CN113795914A - 电力转换单元 - Google Patents

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Abstract

散热器(20)具有平板状的基座(21)和散热片(22)。壳体(30)收纳散热片(22)，并与接地连接。基座(21)具有供半导体模块搭载的第一面(21A)、和位于第一面(21A)的相反侧并供散热片(22)固定的第二面(21B)。壳体(30)具有支承基座(21)的第二面(21B)的凸缘部(33)。电力转换单元(10)还具备将散热器(20)与壳体(30)电绝缘的第一绝缘部件(50)。第一绝缘部件(50)具有基部(51)和第一折弯部(52)。基部(51)具有平板状的形状，设置于基座(21)的第二面(21B)与凸缘部(33)之间。第一折弯部(52)相对于基部(51)垂直地被折弯，与基座(21)的侧面进行面接触。

Description

电力转换单元
技术领域
本公开涉及电力转换单元。
背景技术
以往，作为将散热器安装于机架接地(frame ground)的安装构造，提出了如下结构：在散热器与机架接地之间配置中空圆筒状的绝缘衬套(bushing)，并利用贯通绝缘衬套的螺栓将散热器固定于机架接地(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开昭64-50491号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
以往的安装构造，通过绝缘衬套的厚度来确保散热器与机架接地之间的绝缘所用的距离(空间距离以及沿面距离)。换言之，绝缘衬套需要为能够确保散热器和机架接地之间的电绝缘的厚度。其结果是，在散热器与机架接地之间形成与绝缘衬套的厚度相当的间隙。由此，电力转换单元大型化，因此担心电力转换单元的配置所需的空间也变大。
本公开是鉴于上述那样的技术问题而完成的，其目的在于，在电力转换单元中，在确保散热器与壳体的电绝缘的同时实现小型化。
用于解决技术问题的手段
本公开的电力转换单元，具备具有半导体元件的半导体模块、散热器和壳体。散热器具有平板状的基座和散热片。壳体收容散热片，并与接地连接。基座具有供半导体模块搭载的第一面、和位于第一面的相反侧且供所述散热片固定的第二面。壳体具有支承基座的第二面的凸缘部。电力转换单元还具备将散热器与壳体电绝缘的第一绝缘部件。第一绝缘部件具有基部和第一折弯部。基部具有平板状的形状，设置于基座的第二面与凸缘部之间。第一折弯部相对于基部垂直地折弯，与基座的侧面进行面接触。
发明效果
根据本公开，在电力转换单元中，能够在确保散热器与壳体的电绝缘的同时实现小型化。
附图说明
图1是表示实施方式的电力转换单元的结构例的电路框图。
图2是示意性地表示半导体模块的结构例的概略俯视图。
图3是表示3个半导体模块的元件配置的概略俯视图。
图4是图3的IV-IV线处的剖视图。
图5是图4的V-V线处的剖视图。
图6是示意性地表示散热器的安装构造的展开立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，以下，对图中或相当部分标注相同的附图标记，其说明原则上不重复进行。
图1是表示实施方式的电力转换单元的结构例的电路框图。
参照图1，电力转换单元10具备交流输入端子T1～T3以及直流输出端子T4、T5。交流输入端子T1～T3从交流电源1接受商用频率的三相交流电力。直流输出端子T4、T5与负载2连接。负载2由从电力转换单元10供给的直流电力来驱动。
电力转换单元10还具备转换器3、直流正母线L1、直流负母线L2、电容器4以及控制装置6。转换器3由控制装置6控制，将从商用交流电源供给的三相交流电力转换为直流电力并输出至直流正母线L1和直流负母线L2之间。
转换器3具有3个桥臂电路(日语：レグ回路)3U、3V、3W。桥臂电路3U、3V、3W并联连接在直流正母线L1与直流负母线L2之间。桥臂电路3U、3V、3W分别具有串联连接的2个开关元件和2个二极管。
具体而言，桥臂电路3U具有连接在直流正母线L1与交流输入端子T1之间的开关元件Q1、连接在交流输入端子T1与直流负母线L2之间的开关元件Q2、以及二极管D1、D2。开关元件Q1、Q2能够由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、GCT(Gate Commutated Tech-off：栅双极晶体管)晶闸管等任意的自消弧型的开关元件构成。二极管D1、D2是FWD(Freewheeling Diode：续流二极管)，分别与开关元件Q1、Q2反向并联连接。开关元件和二极管对应于“半导体元件”的一个实施例。
桥臂电路3V具有连接在直流正母线L1与交流输入端子T2之间的开关元件Q3、连接在交流输入端子T2与直流负母线L2之间的开关元件Q4、以及二极管D3、D4。桥臂电路3W具有连接在直流正母线L1与交流输入端子T3之间的开关元件Q5、连接在交流输入端子T3与直流负母线L2之间的开关元件Q6、以及二极管D5、D6。以下，在对开关元件Q1～Q6以及二极管D1～D6进行总括说明的情况下，分别表述为开关元件Q以及二极管D。
控制装置6与交流输入端子T1～T3的交流电压同步地动作，控制转换器3，以使直流输出端子T4、T5间的直流电压VDC成为目标直流电压VDCT。即，控制装置6控制6个开关元件Q1～Q6，将直流输出端子T4、T5间的直流电压VDC转换为三相交流电压并输出至交流输入端子T1～T3之间。此时，控制装置6通过以使得流过交流输入端子T1～T3的交流电流成为大致正弦波状、且与交流输入端子T1～T3的交流电压同相的方式控制6个开关元件Q1～Q6，由此能够使功率因数大致为1。
构成转换器3的3个桥臂电路3U、3V、3W分别由半导体模块构成。接着，对半导体模块的构成例进行详细说明。
图2是示意性地表示半导体模块的构成例的概略俯视图。
在图1的例子中，与3个桥臂电路3U、3V、3W对应地配置有3个半导体模块5U、5V、5W。各相的半导体模块的结构相同，因此在图2中，对U相的半导体模块5U的结构进行说明。
半导体模块5U具有在平面状的基板上安装有开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2的结构。开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2通过未图示的接合线或者由导电体构成的布线层而电连接。开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2与基板、接合线以及布线层等一起被树脂密封。
另外，在图2的例子中，示出了针对1个半导体模块5U，开关元件以及二极管各设置2个的结构，但也可以是开关元件以及二极管各设置4个的结构。在该结构中，2个开关元件以及2个二极管分别并联连接。
图3是表示3个半导体模块5U、5V、5W的元件配置的概略俯视图。图4是图3的IV-IV线处的剖视图。
电力转换单元10还包括散热器20和壳体30。散热器20具有基座21和散热片22。基座21及散热片22例如由铝或铜等具有高导热性的金属形成。基座21形成为平板状，具有矩形板状的形状。基座21具有第一面21A和与第一面21A相反侧的第二面21B。半导体模块5U、5V、5W排列搭载于基座21的第一面21A。散热片22固定于基座21的第二面21B。
半导体模块5U、5V、5W各自在其动作中在开关元件Q及二极管D中产生由导通损失及开关损失构成的电力损失，因此开关元件Q及二极管D发热。由半导体模块5U、5V、5W产生的热从各半导体模块经由基座21传导至散热片22，并从散热片22向外部散热。
如图4所示，散热器20收容于壳体30。壳体30具有大致长方体形状，在半导体模块5U、5V、5W的上方形成有开口部31。壳体30例如由铁、不锈钢等金属形成。壳体30通过地(earth)与接地(接地电位)连接。
壳体30具有底部32、凸缘部33、以及将底部32和凸缘部33连接的侧壁部34。凸缘部33沿着开口部31的开口缘部而形成为环状。凸缘部33构成为支承基座21的第二面21B的外周缘部。基座21通过利用螺栓60被紧固于凸缘部33而被固定于壳体30。
在此，散热器20具有导电性，因此散热器20与壳体30之间被电绝缘。假设在散热器20与壳体30之间未被电绝缘的情况下，由于在半导体模块5U、5V、5W的直流负母线L2(参照图1)与接地(接地电位)之间产生的电位差而流通电流，因此存在产生电力损失的可能性。另外，在半导体模块5U、5V、5W的动作中产生的电磁噪声有可能在散热器20以及壳体30中传播而泄漏到壳体30的外部。
以往，作为将散热器安装于机架接地的安装构造，提出了在散热器与机架接地之间配置中空圆筒状的绝缘衬套，并利用贯通绝缘衬套的螺栓将散热器固定于机架接地的结构(例如，参照专利文献1)。在上述结构中，绝缘衬套具有直径比形成于散热器的贯通孔大且为规定厚度的凸缘部。从散热器的一个面将绝缘衬套嵌插在贯通孔中，在散热器的另一个面，在贯通孔的部分重叠有直径比贯通孔大、且为强度上足够的厚壁的绝缘部件。并且，利用从绝缘部件贯通绝缘衬套的螺栓，将机架接地以夹着绝缘衬套的凸缘部的方式固定于散热器。
上述的以往的安装构造，通过绝缘衬套的凸缘部的厚度来确保散热器与机架接地之间的绝缘所用的距离(空间距离以及沿面距离)。另外，空间距离及沿面距离基于电力转换单元的动作电压等来决定要求值。换言之，绝缘衬套的凸缘部需要为能够确保散热器和机架接地之间的电绝缘的厚度。其结果是，在散热器与机架接地之间形成与绝缘衬套的凸缘部的厚度相当的间隙。由此，电力转换单元大型化，因此担心电力转换单元的配置所需的空间也变大。
因此，在本实施方式中，提出了在确保散热器20与壳体30的电绝缘的同时实现电力转换单元10的小型化的散热器20的安装构造。
图5是图4的V-V线的剖视图。图6是示意性地表示散热器20的安装构造的展开立体图。
参照图5，电力转换单元10还具备绝缘部件40、50、螺栓60、垫圈70以及绝缘间隔件80。
绝缘部件40形成为平板状，具有矩形板状的形状。绝缘部件40例如由聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂这样的树脂等绝缘材料形成。绝缘部件40的厚度为0.5mm以上且2.0mm以下，为0.5mm左右。绝缘部件40具有第一面40A和与第一面40A相反侧的第二面40B。在绝缘部件40形成有沿厚度方向贯通绝缘部件40的多个贯通孔41。多个贯通孔41沿着矩形板状的绝缘部件40的长边排列而形成。绝缘部件40对应于“第二绝缘部件”的一个实施例。
绝缘部件50具有基部51和相对于基部51垂直地折弯的折弯部52、53。绝缘部件50例如由聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂这样的树脂等绝缘材料形成。绝缘部件50的厚度为0.5mm以上且2.0mm以下，例如为0.5mm左右。绝缘部件50对应于“第一绝缘部件”的一个实施例。
基部51形成为平板状，具有大致矩形板状的形状。基部51具有第一面51A和与第一面51A相反侧的第二面51B。在基部51形成有沿厚度方向贯通基部51的多个贯通孔54。多个贯通孔54沿着矩形板状的基部51的长边排列而形成。
第一折弯部52具有平板状的形状。第一折弯部52与矩形板状的基部51的长边的一侧接合，并相对于基部51的第一面51A垂直地突出。
第二折弯部53具有平板状的形状。第二折弯部53与矩形板状的基部51的长边的另一侧接合，并相对于基部51的第二面51B垂直地突出。第二折弯部53被设置为与第一折弯部52平行。绝缘部件50通过对平板状的原材料实施开孔加工并且对原材料进行弯曲加工而形成。
绝缘间隔件80具有中空圆筒状的形状。绝缘间隔件80例如由聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂这样的树脂等绝缘材料形成。绝缘间隔件80的延伸方向上的长度与基座21的厚度相等。另外，所谓的与基座21的厚度同等，包含相对于基座21的厚度而言的长度的差为5％以内的范围。但是，绝缘间隔件80的长度为基座21的厚度以下。中空圆筒状的绝缘间隔件80的内径比螺栓60的轴部的直径大。绝缘间隔件80的外径比形成于基座21的贯通孔24的内径小。
壳体30的凸缘部33形成为平板状，具有矩形板状的形状。凸缘部33具有第一面33A和与第一面33A相反侧的第二面33B。凸缘部33的厚度例如为1.6mm左右。在凸缘部33形成有沿厚度方向贯通凸缘部33的多个贯通孔35。
在矩形板状的基座21的外周缘部，形成有沿厚度方向贯通基座21的多个贯通孔24。多个贯通孔24沿着矩形板状的基座21的一边排列而形成。
本实施方式的电力转换单元10，通过在壳体30的凸缘部33固定有散热器20的基座21而形成。在将基座21适当地组装于凸缘部33的状态下，形成于基座21的贯通孔24与形成于凸缘部33的贯通孔35相互重叠，并分别同心地配置。典型地，贯通孔24和贯通孔35形成为相同形状。
基座21通过贯通了贯通孔24、35的螺栓60而紧固于凸缘部33。由此，基座21固定于凸缘部33。在位于螺栓60的端部的头部与基座21的第一面21A之间配置有环状的垫圈70。
中空圆筒状的绝缘间隔件80以外周面与基座21的贯通孔24的内周面进行面接触的方式配置于贯通孔24的内侧。螺栓60以贯通绝缘间隔件80的中空部分81的方式配置于绝缘间隔件80的中空部分81。
平板状的绝缘部件40设置于垫圈70与基座21之间。绝缘部件40被配置为：第一面40A与垫圈70面接触，第二面40B与基座21的第一面21A面接触。
绝缘部件50设置于基座21的第二面21B与凸缘部33之间。绝缘部件50被配置为：平板状的基部51的第一面51A与基座21的第二面21B面接触，基部51的第二面51B与凸缘部33的第一面33A面接触。此时，平板状的第一折弯部52与矩形板状的基座21的侧面进行面接触。另外，平板状的第二折弯部53与壳体30的侧壁部34面接触。
在相对于基座21以及凸缘部33适当地配置绝缘部件40、50的状态下，形成于绝缘部件40的贯通孔41以及在绝缘部件50的基部51形成的贯通孔54与形成于基座21的贯通孔24以及形成于凸缘部33的贯通孔35相互重叠，并分别同心地配置。
在以上所示的电力转换单元10中，散热器20与壳体30的电绝缘通过绝缘部件50来确保。具体而言，在散热器20的基座21与壳体30的凸缘部33之间配置有绝缘部件50(第一绝缘部件)的基部51。由于基部51形成为平板状，因此通过使平板的厚度变薄，能够缩小基座21与凸缘部33的间隔。因此，与以往的绝缘衬套相比较，能够降低电力转换单元10的铅垂方向(相当于基座21的法线方向)的高度，因此能够使电力转换单元10小型化。
另一方面，随着基部51的厚度变薄，基座21与凸缘部33接近，因此难以确保散热器20与壳体30的电绝缘。因此，绝缘部件50具有相对于基部51垂直地被折弯的折弯部52、53。第一折弯部52起到使基座21与凸缘部33之间的绝缘距离(空间距离以及沿面距离)延长的作用。第二折弯部53起到使基座21的第二面21B与侧壁部34之间的沿面距离延长的作用。
第一折弯部52的宽度(电力转换单元10的铅垂方向上的长度)能够根据基座21与凸缘部33之间的绝缘距离的要求值来设定。因此，在图5的例子中，第一折弯部52的宽度与基座21的厚度相等，但第一折弯部52的宽度也可以比基座21的厚度短。第二折弯部53的宽度(电力转换单元10的铅垂方向上的长度)能够根据散热片22与侧壁部34之间的绝缘距离的要求值来设定。
这样，通过将折弯部52、53与基部51接合，由此与由基部51单体来构成绝缘部件50的情况相比较，能够延长散热器20与壳体30之间的绝缘距离。因此，即使使基部51的厚度变薄，使基座21与凸缘部33接近，也能够确保散热器20与壳体30之间的电绝缘。
另外，在本实施方式的电力转换单元10中，散热器20与螺栓60的电绝缘通过绝缘部件40以及绝缘间隔件80来确保。由于绝缘部件40形成为平板状，因此通过使平板的厚度变薄，能够缩小螺栓60的头部与基座21的第一面21A的间隔。因此，能够降低电力转换单元10的铅垂方向的高度，能够使电力转换单元10小型化。另外，即使使绝缘部件40的厚度变薄，也能够通过绝缘部件40和绝缘间隔件80来确保基座21与螺栓60之间的绝缘距离。
并且，在本实施方式的电力转换单元10中，绝缘部件50形成为由基部51以及折弯部52、53构成的曲柄状，因此在电力转换单元10的组装工序中，能够相对于基座21容易地将绝缘部件50定位。由此，电力转换单元10的组装工序被简化。
另外，在上述的实施方式中，对绝缘部件50具有基部51和2个折弯部52、53的结构进行了说明，但在散热器20的散热片22与壳体30的侧壁部34之间具有足够的距离的情况下，能够从绝缘部件50省略第二折弯部53。在该情况下，绝缘部件50具有基部51和第一折弯部52。
另外，在上述的实施方式中，对将绝缘部件40和绝缘部件50相互独立地形成的结构进行了说明，但也可以是将绝缘部件40和绝缘部件50一体地形成的结构。在该情况下，绝缘部件40接合于矩形板状的第一折弯部52的长边的一侧，并相对于第一折弯部52垂直地突出。绝缘部件40与基部51相互平行地配置。
本次公开的实施方式应该被认为在所有方面都是例示而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明示出，而是由权利要求书来示出，意在包括与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。
附图标记说明
1交流电源，2负载，3转换器，3U、3V、3W桥臂电路，4电容器，5U、5V、5W半导体模块，10电力转换单元，20散热器，21基座，22散热片，30壳体，31开口部，32底部，33凸缘部，34侧壁部，40、50绝缘部件，51基部，52第一折弯部，53第二折弯部，60螺栓，70垫圈，80绝缘间隔件。

Claims (5)

1.一种电力转换单元，具备：
半导体模块，具有半导体元件；
散热器，具有平板状的基座和散热片；以及
壳体，收容所述散热片，并与接地连接，
所述基座具有：第一面，供所述半导体模块搭载；以及第二面，在与所述第一面相反的一侧，且供所述散热片固定，
所述壳体具有凸缘部，该凸缘部支承所述基座的所述第二面，
所述电力转换单元还具备第一绝缘部件，该第一绝缘部件将所述散热器与所述壳体电绝缘，
所述第一绝缘部件包括：
基部，具有平板状的形状，并被设置于所述基座的所述第二面与所述凸缘部之间；以及
第一折弯部，相对于所述基部垂直地被折弯，并与所述基座的侧面进行面接触。
2.根据权利要求1所述的电力转换单元，其中，
所述第一绝缘部件还包括第二折弯部，该第二折弯部相对于所述基部垂直地被折弯，并与所述壳体的侧壁部进行面接触。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换单元，其中，
在所述基座上形成有第一贯通孔，该第一贯通孔在厚度方向上贯通所述基座，
在所述凸缘部以及所述第一绝缘部件上分别形成有与所述第一贯通孔重叠的第二贯通孔，
所述电力转换单元还具备：
螺栓，贯通所述第一贯通孔及所述第二贯通孔，并将所述基座紧固于所述凸缘部；以及
第二绝缘部件及绝缘间隔件，将所述散热器与所述螺栓电绝缘，
所述第二绝缘部件具有平板状的形状，并被设置于所述螺栓的头部与所述基座的所述第一面之间，
所述绝缘间隔件在所述基座的所述第一贯通孔的内侧以能够插通所述螺栓的方式配置。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换单元，其中，
所述第一绝缘部件的所述基部的厚度为0.5mm以上且2.0mm以下。
5.根据权利要求3所述的电力转换单元，其中，
所述第二绝缘部件的厚度为0.5mm以上且2.0mm以下。
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