电力转换设备的制作方法

原申请的申请日：2015年5月11日，

原申请的申请号：201580030234.3，

原申请的发明名称：电力转换设备。

本发明涉及将直流电转换为交流电，或者将交流电转换为直流电的电力转换设备。

背景技术：

通常，电力转换设备具有：电容器模块，其将直流电平滑化；倒相电路，其进行直流电与交流电间的转换；以及控制电路，其用于控制倒相电路。近年，在谋求电力转换设备的小型化。特别是在混合动力汽车、电动汽车领域，由于期望搭载于车厢外的尤其是发动机室的尽可能小的空间内而使对车辆的装载性提高，因此要求更加的小型化。

此外，作为驱动源使用的马达的运转时间、运转条件(高输出扭矩条件)有扩大的倾向，同时也追求电力转换的大电流化-高电压化。与此相伴，构成倒相电路的功率半导体元件在进行开关动作时发生的瞬间的电压的跳升(电涌电压)表面化。

该电涌电压的大小依存于电容器模块与功率半导体元件之间的寄生电感值和开关时的电流变化的乘积。因此，在专利文献1所记载的技术中，通过谋求母线的低电感化来抑制电涌电压。此外，通过将去除噪声用的电容器与输入侧电源端子连接，实现流入电力转换设备的噪声降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-152104号公报

技术实现要素：

然而，与上述的从车体流入至电力转换设备的噪声电流不同，在电容模块的电源端子处产生起因于电涌电压的产生的电压变化，从电力转换设备的输入部作为传导噪声或辐射噪声流出，由此担心会产生对作为电源的电池、周边的电路的不良影响。

解决问题的技术手段

本发明涉及的电力转换设备的特征在于，具备：电力转换部，其具有多个半导体开关元件，并进行直流电与交流电之间的电力转换；第1电容器，其用于将来自直流电源的直流电平滑化；第2电容器，其用于去除噪声；以及导体，其具有正极导体构件以及负极导体构件，其一端与所述电力转换部连接并且另一端与所述直流电源连接，所述导体具有：第1连接部，其被设置于所述一端侧并且与所述第1电容器连接；以及第2连接部，其被设置于另一端侧并且与所述第2电容器连接，所述1连接部与所述第2连接部之间的所述导体的第1寄生电感大于所述第1连接部与所述一端之间的所述导体的第2寄生电感。

发明效果

根据本发明，能够谋求电涌电压的抑制，以及谋求从电力转换设备输入部流出的噪声的降低。

附图说明

图1是示出搭载有本实施方式的电力转换设备的混合动力汽车的概略结构的图。

图2是示出电力转换设备200内的与旋转电机mg1的驱动控制相关的部分的概略结构的框图。

图3是说明寄生电感l1、l2与电涌电压以及噪声流出的关系的图。

图4是说明电涌电压的图。

图5是说明噪声流出降低的图。

图6是第1例中的电容器模块500的立体图。

图7是将导体564p以及导体564n的平面图逐个图示的图。

图8是说明层叠结构中的电感的图。

图9是第2例中的电容器模块500的立体图。

图10是图9示出的电容器模块500的主视图。

图11是从图9示出的电容器模块500的底面侧观察的立体图。

图12是示出第3例中的导体564p、564n的图。

具体实施方式

以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。本发明所涉及的电力转换设备例如被搭载于混合动力汽车、电动汽车等电动车辆。图1是搭载有本实施方式的电力转换设备的混合动力汽车的概略结构图。

在图1示出的混合动力汽车中，发动机egn及旋转电机mg1、mg2产生车辆的行驶用扭矩。旋转电机mg1、mg2作为电动发电机发挥作用，将从外部施加的机械能转换为电力。发动机egn的输出侧及旋转电机mg2的输出扭矩经由动力分配机构tsm被传达至旋转电机mg1。来自动力分配机构tsm的旋转扭矩或者旋转电机mg1产生的旋转扭矩经由变速箱tm及差动齿轮dif被传达至车轮。

在再生制动时，旋转扭矩从车轮被传达至旋转电机mg1，基于所提供的旋转扭矩产生交流电。交流电通过电力转换设备200被转换为直流电，并对高电压用的电池136充电，所充电的电力再次作为行驶能量使用。此外，在高电压用的电池136的蓄电电力变少的情况下，发动机egn的旋转能量通过旋转电机mg2被转换为交流电，该交流电通过电力转换设备200转换为直流电并对电池136充电。从发动机egn到旋转电机mg2的机械能的传达是通过动力分配机构tsm进行的。

电力转换设备200具备：倒相电路140、142；控制电路172；驱动电路174；电容器模块500；以及辅机用模块350。倒相电路140将直流电转换为用于驱动旋转电机mg1的交流电，并通过交流连接器188与旋转电机mg1连接。倒相电路142将直流电转换为用于驱动旋转电机mg2的交流电，并通过交流连接器159与旋转电机mg2连接。倒相电路140、142与电池136之间的导体和用于将提供至倒相电路140、142的直流电平滑化的电容器模块500连接。导体通过直流连接器138与电池136连接。

在辅机用模块350上设置有驱动电路350a以及倒相电路350b。驱动电路350a基于控制电路172产生的控制脉冲，产生用于控制倒相电路350b的驱动脉冲。倒相电路350b将电池136的直流电转换为用于驱动辅机用马达195的交流电。该交流电经由交流端子120被输出至辅机用马达195。辅机用马达195例如是驱动空调的压缩机的马达、用于驱动冷却用的液压泵的辅机用马达等。

控制电路172基于经由连接器21从上位控制设备(未图示)输入的指令，计算旋转电机mg1、mg2、辅机用马达195的控制量，进而计算是作为马达运转还是作为发电机运转，并基于该计算结果产生控制脉冲。各控制脉冲被输入至驱动电路174以及上述的辅机用模块350的驱动电路350a。驱动电路174基于控制电路172产生的控制脉冲，分别产生用于控制倒相电路140、142的驱动脉冲。

图2是示出电力转换设备200内的与旋转电机mg1的驱动控制相关的部分的概略结构的框图。倒相电路140具备多个开关用功率半导体元件。在本实施方式中，使用绝缘栅双极型晶体管作为开关用功率半导体元件，以下简称为igbt。另外，倒相电路140和倒相电路142是相同的结构，以下以倒相电路140为例进行说明。

倒相电路140与由要输出的交流电的u相、v相、w相构成的3相对应，具备3个功率模块300。各功率模块300构成上下臂的串联电路，所述上下臂的串联电路通过作为上臂动作的igbt328及二极管156，和作为下臂动作的igbt330及二极管166构成。各功率模块300的各串联电路的中点部分经由交流连接器188与旋转电机mg1连接。另外，也可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管(以下简称为mosfet)作为开关用功率半导体元件，在该情况下不需要二极管156、二极管166。

控制电路172具备用于对igbt328、330的开关时刻进行运算处理的微型电子计算机(以下，称为“微型计算机”)。作为微型计算机的输入信息，有对于旋转电机mg1要求的目标扭矩值、从各功率模块300提供至旋转电机mg1的电流值，以及旋转电机mg1的转子的磁极位置。目标扭矩值是基于从未图示的上位的控制设备输出的指令信号的值。

电流值基于电流传感器180的检测信号而被检测出。磁极位置基于设置在旋转电机mg1的旋转变压器等的旋转磁极传感器(未图示)输出的检测信号而被检测出。在本实施方式中，举出了电流传感器180检测3相的电流值的情况的例子，但也可以检测2相的电流值，并通过计算求出3相的电流。

如上所述，控制电路172经由连接器21(参照图1)从上位的控制设备接收控制指令，并基于此产生控制脉冲，并提供给驱动电路174，所述控制脉冲是用于控制构成各相的功率模块300的上臂或者下臂的igbt328、igbt330的控制信号，所述各相的功率模块300构成倒相电路140。

驱动电路174基于上述控制脉冲，将用于控制构成各相的功率模块300的上臂或者下臂的igbt328、igbt330的驱动脉冲提供至各相的igbt328、igbt330。igbt328、igbt330基于来自驱动电路174的驱动脉冲，进行导通或者切断动作，并将由电池136提供的直流电转换为三相交流电，将该转换后的电提供至旋转电机mg1。

电池136和倒相电路140通过两个导体564p、564n连接。导体564p连接电池136的正极侧和倒相电路140的正极侧，导体564n连接电池136的负极侧和倒相电路140的负极侧。电池136与导体564p、564n的电源侧端子561p、561n连接。倒相电路140与导体564p、564n的功率侧端子562p、562n连接。

平滑用的电容器514与导体564p、564n的电容器端子563p、563n连接。此外，电源侧端子561p、561n与电容器端子563p、563n之间的电容器端子560p、560n与去除噪声用的电容器515连接。电容器515也被称为y电容器，发挥将共模噪声放至地线569的作用。

接下来，对本实施方式中的抑制电涌电压的结构，以及降低从电力转换设备的输入部流出的噪声的结构进行说明。图3是与图2所示相同的框图，但在图3中，将与电涌电压以及噪声流出相关的导体564p、564n中的寄生电感用符号l1、l2表示。

(电涌电压的抑制)

担心会产生如下的不良影响：由于电涌电压的产生而导致功率半导体元件损坏，或者由于起因于电涌电压的电力转换设备的寄生电容两端的电压变化而产生噪声电流，并向车体流出。此外，也影响从后述的电力转换设备流出的噪声。图4是说明电涌电压的图。在图4中，igbt328的vce是集电极与发射极间的电压，ic是集电极电流。在功率模块300的上臂igbt328的集电极端子与发射极端子间产生的电涌电压△vce使用下面的公式(1)表示。

△vce＝(l2+lp)×(di/dt)…(1)

另外，在公式(1)中，l2是电容器端子563p(563n)与功率侧端子562p(562n)之间的寄生电感，lp是功率模块300的寄生电感，(di/dt)是上臂igbt328的开关时的电流变化。

在本实施方式中，通过使用像后述那样的结构的导体564p、564n，降低公式(1)中的寄生电感l2，并抑制电涌电压△vce。

(从电力转换设备输入部流出的噪声的降低)

接下来，参照图3、5，对从电力转换设备输入部流出的噪声降低方法进行说明。伴随上述的电涌电压的产生，导体564p、564n的电源侧端子561p、561n的电压vbat产生电压变化。该电压变化作为传导噪声或辐射噪声从电力转换设备输入部流出，因此担心对作为电源的电池136和周边的电路的不良影响。

在本实施方式中，为了抑制该电压变化，使导体564p、564n中的寄生电感l1，即从去除噪声用的电容器515的电容器端子560p(560n)到电容器514的电容器端子563p(563n)的寄生电感增加。如图5的(a)所示，频率越高，则寄生电感l1的电感z(＝jωl1，j：复数、ω：角速度)越大。其结果是，寄生电感l1作为低通滤波器(lpf)发挥作用，并阻止作为高频的电压变化的伴随电涌电压的电源侧端子561p(561n)的电压vbat的变化。

如上所述，在本实施方式中，在导体564p、564n中，通过使从功率侧端子562p(562n)到电容器端子563p(563n)的寄生电感l2变小，且使从电容器端子563p(563n)到电容器端子560p(560n)的寄生电感l1变大，由此抑制电涌电压的发生，并且，降低伴随电涌电压的发生的来自电力转换设备输入部的噪声流出。即，以变成l2＜l1的方式构成导体564p、564n。

以下，对满足上述条件的导体564p、564n的结构进行具体的说明。

(第1例)

图6、7是示出导体564p、564n的第1例的图。图6是电容器模块500的立体图。另一方面，图7是将导体564p以及导体564n的平面图逐个图示的图。导体564p、564n是板状的导体，在此将在厚度方向上配置的宽幅的表面和背面这两面称为主表面。

导体564p在一端形成有功率侧端子562p，在另一端形成有电源侧端子561p。此外，在导体564p上，形成作为与电容器514的正极侧连接的连接部的电容器端子563p，和作为与电容器515的正极侧连接的连接部的电容器端子560p。在导体564p中，区域a是以主表面彼此相对的形态与导体564n的区域a的部分层叠的层叠区域。另一方面，导体564p的区域b是没有与导体564n层叠的非层叠区域(参照图6)。即，在非层叠区域b中，导体564p、564n的主表面彼此不相对。非层叠区域b的宽度w2被设定为小于层叠区域a的宽度w1的1/2。另外，在层叠区域中，为了谋求导体564p和导体564n的电绝缘，夹有绝缘构件(例如绝缘纸)565。

导体564n在一端形成功率侧端子562n，在另一端形成电源侧端子561n。此外，在导体564n上，形成有作为与电容器514的负极侧连接的连接部的电容器端子563n，和作为与电容器515的负极侧连接的连接部的电容器端子560n。在导体564n中，区域a是以主表面彼此相对的形态与导体564p的区域a的部分层叠的层叠区域，区域b是没有与导体564p层叠的非层叠区域(参照图6)。

另外，尽管在图6中省略了图示，但电容器模块500被收纳于电容箱内，该电容箱中填充有填充剂。

如图6所示，导体564p、564n中，电容器端子563p、563n和功率侧端子562p、562n之间为层叠区域a，电容器端子563p、563n和电容器端子560p、560n之间为非层叠区域b。如图8所示，如果寄生电感为lp、ln的导体564p、564n相互层叠的话，流过导体564p、564n的电流的方向为相反方向，因此总电感ltotal由于互感系数mpn而变小(-2mpn)。因此，图6的层叠区域a的寄生电感l2变小，从而可以抑制电涌电压。

另一方面，如果如图6的非层叠区域b那样配置564p、564n的话，互感系数mpn变得很小，总电感ltotal近似地表示为ltotal＝lp+ln。其结果是，相比层叠结构的情况可以增大寄生电感l1，从而可以谋求从电力转换设备输入部流出的噪声的降低。

另外，从使寄生电感l2变小的意义来考虑，从电容器端子563p、563n到功率侧端子562p、562n的长度最好尽可能短。例如，通过做成如符号563p'、563n'所示将电容器端子563p、563n的位置靠近功率侧端子562p、562n那样的结构，可以使寄生电感l2变得更小，并且，可以使寄生电感l1变得更大。在该情况下，在电容器端子563p'、563n'和电容器端子560p、560n之间，导体564p、564n的至少一部分为非层叠区域b。

(第2例)

图9～11是示出导体564p、564n的第2例的图。图9是电容器模块500的立体图，图10是主视图。此外，图11是从电容器模块500的底面侧观察的立体图。和图6的情况相同，在电容器模块500中设置的容器514构成为具有6个侧面的大致长方体形状。

在第2例中，通过使电容器端子563p、563n和电容器端子560p、560n之间的导体的长度变长，寄生电感l1变大。因此，在上述的图7中，导体564p、564n沿着电容器514的1个侧面设置，但在第2例中，如图11所示，使导体564p、564n沿着电容器514的4个侧面环绕，并将导体564p、564n设定为：做成层叠结构的部分(层叠区域a)的长度短于做成非层叠结构的部分(非层叠区域b)的长度。具体地说，如图10所示，与侧面s1相对的部分为层叠结构(层叠区域a)，与侧面s2、s3、s4相对的部分为非层叠结构(非层叠区域b)。

如此，通过使导体564p、564n沿着电容器514的多个侧面s1～4环绕，可以将电容器模块500的大小限制为与图7的情况大致相同的程度，且通过使非层叠区域b的长度变长从而使寄生电感l1变得更大。另外，在图9～11示出的例子中，将电容器端子5639、563n配置在层叠区域a的中途，但也可以和图7的情况相同，配置在层叠区域a的非层叠区域侧端部。

与图7示出的结构相比较，寄生电感l2为相同的程度，但寄生电感l1变为大约7.5倍。其结果是，电源侧端子561p、561n中的电压的变动大约降低1/2。

(第3例)

图12是示出第3例中的导体564p、564n的图。在第3例中，作为以l1>l2的方式设定寄生电感l1、l2的大小的方法，是使导体截面积不同。具体地说，设定电容器端子563p、563n与电容器端子560p、560n之间的导体564p、564n的截面积(c2-c2截面)小于电容器端子563p、563n与功率侧端子562p、562n之间的导体564p、564n的截面积(c1-c1截面)。截面积的大小通过变更宽度w1、w2、导体厚度来调整。

由于区域a1及区域b2的导体的延伸方向(电流流动的方向)的长度大致相等，因此单独考虑各导体564p、564n情况下的寄生电感l1、l2如上所述，通过设定截面积而变为l1>l2。另外，在图12示出的例子中，由于在区域a1中导体564p、564n为层叠结构，因此寄生电感l2变得更小。

如以上所说明的，在本实施方式中，被设置在电力转换设备200的导体564p、564n的在一端设置的功率侧端子562p、562n与倒相电路140连接，在另一端设置的电源侧端子561p、561n与电池136连接，并且具有电容器端子563p、563n以及电容器端子560p、560n，电容器端子563p、563n设置在功率侧端子562p、562n侧，与平滑用的电容器514连接，电容器端子560p、560n设置在电源侧端子561p、561n侧，与去除噪声用的电容器515连接。

而且，导体564p、564n以如下方式形成：电容器端子563p、563n与电容器端子560p、560n之间的寄生电感l1大于电容器端子563p、563n与功率侧端子562p、562n之间的寄生电感l2。

通常，如专利文献1所记载，为了抑制电涌电压的产生，导体564p、564n构成为导体整体的寄生电感变小。然而，并没有成为考虑到从电力转换设备输入部流出的噪声的结构。即，在仅将导体564p、564n的整体的寄生电感变小的情况下，电涌电压降低，但并不能期望抑制起因于该电涌电压的噪声流出的效果。

因此，在本实施方式中，首先，使成为电涌电压的产生原因的电容器端子563p、563n与功率侧端子562p、562n之间的寄生电感l2变小，从而抑制电涌电压。进而，通过使电容器端子563p、563n与电容器端子560p、560n之间的寄生电感l1变大，从而降低起因于电涌电压的来自电力转换设备的噪声流出。

作为以l1>l2的方式而设定的方法，如图6所示，存在通过在导体564p、564n的层叠区域a做成层叠结构而使寄生电感l2变小，并在非层叠区域b做成非层叠结构而使寄生电感l1变大的方法。此外，如图12所说明的，也可以通过使区域b1中的导体截面积小于区域a1中的导体截面积，而变为l1>l2。进而，使用层叠-非层叠结构和截面积关系两种方法都可以。

进一步地，也可以进行如下操作：采用这样的层叠-非层叠结构或者截面积关系，且如图9～11所示，使导体564p、564n沿着电容器514的多个侧面环绕，由此区域b、b1(非层叠部分或者截面积的较小部分)的长度变长，将寄生电感l1设定得较大。

也可以将上述的各实施方式各自单独地，或者组合使用。这是因为各实施方式的效果可以独立或协同地实现。此外，只要不损坏本发明的特征，本发明完全不被限定于上述实施方式。

符号说明

136…电池，140…倒相电路，156、166…二极管、200…电力转换设备，300…功率模块，328、330…igbt，500…电容器模块，514、515…电容器，560n、560p、563n、563p…电容器端子，561n、564p…正极导体，565…绝缘构件，l1、l2…寄生电感，mg1、mg2…旋转电机。