布线层22的下方分别设置于基板10的内层部的第一GND层23和第二GND层24；配置在基板10的表面、并连接至第一布线层21或第二布线层22的表面安装部件19；配置在基板10的表面、并连接至第一布线层21和第二布线层22的引线插入部件20；以及冷却器(或壳体)28，该冷却器(或壳体)28通过安装螺钉25安装于在基板10的端部贯通第一布线层21、第一GND层23、第二GND层24和第二布线层22而设置的作为第一通孔的通孔26。
功率转换装置的主电路包括：以AC/DC转换器、DC/DC转换器和逆变器等部件为代表，安装在印刷基板上的例如X电容器、Y电容器等表面安装部件19；以及熔断器20f等引线插入部件20。
图2的功率转换装置示出AC/DC转换器的示例，是用于将所希望的电力转换为直流电压的功率转换器。对X电容器19x和Y电容器19y等滤波器类、熔断器20、用于电流感测的电流互感器19c和MOSFET(Metal-Oxide Silicon Field-Effect Transistor：金属氧化硅场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)或宽带隙半导体等新一代半导体元件所构成的DC/AC电路部14进行驱动来进行直流/交流转换，在变压器15的初级/次级间进行电力传输，利用整流电路16(以下称为REC)从交流转换(整流)为直流，并利用滤波线圈17、滤波电容器18等来滤波并输出(Vout)。功率转换装置由成为上述功率装置的主电路和对它们进行控制驱动的控制电路(未图示)所构成。控制电路构成为包括：对向主电路的输入以及输出的电压进行感测的电压传感器电路；对来自所述电流互感器的输入电流进行感测的电流传感器电路；用于驱动主电路部的DC/AC电路部的驱动电路；以及用于基于所述传感器电路输出来使所述驱动电路动作的控制部(例如，控制控制器IC和微处理器等运算控制电路)。
本申请实施方式1的功率转换装置的主电路101的特征在于，如图3所示，将X电容器19x、Y电容器19y等表面安装部件19和熔断器20f等引线插入部件20安装于设置在基板10的两个表面的第一布线层21和第二布线层22，并夹住第一布线层21和第二布线层22以及分别由预浸料构成的外层部10a、10b，在与内层部10c之间，将分别设置在与第一布线层21和第二布线层22对应的区域的第一GND层23和第二GND层24作为散热路径，向经由通孔26并利用安装螺钉25来进行安装的冷却器28进行散热。这里，优选第一布线层21与第一GND层23的间隔、以及第二布线层22与第二GND层24的间隔分别为120μm以上、300μm以下。
该情况下，第一GND层23与第二GND层24不与空气接触，而是经由固体绝缘层与成为冷却对象的部件和布线层接近，因此，能确保绝缘耐压并提高散热效果。例如，在熔断器那样的引线插入部件等的情况下，可以使GND层在内层部中比在表层部中更接近引线插入部件用的VIA间隙，因此，可以降低散热路径的热阻，由此散热性能得以提高。
另外，考虑布线间的绝缘距离，基板层间的同电位层进行VIA连接。例如，当对表层-里层间的图案进行接线时，利用作为第二通孔的多个通孔进行连接，然而，对于此时的该图案，考虑到爬电距离，不在通孔周围配置GND层。图4是应用于熔断器20周边的(a)第一布线层21、(b)第一GND层23、(c)第二GND层24和(d)第二布线层22的实际的布线图案时的示例(从第一布线层21方向观察时的透视图)。如图4所示，在(b)第一GND层23和(c)第二GND层24中，在熔断器20的引线插入部即通孔过孔周边设有未配置GND层的区域23a、23b、24a、24b。
通过采用这样的结构，从而在成为主电路的对象的部件和布线层周边形成散热路径，因此能抑制部件和布线层的发热。以往，多层布线基板中，应用布线层的铜厚度60μm以上的厚铜的4层基板、或布线层的铜厚度35μm的6层基板来实现热可行性，但若使用本申请的结构，则即使是布线层和GND层的铜厚度35μm的4层基板也可以实现同等以上的散热性能。其结果是，能降低基板成本。
此外，通过形成与主电路的布线P、N各自的线路对抗的GND层来产生电容分量。即，具有与Y电容器同等的功能，也能省略Y电容器。此外，与引线型电容器相比，可以减少ESL(Equivalent Series Inductance：等效串联电感)的分量，因此滤波器的高频域特性得到改善，由此耐噪声性能得到提高。
另外，当在功率转换装置的产品本身中规定了来自产品壳体或对地基准的输入端子阻抗时，可以调整从主电路输入端到电流互感器为止的第一GND层23和第二GND层24、与第一布线层21和第二布线层22的主电路布线层分别重叠的区域，以使得收敛在允许值范围内。
此外，优选第一布线层21与第一GND层23的间隔、以及第二布线层22与第二GND层24的间隔分别为120μm以上、300μm以下。通过将第一布线层21与第一GND层23的间隔、以及第二布线层22与第二GND层24的间隔分别设为120μm以上、300μm以下，从而能抑制基板层数，并使第一布线层21和第一GND层23之间、以及第二布线层22和第二GND层24之间的层间接近，因此，能兼顾基板的散热性、抑制制造成本、抑制绝缘性劣化。此外，第一布线层21与第一GND层23之间、以及第二布线层22与第二GND层24之间的预浸料具备2层以上，由此，因在基板的层间施加高电压而发生迁移，能抑制绝缘性能劣化。
并且，即使在SMD(Surface Mount Device：表面安装器件)类型的主电路部件、例如电流检测用的分流电阻等中，第一GND层23和第二GND层24也可以形成在与基板10的外层部10a和外层部10b、以及内层部10c之间的该部件相对应的区域中。
作为主电路部件来应用的线圈和变压器等中，当基板搭载时，若在部件下存在一面导体层，则在该部件端子间与部件电感分量并联地产生寄生电容，有时产生无法得到原本所希望的电感特性的问题。与此相对，例如，在图2的电路结构的情况下将上述结构应用到区域B为止，并在从所述电流互感器19c到DC/AC电路部14为止的区域C中，设为使得第一GND层23和第二GND层24与第一布线层21和第二布线层22的主电路布线层不重叠，从而抑制在该部件端子间产生的寄生电容分量。
在具有作为集中常数的电感分量的电路中，若从电流互感器到DC/AC电路部14为止，将电容分量重叠，从而具有数100pF～数1000pF的寄生电容分量，则产生如下问题：由X电容器、电流互感器、DC/AC电路所形成的谐振频率的倍增施加到无线频带上。作为其对策，设为如下结构：不在区域C周边设置GND层。通过采用这样的布线图案的结构，从而由主电路的X电容器、电流互感器、DC/AC电路部所形成的谐振频率能抑制无线频带的噪声。
此外，通过在由安装螺钉25的3处以上的固定部位所形成的区域的中央具有主电路部件，并在被这些螺钉所包围的部分采用本申请的基板结构，从而能增加安装螺钉25的固定部位，并且也能增加散热路径，因此冷却性能、耐震性得到提高。另外，关于监视主电路的电压的电压传感器电路等控制电路，也可以配置在上述区域内。若在该区域内，则也能改善控制电路的部件的散热性。
此外，通过将主电路系统GND与控制电路GND的公共GND分离，从而能将共模噪声路径分为主电路路径和控制电路路径，能减轻因GND反弹和噪声干扰而引起的误动作等。
由此，以AC/DC转换器为例进行了说明，但能同样地应用于车载充电器、DC/DC转换器以及逆变器等功率转换装置等。与上述示例同样地，若采用主电路部件安装在基板上、该基板固定于壳体和冷却器的结构，则也能应用本申请的技术，可期待同样的效果。
如上所述，根据实施方式1所涉及的功率转换装置包括主电路101和冷却器28，上述主电路101包括：分别设置于基板10的两个表面的第一布线层21和第二布线层22；安装于第一布线层21和第二布线层22的X电容器19x、Y电容器19y等表面安装部件19和熔断器20f等引线插入部件20；以及在基板10的外层部10a、10b与内层部10c之间，并在与形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的所述部件、以及第一布线层21和第二布线层22相对应的区域中分别形成的第一GND层23和第二GND层24，上述冷却器28经由设置在基板10的端部的第一通孔26并利用安装螺钉来安装，第一GND层23与第二GND层24在插入有连接第一布线层21和第二布线层22的引线插入部件20的引线的第二通孔周缘隔开爬电距离来形成，因此，在成为主电路的对象的部件和布线层周边形成散热路径，因而能抑制部件和布线层的发热，能使更大的电流量流过。因此，能在不增加基板的层数或不使布线图案的铜厚度变厚的情况下，使更大的电流量流过，并抑制基板成本。此外，能确保安装在基板上的主电路结构部件的热可行性，并兼顾耐噪声性能的提高。
此外，将主电路101包含在通过安装螺钉25进行安装的3处以上所包围的部分中，从而不仅能增加散热路径来提高冷却性能，也能提高耐震性。
此外，驱动所述主电路101的控制电路也包含在通过安装螺钉25进行安装的3个部位以上所包围的部分中，并具备与主电路101同样的结构，由此也能改善控制电路的散热性、耐噪声性能和耐震性。
此外，用2层预浸料来形成外层部10a、10b，由此，因在基板的层间施加高电压而产生迁移，能抑制绝缘性能劣化。
实施方式2.
实施方式1中，示出了布线层和GND层为4层基板的情况，但在实施方式2中，对布线层和GND层为6层基板的情况进行说明。
图5是示出实施方式2所涉及的功率转换装置的主电路的结构的剖视图。图6是图5的区域D的局部放大图。如图5和图6所示，实施方式2的功率转换装置的主电路102在实施方式1的结构中，在第一布线层(图1的21、图5、图6的21a)与第一GND层23之间、以及第二布线层(图1的22、图5、图6的22a)与第二GND层24之间分别设有第三布线层(图5、图6的21b)与第四布线层(图5、图6的22b)。实施方式2所涉及的功率转换装置的主电路102的其它结构与实施方式1的功率转换装置的主电路101相同，对相应的部分标注相同标号并省略其说明。
另外，优选第三布线层21b与第一GND层23的间隔、以及第四布线层22b与第二GND层24的间隔分别为120μm以上、300μm以下。通过将第三布线层21b与第一GND层23的间隔、以及第四布线层22b与第二GND层24的间隔分别设为120μm以上、300μm以下，从而能抑制基板层数，并使第三布线层21b和第一GND层23之间、以及第四布线层22b和第二GND层24之间的层间接近，因此，能兼顾基板的散热性、抑制制造成本、抑制绝缘性劣化。
通过采用上述结构，在实施方式1所得到的效果的基础上，也能通过增加布线层数来降低主电路图案线路的电阻值，此外，也从基板10的外层部10a、10b与内层部10c之间设置的第一GND层23和第二GND层24进行散热，因此，能更有效地降低主电路102的部件和布线层的发热。
如上所述，根据实施方式2所涉及的功率转换装置的主电路102，还具备在第一布线层21a与第一GND层23之间经由外层部10a而设置的第三布线层21b、以及在第二布线层22a与第二GND层24之间经由外层部10b而设置的第四布线层22b，因此，在实施方式1所得到的效果的基础上，也能通过增加布线层数来降低主电路图案线路的电阻值，此外，也从设置在基板的外层部与内层部之间的第一GND层和第二GND层进行散热，因此，能更有效地降低主电路的部件和布线层的发热。
另外，实施方式1和实施方式2中，示出了布线层和GND层为4层和6层的基板，但并不限于此。也可以在第一布线层21a与第一GND层23之间、以及第二布线层22a与第二GND层24之间使布线层进一步增加。
虽然本申请描述了各种示例性实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中描述的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，可以单独地或以各种组合地应用于实施方式。由此，可以认为未示例的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，假设包括对至少一个构成要素进行变形、添加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。
标号说明
10 基板
10a、10b 外层部
10c 内层部
14DC/AC电路部
15 变压器
16 整流电路
17 滤波线圈
18 滤波电容器
19 表面安装部件
19x X电容器
19y Y电容器
19c 电流互感器
20 熔断器
21 第一布线层
22 第二布线层
23 第一GND层
24 第二GND层
25 安装螺钉
26 通孔
28 冷却器(壳体)
101、102 主电路。

Claims (6)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
主电路，该主电路具有：分别设置于基板的两个表面的第一布线层和第二布线层；安装于所述第一布线层和所述第二布线层的安装部件，该安装部件包含形成具有作为集中常数的电感分量的电路的安装部件以及形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的安装部件；以及在所述基板的外层部与内层部之间，并且在与形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的所述安装部件以及所述第一布线层和所述第二布线层相对应的区域中分别形成的第一GND层和第二GND层；及
冷却器，该冷却器经由设置在所述基板的端部的第一通孔并利用安装螺钉来安装，
所述第一GND层与所述第二GND层在插入有连接所述第一布线层和所述第二布线层的、作为形成具有作为集中常数的电感分量的电路以外的所述安装部件之一的安装部件的引线的第二通孔周缘隔开爬电距离来形成。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第一布线层与所述第一GND层的间隔、以及所述第二布线层与所述第二GND层的间隔分别为120μm以上、300μm以下。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
还包括：在所述第一布线层与所述第一GND层之间经由所述外层部而设置的第三布线层；以及在所述第二布线层与所述第二GND层之间经由所述外层部而设置的第四布线层。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第三布线层与所述第一GND层的间隔、以及所述第四布线层与所述第二GND层的间隔分别为120μm以上、300μm以下。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述主电路包含在通过所述安装螺钉进行安装的3处以上所包围的部分中。
6.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述外层部由2层预浸料所形成。
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