CN115037174A - 逆变器单元、马达单元及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明的一方式的逆变器单元具有：功率模块，其将直流电力转换为交流电力；电容器模块，其使从直流电源提供的直流电压平滑化；以及板状的正极母线和负极母线，其将功率模块和电容器模块电连接。正极母线和负极母线以使板厚方向相互一致并沿板厚方向重叠的状态在功率模块和电容器模块之间延伸。

Description

逆变器单元、马达单元及车辆

技术领域

本发明涉及逆变器单元、马达单元及车辆。

背景技术

近年来，车辆用马达的逆变器单元的开发盛行。在逆变器单元中设置有通过母线相互连接的功率模块和电容器模块。在专利文献1中，公开了电容器模块和与该电容器模块连接的母线。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2018/170872号

发明内容

为了稳定地使用功率模块，需要将在开关元件断开时产生的浪涌电压的值抑制一定程度。以往，为了抑制浪涌电压的值而增大栅极电阻的值，但此时存在逆变器中的损失增大、逆变器的转换效率降低这样的问题。

鉴于上述情况，本发明的目的之一在于提供一种能够提高转换效率的逆变器单元、以及具备这种逆变器单元的马达单元和车辆。

本发明的一方式的逆变器单元具有：功率模块，其将直流电力转换为交流电力；电容器模块，其使从直流电源提供的直流电压平滑化；以及板状的正极母线和负极母线，其电连接所述功率模块和所述电容器模块。所述正极母线和所述负极母线以使板厚方向相互一致且沿板厚方向重叠的状态在所述功率模块和所述电容器模块之间延伸。

本发明的一方式的马达单元具备上述逆变器单元。

本发明的一方式的车辆具备上述马达单元。

发明效果

根据本发明的一方式，可提供一种能够提高转换效率的逆变器单元、以及具备这种逆变器单元的马达单元及车辆。

附图说明

图1是示意性地示出一实施方式的逆变器单元的纵剖面的说明图。

图2是装设一实施方式的逆变器单元的马达单元的电路框图。

图3是一实施方式的逆变器单元的分解图。

图4是一实施方式的母线与功率模块的连接部的放大示意图。

图5是一实施方式的母线与电容器模块的连接部的放大示意图。

图6是变形例1的母线与电容器模块的连接部的放大示意图。

图7是示意性地示出变形例2的逆变器单元的纵剖面的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明实施方式的逆变器单元1、马达单元40及车辆41进行说明。

在以下的说明中，有时以第一方向及与第一方向正交的第二方向为基础说明逆变器单元1的各部分。另外，在各附图中，适当地作为三维直角坐标系示出XYZ坐标系。第一方向是Z轴方向。另外，第二方向是X轴方向。

在本说明书中，以+Z方向为上侧、-Z方向为下侧对逆变器单元1进行说明。但是，逆变器单元1的实际使用时的姿势不限于本说明书中说明的上下方向。

图1是示意性地示出逆变器单元1的纵剖面的说明图。图2是装设逆变器单元1的马达单元40的电路框图。图3是示出在逆变器单元1中将母线组9分解后的状态的分解图。

如图1所示，本实施方式的逆变器单元1具备电容器模块2、功率模块3、母线组9、框体7和制冷剂流路8。另外，在图1中，纸面进深方向是逆变器单元1的长度方向等。

框体7收纳电容器模块2、功率模块3和制冷剂流路8。逆变器单元1的各部件在框体7的内部沿上下方向层叠配置。即，在本实施方式中，功率模块3和电容器模块2在上下方向(第一方向)上层叠配置。另外，制冷剂流路8配置在功率模块3与电容器模块2之间。

如图2所示，逆变器单元1装设在马达单元40上。即，马达单元40具有逆变器单元1。马达单元40装设在混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHV)、电动汽车(EV)等以马达为动力源的车辆41上，作为其动力源使用。车辆41具有马达单元40、向马达单元40提供电力的直流电源6、由马达单元40驱动的车轮(省略图示)。直流电源6例如是二次电池或双电层电容器。另外，直流电源6也可以提供将二次电池或双电层电容器的电压用升压转换器升压后的电压。

逆变器单元1连接在直流电源6和马达5之间。逆变器单元1将从直流电源6提供的直流电力转换为交流电力，向马达5提供电力。

在本实施方式中，马达5是三相马达。马达5也可以是四相以上的多相马达。马达5与逆变器单元1的功率模块3连接。另外，功率模块3也可以代替马达5而与发电机连接。在这种情况下，逆变器单元1将从发电机输入的电力转换为直流电力，对直流电源6进行充电。

功率模块3具有多个(在本实施方式中为六个)开关元件30。本实施方式的开关元件30是绝缘栅型双极晶体管(以下称为IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)。开关元件30也可以是IGBT以外的功率半导体元件。例如，开关元件30也可以是MOSFET等场效应晶体管。

功率模块3和电容器模块2分别构成逆变器电路31的一部分。逆变器电路31是由六个开关元件30构成的三相逆变器。即，逆变器电路31具有与U相、V相、W相对应的三相的由两个开关元件构成的桥臂。各桥臂的中点连接到马达5。

另外，在本实施方式的逆变器电路31中设有一个功率模块3，该功率模块3具有六个开关元件30。但是，逆变器电路31也可以由具有两个开关元件的三个功率模块构成逆变器电路。另外，开关元件30也可以将多个开关元件并联连接而构成。

逆变器电路31的三个桥臂的正极侧的连接端子3p经由母线组9的正极母线10与电容器模块2的正极侧端子2p连接。同样地，逆变器电路31的三个桥臂的负极侧的连接端子3n经由母线组9的负极母线20与电容器模块2的负极侧端子2n连接。

功率模块3具有图1所示的冷却部件3A。冷却部件3A与功率模块3接触。冷却部件3A的一部分位于制冷剂流路8内。制冷剂流路8设置于框体7或功率模块3。在制冷剂流路8内流通的制冷剂通过与冷却部件3A接触，经由冷却部件3A冷却功率模块3。在制冷剂流路8中流通的制冷剂例如是乙二醇水溶液。制冷剂也可以是水。另外，逆变器单元1也可以具备冷却电容器模块2的机构。

如图3所示，功率模块3具有从X轴方向(第二方向)的一侧(+X侧)的侧面3f沿X轴方向延伸出的多个连接端子3p、3n。连接端子3p、3n是沿着水平面(与第一方向正交的平面)的板状。

功率模块3的多个连接端子3p、3n被分类为正极侧的连接端子(正极侧端子3p)和负极侧的连接端子(负极侧端子3n)。在本实施方式中，正极侧端子3p及负极侧端子3n分别各设置三个。三个正极侧端子3p配置在同一平面上。同样，三个负极侧端子3n配置在同一平面上。功率模块3的负极侧端子3n相对于正极侧端子3p位于稍上侧。

如图2所示，电容器模块2与直流电源6及功率模块3并联连接。电容器模块2使提供给功率模块3的直流电压平滑化。

如图1所示，电容器模块2具有电容器元件2a和收纳电容器元件2a的电容器壳体2b。在本实施方式中，电容器模块2配置在制冷剂流路8的下侧，与制冷剂流路8接触。制冷剂流路8通过电容器壳体2b冷却电容器元件2a，抑制电容器元件2a成为高温。由此，提高了电容器模块2的可靠性。

如图3所示，电容器模块2具有从X轴方向(第二方向)的一侧(+X侧)的侧面2f沿X轴方向延伸出的多个连接端子2p、2n。连接端子2p、2n是沿着水平面(与第一方向正交的平面)的板状。

电容器模块2的多个连接端子2p、2n被分类为正极侧的连接端子(以下称为正极侧端子2p)和负极侧的连接端子(以下称为负极侧端子2n)。在本实施方式中，正极侧端子2p及负极侧端子2n分别各设置三个。三个正极侧端子2p配置在同一平面上。同样地，三个负极侧端子2n配置在同一平面上。电容器模块2的负极侧端子2n相对于正极侧端子2p位于稍下侧。另外，电容器模块2的正极侧端子2p和负极侧端子2n的上下位置关系与功率模块3的正极侧端子3p和负极侧端子3n的上下位置关系相互反转。

如图3所示，母线组9具有正极母线10、负极母线20和绝缘纸(绝缘部件)4。即，逆变器单元1具有正极母线10、负极母线20和绝缘纸4。正极母线10和负极母线20分别为板状。

正极母线10及负极母线20将功率模块3和电容器模块2电连接。在本实施方式中，功率模块3和电容器模块2在上下方向(第一方向)上层叠。因此，正极母线10及负极母线20跨越功率模块3及电容器模块2的X轴方向(第二方向)的一侧(+X侧)的侧部彼此而延伸。正极母线10连接功率模块3的正极侧端子3p和电容器模块2的正极侧端子2p。另一方面，负极母线20连接功率模块3的负极侧端子3n和电容器模块2的负极侧端子2n。

正极母线10具有：沿着上下方向延伸的正极主板部15；与正极主板部15的上端部连接的正极上板部16；以及与正极主板部15的下端部连接的正极下板部17。同样地，负极母线20具有：沿着上下方向延伸的负极主板部25；与负极主板部25的上端部连接的负极上板部26；以及与负极主板部25的下端部连接的负极下板部27。

正极主板部15和负极主板部25在使板厚方向相互一致且沿板厚方向重叠的状态下相互平行地延伸。正极主板部15及负极主板部25沿着功率模块3及电容器模块2的X轴方向(第二方向)的一侧(+X侧)的侧面3f、2f配置。另外，负极主板部25配置在正极主板部15的X轴方向(第二方向)的一侧(+X侧)。

使正极上板部16和负极上板部26的板厚方向相互一致。正极上板部16和负极上板部26沿着水平面(与第一方向正交的平面)延伸。即，正极上板部16和负极上板部26相互平行地延伸。

正极上板部16从正极主板部15的上端向X轴方向(第二方向)的另一侧(-X侧)延伸。同样地，负极上板部26从负极主板部25的上端向X轴方向(第二方向)的另一侧(-X侧)延伸。负极上板部26配置在正极上板部16的上侧。

正极下板部17及负极下板部27使板厚方向相互一致。正极下板部17和负极下板部27沿着水平面(与第一方向正交的平面)延伸。即，正极下板部17和负极下板部27相互平行地延伸。

正极下板部17从正极主板部15的下端向X轴方向(第二方向)的另一侧(-X侧)延伸。同样地，负极下板部27从负极主板部25的下端向X轴方向(第二方向)的另一侧(-X侧)延伸。负极下板部27配置在正极下板部17的下侧。

根据本实施方式，正极母线10和负极母线20以使板厚方向相互一致且沿板厚方向重叠的状态在功率模块3和电容器模块2之间延伸。

在此，功率模块3为了处理大电力而使寄生电感增大到无法忽视的程度。根据本实施方式，正极母线10和负极母线20在厚度方向上重叠配置。另外，在正极母线10和负极母线20中，相互在相反方向上流过相等电流值的电流。因此，由流过正极母线10的电流和流过负极母线20的电流产生的互感起到抵消自感的作用，能够降低有效的寄生电感。

从厚度方向观察的正极母线10与负极母线20重叠的面积越大，寄生电感越小。正极母线10和负极母线20优选宽度尺寸的90％以上重叠，更优选95％以上重叠。另外，正极母线10和负极母线20优选长度尺寸的90％以上重叠，更优选95％以上重叠。通过这样调整正极母线10与负极母线20的重叠量，能够充分地得到抑制寄生电感的效果。

另外，越是在厚度方向上接近地配置正极母线10和负极母线20，寄生电感就越小。正极母线10与负极母线20之间的沿厚度方向的间隙尺寸优选比正极母线10及负极母线20的板厚小。通过这样将正极母线10和负极母线20靠近配置，能够充分地得到抑制寄生电感的效果。在本实施方式中，正极母线10与负极母线20之间的间隙与配置在该间隙中的绝缘纸4的厚度大致一致。

通常，对于IGBT等开关元件30，预先确定最大额定电压，要求以比最大额定电压小的电压进行驱动。即，功率模块3被设计成施加给开关元件30的电压小于最大额定电压。提供给开关元件30的最大电压是在开关元件30断开时产生的浪涌电压。已知浪涌电压的值可以通过增大栅极电阻的值来降低。因此，在功率模块3中设置有具有浪涌电压的值不超过开关元件30的最大额定电压的程度的足够大的电阻值的栅极电阻。由此，能够抑制浪涌电压的值，另一方面，逆变器电路31整体的电阻值也变大，存在逆变器电路31的转换效率降低的问题。

另外，已知浪涌电压的值与寄生电感也具有相关关系。即，浪涌电压的值随着寄生电感变大而变大。根据本实施方式，如上所述，由于寄生电感降低，因此能够抑制浪涌电压的值。其结果，即使减小栅极电阻的值，也能够抑制浪涌电压的值超过最大额定电压。根据本实施方式，能够提供提高逆变器电路31的转换效率、功耗小的逆变器单元1。

如图1所示，在正极母线10的正极上板部16设置有与功率模块3连接的上侧正极连接部(连接部)11，在正极下板部17设置有与电容器模块2连接的下侧正极连接部(连接部)12。同样，在负极母线20的负极上板部26设置有与功率模块3连接的上侧负极连接部(连接部)21，在负极下板部27设置有与电容器模块2连接的下侧负极连接部(连接部)22。即，正极母线10和负极母线20分别具有与功率模块3连接的连接部11、21和与电容器模块2连接的连接部12、22。

如图3所示，功率模块3的正极侧端子3p和负极侧端子3n的上下方向位置相互错开。另外，多个正极侧端子3p彼此的上下方向位置相互一致，多个负极侧端子3n彼此的上下方向位置相互一致。正极母线10的上侧正极连接部11跨多个正极侧端子3p而连接。同样地，负极母线20的上侧负极连接部21跨多个负极侧端子3n而连接。

电容器模块2的正极侧端子2p和负极侧端子2n的上下方向位置相互错开。另外，多个正极侧端子2p彼此的上下方向位置相互一致，多个负极侧端子2n彼此的上下方向位置相互一致。正极母线10的下侧正极连接部12跨多个正极侧端子2p而连接。同样地，负极母线20的下侧负极连接部22跨多个负极侧端子2n而连接。

图4是上侧正极连接部11及上侧负极连接部21的放大示意图。

正极母线10的上侧正极连接部11与功率模块3的正极侧端子3p在上下方向上相对配置，经由焊接部W相互焊接连接。同样地，负极母线20的上侧负极连接部21与功率模块3的负极侧端子3n在上下方向上相对配置，经由焊接部W相互焊接连接。

根据本实施方式，上侧正极连接部11和上侧负极连接部21在上下方向上层叠配置，前端位置相互一致。即，正极母线10和负极母线20在与功率模块3连接的连接部11、21中也在板厚方向上相互重叠，在连接部11、21中也能够抑制寄生电感。

图5是下侧正极连接部12及下侧负极连接部22的放大示意图。

正极母线10的下侧正极连接部12与电容器模块2的正极侧端子2p在上下方向上相对配置，经由焊接部W相互焊接连接。同样地，负极母线20的下侧负极连接部22与电容器模块2的负极侧端子2n在上下方向上相对配置，经由焊接部W相互焊接连接。

根据本实施方式，下侧正极连接部12和下侧负极连接部22在上下方向上层叠配置，前端位置相互一致。即，正极母线10和负极母线20在与电容器模块2的连接部12、22中也在板厚方向上相互重叠，在连接部12、22中也能够抑制寄生电感。

在本实施方式中，正极母线10和负极母线20在与功率模块3连接的连接部11、21和与电容器模块2连接的连接部12、22中都相互重叠。由此，能够进一步减小作为整体的寄生电感。但是，只要在与功率模块3和电容器模块2中的任一方的连接部中正极母线10和负极母线20重叠，就能够在抑制寄生电感方面得到一定的效果。即，只要正极母线10和负极母线20在与功率模块3和电容器模块2中的至少一方连接的连接部中在板厚方向上相互重叠，就能够得到一定的效果。

根据本实施方式，正极母线10及负极母线20在连接部11、12、21、22处与从功率模块3和电容器模块2中的至少一方延伸出的连接端子2p、3p、2n、3n焊接连接。焊接是能够抑制接合部的厚度方向尺寸大型化的连接方法。根据本实施方式，正极母线10及负极母线20在连接部11、12、21、22处别不易在厚度方向上大型化，能够在厚度方向上接近配置。由此，能够有效地抑制连接部11、12、21、22中的寄生电感。

如图3所示，绝缘纸4被夹在正极母线10和负极母线20之间。绝缘纸4配置在正极母线10和负极母线20的主板部15、25彼此之间、上板部16、26彼此之间以及下板部17、27彼此之间。绝缘纸4可以在这三处分别各配置一张，另外，也可以是以跨越这三处的方式弯折的一张绝缘纸4。由此，即使使正极母线10与负极母线20接近，也能够确保正极母线10与负极母线20之间的绝缘。结果，能够提高逆变器单元1的可靠性。

另外，夹在正极母线10与负极母线20之间的部件只要是绝缘性的部件(绝缘部件)即可，其材质没有限定，例如也可以是成形为板状或片状的绝缘性的树脂部件。

<变形例1>

图6是能够在上述实施方式中采用的变形例1的负极母线120的连接部122的放大示意图。

另外，对与上述实施方式相同方式的构成要素赋予相同符号，并省略其说明。

本变形例的负极母线120主要是连接部122的结构不同。另外，在本变形例中，对负极母线120与电容器模块2的连接部122进行说明。但是，负极母线120与功率模块3的连接部、正极母线110与电容器模块2和功率模块3中的至少一方的连接部也能够采用同样的结构。

与上述实施方式相同，正极母线110和电容器模块2的正极侧端子102p在上下方向上相对配置。同样，负极母线120和电容器模块的负极侧端子102n在上下方向上相对配置。正极母线110及正极侧端子102p配置在比负极母线120及负极侧端子102n稍靠上侧的位置。与上述实施方式同样地，本变形例的正极母线110和负极母线120在连接部122处在板厚方向上相互重叠，因此能够抑制连接部122中的寄生电感。

在负极母线120的连接部122设置有沿厚度方向贯通的紧固孔129。同样地，在负极侧端子102n上设有沿厚度方向贯通的紧固孔102h。螺栓151穿过这些紧固孔129、102h。负极母线120的连接部122通过螺栓151及螺母152紧固在负极侧端子102n上。

另一方面，在正极母线110上设有退避孔118。从上下方向观察，退避孔118与负极母线120及负极侧端子102n的紧固孔129、102h重叠。在退避孔118的内部配置有螺栓151的轴部及螺母152。即，在正极母线110上设有避开在负极母线120的紧固中使用的螺栓151及螺母152的退避孔118。根据本变形例，由于正极母线110在退避孔118中避免与螺母152的干涉，因此能够将正极母线110靠近负极母线120配置，能够有效地抑制寄生电感。

在本变形例中，说明了从正极母线110的下侧插入螺栓151且在正极母线110的上侧配置螺母152的情况。但是，也可以从正极母线110的上侧插入螺栓151。在这种情况下，退避孔118仅避免与螺栓151干涉。

另外，在正极母线110的连接部具有同样的结构的情况下，优选在负极母线120上设置退避孔。即，优选在正极母线110和负极母线120中的一方设置避开用于紧固另一方的螺栓或螺母的退避孔。

根据本变形例，负极母线120的紧固孔129与正极母线110的退避孔118重叠。因此，在紧固孔129的周围和退避孔118的周围，能够使流过负极母线120及正极母线110的电流的状态接近。由此，能够有效地抑制寄生电感。

<变形例2>

图7是示意性地示出变形例2的逆变器单元201的纵剖面的说明图。本变形例的逆变器单元201与上述实施方式相比，主要是功率模块3和电容器模块2的配置不同，随之母线组209的结构也不同。

另外，对与上述实施方式相同方式的构成要素赋予相同符号，并省略其说明。

本变形例的逆变器单元201与上述实施方式同样，具备电容器模块2、功率模块3、母线组209、制冷剂流路8以及收纳它们的框体207。

在框体207的内部，功率模块3和电容器模块2在X轴方向(第二方向)上彼此相对配置。另外，制冷剂流路8层叠配置在功率模块3的下侧。母线组209沿着X轴方向(第二方向)延伸，连接功率模块3和电容器模块2。

母线组209具有正极母线210、负极母线220和绝缘纸204。即，逆变器单元201具有正极母线210、负极母线220和绝缘纸204。正极母线210和负极母线220分别为板状。正极母线210和负极母线220以使板厚方向相互一致且沿板厚方向重叠的状态在功率模块3和电容器模块2之间延伸。另外，绝缘纸204被夹在正极母线210和负极母线220之间。

在本变形例中，功率模块3和电容器模块2在X轴方向(第二方向)上并列配置。因此，正极母线210及负极母线220跨过功率模块3及电容器模块2的相对面彼此而配置。

以上，说明了本发明的实施方式及其变形例，但实施方式及变形例中的各结构及它们的组合等只是一例，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行结构的附加、省略、置换及其他变更。另外，本发明并不限定于实施方式及变形例。

正极母线也可以是与功率模块的正极侧端子和电容器模块的正极侧端子中的任一方一体的部件。同样地，负极母线也可以是与功率模块的负极侧端子和电容器模块的负极侧端子中的任一方一体的部件。

附图标记

1、201…逆变器单元；2…电容器模块；2p、3n、3p…连接端子；3…功率模块；4…绝缘纸(绝缘部件)；5…马达；10、110、210…正极母线；11、12、21、22、122…连接部；20、120、220…负极母线；31…逆变器电路；40…马达单元；41…车辆；118…退避孔；151…螺栓；152…螺母。

Claims (11)

1.一种逆变器单元，具有：

功率模块，该功率模块将直流电力转换为交流电力；

电容器模块，该电容器模块对从直流电源提供的直流电压进行平滑化；以及

板状的正极母线及负极母线，该正极母线及负极母线将所述功率模块和所述电容器模块电连接，

所述正极母线和所述负极母线以使板厚方向相互一致且在板厚方向上重叠的状态在所述功率模块与所述电容器模块之间延伸。

2.根据权利要求1所述的逆变器单元，其中，

所述正极母线和所述负极母线具有与所述功率模块和所述电容器模块中的至少一方连接的连接部，

所述正极母线和所述负极母线在所述连接部处也在板厚方向上相互重叠。

3.根据权利要求2所述的逆变器单元，其中，

所述正极母线及所述负极母线在所述连接部处与从所述功率模块和所述电容器模块延伸出的连接端子中的至少一方焊接连接。

4.根据权利要求2所述的逆变器单元，其中，

所述正极母线及所述负极母线在所述连接部处通过螺栓及螺母与从所述功率模块和所述电容器模块延伸出的连接端子中的至少一方紧固，

在所述正极母线和所述负极母线中的一方设置有避开在另一方的紧固中使用的所述螺栓或所述螺母的退避孔。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的逆变器单元，其中，

在所述正极母线与所述负极母线之间夹着绝缘部件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的逆变器单元，其中，

所述功率模块和所述电容器模块在第一方向上层叠配置，

所述正极母线及所述负极母线跨越所述功率模块及所述电容器模块的与所述第一方向正交的第二方向的一侧的侧部彼此而延伸。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的逆变器单元，其中，

所述功率模块与所述电容器模块彼此相对配置，所述正极母线及所述负极母线跨过所述功率模块和所述电容器模块的相对面彼此配置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的逆变器单元，其中，

所述功率模块具有绝缘栅型双极晶体管。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的逆变器单元，其中，

所述功率模块具有场效应晶体管。

10.一种马达单元，具备权利要求1至9中任一项所述的逆变器单元。

11.一种车辆，具备根据权利要求10所述的马达单元。

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