电力变换装置的制作方法

本发明涉及搭载功率半导体的电力变换装置。

背景技术：

利用功率半导体的电力变换装置在稳定的电力的供给、电动设备的驱动和控制中不可或缺，涉及铁道领域、汽车领域、工业领域、航空领域等多方面被加以利用。过去以来，对这样的电力变换装置存在小型化的要求，且发展出各种小型化技术。

电力变换装置除了功率半导体以外还由冷却器、电容器、变压器等各种内置设备构成。将这些内置设备分别以单体来小型化在电力变换装置整体小型化方面是有效的。除此以外，若能在电力变换装置的内部效率良好地配置内置设备，就能实现进一步的小型化。

在决定内置设备的配置方面，初期应考虑的是功率半导体的冷却方式。在冷却方式中有使冷却水循环来进行散热的水冷式、对冷却片供给冷却风来进行散热的空冷式。

在水冷式中，由于在功率半导体的附近，冷却器体积变小，因此包含功率半导体的组件变得小型。一方面，由于需要使冷却水循环的装置，因此必须准备收容该装置的大规模的区域。另一方面，在空冷式中，由于在功率半导体的附近，冷却器体积变大，因此包含功率半导体的组件与水冷式相比变得大型。但是，不需要对冷却片供给冷却风的装置，或者即使需要，与水冷式相比，也是小规模的。

如上述那样，关于设备的配置，水冷式和空冷式具有相互相反的性质，需要对应于所要求的规范来进行选择。不管选择哪种方式，都希望包含功率半导体的组件是小型的。作为使包含功率半导体的组件小型化的现有技术，能举出专利文献1以及专利文献2。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2008-245451号公报

专利文献2：jp特开平11-8982号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本申请发明者对搭载功率半导体的电力变换装置整体的小型化锐意研讨的结果，得到如下的见解。

在现有技术中，聚焦于将包含功率半导体的组件小型化，成为尽量不在组件中搭载功率半导体和散热板以外的设备的结构。由于功率半导体在电力变换装置中是最有可能发生故障的设备，因此若将包含功率半导体的组件小型化，就具有在发生故障时组件的更换会变得容易这样的优点。

另一方面，若在将包含功率半导体的组件小型化的情况下使平滑电容器、栅极驱动基板远离功率半导体而配置，则将两者电连接的布线就会变长，布线电感就会增大。若布线电感增大，则与此相应，浪涌电压会变大，有可能会给电力变换电路的动作带来不良影响。

本发明的目的在于，使内置有功率半导体、平滑电容器以及栅极驱动基板的电力变换装置整体小型化。

用于解决课题的手段

本发明涉及电力变换装置，在筐体的内部，多个平滑电容器配置于在其两面搭载有多个功率半导体的散热板的两侧，对多个功率半导体输入输出控制信号的栅极驱动基板配置于功率半导体、散热板以及平滑电容器的下方。

发明效果

根据本发明，能在实现电路动作的稳定化、绝缘可靠性的高可靠化以及制作成本的降低的基础上提供小型的电力变换装置。

附图说明

图1表示实施例1所涉及的电力变换装置的基本结构。

图2表示实施例1所涉及的电力变换装置的电力变换电路。

图3表示图1的箭头方向a观察下的散热板和功率半导体的配置。

图4表示图1的箭头方向b观察下的设备配置。

图5表示图1的箭头方向c观察下的设备配置。

图6表示图1的箭头方向d观察下的设备配置。

图7表示搭载于实施例1所涉及的电力变换装置的中继基板的结构。

图8表示实施例2所涉及的电力变换装置中的栅极驱动基板的配置。

图9表示实施例3所涉及的电力变换装置的基本结构。

图10表示实施例4所涉及的电力变换装置的基本结构。

图11表示实施例5所涉及的电力变换装置的电力变换电路。

图12表示实施例5所涉及的电力变换装置中的功率半导体和栅极驱动基板的配置。

图13表示实施例6所涉及的电力变换装置中的功率半导体和栅极驱动基板的配置。

图14表示实施例7所涉及的电力变换装置中的散热板和功率半导体的配置。

具体实施方式

在实施例中，公开了三相或单相的电力变换装置，其中，在被筐体支承的散热板的两面或单面搭载构成电力变换电路的各相和上臂以及下臂的功率半导体，功率半导体经由p极布线和n极布线与平滑电容器电连接，功率半导体经由g极布线和e极布线与栅极驱动基板电连接，并且，栅极驱动基板经由中继基板来输入输出与控制逻辑部关联的控制信号，平滑电容器在筐体的内部隔着散热板在两侧或单侧被筐体支承，栅极驱动基板在筐体的内部隔着散热板在两侧或单侧被筐体支承且配置于散热板、功率半导体、平滑电容器、p极布线以及n极布线的下方。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，在筐体的内部配置有：构成电力变换电路的各相所涉及的上臂以及下臂的多个功率半导体；在其两面搭载该多个功率半导体的散热板；与多个功率半导体电连接的多个平滑电容器；和对多个功率半导体输入输出控制信号的多个栅极驱动基板，在该电力变换装置中，多个平滑电容器配置于散热板的两侧，栅极驱动基板配置于功率半导体、散热板以及平滑电容器的下方。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，在散热板设置有水冷配管，冷却水流入以及流出该散热板。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，在散热板设置有冷却片，冷却风横穿该冷却片。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，在散热板设置有冷却片，在该冷却片的周围产生自然对流。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，将栅极驱动基板分割成高电位部和低电位部，高电位部配置于接近功率半导体的一侧，低电位部配置于远离功率半导体的一侧。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，多个栅极驱动基板被板材的两面支承。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，在多个栅极驱动基板与板材之间、以及相邻的栅极驱动基板之间配置有绝缘件。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，栅极驱动基板具有与中继基板电连接的连接器，中继基板具有与多个栅极驱动基板电连接的多个连接器，多个栅极驱动基板与中继基板一并连接。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，中继基板被筐体支承。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，电力变换电路的上臂以及下臂由单一的功率半导体构成。

另外，在实施例中，公开了电力变换装置，其中，平滑电容器的筐体被树脂成型。

另外，在实施例中，公开了搭载有电力变换装置的电动车。

以下，参考附图来说明上述以及其他本发明的新的特征和效果。另外，附图专门为了理解发明而使用，并不对权利范围进行缩小和限制。

实施例1

在图1示出本实施例所涉及的电力变换装置的基本结构。本电力变换装置搭载于电车、电动汽车等电动车中。作为本电力变换装置的主要结构部件，有筐体1、散热板2、功率半导体3、平滑电容器4、布线5p、5n、5m、5g、5e、栅极驱动基板6以及中继基板7。这当中，关于功率半导体3、平滑电容器4、布线5p、5n、5m、5g、5e、栅极驱动基板6、中继基板7，隔着散热板2分别配置在两侧。另外，布线5p、5n、5m、5g、5e适当以单一的线统一标记。

在图2示出本实施例所涉及的电力变换装置的电力变换电路。本电力变换装置是内含两组电力变换电路的dual式。本电力变换装置设为对象的电力变换电路是三相变换电路。本电力变换电路将在p极布线5p、n极布线5n之间施加的直流电压作为输入，向m极布线5m输出交流电压。从直流电压向交流电压的变换通过功率半导体3的开闭动作来进行。功率半导体的开闭动作与栅极驱动基板6所输出的栅极电压联动。栅极电压基于经由中继基板7从控制逻辑部8发送的指令信号由栅极驱动基板6生成。

筐体1由于承担对前述的主要结构部件进行支承的作用，因此要求足够的结构强度。在本电力变换装置中，通过sus钢板的板金加工来制作各筐体片，使用螺栓以及螺母、或焊接等将各筐体片组装，来形成筐体1。平滑电容器4从结构强度的观点来看是受到特别担心的重量物，因此需要考虑装置工作时的防振来决定筐体1的结构。作为防振结构的一例，能举出对支承平滑电容器4的横梁赋予弯曲来增强刚性的结构。

散热板2使功率半导体3紧贴其两面，将从功率半导体3发出的热向外部放出。预先对功率半导体3的焊料接合部确定了耐用温度范围，需要促进散热，以使得不会超出该耐用温度范围。

在图3示出图1的箭头方向a观察下的散热板和功率半导体的配置。本电力变换装置的冷却方式是散热能力高的水冷式，在散热板2如图3所示那样设置水冷配管21。在水冷式中，冷却水211从水冷配管21的上游流入散热板2，并通过设置于散热板2的内部的冷却水路而向水冷配管21的下游流出，由此促进散热。对冷却水211大多以防止冻结为目的而使用防冻液，在本电力变换装置中使用水与乙二醇的混合液。

在本电力变换装置中，功率半导体3如图3所示那样配置成2行3列。左右方向的配置与电力变换电路的u相、v相以及w相对应，上下方向的配置与电力变换电路的上臂以及下臂对应。另外，在散热板2的背面也配置功率半导体3。

在功率半导体3设置集电极端子3c以及发射极端子3e。在这些端子间，在闭状态下施加数百～数千伏特的高电压，在开状态下流过数百～数千安培的大电流。另外，在功率半导体3设置栅极端子3g、辅助发射极端子3ee，开状态和闭状态对应于在这些端子间施加的栅极电压而进行交替。作为一例，有在7v以上成为开状态而在这以外成为闭状态的情形。关于前述的功率半导体3的发热，该开闭动作是要因之一，存在开闭动作越慢则发热越增加这样的相关性。

在本电力变换装置中，功率半导体3成为具有单一的集电极端子3c和单一的发射极端子3e的结构，但也可以设为具有多个这些端子的结构。作为具有多个这些端子的优点，能举出能加大电流容量这样的优点、能降低内部电感这样的优点。

在本装置中，使用igbt元件作为功率半导体3，但只要是以同样方式来承担开闭动作的功率半导体，则也可以使用其他元件。作为示例，能举出sic元件等。

在图4示出图1的箭头方向b观察下的设备配置。平滑电容器4如图1所示那样，在筐体1的内部隔着散热板2配置在两侧，并经由p极布线5p和n极布线5n与功率半导体3电连接。在本电力变换装置中，平滑电容器4如图4所示那样成为具有单一的平滑电容器p极端子4p和单一的平滑电容器n极端子4n的结构，但也可以设为具有多个这些端子的结构。作为具有多个这些端子的优点，能举出能加大电流容量这样的优点、能降低内部电感这样的优点。

平滑电容器4的内部成为多个电容器元件经由内部布线与平滑电容器p极端子4p以及平滑电容器n极端子4n电连接的结构，收容它们的平滑电容器筐体41被树脂成型。平滑电容器筐体41由于具有电绝缘性，因此与布线5p、5n、5m、5g、5e的绝缘距离可缩短，可使本电力变换装置小型化。

平滑电容器4的主要功能是将在p极布线5p与n极布线5n之间施加的直流电压平滑化。通常，在从变电站或整流装置输出的直流电压中包含大的脉动分量，不能直接使用。通过使用平滑电容器4来抑制脉动分量，将平滑化的直流电压输入到本电力变换电路。其结果是，本电力变换电路的动作可稳定化。平滑电容器4所内含的静电电容越大则脉动分量的抑制效果越大。

在本电力变换装置中，通过将平滑电容器4配置在功率半导体3的附近来尽量缩短p极布线5p和n极布线5n的布线长度。若平滑电容器4与功率半导体3分离配置，则与此相应，p极布线5p和n极布线5n的布线长度就变长，布线电感就变大。其结果是，功率半导体3进行开闭动作时的浪涌电压变大，本电力变换电路的动作变得不稳定。在本电力变换装置中注意到这一点，抑制浪涌电压来使电力变换电路的动作稳定化。

在图5示出图1的箭头方向c观察下的设备配置。栅极驱动基板6如图1所示那样，在筐体1的内部配置于平滑电容器4的下方，但栅极驱动基板6的各相如图5所示那样，与功率半导体3的各相所排列的方向以及顺序相同地配置。与功率半导体3通过g极布线5g以及e极布线5e电连接。

栅极驱动基板6被图5所示的分割线e分割成高电位部和低电位部，接近功率半导体3的一侧成为高电位部，其相反侧成为低电位部。对于高电位部与低电位部的绝缘例如使用绝缘变压器等。如此地将高电位部和低电位部分离来进行绝缘，在与以低电位工作的控制逻辑部8交换控制信号方面是必须的。在本电力变换装置中，通过使栅极驱动基板6的高电位部集中到以高电位工作的功率半导体3的附近，在筐体1的内部可扩大低电位部所占的区域。由于对低电位部要求的绝缘距离相对于高电位部显著地小，因此本电力变换装置的小型化变得容易。

在图6示出图1的箭头方向d观察下的设备配置。栅极驱动基板6如图6所示那样具有与g极布线5g连接的栅极驱动基板g极端子6g、与e极布线5e连接的栅极驱动基板e极端子6e、与中继基板7连接的栅极驱动基板连接器6a。另外，栅极驱动基板6隔着绝缘隔离物61通过筐体片11来固定。绝缘隔离物61使用树脂材料等来成型。

筐体片11是接地电位，相对于此，栅极驱动基板6的一部分成为高电位，因此需要考虑绝缘可靠性来以适当的绝缘距离对两者进行配置，并与此相应地决定绝缘隔离物61的长度。在本电力变换装置中，将其设为20mm。另外，关于相邻的栅极驱动基板6，由于两者的电位差大，因此需要考虑绝缘可靠性来以适当的绝缘距离对两者进行配置。在本电力变换装置中，将其设为20mm。

由于栅极驱动基板6固定于筐体片11的两面，因此筐体片11能由单一的板材构成。由此，筐体片11进而筐体1的结构被简化，能降低它们的制作成本。

在图7示出搭载于本实施例所涉及的电力变换装置的中继基板的结构。多个栅极驱动基板6与图7所示的中继基板7一并连接。中继基板7具有：与栅极驱动基板6相同数目的中继基板连接器7a；和与控制逻辑部8关联来输入输出控制信号的一个以上的控制信号输入输出部7b。设置于栅极驱动基板6的栅极驱动基板连接器6a和设置于中继基板7的中继基板连接器7a处于凸和凹的关系，通过两者相嵌合来支承中继基板7。在仅靠连接器的支承而结构强度不充分的情况下，也可以隔着绝缘隔离物等将中继基板7固定在筐体片11。

如前述那样，介于栅极驱动基板6与筐体片11之间的绝缘隔离物61的长度从绝缘性的观点来看处于变长的倾向，与此相应，绝缘隔离物61的挠曲变大而结构强度降低。但是，由于是使用中继基板7将多个栅极驱动基板6一并进行连接器连接的结构，因此能抑制绝缘隔离物61的挠曲，提供结构强度得到提升的电力变换装置。

安装于栅极驱动基板6的电子部件和附随于它们的焊料部因热而受到不良影响，有时会给电路动作带来障碍。作为热的产生要因，能举出散热板2的散热、功率半导体3的发热、平滑电容器4的发热、布线5p、5n、5m、5g、5e的发热等，这些热具有向上方流动的性质。在本电力变换装置中，由于栅极驱动基板6配置于筐体1的最下方，因此不会暴露在前述的热中。其结果是，栅极驱动基板6不会受到热的影响，电路动作稳定化。

根据本实施例，能在实现电路动作的稳定化、绝缘可靠性的高可靠化、制作成本的降低的基础上提供小型的电力变换装置。

实施例2

在本实施例中，与实施例1不同，使绝缘板介于栅极驱动基板6与筐体片11之间、相邻的栅极驱动基板6之间。以下，以与实施例1的相异点为中心来进行说明。

在图8示出本实施例所涉及的电力变换装置中的栅极驱动基板的配置。栅极驱动基板6如图8所示那样隔着绝缘隔离物61固定在绝缘板62，绝缘板62隔着绝缘隔离物61固定在筐体片11。绝缘板62使用树脂材料等进行成型。

筐体片11是接地电位，相对于此，栅极驱动基板6的一部分成为高电位，但由于绝缘板62介于两者之间，因此相对于实施例1，能缩短两者的距离。在本实施例中，由于将筐体片11与绝缘板62的距离设为5mm，将绝缘板62与栅极驱动基板6的距离设为5mm，将绝缘板62的厚度设为1.5mm，因此筐体片11与栅极驱动基板6的距离成为11.5mm。相对于实施例1，由于关于以筐体片11相隔的单侧，能缩短8.5mm，因此在以筐体片11相隔的两侧，能缩短17mm。另一方面，需要注意充分确保筐体片11与栅极驱动基板6的沿面绝缘距离来适当配置绝缘隔离物。

关于相邻的栅极驱动基板6，虽然两者的电位差大，但由于绝缘板62介于两者之间，因此相对于实施例1，能缩短两者的距离。在本实施例中，由于将栅极驱动基板6与绝缘板62的距离设为5mm，将绝缘板62的厚度设为1.5mm，因此相邻的栅极驱动基板6的距离成为11.5mm。相对于实施例1，由于关于一组相邻的栅极驱动基板6能缩短8.5mm，因此作为整体能缩短17mm。

根据本实施例，相对于实施例1，能提供更小型的电力变换装置。

实施例3

在本实施例中，与实施例1不同，提供内含一组电力变换电路的single式的电力变换装置。以下，以与实施例1的相异点为中心进行说明。

在图9示出本实施例所涉及的电力变换装置的基本结构。作为本电力变换装置的主要结构部件，有筐体1、散热板2、功率半导体3、平滑电容器4、布线5p、5n、5m、5g、5e、栅极驱动基板6以及中继基板7。这当中，关于功率半导体3、平滑电容器4、布线5p、5n、5m、5g、5e、栅极驱动基板6以及中继基板7，隔着散热板2仅配置在单侧。它们在图9中配置于散热板2的右侧，但也可以配置在左侧。

对于所要求的电流容量比较小的事务，若运用实施例1的电力变换装置，则其电流容量有时会过剩，会要求使电流容量减半的电力变换装置。在本电力变换装置中，不重新进行设计、制作，仅去掉实施例1的结构部件就能响应这样的要求。

根据本实施例，在相对于实施例1提供使电流容量减半的电力变换装置时，能降低设计、制作所需的时间以及成本。

实施例4

在本实施例中，与实施例3不同，增设平滑电容器。以下，以与实施例3的相异点为中心进行说明。

在图10示出本实施例所涉及的电力变换装置的基本结构。作为本电力变换装置的主要结构部件，有筐体1、散热板2、功率半导体3、平滑电容器4、布线5p、5n、5m、5g、5e、栅极驱动基板6以及中继基板7。这当中，关于功率半导体3、布线5p、5n、5m、5g、5e、栅极驱动基板6以及中继基板7，隔着散热板2仅配置于单侧。它们在图10中配置于散热板2的右侧，但也可以配置在左侧。

另一方面，关于平滑电容器4，隔着散热板2分别配置于两侧，两者经由p极布线5p和n极布线5n电连接。平滑电容器4这两者不需要是相同的器件，只要能收容在筐体1的内部，就能扩大外形。在该情况下，也需要考虑装置工作时的防振来决定筐体1的结构。

作为对实施例3增设平滑电容器4的优点，能举出能加大静电电容这样的优点、能加大电流容量这样的优点、能降低实质的内部电感这样的优点。这些效果如实施例1叙述的那样。

根据本实施例，相对于实施例3，能提供进一步实现电路动作的稳定化的小型的电力变换装置。

实施例5

在本实施例中，与实施例1不同，提供电力变换电路为单相变换电路的电力变换装置。以下，以与实施例1的相异点为中心来进行说明。

在图11示出本实施例所涉及的电力变换装置的电力变换电路。本实施例中的电力变换装置可以是dual式或single式中任一者。本电力变换装置设为对象的电力变换电路是单相变换电路。本电力变换电路将在p极布线5p、n极布线5n之间施加的直流电压作为输入，对m极布线5m输出交流电压。另一方面，本电力变换电路将在m极布线5m之间施加的交流电压作为输入，在p极布线5p与n极布线5n之间输出直流电压。

在图12示出本实施例所涉及的电力变换装置中的功率半导体和栅极驱动基板的配置。在本电力变换装置中，功率半导体3如图12所示那样配置成2行2列。左右方向的配置与电力变换电路的u相以及v相对应，上下方向的配置与电力变换电路的上臂以及下臂对应。栅极驱动基板6的各相如图12所示那样，与功率半导体3的各相所排列的方向以及顺序相同地配置。

关于期望控制单相负载、或对交流输入进行整流来得到直流输出的事务，不能运用实施例1的电力变换装置，而要求构成单相变换电路的电力变换装置。在本电力变换装置中，不重新进行设计以及制作，仅对实施例1改变功率半导体3以及栅极驱动基板6的配置，就能提供相对应的电力变换装置。

根据本实施例，在提供将实施例1的三相变换电路置换成单相变换电路的电力变换装置时，能降低设计、制作所需的时间以及成本。

实施例6

在本实施例中，与实施例1不同，由单一的功率半导体3构成电力变换电路的上臂以及下臂。以下，以与实施例1的相异点为中心进行说明。

在图13示出本实施例所涉及的电力变换装置中的功率半导体和栅极驱动基板的配置。以下，说明设为对象的电力变换电路是三相变换电路的情况。在本电力变换装置中，功率半导体3如图13所示那样配置成1行3列。左右方向的配置与电力变换电路的u相、v相以及w相对应，电力变换电路的上臂以及下臂由单一的功率半导体3构成。栅极驱动基板6的各相如图13所示那样，与功率半导体3的各相所排列的方向以及顺序相同地配置。

在功率半导体3除了设置集电极端子3c以及发射极端子3e以外还设置交流输出端子3m。另外，在功率半导体3设置上臂用的栅极端子3g、辅助发射极端子3ee和下臂用的栅极端子3g、辅助发射极端子3ee。

作为由单一的功率半导体3构成电力变换电路的上臂以及下臂的优点，能举出能将功率半导体3的搭载数目减半这样的优点、能简化与功率半导体3连接的p极布线5p、n极布线5n、m极布线5m的结构这样的优点。前者的效果在于可实现制作成本的降低，后者的效果在于可将p极布线5p、n极布线5n、m极布线5m所占的区域缩小，可实现外形的小型化。

根据本实施例，相对于实施例1，能提供进一步实现制作成本的降低的更小型的电力变换装置。

实施例7

在本实施例中，与实施例1不同，冷却方式是空冷式。以下，以与实施例1的相异点为中心进行说明。

在图14示出本实施例7所涉及的电力变换装置中的散热板和功率半导体的配置。本电力变换装置的冷却方式是空冷式，在散热板2如图14所示那样设置冷却片22。在空冷式中，通过冷却风211横穿冷却片22来促进散热。对冷却风221使用车载时的迎面风、送风机的强制风。散热板2和冷却片22以热传导性出色的热管连接。

一般，空冷式与水冷式相比，虽然散热能力差，但冷却系统的制作成本大幅降低。在空冷式中，虽然若取代冷却风211而采用利用冷却片22周围的自然对流的自然空冷方式，则散热能力也会进一步变差，但由于不用担心因冷却片22在外部大气露出而引起的破损或腐蚀、不需要送风机、等，因此冷却系统的制作成本会进一步降低。

根据本实施例7，相对于实施例1，能提供进一步实现制作成本的降低的小型的电力变换装置。

附图标记的说明

1筐体

2散热板

3功率半导体

3c集电极端子

3e发射极端子

3ee辅助发射极端子

3g栅极端子

3m交流输出端子

4平滑电容器

4p平滑电容器p极端子

4n平滑电容器n极端子

5pp极布线

5nn极布线

5mm极布线

5gg极布线

5ee极布线

6栅极驱动基板

6a栅极驱动基板连接器

6g栅极驱动基板g极端子

6e栅极驱动基板e极端子

7中继基板

7a中继基板连接器

7b控制信号输入输出部

8控制逻辑部

11筐体片

21水冷配管

22冷却片

41平滑电容器筐体

61绝缘隔离物

62绝缘板

211冷却水

221冷却风