CN113678362B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

电力转换装置包括半导体单元(10)、端子单元(30)、电容器单元(20)、控制基板(4)、壳体(60、70、80)。半导体单元(10)配置在与控制基板(4)的板面相对的位置。端子单元(30)和电容器单元(20)相对于半导体单元(10)在控制基板(4)的相反侧，在沿着控制基板(4)的板面的x方向上排列配置。电容器单元(20)或者端子单元(30)的至少一部分在x方向上位于半导体单元(10)的第一端部(10a)的外侧。在壳体中的与第一端部(10a)相对的部分，配线有第一电气配线(110)的第一凹部(62a)形成为向壳体的内侧凹陷的形状。

Description

电力转换装置
相关申请的援引
本申请以2019年4月5日向日本申请的日本专利申请2019-073011号为基础，在此援引其记载内容。
技术领域
本说明书的公开涉及一种对向车载马达供给的电力进行转换的电力转换装置。
背景技术
专利文献1公开了转换器和逆变器等电力转换装置。该电力转换装置包括：层叠单元、端子单元、电容器元件和控制基板等结构部件；以及收容这些结构部件的壳体。层叠单元包括层叠配置的多个功率卡和冷却器。功率卡是对构成臂的开关元件等进行树脂模制而成的部件。
在壳体内，层叠单元、端子单元以及电容器元件配置于控制基板的下方。此外，层叠单元、端子单元以及电容器元件沿着控制基板的板面在水平方向上排列配置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015-213406号公报
发明内容
以往的壳体通常是由平坦的板面构成的长方体形状。此外，当欲将各种结构部件收容于这种形状的壳体内时，如上所述，在水平方向上排列配置对于提高壳体内的空间系数这方面是有效的。
然而，在电力转换装置的输入端子、输出端子连接有外部设备的电气配线。上述电气配线沿着壳体的外表面配线。因此，需要在车辆一侧确保在电力转换装置还设有电气配线的装设空间。因此，仅仅是提高壳体内的空间系数而使电力转换装置小型化，不能说已经充分有效地利用了还包括电气配线的车载空间。
本公开的目的在于提供一种促进车载空间的有效利用的电力转换装置。
本公开之一涉及一种电力转换装置，
利用上下臂电路对向车载马达供给的电力进行转换，该电力转换装置包括：
半导体单元，该半导体单元具有半导体模块和冷却器，上述半导体模块是通过使上下臂电路的开关元件树脂密封而形成的，上述冷却器冷却半导体模块；
端子单元，该端子单元具有中继输出端子和端子台，上述中继输出端子使半导体模块的输出端子和车载马达的绕组电连接，上述端子台保持中继输出端子；
电容器单元，该电容器单元具有平滑电容器和电容器壳体，上述平滑电容器与上下臂电路并联连接并且使电压脉动平滑化，上述电容器壳体收容平滑电容器；
控制基板，该控制基板控制开关元件的动作；以及
壳体，该壳体在内部收容控制基板、半导体单元、端子单元以及电容器单元，
半导体单元配置于与控制基板的板面相对的位置，
端子单元和电容器单元相对于半导体单元在控制基板的相反侧，在沿着板面的方向上排列配置，
将垂直于控制基板的板面的方向设为z方向，将端子单元和电容器单元排列的方向设为x方向，将垂直于z方向和x方向的方向设为y方向，
x方向上的半导体单元的两端中的一方的端部为第一端部，另一方的端部为第二端部，
电容器单元或者端子单元的至少一部分在x方向上位于第一端部的外侧，
在壳体中的与第一端部相对的部分，配线有电气配线的凹部形成为向壳体的内侧凹陷的形状。
根据上述公开，端子单元和电容器单元相对于半导体单元配置于控制基板的相反侧。此外，在x方向上，半导体单元的第一端部位于端子单元或者电容器单元的内侧。因此，根据上述的在与位于内侧的第一端部相对的部分形成有凹部的壳体，能提高壳体内的空间系数。另外，由于在上述凹部配线有电气配线，因此能使在电力转换装置还设有电气配线的车辆装设空间充分变小，从而能促进车载空间的有效利用。
附图说明
图1是表示第一实施方式的电力转换装置的电路结构的图。
图2是示意性地表示第一实施方式的电力转换装置的结构部件的位置关系的剖视图。
图3是拆除盖和控制基板的状态下的图2的III向视图。
图4是示出了在图3所示状态的电力转换装置安装有控制基板的状态的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图对多个实施方式进行说明。在多个实施方式中，对功能上和/或结构上对应的部分标注相同的参照符号。以下，将电力转换装置装设于车辆的状态下的上下方向表示为z方向，将与z方向正交的一方向表示为x方向。此外，将与z方向和x方向这两个方向正交的方向表示为y方向。
(第一实施方式)
首先，基于图1对电力转换装置的电路结构进行说明。
＜电力转换装置的电路结构＞
电力转换装置1装设于例如电动汽车、混合动力汽车等车辆。电力转换装置1将从装设于车辆的直流电源2供给的直流电压转换为三相交流，并向三相交流方式的马达3(车载马达)输出。马达3作为车辆的行驶驱动源发挥作用。电力转换装置1也可以将由马达3发电的电力转换为直流并使直流电源2充电。电力转换装置1可以进行双向的电力转换。
电力转换装置1包括控制基板4、半导体模块5、6、滤波电容器7a、平滑电容器7b以及电抗器8。
半导体模块5是DC-DC转换部，作为将直流电压转换成不同值的直流电压的转换器电路发挥作用。半导体模块5具有相互串联连接的上臂5U和下臂5L。上臂5U和下臂5L由开关元件5i和二极管5d构成。上臂5U和下臂5L统称为上下臂电路。
半导体模块6是DC-AC转换部，作为将输入的直流电力转换为规定频率的三相交流并向马达3输出的逆变器电路发挥作用。上述逆变器电路还具有将由马达3发电的交流电力转换为直流电力的功能。半导体模块6分别设于马达3的三相。半导体模块6具有相互串联连接的上臂6U和下臂6L。上臂6U和下臂6L由开关元件6i和二极管6d构成。上臂6U和下臂6L统称为上下臂电路。
在本实施方式中，作为构成各臂的开关元件5i、6i，采用n通道型的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。上臂5U、6U的IGBT的集电极与高电位电力线Hi连接。下臂5L、6L的IGBT的发射极与低电位电力线Lo连接。此外，上臂5U、6U的IGBT的发射极与下臂5L、6L的IGBT的集电极相互连接。
滤波电容器7a连接在直流电源2的正极与负极之间。滤波电容器7a使从直流电源2输入的直流电流平滑化。
平滑电容器7b连接在高电位电力线Hi与低电位电力线Lo之间。平滑电容器7b与半导体模块5、6并联连接。平滑电容器7b使被半导体模块5的转换器电路升压后的直流电流平滑化。平滑电容器7b蓄积升压后的直流电压的电荷。
电抗器8随着半导体模块5的开关操作而使直流电源2的电压升压。
控制基板4生成用于使半导体模块5、6的开关元件5i、6i动作的驱动指令，并将该驱动指令向未图示的驱动电路部(驱动器)输出。控制基板4基于从未图示的上级ECU输入的转矩请求、由各种传感器检测到的信号来生成驱动指令。具体地，控制基板4输出PWM信号作为驱动指令。控制基板4构成为包括例如微型计算机(microcomputer)。
作为各种传感器的具体例，可以列举出电流传感器31、电压传感器、旋转角传感器等。电流传感器31对流过马达3的各相的绕组的相电流进行检测。电压传感器之一检测滤波电容器7a的高电位侧端子的电压。电压传感器之一检测平滑电容器7b的高电位侧端子的电压。旋转角传感器检测马达3的转子的旋转角。
驱动电路部基于来自控制基板4的驱动指令生成驱动信号，并将该驱动信号向对应的半导体模块5、6的开关元件5i、6i的栅极输出。由此，驱动开关元件5i、6i，即驱动开关元件5i、6i接通、断开。在本实施方式中，针对各半导体模块5、6设置驱动电路部。
接着，基于图2～图4对电力转换装置的结构部件的配置进行说明。
＜电力转换装置的结构部件的配置＞
电力转换装置1包括控制基板4、半导体单元10、电容器单元20、端子单元30、电抗器单元40以及壳体。上述控制基板4、半导体单元10、电容器单元20、端子单元30和电抗器单元40收容在壳体的内部。
壳体具有盖80、上壳体60和下壳体70。盖80、上壳体60及下壳体70沿着z方向排列配置。壳体由金属制作，使用例如铝类材料通过压铸法而成型。壳体是通过用未图示的螺栓将盖80、上壳体60和下壳体70紧固而形成的。
具体而言，上壳体60是两端开口的筒状。盖80覆盖上壳体60的一方的开口。下壳体70覆盖上壳体60的另一方的开口。形成于上壳体60的凸缘64(上凸缘)和形成于盖80的凸缘81被插入到螺栓孔64a的螺栓紧固。形成于上壳体60的凸缘65(下凸缘)和形成于下壳体70的凸缘71被螺栓紧固。
上述凸缘64、65、71、81是从z方向观察环状地延伸的形状。此外，从z方向观察，环状的凸缘65(下凸缘)整体位于凸缘64(上凸缘)的环状的内侧。具体而言，下凸缘的外周缘位于上凸缘的外周缘的内侧。更优选的是，下凸缘的外周缘位于上凸缘的内周缘的内侧。
上壳体60收容整个控制基板4和整个半导体单元10。此外，上壳体60收容电容器单元20的一部分和端子单元30的一部分。下壳体70收容整个电抗器单元40。此外，下壳体70收容电容器单元20的一部分和端子单元30的一部分。
半导体单元10具有上述半导体模块5、6和冷却半导体模块5、6的冷却器11。冷却器11具有热交换部11a、流入配管11b和流出配管11c，并且形成供液体制冷剂循环的循环路径的一部分。热交换部11a与流入配管11b和流出配管11c连通。从流入配管11b流入的液体制冷剂向热交换部11a流入。流入到热交换部11a的液体制冷剂向流出配管11c流出。热交换部11a经由导热性良好的绝缘体与半导体模块5、6接触，对由于开关元件5i、6i的发热而温度上升的半导体模块5、6进行冷却。
多个半导体模块5、6沿着y方向排列并层叠配置。热交换部11a配置在相邻的半导体模块5、6之间。即，冷却器11具有多个热交换部11a。多个热交换部11a与半导体模块5、6交替地层叠配置。热交换部11a、流入配管11b及流出配管11c沿着x方向排列配置。流入配管11b和流出配管11c从y方向观察位于热交换部11a的两侧。
半导体模块5、6的主端子6p与上臂5U、6U的发射极连接。主端子6p通过母线与高电位电力线Hi连接。半导体模块6的主端子6n与下臂5L、6L的集电极连接。主端子6n通过母线与低电位电力线Lo连接。半导体模块5、6的信号端子6s与开关元件5i、6i的栅极连接。信号端子6s安装在控制基板4。
控制基板4和半导体单元10在z方向上排列配置。半导体单元10配置在与控制基板4的板面相对的位置。控制基板4从z方向观察是矩形形状。从z方向观察，整个半导体单元10位于控制基板4的内侧。换言之，整个半导体单元10位于控制基板4的z方向投影范围。
电容器单元20具有滤波电容器7a、平滑电容器7b、电压传感器配线22和电容器壳体21。滤波电容器7a和平滑电容器7b收容在电容器壳体21内。上述电容器使用卷绕薄膜而成的形状的薄膜电容器。通过调节薄膜的宽度、匝数以及薄膜电容器的使用数量来对电容器的形状和个数进行调节。此外，通过调节上述电容器的配置，实现了将电容器壳体21形成为期望的形状。
端子单元30具有上述电流传感器31、电流传感器配线32、端子台33、中继输出端子34、35及母线(导电构件)。电流传感器31和母线保持于端子台33。端子台33由具有电绝缘性的树脂形成。
母线的一端与半导体模块6的输出端子6o连接。输出端子6o与上臂6U的IGBT的发射极和下臂6L的IGBT的集电极连接。母线的另一端作为中继输出端子34、35发挥作用。
母线分别针对三个半导体模块6设置。各母线具有分支的多个中继输出端子34、35。多个中继输出端子34、35配置成沿着y方向排成一列。
本实施方式的端子单元30具有分别针对于三相的第一中继输出端子34和分别针对于三相的第二中继输出端子35。三个第一中继输出端子34分别与马达3的三相绕组(未图示)电连接。三个第二中继输出端子35与其他电动马达的三相绕组(未图示)电连接。
作为其他电动马达的具体例，可以列举设于混合动力系统的行驶用马达、发电用马达。例如，在中继输出端子34连接有行驶用马达，在中继输出端子35连接有发电用马达。
在下壳体70形成有未图示的端子开口部。以使中继输出端子34、35从端子开口部露出的方式，将端子单元30配置于壳体内。
端子单元30和电容器单元20相对于半导体单元10配置于控制基板4的相反侧。端子单元30和电容器单元20在沿着控制基板4的板面的方向上排列配置。具体而言，端子单元30和电容器单元20在x方向上排列配置。
电压传感器配线22是将上述电压传感器与控制基板4电连接的配线。电压传感器配线22以跨过半导体单元10的方式沿z方向延伸。电流传感器配线32是将上述电流传感器31与控制基板4电连接的配线。电流传感器配线32以跨过半导体单元10的方式沿z方向延伸。
电抗器单元40具有电抗器8和壳体41。电抗器8收容在壳体41内。电抗器单元40相对于半导体单元10配置在控制基板4的相反侧。更详细地，电抗器单元40相对于端子单元30配置在控制基板4的相反侧。
上述x方向、y方向和z方向如下定义。z方向是与控制基板4的板面垂直的方向。x方向是端子单元30和电容器单元20沿着上述板面排列的方向。y方向是垂直于z方向和x方向的方向。
x方向上的半导体单元10的两端中的一方的端部为第一端部10a，另一方的端部为第二端部10b。在本实施方式中，热交换部11a的x方向两端相当于第一端部10a和第二端部10b。
端子单元30的一部分在x方向上位于第一端部10a的外侧。电容器单元20的一部分在x方向上位于第二端部10b的外侧。
上壳体60具有第一收容部61、第二收容部62和第三收容部63。第一收容部61是上壳体60中的收容控制基板4的部分。第二收容部62是上壳体60中的收容半导体单元10的部分。第三收容部63是上壳体60中的收容电容器单元20和端子单元30的部分。
在上壳体60中的与第一端部10a相对的部分形成有从y方向观察向上壳体60的内侧凹陷的形状的第一凹部62a。在第一凹部62a配置有图2～图4所示的第一电气配线110。第一凹部62a是沿着zy平面延伸的形状。
由于第一端部10a是层叠配置的热交换部11a的端部，因此多个第一端部10a在y方向上离散分布。第一凹部62a具有在沿着第一端部10a分布的位置的y方向上延伸的部分。第一凹部62a整体在z方向上位于端子单元30与控制基板4之间。
在上壳体60中的与第二端部10b相对的部分形成有从y方向观察向上壳体60的内侧凹陷的形状的第二凹部62b。在第二凹部62b配置有图2～图4所示的第二电气配线120。第二凹部62b是沿着zy平面延伸的形状。
由于第二端部10b是层叠配置的热交换部11a的端部，因此多个第二端部10b在y方向上离散分布。第二凹部62b具有在沿着第二端部10b分布的位置的y方向上延伸的部分。第二凹部62b整体在z方向上位于端子单元30与控制基板4之间。
上壳体60中的与第一端部10a相对的部分以及与第二端部10b相对的部分相当于上述第二收容部62。由于因第一凹部62a和第二凹部62b而向内侧凹陷，所以第二收容部62的xy平面的截面积比第一收容部61的截面积相应地减小。同样地，第二收容部62的xy平面上的截面积比第三收容部63的xy平面上的截面积小。
第一电气配线110具有配线、端子连接部和支架。第一电气配线110通过支架安装于上壳体60。例如，第一电气配线110是用于将直流电源2向电力转换装置1供给的配线(参照图1)。
第二电气配线120具有配线、端子连接部和支架。第二电气配线120通过支架安装于上壳体60。例如，第二电气配线120与半导体模块5的转换器电路的输出端子连接，是用于向车载辅助设备的马达供给升压后的电力的配线。
<作用效果>
综上，根据上述电力转换装置1，端子单元30和电容器单元20相对于半导体单元10配置于控制基板的相反侧。此外，在x方向上，半导体单元10的两端部10a、10b位于端子单元30和电容器单元20的内侧。因此，根据在与上述位于内侧的第一端部10a相对的部分形成有凹部62a、62b的壳体，能提高壳体内的空间系数。另外，由于在上述凹部62a、62b配线有电气配线110、120，因此能够使在电力变换装置1还设有电气配线110、120的车辆装设空间充分变小，从而能促进车载空间的有效利用。
总之，端子单元30和电容器单元20相对于半导体单元10配置于控制基板的相反侧。因此，与将它们和半导体单元10在x方向上排列配置的情况相比，能使电力转换装置1的x方向的体格小型化。另外，与半导体单元10、端子单元30和电容器单元20的凹凸相配合地在壳体形成有凹部62a、62b。因此，能提高壳体内的空间系数。并且，由于在上述凹部62a、62b配线有电气配线110、120，因此能使在电力转换装置1还设有电气配线110、120的车辆装设空间充分变小。
此外，在本实施方式中，壳体具有沿z方向排列的盖80、上壳体60以及下壳体70。凹部62a、62b形成于上壳体60。在上壳体60形成有紧固到盖80的凸缘64(上凸缘)和紧固到下壳体70的凸缘65(下凸缘)。此外，从z方向观察，凸缘65(下凸缘)整体位于凸缘64(上凸缘)的内侧。
由此，在将z方向设为上下方向，以盖80为上侧的方向将电力转换装置1装设于车辆的情况下，发挥以下效果。即，即使在例如洗车时的清洗水等水从电力转换装置1的上方猛地降落的情况下，清洗水也难以降落到下凸缘。因此，能够减轻水从上壳体60和下壳体70的紧固面浸入壳体内的担忧。
此外在本实施方式中，电容器单元20和端子单元30的整体从z方向观察位于控制基板4的周缘的内侧。由此，若与各单元的形状相配合地设定壳体的形状来提高壳体内的空间系数，则下凸缘容易位于上凸缘的内侧。因此，可以同时实现抑制上述水的浸入以及增大空间系数。
此外，在本实施方式中，半导体单元10具有多个半导体模块5、6。此外，多个半导体模块5、6沿着y方向排列并层叠配置。由此，若与半导体单元10的形状相配合地设定壳体的形状来提高壳体内的空间系数，则容易将凹部62a、62b形成为沿y方向延伸的形状。因此，能同时实现容易将电气配线110、120在恒定的方向(y方向)上配线以及增大空间系数。
此外，在本实施方式中，在壳体的两侧形成有凹部62a、62b。因此，可以促进同时实现壳体内的空间系数的提高以及能在凹部62a、62b配线电气配线110、120所带来的效果。
(其他实施方式)
本说明书和附图等中的公开不限于例示的实施方式。本公开包括例示的实施方式和本领域技术人员基于其进行的变形方式。例如，公开不限于实施方式中所示出的部件和/或元件的组合。公开可以以各种组合来实现。本公开可以具有能追加到实施方式的追加部分。公开包括省略了实施方式的部件和/或元件的实施方式。公开包括一个实施方式与另一个实施方式之间的部件和/或元件的替代或组合。
在上述第一实施方式中，电容器单元20或端子单元30的一部分从z方向观察位于半导体单元10的外侧。与此相对，也可以是电容器单元20或端子单元30的整体从z方向观察位于半导体单元10的外侧。
在上述第一实施方式中，从z方向观察，下凸缘整体位于上凸缘的内侧。与此相对，也可以是从z方向观察，下凸缘的一部分位于上凸缘的内侧。或者也可以是从z方向观察，下凸缘的整体或者一部分位于上凸缘的外侧。
在上述第一实施方式中，壳体中的除了盖80以外的部分通过上壳体60和下壳体70在z方向上被分割成两个部分。与此相对，也可以在x方向或者y方向上被分割。或者也可以是，上壳体60和下壳体70没有被分割而一体地形成。
在上述第一实施方式中，电容器单元20和端子单元30的整体从z方向观察位于控制基板4的周缘的内侧。与此相对，也可以是电容器单元20或端子单元30的一部分从z方向观察位于控制基板4的周缘的外侧。
在上述第一实施方式中，多个半导体模块5、6沿着y方向排列并层叠配置。与此相对，也可以是多个半导体模块5、6沿着x方向排列并层叠配置。总之，半导体模块5、6的层叠方向与电容器单元20和端子单元30的排列方向可以正交，也可以平行。
在上述第一实施方式中，在壳体的两侧形成有凹部62a、62b。与此相对，也可以在壳体的单侧形成有第一凹部62a或者第二凹部62b。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，利用上下臂电路对向车载马达供给的电力进行转换，
所述电力转换装置包括：
半导体单元，该半导体单元具有半导体模块和冷却器，所述半导体模块是通过使所述上下臂电路的开关元件树脂密封而形成的，所述冷却器冷却所述半导体模块；
端子单元，该端子单元具有中继输出端子和端子台，所述中继输出端子使所述半导体模块的输出端子和所述车载马达的绕组电连接，所述端子台保持所述中继输出端子，
电容器单元，该电容器单元具有平滑电容器和电容器壳体，所述平滑电容器与所述上下臂电路并联连接并且使电压脉动平滑化，所述电容器壳体收容所述平滑电容器；
控制基板，该控制基板控制所述开关元件的动作；以及
壳体，该壳体在内部收容所述控制基板、所述半导体单元、所述端子单元以及所述电容器单元，
所述半导体单元配置于与所述控制基板的板面相对的位置，
所述端子单元和所述电容器单元相对于所述半导体单元在所述控制基板的相反侧，在沿着所述板面的方向上排列配置，
将垂直于所述控制基板的板面的方向设为z方向，将所述端子单元和所述电容器单元排列的方向设为x方向，将垂直于所述z方向和所述x方向的方向设为y方向，
所述x方向上的所述半导体单元的两端中的一方的端部为第一端部，另一方的端部为第二端部，
所述电容器单元或者所述端子单元的至少一部分在所述x方向上位于所述第一端部的外侧，
在所述壳体中的与所述第一端部相对的部分，供电气配线配置的凹部形成为向所述壳体的内侧凹陷的形状。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述壳体具有在所述z方向上排列的盖、上壳体以及下壳体，
所述凹部形成于所述上壳体，
在所述上壳体形成有紧固到所述盖的上凸缘以及紧固到所述下壳体的下凸缘，
所述下凸缘整体从所述z方向观察位于所述上凸缘的内侧。
3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电容器单元和所述端子单元的整体从所述z方向观察位于所述控制基板的周缘的内侧。
4.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述半导体单元具有多个所述半导体模块，
多个所述半导体模块在y方向上排列并且层叠配置。
5.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述凹部为第一凹部，
所述电气配线为第一电气配线，
所述端子单元的至少一部分在所述x方向上位于所述第一端部的外侧，
所述电容器单元的至少一部分在所述x方向上位于所述第二端部的外侧，
在所述壳体中的与所述第二端部相对的部分，供第二电气配线配置的第二凹部形成为向所述壳体的内侧凹陷的形状。
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