CN114208016B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力转换装置，包括：将直流电功率转换为交流电功率的逆变器电路；对逆变器电路进行冷却的散热器；用于抑制冲击电流的冲击电流防止电路；使电压平滑化的平滑电路；第一电路板，其中逆变器电路配置于该第一电路板；第二电路板，其中平滑电路和冲击电流防止电路配置于该第二电路板；主体壳体，其收纳散热器、冲击电流防止电路和平滑电路；和风扇，其在主体壳体的内部从冲击电流防止电路和平滑电路向散热器吹送冷却风。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及电力转换装置。

背景技术

电力转换装置作为电动机的速度控制装置在工业界被广泛采用。

专利文献1公开了一种包括整流器、变压部、平滑电容器、逆变器电路的电力转换装置，其结构中，利用兼具散热和导电之功能的2个铜条，将安装了内置逆变器电路的功率模块的第一电路板，与安装了平滑电容器和继电器的第二电路板连接。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：WO2014/106894

发明内容

发明要解决的技术问题

在电力转换装置中，针对去往电解电容器的较大的充电电流，出于保护构成整流器的整流二极管受到该充电电流之影响的目的，设置有冲击电流防止电路。该冲击电流防止电路中连接有用于抑制电流的电阻和与该电阻并联连接的继电器或晶闸管等开关元件。在上电时，利用电阻抑制去往电解电容器的充电电流，并在电解电容器的容量充电至最大附近时使继电器接通。

在继电器接通之后，几乎全部电流在继电器中流动。因为继电器的内部寄生有电阻成分，所以导通时产生发热。构成整流器和逆变器的整流二极管和IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)具有电阻成分，并且由于电力转换装置的主电流流经其中，所以会产生在整个装置中占较大比例的焦耳损耗(焦耳热损耗)。该焦耳损耗若不能通过适当的方法进行散热，将无法维持要求的电力转换功能。

专利文献1公开了利用2个铜条来缓和第一电路板与第二电路板的热干扰的结构，但对于如何高效地冷却冲击电流防止电路、具备电容器的平滑电路以及逆变器电路，其考虑得并不充分。

本发明的目的在于提供一种能够对冲击电流防止电路、平滑电路和逆变器电路高效地进行冷却的电力转换装置。

解决问题的技术手段

作为本发明优选的一个例子，提供一种电力转换装置，包括：将直流电功率转换为交流电功率的逆变器电路；对所述逆变器电路进行冷却的散热器；用于抑制冲击电流的冲击电流防止电路；使电压平滑化的平滑电路；第一电路板，其中所述逆变器电路配置于所述第一电路板；第二电路板，其中所述平滑电路和所述冲击电流防止电路配置于所述第二电路板；主体壳体，其收纳所述散热器、所述冲击电流防止电路和所述平滑电路；和风扇，其在所述主体壳体的内部从所述冲击电流防止电路和所述平滑电路向所述散热器吹送冷却风。

发明效果

采用本发明，能够对冲击电流防止电路、平滑电路和逆变器电路高效地进行冷却。

附图说明

图1是表示实施例1的电力转换装置的电路图。

图2是实施例1的电力转换装置的分解图。

图3是从侧面观察电力转换装置的内部结构图。

图4是表示电力转换装置的第一PCB电路板与第二PCB电路板的连接关系的图。

图5是表示作为外部的附加电路将电抗器连接至集合端子台的情况的电路图。

图6是表示将外部的直流电源连接至集合端子台的情况的电路图。

具体实施方式

下面参照附图对实施例进行说明。

实施例1

图1是表示实施例1的电力转换装置的电路图，参照图1对电力转换装置100进行说明。图1的电力转换装置100包括整流器电路200、冲击电流防止电路300、平滑电路400、逆变器电路500。整流器电路200构成由6个二极管(整流元件)201～206形成的三相全波整流电路。

整流器电路将三相交流电源701的交流电压转换为线间电压的1.35倍左右的直流电压。转换后的直流电压上叠加有三相交流电源701的6倍频率的脉动。电容器401构成的平滑电路400用于减小该电压的脉动的振幅而使其变得平滑。

当整流器电路200开始受电时，冲击电流防止电路300的继电器301为关断状态，所以经由与继电器301并联连接的限流电阻302对电容器401充电。随着电容器401的充电，直流电压上升。

控制电路800利用电压传感器801监视直流电压，当直流电压超过规定值时，控制电路800对继电器驱动电路303发送驱动信号，将继电器301接通。

继电器301的寄生电阻与限流电阻302相比较小，所以几乎全部电流在继电器301中流通。将继电器301中有电流流通之前的过程称为初始充电。

逆变器电路500是将蓄积在电容器401中的直流功率转换为交流功率的电路。一个开关元件501与一个整流元件511逆向并联连接而构成电路，将该电路称为臂。用其他的5个开关元件502～506和5个整流元件512～516构成5个臂。

逆变器电路500由6个臂桥接而构成。逆变器电路500上连接有电动机等负载702。控制电路800计算与要求的输出频率相应的控制信号，对逆变器驱动电路520发送控制信号，逆变器驱动电路520基于驱动信号控制逆变器电路500中的开关元件501～506的开关动作。

通过以上动作，蓄积在电容器401中的直流功率被转换为动力。于是，随着逆变器电路500的动作从电容器401释放电力，另一方面，经由三相交流电源701、整流器电路200、继电器301对电容器401持续供给电力。

这样，当电力转换装置100处于运转状态时，电流在整流器电路200、继电器301、逆变器电路500中流动，产生因寄生电阻成分引起的焦耳损耗。整流器电路200和逆变器电路500的整流元件201～206、511～516、开关元件501～506在超过规定温度时会失去其整流特性、开关特性，发生不再能进行要求的电力转换之故障。即使不发生这样的故障，也会因高温下反复使用导致寿命劣化，所以需要采取与电力转换装置100的期待寿命相应的用于抑制温升的措施。

在电容器401反复充放电时，会产生因电容器401内部的寄生电阻成分引起的焦耳损耗。在焦耳损耗引起的电容器401内部的温升过大的情况下，会出现因电容器401的内压上升而导致破裂等故障，或加快构成电容器401的有机材料的寿命劣化。所以，需要采取与电力转换装置100的期待寿命相应的用于抑制电容器401温升的措施。

当继电器301超过规定温度时，内置线圈的开闭力减弱，开关特性劣化，所以为了确保更稳定的动作需要采取抑制温升的措施。并且，存在一种使继电器301构成为多个并联，以试图增大电力转换装置的输出容量的情况。

但是，在多个继电器301并联连接的结构中，各继电器的自发热相互干扰，所以与单独使用的情况相比周围温度会更高。其结果是，每1个继电器中可流通的电流受到限制，需要去选择具有裕度的继电器，导致存在自由度受到限制的问题。

控制电路800、继电器驱动电路303、逆变器驱动电路520、电源电路600一般而言自发热较小，能够自冷却。但是，存在因上述自发热较大的部件配置在附近而引起热干扰导致发生故障的情况。所以，需要采取抑制热干扰的措施。

以上说明的应对自发热和热干扰的措施，是通过设置送风和散热器，以及通过改进各部件的配置而执行的。另一方面，因为散热器自身体型较大，并且需要设置用于将部件电连接的配线，所以在既能够实现充分的热措施、又同时将部件紧凑地配置这一点上存在问题。本实施例是鉴于这样的情况得出的，以下说明其详情。

图2是实施例1的电力转换装置的分解图。图3是从侧面观察电力转换装置的内部结构图。图4是表示电力转换装置的第一PCB电路板与第二PCB电路板的连接关系的图。

参照图2～图4对电力转换装置100进行说明。图2的电力转换装置100在图1中示出的电路、部件之外，还具备风扇904、第一印刷线路板906(以下将印刷线路板称为PCB电路板(Printed Circuit Board)、第二PCB电路板907、主体壳体908、散热器909。

第一PCB电路板906上配置有控制电路800、电源电路600、电压传感器801、逆变器驱动电路520。第二PCB电路板907上配置有电容器401、继电器301、限流电阻302、3个端子台901～903。

主体壳体908在上部具备风扇904，在正面具备功率模块910的配置孔913和电容器401、继电器301、限流电阻302的配置孔912，在下部具备冷却风进风口。通过使螺栓等固定器具穿过设于背面四角的固定安装孔，将电力转换装置100设置在墙面上。在设置状态下，电力转换装置100的背面与设置面接触且密闭。通过使螺栓穿过散热器909的底板四角的固定孔以及主体壳体908的固定孔并进行固定，将配置孔913封闭。

通过使螺栓穿过设于第二PCB电路板907四角的固定孔和主体壳体908的固定孔并进行固定，将配置孔912封闭。如以上所述，通过组装散热器909和第二PCB电路板907，主体壳体的正面被密闭。

参照图3说明本实施例的电力转换装置100的冷却结构。图3的A表示电力转换装置100的正面侧，B表示电力转换装置100的背面侧。

该例中，主体壳体908以与安装面940接触的方式配置。如上所述，主体壳体908仅顶面、底面是敞开(开放)的，所以风扇904的冷却风905从下部向上部输送(吹送)。电容器401、继电器301、限流电阻302直接暴露在冷却风905中，所以各自的热915被冷却风905散发。

接着，冷却风905被吹送至散热器909，所以安装在散热器909上的内置有整流器电路200、逆变器电路500的功率模块910的热915被冷却风905散发。因各部件的散热而被加热的冷却风905经由安装于主体壳体908上部的风扇904向电力转换装置100的外部排出，所以始终从电力转换装置100的底面供给冷的冷却风。

继电器301被收纳在主体壳体908内，被强制风冷。因此，与将继电器301配置在没有冷却风流过的第一PCB电路板上的情况相比，能够高效地进行冷却。尤其是，在并联连接多个继电器301且必须使这些继电器301靠近配置的情况下，降低继电器301周围温度的效果较大，能够缓和利用率的降低，在继电器301和电力转换装置100的小型化方面是有效的。

进而，通过将散热器909、电容器401、继电器301等电力转换装置100的主要发热部件收纳在主体壳体908内，能够强化与第一PCB电路板之间的热绝缘。由于能够抑制对搭载在第一PCB电路板上的控制电路和驱动电路、其他电路部件(省略图示)造成的热干扰，所以在电力转换装置100的小型化方面是有效的。

本实施例中作为对象的部件中，功率模块910的发热最大，所以冷却风的温升在经过散热器909前后最大。因此，通过在比功率模块910、散热器909靠下部的位置配置电容器401、继电器301、限流电阻302，与采用相反配置的情况相比能够对电容器401、继电器301高效地进行冷却。而且，具有能够使风扇904和对风扇进行驱动的电路等送风装置变得结构简单，使电力转换装置100实现小型化的效果。

本实施例中将风扇904配置在主体壳体908的上部，但也可以将其配置在主体壳体908的下部并使冷却风905从下向上流动。

另外，本实施例中冷却风905流动的方向是从下向上，但也可以是从上向下。该情况下，在比散热器909靠上部的位置，配置电容器401、继电器301、限流电阻302。

即，构成为，在主体壳体内部从冲击电流防止电路300和平滑电路400向着散热器吹送由风扇产生的冷却风。

另外，也可以将风扇904、主体壳体908配置成使得冷却风905的流动方向为水平方向。该情况下，平滑电路400和冲击电流防止电路300相对于功率模块910、散热器909的位置关系也同样如上所述。

参照图4说明各电路的电连接。如图3所示，第一PCB电路板906相对于第二PCB电路板907配置在电力转换装置100的正面侧，但图4中的第一PCB电路板906和第二PCB电路板907是各自从电力转换装置100的正面观察的图。因此，第一PCB电路板906与第二PCB电路板907之间的配线实际上在垂直于纸面的方向延伸，但在图4中在纸面上记作横向延伸。

经由端子台902将第一PCB电路板906的逆变器电路500的正极530与第二PCB电路板907的平滑电路400的正极430电连接。配线916优选如实线图示那样，采用较短的路径。

端子台903将整流器电路200的负极(省略图示)和逆变器电路500的负极540与平滑电路400的负极440电连接。优选缩短配线916、配线917的路径，减小配线路径中寄生的电感。实际上，由于配线916和配线917是从第一PCB电路板906相对于纸面向里延伸的结构，所以能够缩短配线916和配线917。

例如，本实施例的电力转换装置中，为了使逆变器电路500与平滑电路400的距离最小，而在第二PCB电路板907的右上方配置端子台902、903。通过这样能够使电容器401与端子台902、903接近地配置。

进而，配线916和配线917优选在形成于第一PCB电路板906、和第二PCB电路板907内的层间采用相对配置，减小电感成分。由此，能够减小与路径长度成正比的两者之间的阻抗，能够抑制开关元件的损耗和逆变器电路的温升。

集合端子台101具有使整流器电路200的正极230与继电器301连接的功能。整流器电路200的正极230与继电器301经由集合端子台101的Pc端子(正极的直流输出端子)、Pi端子(正极的直流输入端子)以及端子台901电连接(用实线图示配线路径)。此处，集合端子台101在上层具备6个端子，在下层具备至少3个端子。此处，集合端子台101为2层结构，但也可以将集合端子台101设置为3层以上。通过这样，能够缩短横向的宽度，能够实现第一PCB电路板906内的电路配置自由度的提高或紧凑化。

配线918将整流器电路200的正极230与集合端子台101的Pc端子连接。配线918是电力转换装置100内最大的电流流经的配线，所以优选配线918的路径较短。因此，将继电器301配置在第二PCB电路板上。

通过该结构，与继电器301连接的端子台901能够配置在集合端子台101的Pi端子附近。图4中记作彼此位于横向上，但实际上能够在集合端子台101的Pi端子的里侧(纸面内侧)配置端子台901，所以能够彼此配置于附近。因此，具有能够减小配线的焦耳热、使电力转换装置100小型化的效果。

使用2层的集合端子台101的结构与横向一排地配置端子台的单层的情况相比，具有能够减小电力转换装置100的宽度尺寸的优点。而将继电器301搭载在第二PCB电路板上的结构与搭载在第一PCB电路板上的结构相比，具有能够减小电力转换装置100的纵向尺寸的优点。

集合端子台101具备用于将三相交流电源701、负载702等与电力转换装置100连接的端子台(R、S、T、U、V、W)。此处，R、S、T端子是三相交流输入用的端子，U、V、W端子是三相交流输出用的端子。

通过不在集合端子台101的下部配置继电器301等较厚度高的部件，即，通过将继电器301配置在第二PCB电路板上，能够在电线930的延伸方向914上设置空间。由此，能够将用于与外部机器连接的(线束等形成的)电线930容易地连接到集合端子台101。

图5是表示作为外部的附加电路将电抗器102连接在集合端子台101上的情况的电路图。通过对集合端子台101连接电抗器102，能够改善输入功率因数。

图6是表示将外部的直流电源103连接在集合端子台101上的情况的电路图。Pi端子是正极的直流输入端子，N端子是负极的直流端子。通过对集合端子台101连接直流电源103，无需驱动整流器电路200，就能够对电力转换装置100供给直流功率。

在专利文献1公开的2个铜条的结构中，不具备能够将整流器的直流输出(正极)和逆变器的输入(正极)与外部连接的结构，在电力转换装置外部设置附加电路的方面、以及接受直流功率的方面存在问题。本实施例能够避免这样的问题。

功率模块910的R、S、T、U、V、W各端子与集合端子台101的配线方法是任意的。例如，可以在第一PCB电路板内设置铜配线，用铜线等在电路板上空以跳线的方式配线。

实施例1中表示了并联连接4个电容器401的例子，但并联数是任意的。另外，可以通过使电容器401串联连接，从而具有更大的对直流电压的耐性。电容器401例如优选容量密度大、能够大容量化的电解电容器、薄膜电容器等。

实施例1中，使用由二极管构成的三相全波整流电路举例表示了整流器电路200，但也可以是其他的交直转换电路。

实施例1中，关于开关元件举例表示了IGBT，但也可以是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等其他开关器件。开关器件的材料有Si(硅)、SiC(碳化硅)等。

在实施例1中，以上说明的部件能够使用软钎焊或螺栓等固定器具与电路板电连接。

附图标记说明

100 电力转换装置

101 集合端子台

102 电抗器

200 整流器电路

300 冲击电流防止电路

301 继电器

302 限流电阻

303 继电器驱动电路

400 平滑电路

401 电容器

Claims (10)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：

将直流电功率转换为交流电功率的逆变器电路；

对所述逆变器电路进行冷却的散热器；

用于抑制冲击电流的冲击电流防止电路；

使电压平滑化的平滑电路；

第一电路板，其中所述逆变器电路配置于所述第一电路板；

第二电路板，其中所述平滑电路和所述冲击电流防止电路配置于所述第二电路板；

主体壳体，其收纳所述散热器、所述冲击电流防止电路和所述平滑电路；和

风扇，其在所述主体壳体的内部从所述冲击电流防止电路和所述平滑电路向所述散热器吹送冷却风。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述第一电路板上配置有控制电路，

所述平滑电路和所述冲击电流防止电路被配置于所述散热器的下方。

3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述第一电路板上配置有多层的集合端子台。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述第二电路板上配置有：

与所述逆变器电路的正极连接的第一端子台；和

与所述逆变器电路的负极连接的第二端子台。

5.如权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于：

所述第一端子台将所述平滑电路的正极与所述逆变器电路的正极连接，

所述第二端子台将所述平滑电路的负极与所述逆变器电路的负极连接。

6.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于：

所述集合端子台能够与电抗器连接。

7.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于：

所述集合端子台能够与直流电源连接。

8.如权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于：

所述第一电路板上配置有将交流电压转换为直流电压的整流器电路，

所述第二电路板上具有与所述冲击电流防止电路连接的第三端子台。

9.如权利要求8所述的电力转换装置，其特征在于：

所述第一电路板被配置在所述第二电路板的正面侧，

具有与连接至所述整流器电路的正极的配线连接的、配置在所述第一电路板上的集合端子台，

所述集合端子台与所述第三端子台连接。

10.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述第一电路板上配置有与外部电源或负载连接的集合端子台，

所述第一电路板比所述第二电路板配置在更靠正面侧。

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