CN112913132A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，获得能够抑制因耦合而引起的噪声的产生并且实现基板的小型化的功率转换装置。在功率转换装置(1000)中，连接主电路元器件(400)而构成主电路的主电路布线具有在基板(100)上彼此隔开间隔地布线的第一主电路布线(201)和第二主电路布线(202)。第一主电路布线(201)与第二主电路布线(202)之间布线有与第一主电路布线(201)和第二主电路布线(202)绝缘的控制布线(300)，并且第一主电路布线(201)与第二主电路布线(202)经由在基板(100)的厚度方向上与控制布线(300)隔开间隔地配置的主电路元器件(400)相连接。

Description

功率转换装置
技术领域
本申请涉及功率转换装置。
背景技术
近年来，功率转换装置的高频驱动化不断推进，作为逆变器电路的开关元件，应用SiC(Silicon Carbide：碳化硅)或GaN(Gallium Nitride：氮化镓)等宽带隙半导体。功率转换装置的高频驱动化具有能够实现实时控制这样的高速控制等优点，另一方面，在伴随开关损耗增加的半导体开关元件的发热增加的基础上，还具有伴随铜损耗和铁损耗增加的电抗器和变压器等电子元器件的发热增加这样的缺点。
因此，提出了一种功率转换装置，该功率转换装置包括：盖，该盖具有收容电子元器件的凹部并且在表面侧的平面上搭载半导体开关元件；以及壳体，该壳体形成有冷却流路以使得在该凹部的侧面部中流过制冷剂。(例如，参照专利文献1)。专利文献1的功率转换装置中，电路基板固定于盖的表面侧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5823020号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1的功率转换装置中，电路基板固定在壳体和盖的上方，主电路布线和控制布线被布线于一个电路基板上。在一个电路板上布线主电路布线和控制布线的情况下，根据主电路布线和控制布线之间的位置关系，需要使一个布线迂回以使得这两者不接触，从而会导致基板面积的增大以及功率转换装置的大型化。虽然也考虑了通过设计用于与周边设备连接的输入连接器、输出连接器和控制连接器的位置(例如，在输入连接器和输出连接器之间不设置控制连接器)来防止布线的迂回，但是有时也例如如车载用功率转换装置的情况那样，限制用于与周边设备连接的连接器的位置。此外，通过使用多层布线基板在不同的布线层上布线控制布线和主电路布线并使它们彼此交叉，可以防止布线的迂回，但在布线交叉的位置处会产生由于主电路布线和控制布线的耦合而导致的噪声。可以通过噪声滤波器来去除由于耦合而导致的噪声，但由于为了构成噪声滤波器而追加线圈或电容器，功率转换装置会大型化。因此，在以往的功率转换装置中，难以兼顾对由于耦合而造成的噪声的抑制和基板的小型化。
本申请公开用于解决上述那样的问题的技术，其目的在于，得到一种能够抑制因耦合而引起的噪声的产生并且实现基板的小型化的功率转换装置。
用于解决技术问题的技术手段
本申请中所公开的功率转换装置是在一个基板上布线有将主电路元器件和多个开关元件彼此连接而构成主电路的主电路布线、和将对多个开关元件进行驱动控制的控制电路与多个开关元件相连接的控制布线的功率转换装置，在该功率转换装置中，主电路布线具有在基板上彼此隔开间隔地布线的第一主电路布线和第二主电路布线，控制布线在基板上布线于第一主电路布线与第二主电路布线之间，第一主电路布线和第二主电路布线经由在基板的厚度方向上与控制布线隔开间隔地配置的主电路布线连接部连接。
发明效果
根据本申请中所公开的功率转换装置，能抑制由于耦合而导致的噪声的发生并实现基板的小型化。
附图说明
图1是示出实施方式1中的功率转换装置的概要电路图。
图2A是示出实施方式1中的功率转换装置的局部侧视图。
图2B是示出实施方式1中的功率转换装置的局部俯视图。
图3是示出实施方式2中的功率转换装置的局部侧视图。
具体实施方式
实施方式1.
以下，基于图1至图2B来对实施方式1进行说明。图1是示出实施方式1中的功率转换装置的概要电路图。功率转换装置1000将从交流电源901输出的交流电转换为期望电压的直流电并将其提供给负载902，功率转换装置1000包括：主电路900，流过有来自交流电源901的电流；以及控制电路903，对主电路900具备的多个开关元件S11～S14进行驱动控制。多个开关元件S11～S14和各种主电路元器件通过主电路布线200彼此连结，构成主电路900。此外，多个开关元件S11～S14和控制电路903通过与主电路布线200电绝缘的控制布线300分别连接。另外，实施方式1中的“主电路元器件”是电抗器401、电容器402、变压器403和电抗器404，但“主电路元器件”不限于这些，也包含功率变换装置中构成主电路的所有电子元器件以及它们的组合。
主电路900由交流电源901所连接的一次侧和负载902所连接的二次侧构成，并且包括：整流部911，该整流部911对从交流电源901输出的交流电流进行整流；电容器402，该电容器402对由整流部911整流后的电流进行滤波并输出直流电压；逆变器部912，该逆变器部912将从电容器402输出的直流电压转换为具有期望频率的交流电压并且输出到变压器403的初级线圈；变压器403，该变压器403使来自逆变器部912的交流电压的电压值变化为期望大小并且从次级线圈输出；整流部913，该整流部913对因来自变压器403的交流电压而流动的电流进行整流；和电抗器404，该电抗器404对由整流部913整流后的电流进行滤波并将直流电流输出至负载902。
整流部911通过将二极管D11和二极管D12的串联连接体与二极管D13和二极管D14的串联连接体并联连接而构成。交流电源901中的一方经由滤波用的电抗器401连接到二极管D11与二极管D12之间的连接点，交流电源901中的另一方连接到二极管D13与二极管D14之间的连接点。
电容器402例如是薄膜电容器或铝电解电容器，并且并联连接在整流部911和逆变器部912之间。
反相器部912通过桥接多个开关元件S11～S14而构成，该多个开关元件S11～S14例如是使用SiC或GaN等宽带隙半导体的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)。开关元件S11～S14各自的基极端子经由控制布线300连接到控制电路903。控制电路903生成与各个开关元件相对应的控制信号并且经由控制布线300进行发送，由此驱动控制各个开关元件。另外，这里将IGBT用作开关元件S11～S14，但可以使用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等其他半导体开关元件。
变压器403是通过将连接到主电路900的一次侧的初级线圈和连接到主电路900的二次侧且极性与初级线圈同方向的次级线圈缠绕在铁芯等磁性体芯体(未图示)上而得到的，并且使主电路900的一次侧与二次侧电绝缘。变压器403的初级线圈和次级线圈通过磁性体芯体磁连接，通过交流电流流过初级线圈而产生的磁通经由磁性体芯体传递到次级线圈，通过该磁通在次级线圈中产生感应电动势，使交流电压从次级线圈输出到整流部913。通过调整变压器403的初级线圈和次级线圈的匝数之比，将从次级线圈输出到整流部913的交流电压的大小调整为期望值。
整流部913通过将二极管D21和二极管D22的串联连接体与二极管D23和二极管D24的串联连接体并联连接而构成。上述的变压器403的次级线圈的一端连接到二极管D21与二极管D22之间的连接点，另一端连接到二极管D23与二极管D24之间的连接点。
电抗器404串联连接在整流部913和负载902之间，并从整流部913输出的电流中去除脉动来对电流进行滤波。
负载902例如是电池，其中一方连接到电抗器404，另一方连接到二极管D24的阳极端子。
另外，图1中所示的功率转换装置仅是一个示例，不限于此，例如也可为DC-DC转换器。即，只要是通过控制电路来对连接至主电路的开关元件进行驱动控制，由此转换输入功率并且输出期望功率的装置即可。
接下来，将描述主电路布线200和控制布线300的布线。图2A是示出实施方式1中的功率转换装置的局部侧视图，图2B是局部俯视图。图2A和图2B是从侧方及上方观察功率转换装置1000中的主电路元器件400的周边的情况的图。图2A和图2B中所示的主电路元器件400示出图1中所示的各种主电路元器件即电抗器401、电容器402、变压器403或电抗器404中的一个或任何组合。如图所示，主电路布线200在基板100上被分割为第一主电路布线201和第二主电路布线202并布线，第一主电路布线201和第二主电路布线202在基板100的表面方向上彼此隔开间隔地布线。控制布线300布线在第一主电路布线201和第二主电路布线202之间，并且第一主电路布线201和第二主电路布线202与控制布线300绝缘。另外，基板100可以是单层布线基板，也可以是多层布线基板。此外，虽然省略图示，但控制布线300的一端连接到与外部设备连接的控制连接器，另一端连接到控制电路和电压电流的检测电路等。
主电路元器件400安装在图2A中的控制布线300的正下方，并且配置在基板100的厚度方向上与基板100相隔预先确定的距离L的位置。即，主电路元器件400在基板100的厚度方向上与控制布线300隔开间隔地配置。在基板100与主电路元器件400之间设置有供后文叙述的端子400a和端子400b分别贯通的孔(未图示)，配置有接地的板状金属构件500，并且主电路元器件400的与基板100相对的表面被金属构件500所覆盖。此外，如图2B所示，金属构件500在基板100上的投影面500A的面积大于主电路元器件400的投影面400A的面积，主电路元器件400的投影面400A容纳在金属构件500的投影面500A的内部。另外，在实施方式1中，使金属构件500和主电路元器件400抵接，但如果金属构件500配置在基板100和主电路元器件400之间，则也可以使金属构件500与主电路元器件400隔开间隔。此外，距离L的大小虽然取决于后文叙述的主电路元器件的端子的长度，但几cm左右即可。
主电路元器件400经由分别设置在基板100的表面方向上的一个端部和另一个端部的端子400a和端子400b连接到第一主电路布线201和第二主电路布线202。如此，第一主电路布线201和第二主电路布线202连接至主电路元器件400，从而第一主电路布线201和第二主电路布线202经由主电路元器件400连接。即，主电路元器件400相当于主电路布线连接部。端子400a和端子400b从主电路元器件400的与基板100相对的表面朝向基板100延伸，贯通形成在基板100中的孔(未图示)，分别连接到第一主电路布线201和第二主电路布线202。因此，第一主电路布线201和第二主电路布线202根据端子400a和端子400b的位置来分别布线，并且各自的一部分与投影面400A相重叠。此外，主电路元器件400安装在控制布线300的正下方，因此，控制布线300的一部分与投影面400A相重叠。另外，在实施方式1中，第一主电路布线201、第二主电路布线202以及控制布线300分别为一部分与投影面400A相重叠的配置，但也可以分别为整体与投影面400A相重叠的配置。
如上所述，端子400a和端子400b分别设置于基板100的表面方向上的一个端部和另一个端部，第一主电路布线201和第二主电路布线202根据主电路元器件400的端子400a和端子400b的位置进行布线，因此，第一主电路布线201和第二主电路布线202之间的距离大致等于投影面400A。因此，主电路元器件400的投影面400A越大，第一主电路布线201和第二主电路布线202之间的区域也越大，因此，在主电路元器件400包含像变压器403和电抗器401、404那样大型的元器件且投影面400A较大的情况下，第一主电路布线201和第二主电路布线202之间的区域也变大，并且能对控制布线300进行布线的区域也变大。
另外，实施方式1中，将端子400a及400b设置在主电路元器件400的与基板100相对的面上，但由于第一主电路布线201和第二主电路布线202之间的距离大致等于投影面400A的宽度即可，因此也可以在主电路元器件400的侧面设置向基板100的方向弯曲的L字形的端子。总而言之，为了形成能在第一主电路布线201和第二主电路布线202之间对控制布线300进行布线的区域，设置将主电路元器件400与第一主电路布线201和第二主电路布线202分别连接的端子的位置可以是主电路元器件400在基板100的表面方向上的一个端部和另一个端部。
此外，实施方式1中，使用主电路元器件400作为主电路布线连接部，但例如也可以使用汇流条来连接第一主电路布线201和第二主电路布线202。此外，第一主电路布线201与第二主电路布线202之间不仅可以对控制布线300进行布线，还可以配置连接到控制布线300的控制元器件。
根据实施方式1，能抑制由于耦合而导致的噪声的发生并且实现基板的小型化。更具体而言，在基板上，构成主电路布线的第一主电路布线和第二主电路布线彼此隔开间隔地布线，并且在第一主电路布线和第二主电路布线之间对控制布线进行布线。在基板的厚度方向上与控制布线隔开间隔地配置主电路元器件，并且第一主电路布线和第二主电路布线经由主电路元器件彼此相连接。因此，为了使第一主电路布线和第二主电路布线相连接，不需要使第一主电路布线或第二主电路布线与控制布线交叉，就能抑制由于主电路布线和控制布线之间的耦合而导致的噪声的产生。此外，由于第一主电路布线和第二主电路布线无需绕过控制布线，因此，可以防止由于布线的迂回而造成的基板的大型化，可以实现基板的小型化。另外，由于无需用于噪声切割的线圈和电容器，因而能实现整个功率转换装置的小型化以及低成本化。
另外，由于基板和主电路元器件在基板的厚度方向上隔开预先确定的距离进行配置，因此，可以更可靠地抑制主电路布线和主电路元器件与控制布线之间的耦合。
此外，由于接地的板状金属构件设置在主电路元器件与基板之间，因而可通过屏蔽效应来更可靠地抑制主电路布线和主电路元器件与控制布线之间的耦合。
此外，由于主电路元器件的投影到基板的投影面被容纳在板状金属构件的投影到基板的投影面内，因而主电路元器件的与基板相对的整个表面被板状金属构件所覆盖。因而，可以在整个主电路元器件上获得屏蔽效果。
此外，当主电路元器件包含像电抗器或变压器那样地大型的元器件时，由于第一主电路布线和第二主电路布线之间的区域变大，能够对控制布线进行布线的区域也变大，因而可以在第一主电路布线和第二主电路布线之间集中地对控制布线进行布线，可以实现基板的进一步的小型化。
另外，通过变更主电路元器件的端子的走线并且设计第一主电路布线和第二主电路布线之间的连接点，可提高主电路元器件的投影面上的控制布线的布线自由度。在该情况下，能实现基板100的进一步的小型化。
实施方式2.
下面，基于图3对实施方式2进行说明。另外，对于与图1至图2B相同或相当的部分标注相同的标号并省略其说明。图3是示出实施方式2中的功率转换装置的局部侧视图。图3是从侧面观察与实施方式1的功率转换装置1000相对应的功率转换装置1010中的任意的主电路元器件400周边的情况的图。实施方式2将连接第一主电路布线和第二主电路布线与主电路元器件的端子分割成2个分割端子。
主电路元器件400在基板100的表面方向上的一个端部和另一个端部分别设置有第一分割端子400a1和第一分割端子400b1。第一分割端子400a1和第一分割端子400b1朝向基板100的方向延伸，并且分别连接到设置在金属构件500与基板100之间的导电性中间构件601、602的下表面、即与主电路元器件400相对的表面。贯通形成在基板100中的孔(未图示)而与第一主电路布线201和第二主电路布线202分别连接的第二分割端子400a2和第二分割端子400b2分别连接到中间构件601、602的上表面、即与基板100相对的表面。
中间构件601是沿着基板100的表面方向从控制布线300侧朝向第一主电路布线201侧延伸的板状或棒状的导电性构件，中间构件601与第二分割端子400a2的连接位置位于比中间构件601与第一分割端子400a1的连接位置更靠外侧、即位于第一主电路布线201侧。此外，中间构件602是沿着基板100的表面方向从控制布线300侧朝向第二主电路布线202侧延伸的板状或棒状的导电性构件，中间构件602与第二分割端子400b2的连接位置位于比中间构件602与第一分割端子400a1的连接位置更靠外侧、即位于第二主电路布线202侧。此外，根据第二分割端子400a2、400b2的位置来对第一主电路布线201和第二主电路布线202分别布线。由此，主电路元器件400经由第一分割端子400a1、中间构件601和第二分割端子400a2连接到第一主电路布线201，并且经由第一分割端子400b1、中间构件602和第二分割端子400b2连接到第二主电路布线202。即，第一分割端子400a1、中间构件601以及第二分割端子400a2相当于实施方式1中的端子400a，第一分割端子400b1、中间构件602以及第二分割端子400b2相当于实施方式1中的端子400b。关于其他情况，由于与实施方式1相同，因此省略其说明。
根据实施方式2，能获得与实施方式1相同的效果。此外，即使当主电路元器件较小时，也可以扩大第一主电路布线与第二主电路布线之间的区域，可确保用于对控制布线进行布线的区域。更具体来说，将用于将第一主电路布线和第二主电路布线与主电路元器件分别连接的端子分割为与主电路元器件连接的第一分割端子、以及与第一主电路布线和第二主电路布线连接的第二分割端子，并且将第一分割端子和第二分割端子经由导电性中间构件电连接。此时，将第二分割端子与中间构件的连接位置设为比第一分割端子与中间构件的连接位置更靠外侧，因而，即使主电路元器件较小并且第一分割端子彼此之间较窄时，也能够增大第二分割端子彼此之间的距离，能够增大第一主电路布线与第二主电路布线之间的区域。
另外，实施方式2中将连接第一主电路布线和第二主电路布线与主电路元器件的端子分割为2个分割端子，但是也可以分割为3个以上。
虽然本申请记载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记载的各种特征、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来应用于实施方式。
因此，在本申请所公开的技术范围内可以设想无数未举例示出的变形例。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
100基板，200主电路布线，201第一主电路布线，202第二主电路布线，300控制布线，400主电路元器件，400a、400b端子，400a1、400b1第一分割端子，400a2、400b2第二分割端子，400A投影面，401电抗器，402电容器，403变压器，404电抗器，500金属构件，500A投影面，601、602中间构件，900主电路，901交流电源，902负载，903控制电路，911、913整流部，912逆变器部，1000、1010功率转换装置，D11～D14、D21～D24二极管，S11～S14开关元件。

Claims (7)

1.一种功率转换装置，该功率转换装置在一个基板上布线有将主电路元器件和多个开关元件彼此连接而构成主电路的主电路布线、和将对所述多个开关元件进行驱动控制的控制电路与所述多个开关元件相连接的控制布线，其特征在于，所述功率转换装置中，
所述主电路布线具有在所述基板上彼此隔开间隔地布线的第一主电路布线和第二主电路布线，
所述控制布线在所述基板上布线于所述第一主电路布线和所述第二主电路布线之间，
所述第一主电路布线和所述第二主电路布线经由在所述基板的厚度方向上与所述控制布线隔开间隔地配置的主电路布线连接部来进行连接。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述主电路布线连接部在所述基板的厚度方向上与所述基板相隔预先确定的距离来进行配置。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述主电路布线连接部与所述基板之间配置有接地的板状金属构件。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述主电路布线连接部的投影到所述基板的投影面被容纳在所述金属构件的投影到所述基板的投影面内。
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，
所述主电路布线连接部是所述主电路元器件。
6.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于，
将所述主电路元器件与所述第一主电路布线和所述第二主电路布线连接的端子由与所述主电路元器件相连接的第一分割端子、与所述第一主电路布线和所述第二主电路布线相连接的第二分割端子、以及将所述第一分割端子与所述第二分割端子电连接的导电性中间构件所构成，所述第二分割端子与所述中间构件的连接位置被配置为比所述第一分割端子与所述中间构件的连接位置更靠外侧。
7.如权利要求5或6所述的功率转换装置，其特征在于，
所述主电路元器件包含电抗器或者变压器。
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