电力变换装置的制作方法

本发明涉及使用了半导体元件的电力变换装置，并涉及其主电路以及控制电路的布线结构。

背景技术：

在使用了半导体元件的电力变换装置的主电路中，以抑制浪涌电压作为主要目的，通过绝缘片对布线进行层叠而成为汇流条(bus bar)的结构正成为主流，其中所述布线将具有半导体元件的开关模块与平滑电容器电连接，并将所输入的直流电压变为三相交流电压输出来提供，专利文献1中示出了其一例。在专利文献2中记载了如下例子，即，同样地在控制电路中，也为了降低电感而将布线设为平板状导体，并隔着绝缘片而层叠，其中所述布线将开关模块与控制电路基板电连接并传递信号电压。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2008-245451号公报

专利文献2：JP特开昭61-227661号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，如专利文献2所记载的那样，在将传递信号电压的布线设为平板状导体的情况下，需要固定于加强构件来增加刚性，使得能够耐受电力变换装置的振动，这成为了阻碍装置的小型化、轻量化的主要原因。此外，需要通过例如螺丝紧固等将主电路汇流条和控制电路汇流条分别固定于开关模块，组装性差成为了课题。

本发明鉴于上述担忧，其目的在于提供一种实现小型化、轻量化并且组装性良好的电力变换装置。

用于解决课题的手段

一种电力变换装置，具有：多个开关模块，其构成三个相的上下臂元件；平滑电容器，其连接在直流电源与开关模块之间；控制电路基板，其输出对开关模块的接通/断开进行控制的电信号；板状的P极导体，其将平滑电容器的高电位侧与多个开关模块的上臂元件的正极端子电连接；板状的N极导体，其将平滑电容器的低电位侧与多个开关模块的下臂元件的负极端子电连接；板状的M极导体，其与上臂元件的负极端子以及下臂元件的正极端子电连接，向负载输出交流电压；板状的G极导体，其将多个开关模块的栅极控制端子与控制电路基板电连接；和板状的E极导体，其将多个开关模块的负极控制端子与控制电路基板电连接，所述电力变换装置的特征在于，将P极导体、N极导体、M极导体、G极导体、E极导体分别隔着绝缘材料进行层叠并接合，作为一体型的导体构件而固定于开关模块以及平滑电容器。

发明效果

能够使主电路汇流条支撑控制电路汇流条，从而不需要针对控制电路汇流条的加强构件而实现小型化或轻量化，并且削减主电路汇流条和控制电路汇流条的安装部件件数而使组装性得到提高。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1所涉及的电力变换装置的构成的图。

图2是表示本发明的实施例1所涉及的电力变换装置的电路构成的图。

图3是表示本发明的实施例1所涉及的一体型汇流条的构成的图。

图4是表示本发明的实施例1所涉及的主电路汇流条的导体构成的图。

图5是表示本发明的实施例1所涉及的主电路汇流条的绝缘片构成的图。

图6是表示本发明的实施例1所涉及的控制电路汇流条的导体构成的图。

图7是表示本发明的实施例1所涉及的控制电路汇流条的绝缘片构成 的图。

图8是表示本发明的实施例1所涉及的M极导体与控制电路汇流条的配置关系的图。

图9是表示本发明的实施例2所涉及的电力变换装置的构成的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。

【实施例1】

关于本发明作为对象的电力变换装置，图1以及图2中示出其结构和电路构成。如图2所示，电力变换装置具有：平滑电容器4，其连接在输入电压的正侧电压的P极端子901与负侧电压的N极端子911之间，对输入电压进行平滑化；开关模块21～26，其用于以平滑电容器4的电压为电源而输出正侧电压或者负侧电压的任意一者；和控制电路基板3，其向开关模块21～26的控制端子输出控制信号来控制开关动作。各开关模块21～26由IGBT、SiC等使电流向一个方向流通的开关元件、和与该开关元件并联连接而使电流与开关元件的流通方向反向流通的二极管构成。但是，在开关元件由具有体二极管的SiC等构成的情况下，由于体二极管满足上述的二极管的功能，因此不必一定具备上述的二极管。开关模块21的集电极端子与开关模块22的发射极端子连接，彼此串联连接而构成电力变换装置的1个相，该连接点与负载连接用M极端子921连接。同样地开关模块23与24、开关模块25与26彼此串联连接，各自构成1个相。

如图1所示，各开关模块21～26具有集电极端子702、发射极端子712、栅极控制端子731以及发射极控制端子741。一体型汇流条1作为将开关模块21～26的各端子与控制电路基板3以及平滑电容器4或直流电源电连接的布线而发挥作用。

向一体型汇流条1所具有的电源连接用P极端子901与电源连接用N极端子911之间输入直流电压，通过负载连接用M极端子921与电动机等负载连接而输出三相交流电压。此外，在一体型汇流条1所具有的控制电路连接用G极端子932和控制电路连接用E极端子942连接控制电路基板3，向开关模块21～26传递控制信号电压。控制电路连接用G极端子 932与开关模块的栅极控制端子731连接，控制电路连接用E极端子942与开关模块的发射极控制端子741连接。

图3中示出一体型汇流条1的构成。如图3所示，一体型汇流条1由主电路汇流条11和控制电路汇流条12构成，从近前侧朝向里侧经由绝缘材料依次对主电路汇流条11、控制电路汇流条12进行了接合。即，在远离开关模块的一侧(近前侧)配置主电路汇流条11，在靠近开关模块的一侧(里侧)配置控制电路汇流条12。在绝缘材料中，可以使用粘接剂、双面胶带等。通过这样接合，从而将以往是单独的部件的主电路汇流条11和控制电路汇流条12汇集成一个部件，能够实现部件件数的削减。此外，主电路汇流条11由于流动比控制电路汇流条12大的电流而由比较厚的金属板构成。因此，主电路汇流条11能够支撑强度相对较低的控制电路汇流条12，所以能够不需要针对控制电路汇流条12的加强构件。

图4中示出主电路汇流条11的导体的构成。如图4所示，主电路汇流条11的导体由P极导体111、N极导体112、M极导体113～115构成，从近前侧朝向里侧依次层叠P极导体111、N极导体112、M极导体113～115。即，从距开关模块较远一侧(近前侧)朝向靠近开关模块的一侧(里侧)依次层叠P极导体111、N极导体112、M极导体113～115。

P极导体111是具备电源连接用P极端子901和模块连接用P极端子902的板状的导体，经由电源连接用P极端子901与直流电源的正电压侧连接，经由模块连接用P极端子902与开关模块21、23、25的各集电极端子702连接。

N极导体112是具备电源连接用N极端子911和模块连接用N极端子912以及N极导体的贯通孔811、812、813、814的板状的导体，经由电源连接用N极端子911与直流电源的负电压侧连接，经由模块连接用N极端子912与开关模块22、24、26的各发射极端子712连接。

M极导体113、114、115是配置于同一平面、分别具备负载连接用M极端子921、模块连接用M极端子922、923以及M极导体的贯通孔821、822的板状的导体。此外，M极导体113经由负载连接用M极端子921与负载连接，经由模块连接用M极端子922与开关模块21的发射极端子712连接，经由模块连接用M极端子923与开关模块22的集电极端子702 连接。同样地，M极导体114经由负载连接用M极端子921与负载连接，经由模块连接用M极端子922与开关模块23的发射极端子712连接，经由模块连接用M极端子923与开关模块24的集电极端子702连接。同样地，M极导体115经由负载连接用M极端子921与负载连接，经由模块连接用M极端子922与开关模块25的发射极端子712连接，经由模块连接用M极端子923与开关模块26的集电极端子702连接。

设置于P极导体111的多个模块连接用P极端子902穿过N极导体的贯通孔811以及M极导体的贯通孔821的空间，与正电压侧的开关模块21、23、25的集电极端子702分别连接。另一方面，设置于N极导体112的多个模块连接用N极端子912穿过M极导体的下方的空间而与负电压侧的开关模块22、24、26的发射极端子712分别连接。此外，分别设置于M极导体113、114、115的多个M极端子922与正电压侧的开关模块21、23、25的发射极端子712分别连接，多个M极端子923与负电压侧的开关模块22、24、26的集电极端子702分别连接。为了能够从近前侧将这些多个M极端子922、923螺丝紧固于开关模块21、22，在N极导体的对应的位置设置了贯通孔812、813。

图5中示出主电路汇流条11中的绝缘片的构成。主电路绝缘片116、117、118、119分别从距开关模块较远一侧(近前侧)朝向靠近开关模块一侧(里侧)隔着P极导体111、N极导体112、M极导体113～115而交替地层叠。即，主电路绝缘片116配置于P极导体111的近前侧，主电路绝缘片117配置于P极导体111与N极导体112之间，主电路绝缘片118配置于N极导体112与M极导体113～115之间，主电路绝缘片119配置于M极导体113～115的里侧。

如图5所示，在各主电路绝缘片上在与开关模块的各端子对应的位置设置有圆形的贯通孔831、832，因此主电路汇流条11的各端子与开关模块的端子、控制电路汇流条12的各端子与开关模块的端子能够进行螺丝连接，能够从近前侧插入驱动器。此外，通过贯通孔831、832，还能够密封导体的贯通孔端部而提高绝缘性。

接着，在图6中示出控制电路汇流条的导体构成。如图6所示，控制电路汇流条12的各导体由分别配置于同一平面的G极导体121～126和E 极导体127～132构成，从距开关模块较远一侧(近前侧)朝向靠近开关模块一侧(里侧)依次层叠E极导体127～132、G极导体121～126。

在此，E极导体127、129、131的模块连接用E极端子941与正电压侧的开关模块21、23、25的发射极控制端子741连接，E极导体128、130、132的模块连接用E极端子931与负电压侧的开关模块22、24、26的发射极控制端子741连接。此外，G极导体121、123、125的模块连接用G极端子931与正电压侧的开关模块21、23、25的栅极控制端子731连接，G极导体122、124、126的模块连接用G极端子931与负电压侧的开关模块22、24、26的栅极控制端子731连接。

由于E极导体127、129、131与M极导体113、114、115分别为同电位，因而如前所述构成为主电路汇流条11的M极导体113～115隔着绝缘片与控制电路汇流条12的E极导体相邻。该作用以及效果在后面会详细进行说明，但根据该配置，能够抑制在主电路汇流条11与控制电路汇流条12之间所担忧的、高电场所引起的绝缘破坏以及噪声的产生。

N极导体的贯通孔814、M极导体的贯通孔822、主电路绝缘片的贯通孔832设置于与开关模块21、23、25的栅极控制端子以及发射极控制端子对应的位置，因此能够从近前侧将模块连接用E极端子931以及模块连接用G极端子941螺丝紧固于各开关模块。

图7中示出控制电路汇流条12中的绝缘片的构成。控制电路绝缘片133～135从距开关模块较远一侧(近前侧)朝向靠近开关模块一侧(里侧)隔着E极导体127～132、G极导体121～126而交替地层叠。即，控制电路绝缘片133配置于E极导体的近前侧，控制电路绝缘片134配置于E极导体与G极导体之间，控制电路绝缘片135配置于G极导体的里侧。在各控制电路绝缘片上在与开关模块的各端子对应的位置设置有圆形的贯通孔841、842，因此主电路汇流条11的各端子与开关模块的端子、控制电路汇流条12的各端子与开关模块的端子能够进行螺丝连接，能够从近前侧插入驱动器。此外，通过贯通孔841、842，还能够密封导体的贯通孔端部而提高绝缘性。

如上所述，M极导体113～115隔着绝缘材料而与控制电路汇流条12相邻地层叠。在隔着绝缘材料相邻的汇流条间的电位差超过绝缘材料的绝 缘耐压的情况下，会产生绝缘材料的绝缘破坏，在汇流条间流动较大的电流。此外，即使在未超过绝缘耐压的情况下，也由于在汇流条间存在寄生电容，因此若电位差较大，则经由该寄生电容流过电流，从而会在控制电路中产生噪声。通过如本实施例那样将M极导体113～115与控制电路汇流条12相邻配置，从而能够抑制上述那样的高电场所引起的绝缘破坏以及噪声的产生。

以下针对由开关模块21以及22所构成的1个相来说明产生该效果的机理。在此假定电源的低电位侧为0V，高电位侧为1500V。在从该相向负载连接用M极端子921输出低电位的情况下，上臂的开关模块21成为断开(OFF)状态，下臂的开关模块22成为接通(ON)状态，电源的低电位侧与负载连接用M极端子921连接。在该情况下，下臂的开关模块22的发射极控制端子成为与开关模块22的发射极侧同电位，电位成为0V。此外，上臂的开关模块21的发射极侧也成为与电源的低电位侧同电位，因此开关模块21的发射极控制端子的电位也成为0V。因此，在输出低电位的情况下，开关模块21的发射极控制端子、开关模块22的发射极控制端子、负载连接用M极端子921的电位都成为0V，不产生电位差，因此不会发生上述问题。

接着，在从该相向负载连接用M极端子921输出高电位的情况下，上臂的开关模块21成为接通状态，下臂的开关模块22成为断开状态，电源的高电位侧与负载连接用M极端子921连接。在该情况下，上臂的开关模块21的发射极控制端子成为与负载连接用M极端子921同电位，电位成为1500V。另一方面，下臂的开关模块22的发射极控制端子成为与电源的低电位侧同电位的0V。因此，在输出高电位的情况下，开关模块21的发射极控制端子、负载连接用M极端子921的电位成为1500V，开关模块22的发射极控制端子成为0V，有可能发生上述问题。

在此，使用图8来说明即使在输出高电位的情况下也解决上述电位差的问题的构成。图8示出了隔着绝缘材料相邻配置的M极导体113、114、115与E极导体127、128、129、130、131、132的配置关系。如图8所示，M极导体配置于覆盖上臂的开关模块21的发射极控制端子741的位置，并和与开关模块21连接的E极导体127、129、131层叠，但不配置 于与下臂的开关模块22的发射极控制端子741对应的部分，和与开关模块21连接的E极导体128、130、132不层叠。

通过像这样将M极导体配置于与在高电位输出时以及低电位输出时成为同电位的E极导体127、129、131层叠且与在高电位输出时产生电位差的E极导体128、130、132不层叠的位置，从而绝缘距离得到确保。通过这样的构成，从而即使在将主电路汇流条11与控制电路汇流条12进行层叠而成为一体构件的情况下，也能够解决由于来自主电路汇流条的影响而导致在控制电路汇流条产生噪声或者发生绝缘破坏的问题。

另外，在高电位输出时，由于在E极导体127、129、131与E极导体128、130、132之间产生高电位差，因此在这些导体间期望设置充分的绝缘距离或者设置绝缘材料。

此外，在本实施方式中，说明了通过使M极导体与E极导体127、129、131隔着绝缘材料相邻地层叠，来解决在控制电路汇流条中产生噪声或者发生绝缘破坏的问题的情况，但由于栅极控制端子与发射极控制端子的电位差为10～20V程度，与主电路电源电压相比非常小，因此即使调换图6所示的E极导体与G极导体的位置关系，设为使M极导体与G极导体121、123、125隔着绝缘材料相邻地层叠且将M极导体配置于与G极导体122、124、126不层叠的位置的结构，也能够获得大致同样的效果。即，这是由于M极导体与G极导体121、123、125的电位差在高电位输出时以及低电位输出时小至10～20V程度，M极导体与G极导体122、124、126的电位差大至1480～1490V程度的缘故。

如上所述，若应用本实施例中列举出的一体型汇流条的构成，则能够将主电路汇流条与控制电路汇流条进行接合而汇集成一个部件，结果能够提供绝缘性、组装性以及耐噪声性得到了确保的电力变换装置。

在本实施例中，作为开关模块而使用了具备2并联的开关元件并具备2个集电极/发射极端子的开关模块，但也能够应用于具备一个开关元件的开关模块或具备3并联的开关元件的开关模块。

【实施例2】

本实施例2是对上述实施例1的电力变换装置中的各开关模块21～26从近前侧观察时使其向左旋转方向或者向右旋转方向旋转了90°的实施 方式。在图9中，使开关模块21～26向右旋转方向旋转了90°。据此，将控制电路汇流条的控制电路连接用G极端子932与控制电路连接用E极端子942配置于一体型汇流条1的横侧(左右任意一方)，将主电路汇流条的与电源的端子901、911、921配置于一体型汇流条1的上侧(或者下侧)。此外，设置于主电路汇流条的导体以及绝缘片、控制电路汇流条的导体以及绝缘片的贯通孔设置于与开关模块21～26的各端子对应的位置。其他构成设为与实施例1相同。若使用该构成，则主电路电流在设置于主电路汇流条11的上部的各端子901、911、921与开关模块的集电极端子或发射极端子之间主要沿上下方向流动，控制电流在设置于控制电路汇流条12的横侧的各端子932、942与开关模块的各控制端子731、741之间主要沿左右方向流动，因此能够使主电路汇流条11与控制电路汇流条12的电流路径正交。因此，能够降低起因于主电路汇流条周围的磁场而在控制电路汇流条产生的噪声。

在本实施例中，也与实施例1同样地，通过将M极导体配置于与和构成上臂元件的开关模块连接的E极导体重叠的位置、且不配置于与和构成下臂元件的开关模块连接的E极导体重叠的位置，从而能够解决由于来自主电路汇流条的影响而在控制电路汇流条产生噪声或者发生绝缘破坏的问题。

若应用在本实施例中所述的一体型汇流条的构成，则能够将主电路汇流条与控制电路汇流条汇集成一个部件，结果能够提供除了确保绝缘性、组装性以及耐噪声性以外还特别提高了耐噪声性的电力变换装置。

符号说明

1··一体型汇流条

21～26··开关模块

3··控制电路基板

4··平滑电容器

11··主电路汇流条

12···控制电路汇流条

702···集电极端子(正极端子)

712···发射极端子(负极端子)

731···栅极控制端子

741··发射极控制端子(负极控制端子)

111···P极导体

901···电源连接用P极端子

902···模块连接用P极端子

112···N极导体

911···电源连接用N极端子

912···模块连接用N极端子

811、812、813、814···N极导体的贯通孔

113、114、115···M极导体

921···负载连接用M极端子

922、923···模块连接用M极端子

821、822···M极导体的贯通孔

116、117、118、119···主电路绝缘片

831、832···主电路绝缘片的贯通孔

121、122、123、124、125、126···G极导体

931···模块连接用E极端子

932···控制电路连接用G极端子

127、128、129、130、131、132···E极导体

941···模块连接用E极端子

942···控制电路连接用E极端子

133、134、135···控制电路绝缘片

841、842···控制电路绝缘片的贯通孔