CN116711203A - 功率转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明包括：作为电容器元件的端子的正极端子和负极端子；与所述正极端子连接的正极导体板；与所述负极端子连接的负极导体板；以及与这两个导体板连接的功率转换模块，所述正极端子和所述负极端子沿所述电容器元件的排列方向形成，所述正极导体板和所述负极导体板各自的主表面与所述电容器元件的主表面相对地配置，并且形成彼此层叠的层叠导体部，所述层叠导体部具有与所述负极端子的主表面相对地层叠的第一层叠区域、和与所述正极端子的主表面相对地层叠的第二层叠区域。
Description
技术领域
本发明涉及功率转换装置。
背景技术
近年来，要求功率转换装置高输出密度化，并且正在发展小型化、轻量化。特别是，在搭载有电池的电动车或混合动力汽车中，为了确保车身的轻量化及车内空间，对小型化的要求很强，除此之外，还要求低电感化的功率转换装置。
作为本申请发明的背景技术，在下述的专利文献1中，公开了下述一种技术：将在电容器两端的金属喷镀电极上连接有L形且具有与金属喷镀电极的宽度大致相同的宽度的第1及第2板状端子的层叠式电容器元件配置在基体的一个面侧，通过这样的结构使得流过相互反向的电流，电流引起的磁场被抵消，使布线电极的电感降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005－159106号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
随着功率转换装置的小型化的发展，连接电容器和功率模块的直流电气布线的安装空间受到限制，因此，为了兼顾高密度化和电感降低，专利文献1记载的技术并不足以应对。
鉴于以上，本发明的课题是提供一种兼顾小型化和低电感化的功率转换装置。
解决技术问题的技术方案
本发明的功率转换装置包括：作为电容器元件的端子的正极端子和负极端子；与所述正极端子连接的正极导体板；与所述负极端子连接的负极导体板；以及功率转换模块，该功率转换模块与所述正极导体板和所述负极导体板连接，将直流电和交流电相互转换，所述正极端子和所述负极端子沿所述电容器元件的排列方向形成，所述正极导体板和所述负极导体板各自的主表面与所述电容器元件的主表面相对地配置，并且形成彼此层叠的层叠导体部，所述层叠导体部具有与所述负极端子的主表面相对地层叠的第一层叠区域、和与所述正极端子的主表面相对地层叠的第二层叠区域。
发明效果
根据本发明，能够提供一种兼顾小型化和低电感化的功率转换装置。
附图说明
图1是本发明的一实施方式所涉及的功率转换装置的布线结构的简图。
图2是图1的A-A'剖视图。
图3是图1的B-B'剖视图。
图4是本发明的一实施方式所涉及的功率转换装置的结构简图。
图5是图4的连接部的变形例。
图6是表示现有技术与本发明的不同效果的示意图。
图7是图4中使用了双面冷却结构的功率转换装置的结构简图。
图8是本发明的一实施方式所涉及的逆变器***的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。下面的记载和附图是用于说明本发明的示例，并且为了说明的清楚性，适当地进行省略和简化。本发明也可以以各种其他形式实施。只要没有特别限定，各结构要素既可以是单个也可以是多个。
为了便于理解本发明，附图中所示的各构成要素的位置、尺寸、形状、范围等有时不表示实际的位置、尺寸、形状、范围等。因此，本发明未必一定限定为附图中公开的位置、尺寸、形状、范围等。
(现有技术的问题点)
首先，对现有技术的问题点进行说明。在现有技术中，如前所述，连接电容器和功率模块的直流电气布线的设置空间受到限制，从而很难应对对小型化的要求。不仅如此，还采用如下结构：为了连接电容器端子，在汇流条上设置贯通部，电容器的正极端子或负极端子穿过该贯通部并在电容器的相反侧与汇流条连接，从而缩小了成为层压结构的正极直流布线部和负极直流布线部(连接功率模块和电容器端子的直流布线部)相对的面积(层压面积、直流电气布线的布线面积)。随着小型化的发展，存在其相对的面积也有进一步缩小的问题点。
另外，如果布线连接到汇流条的贯通部，则需要实施绝缘处理，如果是这种结构，则绝缘处理就会变得复杂。除此之外，电容器和汇流条的连接工序也变得复杂又是问题。基于此，本发明通过将电容器引出端子与正负极汇流条进行层压并在端部连接来解决问题。
(本发明的一实施方式及其结构)
图1是本发明的一实施方式所涉及的功率转换装置的布线结构的简图。
作为功率转换装置的布线结构1，图1示出了对从电源提供的电压进行滤波的电容器元件10、电容器元件10的负极端子11和正极端子12、汇流条部4、在设置电容器的一侧形成的汇流条部的端部2(以下称为端部2)、以及在设置功率转换模块20(参见图4)的一侧形成的汇流条部的端部3(以下称为端部3)。
电容器元件10呈椭圆形状，将没有负极端子11和正极端子12的侧面彼此相邻而排列成一列。此外，在各电容器元件10中，沿着电容器元件10的排列方向分别形成负极端子11和正极端子12。因此，与之相伴地，负极端子11和正极端子12也相邻地排列成一列。
汇流条部4设置在与排列成一列的负极端子11和正极端子12相对的位置，汇流条部4由端部2连接负极端子11和正极端子12。在该连接中，需要实施绝缘处理，但由于可以利用绝缘盖进行绝缘处理，因此能容易地进行绝缘处理。
汇流条部4在设置有端部2的一侧的相反侧设置有用于与功率转换模块20连接的端部3。由此，由电容器元件10滤波后的电压被发送到功率转换模块20。功率转换模块20具有相互转换直流电和交流电的功能，将经由汇流条部4输入的直流电转换为交流电，并且将交流电转换为直流电并输出到汇流条部4。
图2是图1的A-A'剖视图。
功率转换装置的布线结构1的放大部分A详细示出了与电容器元件10连接的汇流条部4。电容器元件10的负极端子11在端部2处与负极导体板13连接，在端部2处通过端部的连接部15连接。与负极导体板13并排且隔着绝缘盖5设置有正极导体板14。负极导体板13和正极导体板14各自的主表面与电容器元件10的主表面相对地配置，并且形成有彼此层叠的层叠导体部16。
在图2中，层叠导体部16具有与负极端子11的主表面相对地层叠的第一层叠区域17。负极端子11和层叠导体部16被层压(并排布置)。以往，在与电容器元件的连接中，汇流条部(层叠导体部16)需要贯通部，但是通过本发明的该结构，不需要贯通部，因此能够简化绝缘处理和电容器与汇流条的连接工序。
此外，电流在连接部15处折回并流过负极端子11，使得流过负极端子11的电流方向与流过负极导体板13的电流方向相反。因此，由电流产生的磁场相互抵消，从而具有能够降低第一层叠区域17中的布线的寄生电感的效果。
另外，图2示出流过正极导体板14的电流与负极导体板13的电流相反地流动的镜像电流的状态。即使通过该镜像电流，由流过正极导体板14的电流产生的磁场也被消除，并且能够降低层叠导体部16中的布线的寄生电感。此外，通过使电容器元件10的布线和直流导体板(负极导体板13或正极导体板14)相对配置并设为层叠结构，从而能降低直流导体板和电容器元件端子之间的寄生电感。
图3是图1的B-B'剖视图。
在图3中，与图2相同，详细示出了与电容器元件10连接的汇流条部4，但与图2的不同点在于，电容器元件10的端子为正极端子12。层叠导体部16具有与正极端子12的主表面相对地层叠的第二层叠区域18。此外，正极端子12与正极导体板14相连接，但层叠导体部16中，隔着绝缘盖5与正极导体板14并排地设置有负极导体板13。
此外，电流在连接部15处折回并流过正极端子12，使得流过正极端子12的电流方向与流过正极导体板14的电流方向相反。因此，电流产生的磁场相互抵消，从而使电感降低。另外，在第二层叠区域18附近，由于磁场被流过正极端子12和正极导体板14的相反电流抵消，因此电流不流过负极导体板13。
在图2和图3中相同的是层叠导体部16、负极端子11和正极端子12通过层叠导体部16的端部2连接。即，不需要如现有技术那样将负极端子11和正极端子12中的一个、和层叠的负极导体板13和正极导体板14中的一个在电容器元件10的相反侧连接。因此，层叠导体部16不具有用于使负极端子11或正极端子12穿过的贯通孔。通过这种连接方式，能够有效地利用正极导体板14和负极导体板13的相对面。
此外，如上所述，由于汇流条部4(层叠导体部16和直流导体板13、14)不具有贯通孔，因此连接端子不需要穿过贯通孔。因此，不需要实施由于存在穿过贯通孔的连接端子而产生的复杂绝缘处理。在层叠导体部16的端部2，能容易地进行绝缘处理以覆盖端子的暴露部分。
图4是本发明的一实施方式所涉及的功率转换装置的结构简图。
如图4所示，功率转换装置包括电容器元件10、负极端子11(未示出)、正极端子12、层叠导体部16、功率转换模块20、用于冷却功率转换模块20的冷却翅片21、用于连接固定功率转换模块20和层叠导体部16的螺钉22、以及用于拧紧螺钉22的端子台23。正极端子12和层叠导体部16通过端部的连接部15连接。
在连接部15，设置用于进行TIG(Tungsten Inert Gas：钨惰性气体)焊接的卡爪19，以进行TIG焊接。卡爪19使构成层叠导体部16的正极导体板14和负极导体板13中的某一个的端部、与电容器元件10的负极端子11和正极端子12中的某一个从两侧粘合以形成膜拜形状。
在TIG焊接中，卡爪19的部分被焊接电极从两侧夹住，在连接部15焊接。另外，卡爪19的长度优选设置为8mm以上。通过将螺钉22拧紧在端子台23上来连接功率转换模块20和层叠导体部16。
功率转换模块20由于在功率转换时产生的功率损耗而发热，因此利用冷却翅片21冷却。因此，防止功率转换模块20由于发热引起的温度升高而破坏。
图5是图4的连接部的变形例。
与图4的不同点在于，层叠导体部16与电容器元件10的端子部(正极端子12和负极端子11)的连接方法不同。在图4中，采用了TIG焊接进行连接的方式，而在图5中采用了拧紧螺钉方式。因此，能够统一层叠导体部16和功率转换模块20之间的连接、以及层叠导体部16和电容器元件10的端子部(正极端子12和负极端子11)在连接部15的连接，从而可以简化生产工序。
此外，在图4的TIG焊接方式中，需要从两侧夹住端子的卡爪19，并且进行焊接的连接部15需要从电容器元件10向上突出，但是，在图5中，由于没有卡爪19，因此连接部15可以配置在电容器元件10的正上方，并且在高度方向(图5的上下方向)上可以低于图4。
另外，图4中需要外部焊接设备的TIG焊接方式是焊接端子侧面端部的方式，而图5中也可以采用同样需要外部焊接设备的激光焊接方式。因此，能够焊接端子的相对面，并且可以通过不需要拧紧螺钉的方法进行连接。
图6是表示现有技术与本发明的不同效果的示意图。
图6(a)是作为现有技术的功率转换装置的布线结构1A，是使电容器元件10的负极端子11与层叠导体部16不相对的布线结构。该布线结构不是层叠结构，如本发明那样通过电容器元件10的负极端子11和层叠导体部16之间的镜像电流使彼此之间的电流产生的磁场消除的效果较小，因此布线寄生电感无法降低。
另一方面，根据本发明的一实施方式，如上所述，通过使层叠导体部16与电容器元件10的负极端子11相对并设为层叠结构，从而能够降低布线寄生电感。
图6(b)是示出布线电感的降低效果差异的图，可知在将现有技术的功率转换装置的布线结构的布线电感设为100％的情况下，本发明能够将布线的自感降低约40％。
图7是图4的布线结构中使用了双面冷却结构的功率转换装置的结构简图。
在图7所示的功率转换装置的布线结构1B中，通过在功率转换模块20的两个表面配置冷却翅片21，从而能够在功率转换模块20的两侧进行散热。因此，能够有效地使功率转换模块20散热。
图8是本发明的一实施方式所涉及的逆变器***的图。
在使用了功率转换装置的布线结构的逆变器***60中，上述功率转换模块20构成三相逆变器***60。另外，图8所示的功率转换模块的示例是2合1。另外，电容器元件10的端子(负极端子11和正极端子12)与直流导体板(正极导体板14和负极导体板13)之间的连接、以及层叠导体部16和功率转换模块20通过连接用的螺钉22拧紧在端子台23上进行连接的结构与上述图4和图5相同。
对功率转换装置的功能进行说明。功率转换装置具有将从直流电源提供的直流电转换为用于提供给旋转电机等交流电负载的交流电的功能，或者将由旋转电机发电产生的交流电转换为用于提供给直流电源的直流电的功能。为了起到该转换功能，功率转换装置包括具有功率半导体元件的功率转换模块20，并且功率半导体元件在功率转换模块20中重复导通动作和切断动作，从而进行从直流电到交流电或从交流电到直流电的功率转换。
由于功率半导体元件的开关动作，电流反复切断或导通，此时功率转换装置的电路部存在的电感产生尖峰电压。如果该尖峰电压变大，则有可能超过功率半导体元件的额定电压。设置滤波电容器10以降低该尖峰电压，并且通过本发明降低设置在电容器10和功率转换模块20之间的直流电气布线的寄生电感。
对功率转换装置的结构进行说明。功率转换模块20经由控制信号端子34连接到控制基板35。在逆变器***60动作时，功率转换模块20由控制板35控制，电流经由层叠导体部16从电容器元件10流过功率转换模块20，并且电流被输出到功率输出端子31。
输出到功率输出端子31的电流值由电流传感器32检测，并且经由电流传感器信号端子33向控制板35传输电流检测信号。电流检测信号经由传输路径38传输到上位控制基板36，并且基于传输至上位控制基板36的电流检测信号，生成功率转换模块20的控制信号。所生成的控制信号经由控制信号端子34传输到功率转换模块20。
当逆变器***60动作时，位于电流流过的路径中的电容器元件10、层叠导体部16和功率转换模块20发热。电容器元件10通过电容器固定树脂40热连接到逆变器***的壳体30。电容器元件10经由电容器固定树脂40由壳体30冷却。此外，功率转换模块20经由冷却用的散热翅片21被直接冷却，并且被收纳在功率转换装置的壳体中。
根据以上说明的本发明的一实施方式，起到以下的作用效果。
(1)功率转换装置包括作为电容器元件10的端子的正极端子12和负极端子11、与正极端子12连接的正极导体板14、与负极端子11连接的负极导体板13、以及与正极导体板14和负极导体板13连接并相互转换直流电和交流电的功率转换模块20。正极端子12和负极端子11沿着电容器元件10的排列方向形成，正极导体板14和负极导体板13各自的主表面与电容器元件10的主表面相对地配置，并且形成相互层叠的层叠导体部16。层叠导体部16具有与负极端子11的主表面相对地层叠的第一层叠区域17、和与正极端子12的主表面相对地层叠的第二层叠区域18。由此，能够提供一种兼顾小型化和低电感化的功率转换装置。
(2)正极端子12的前端连接到第二层叠区域18的端部2，负极端子11的前端连接到第一层叠区域17的端部2。这样，就不需要在汇流条部设置贯通部进行连接，绝缘处理也变得容易。
(3)第一层叠区域17的端部2和第二层叠区域18的端部2通过TIG焊接、激光焊接或螺钉端子，分别与负极端子11的前端和正极端子12的前端连接。这样，可以简化制造工序中的连接。
(4)在层叠导体部16中，与设有第一层叠区域17的端部2和第二层叠区域18的端部2的一侧的相反侧的端部3与功率转换模块20连接。这样，能够有助于根据应用了本发明的布线结构所得到的功率转换装置的小型化。
(5)功率转换模块20经由冷却翅片21收纳在收纳壳体30中，电容器元件10经由作为粘合树脂的电容器固定树脂40收纳在收纳壳体30中。由此，能够增强功率转换模块20的冷却效果。
(6)正极导体板14和负极导体板13不具有用于使正极端子12或负极端子11穿过的贯通部。因此，制造工序中的绝缘处理不会复杂化。
如上所述，在不脱离发明的技术思想的范围内，能够删除、替换其他结构、追加其他结构，其方式也包含在本发明的范围内。另外，也可以是组合了上述实施方式和多个变形例的结构。
标号说明
1功率转换装置的布线结构
2汇流条部的端部(电容器侧)
3汇流条部的端部(功率转换模块侧)
4汇流条部
5绝缘盖
10电容器元件
11电容器元件的负极端子
12电容器元件的正极端子
13负极导体板
14正极导体板
15端部的连接部
16层叠导体部
17第一层叠区域
18第二层叠区域
19卡爪
20功率转换模块
21冷却(散热)翅片
22螺钉
23端子台
30壳体
31功率输出端子
32电流传感器
33电流传感器信号端子
34控制信号端子
35控制基板
36上位控制基板
38传输路径
40电容器固定树脂
60逆变器***。
Claims (9)
1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
作为电容器元件的端子的正极端子和负极端子；
与所述正极端子连接的正极导体板；
与所述负极端子连接的负极导体板；以及
功率转换模块，该功率转换模块与所述正极导体板和所述负极导体板连接，将直流电和交流电相互转换，
所述正极端子和所述负极端子沿所述电容器元件的排列方向形成，
所述正极导体板和所述负极导体板各自的主表面与所述电容器元件的主表面相对地配置，并且形成彼此层叠的层叠导体部，
所述层叠导体部具有与所述负极端子的主表面相对地层叠的第一层叠区域、和与所述正极端子的主表面相对地层叠的第二层叠区域。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述负极端子的前端连接到所述第一层叠区域的端部。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述正极端子的前端连接到所述第二层叠区域的端部。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第一层叠区域的端部和所述第二层叠区域的端部通过TIG焊接，与所述负极端子的前端和所述正极端子的前端分别连接。
5.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第一层叠区域的端部和所述第二层叠区域的端部通过激光焊接，与所述负极端子的前端和所述正极端子的前端分别连接。
6.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第一层叠区域的端部和所述第二层叠区域的端部通过螺钉端子，与所述负极端子的前端和所述正极端子的前端分别连接。
7.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述层叠导体部，设置有所述第一层叠区域的端部和所述第二层叠区域的端部的一侧的相反侧的端部与所述功率转换模块连接。
8.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，
所述功率转换模块经由冷却翅片被收纳在收纳壳体中，
所述电容器元件经由粘接树脂被收纳在所述收纳壳体中。
9.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述正极导体板和所述负极导体板不具有用于使所述正极端子或所述负极端子穿过的贯通部。
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