功率转换装置的制作方法

[0001]
本发明涉及使用磁性部件对从电源提供的功率进行转换的功率转换装置。


背景技术：

[0002]
例如，在搭载于电动车、插电式混合动力那样的电动车辆的大功率容量的功率转换装置中，包括母线和用于检测流过母线的电流量的电流传感器的情况较多。母线为由金属板或金属棒形成的导体构件，用在电流量较多的电流路径中。
[0003]
流过母线的电流产生磁通。电流传感器包括磁检测元件，使该磁检测元件与母线相邻地配置。流过母线的电流的值通过对与磁检测元件输出的磁通数对应的信号值乘以系数来计算。以后，将磁检测元件标记为“电流传感器元件”。
[0004]
在测定对象的母线以外产生磁通的外部干扰磁场对电流传感器元件的信号值即磁通数的检测值产生影响的情况较多。因此，在外部干扰磁场较强的环境中，难以高精度检测流过母线的电流的值。由此，沿着母线设置磁屏蔽板以包围电流传感器元件，从而能降低外部干扰磁场的影响，维持电流传感器的精度(例如，参照专利文献1)。
[0005]
使用电抗器进行功率转换的功率转换装置中，其电抗器产生较强的磁场。电流传感器元件能检测磁通的感磁方向被限制。由此，还对电抗器配置电流传感器元件，以使电抗器产生的磁通与感磁方向正交(例如，参照专利文献2)。现有技术文献专利文献
[0006]
专利文献1：日本专利特开2017-151126号公报专利文献2：日本专利特开2017-204981号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
[0007]
即使沿着母线设置磁屏蔽从而包围电流传感器元件，外部干扰磁场产生的磁通的朝向与磁屏蔽材料的位置关系也会导致不能得到足够的屏蔽效果。即，为了得到足够的屏蔽效果，必须使产生外部干扰磁场的磁性部件与母线之间的位置关系适当。
[0008]
然而，在规定磁性部件与母线之间的位置关系的情况下，在设计上的自由度变窄。功率转换装置有时也用于通过负载来提供功率，较少作为单独装置来产品化。因此，在多数情况下，应该满足的条件不少。还存在这种情况，优选进一步确保设计的自由度。
[0009]
本发明是为了解决所涉及的问题而完成的，其目的在于提供能在确保设计的自由度的同时进行高精度的电流检测的功率转换装置。解决技术问题所采用的技术方案
[0010]
本发明所涉及的功率转换装置以使用磁性部件对从电源提供的功率进行转换为前提，包括：用于对负载提供功率的多个母线；设置在每个母线上，对电流流过母线时产生的磁通进行检测的电流传感器元件；以及配置在连接磁性部件和电流传感器元件的直线
上，屏蔽从磁性部件朝向电流传感器元件的磁通的板状的磁屏蔽板。发明效果
[0011]
根据本发明，能在确保设计的自由度的同时进行高精度的电流检测。
附图说明
[0012]
图1是示出本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的电路结构例的图。图2是示出升压电抗器与提供给负载的电流用的各电流传感器元件之间的位置关系例的立体图。图3是示出升压电抗器与提供给负载的电流用的各电流传感器元件之间的位置关系例的俯视图。图4是示出升压电抗器与提供给负载的电流用的各电流传感器元件之间的位置关系例的侧视图。图5是示出磁场仿真用的升压电抗器、电流传感器元件以及两个磁屏蔽板之间的位置关系的立体图。图6是示出磁场仿真结果的图。图7是示出收纳有本发明实施方式2所涉及的功率转换装置的壳体内的升压电抗器、母线、电流传感器元件以及磁屏蔽板的配置例的剖视图。图8是示出本发明实施方式3所涉及的功率转换装置中包含母线的周边结构例与升压电抗器之间的位置关系例的立体图。图9是示出本发明实施方式4所涉及的功率转换装置中包含母线的周边结构例与升压电抗器之间的位置关系例的立体图。
具体实施方式
[0013]
下面，参照附图对本发明所涉及的功率转换装置的实施方式进行说明。
[0014]
实施方式1.图1是示出本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的电路结构例的图。
[0015]
该功率转换装置100是转换从电源1提供的功率以使电的各种参量即电压、电流、频率、相位、相数等不同的装置，包括dc(direct current：直流)dc升压转换器电路10和逆变器电路20。在dcdc升压转换器电路10的输入级连接有输入功率平滑电容器3，dcdc升压转换器电路10和逆变器电路20经由链路电容器4而连接。
[0016]
dcdc升压转换器电路10包括电流传感器元件11a、11b、升压电抗器12以及半导体开关元件13a～13d。
[0017]
如图2所示，升压电抗器12是在磁芯121上具有匝数比为1比1的两个绕组122、对各绕组122进行绕卷从而所产生的磁通在其磁芯内彼此抵消的磁耦合型磁性部件。各电流传感器元件11a、11b是输出与电流产生的磁通相对应的信号的元件，用于单独进行流过绕组122的电流的测定。通过对采样信号的值乘以系数来得到电流值。
[0018]
在本实施方式1中，作为半导体开关元件13a～13d，采用了mosfet(metal-oxide-semiconductor field effect transistor：场效应晶体管)。在链路电容器4的两端分别并联连接有半导体开关元件13a、13b、和半导体开关元件13c、13d。半导体开关元件13a、13b串
联连接。半导体开关元件13c、13d也串联连接。此外，作为半导体开关元件13a～13d而使用的元件的种类不作特别限定。即，半导体开关元件13a～13d可以是igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)等。
[0019]
在链路电容器4的正极端子连接有半导体开关元件13a、13c的各漏极，在半导体开关元件13a、13c的各源极分别连接有半导体开关元件13b、13d的各漏极。半导体开关元件13b、13d的各源极连接到链路电容器4的阴极端子。
[0020]
升压电抗器12的各绕组122的一端连接至电源1的正极，两个绕组122中的一个的另一端连接至半导体开关元件13a的源极，两个绕组122中的另一个的另一端连接至半导体开关元件13c的源极。各半导体开关元件13a～13d的栅极分别经由控制线32a～32d连接至控制部30。
[0021]
dcdc升压转换器电路10是交错式转换器电路，将电源1提供的直流功率转换为更高电压的直流功率。该功率转换通过由控制部30进行各半导体开关元件13a～13d的导通/截止控制来实现。
[0022]
逆变器电路20是用于提供用来驱动负载2的功率，将dcdc升压转换器电路10输出的直流功率转换为三相交流功率。因此，在链路电容器4的两端并联连接有半导体开关元件21a、21b、半导体开关元件21c、21d、半导体开关元件21e、21f。半导体开关元件21a、21b串联连接至链路电容器4的两端。即，半导体开关元件21a的漏极连接至链路电容器4的正极端子，半导体开关元件21a的源极连接至半导体开关元件21b的漏极，半导体开关元件21b的源极连接至链路电容器4的阴极端子。即使对于半导体开关元件21c、21d、半导体开关元件21e、21f，这也是相同的。
[0023]
各半导体开关元件21a～21f的各栅极经由控制线33a～33f与控制部30相连接。由此，控制部30进行各半导体开关元件21a～21f的导通/截止控制。其结果是对负载2提供三相的交流功率，从而由负载2进行驱动。
[0024]
负载2与半导体开关元件21a、21c以及21e的各源极相连接。因此，一个相的功率在半导体开关元件21a导通、半导体开关元件21b截止的情况下被提供。另一个相的功率在半导体开关元件21c导通、半导体开关元件21d截止的情况下被提供。最后一个相的功率在半导体开关元件21e导通、半导体开关元件21f截止的情况下被提供。
[0025]
按对负载2提供功率的相，分别设置有电流传感器元件22a～22c。这些电流传感器元件22a～22c是与上述电流传感器元件11a、11b相同的元件。通过电流传感器元件22a～22c检测出的各相的电流值作为用于适当驱动负载2的信息而被控制部30所使用。即，控制部30使用在各相中所检测出的电流值，进行各半导体开关元件21a～21f的导通/截止控制。
[0026]
各电流传感器元件22a～22c经由控制线31c～31e而与控制部30相连接。流过升压电抗器12的电流用的各电流传感器元件11a、11b也经由控制线31a、31b而与控制部30相连接。控制部30经由各控制线31a～31e，输入各电流传感器元件11a、11b、22a～22c输出的信号值。控制部30通过对输入的信号值乘以规定的系数，来计算电流值。控制部30使由此得到的电流值反映在控制上。
[0027]
dcdc升压转换器电路10和逆变器电路20均是公知电路。因此，省略更详细的说明。
[0028]
图2是示出升压电抗器与提供给负载的电流用的各电流传感器元件之间的位置关系例的立体图。从逆变器电路20对负载2的电流提供经由母线23a～23c来进行。如图2所示，
各电流传感器元件22a～22c相邻设置在母线23a～23c上。
[0029]
各电流传感器元件22a～22c如上所述是输出与磁通相对应的信号的元件。为了高精度检测流过各母线23a～23c的电流，需要设为使各电流传感器元件22a～22c仅检测由母线23a～23c分别产生的磁通。然而，功率转换装置100中存在产生除作为对象的磁通以外的磁通的外部干扰磁场。在功率转换装置100中，升压电抗器12是产生最强的外部干扰磁场的磁性部件。由此，在图2中示出了升压电抗器12与各电流传感器元件22a～22c的位置关系例。
[0030]
在本实施方式1中，如图2所示，将两个磁屏蔽板24a、24b相对配置从而夹入各电流传感器元件22a～22c。这些磁屏蔽板24a、24b是为了屏蔽磁通而使用高相对磁导率的磁性材料来制成的构件。作为该磁性材料，优选相对磁导率为3000以上。作为满足该条件的磁性材料，能够列举坡莫合金、纯铁、fe-6.5si、fe-3.5si、fe基非晶硅、纳米晶体fe基、软磁性材料、硅钢板等。
[0031]
以后，为了方便说明，对于无需特定的磁屏蔽板，标注“24”以作为标号。同样地，对于无需特定的一个以上的电流传感器元件，标注“22”以作为标号，对于无需特定的一个以上的母线，标注“23”以作为标号。
[0032]
图3是示出升压电抗器与提供给负载的电流用的各电流传感器元件之间的位置关系例的俯视图，图4是示出升压电抗器与提供给负载的电流用的各电流传感器元件之间的位置关系例的侧视图。
[0033]
图3所示的俯视图是以从图2中z轴的正侧进行观察的视点、即在z轴上从值较大一侧朝向值较小一侧的视点下的图，图4所示的侧视图是从图2中x轴方向上的负侧进行观察的视点下的图。此处，参照图3和图4，对磁屏蔽板24进行具体说明。在该图3和图4中，为了方便说明，仅示出了一个磁屏蔽板24。
[0034]
图3中，箭头a1示出了流过各母线23a～23c的电流方向。由此，对于流过母线23a～23c的电流，也标注“a1”以作为标号。f1表示在升压电抗器12产生的磁通中朝向电流传感器元件22的磁通。箭头f2也如图4所示那样表示电流a1流过母线23a而产生的磁通。图3中，通过箭头来表示xy平面上磁通的方向。该磁通f2与电流传感器元件22a以最高灵敏度检测磁通的感磁方向大体一致。磁通f2的方向在其它母线23b、23c中也基本相同，感磁方向在全部电流传感器元件22a～22c中基本相同。
[0035]
如图3和图4所示，磁屏蔽板24配置在连接升压电抗器12与电流传感器元件22的直线上。更具体而言，磁屏蔽板24沿电流传感器元件22a～22c的排列方向，配置在升压电抗器12与电流传感器元件22之间从而横穿三根母线23a～23c。磁屏蔽板24成为能屏蔽升压电抗器12产生的磁通f1中从电流传感器元件22所能检测的方向范围内起到达该电流传感器元件22的磁通f1的形状。因此，磁屏蔽板24起到避免升压电抗器12产生的磁通f1被电流传感器元件22检测出、或较大地抑制所检测出的磁通的作用。
[0036]
作为与电流传感器元件22直线连接的升压电抗器12上的位置，例如，考虑升压电抗器12中使磁通产生的部分的xz平面上的中心。当对多个电流传感器元件22使用一个相同磁屏蔽板24时，考虑位于多个电流传感器元件22的中心的电流传感器元件22、或成为多个电流传感器元件22排列方向上的中心的位置。升压电抗器12和电流传感器元件22的直线连接的位置可以适当地决定，并且这些位置可以是虚拟位置。
[0037]
如图3和图4所示，磁屏蔽板24为板状构件。对该磁屏蔽板24进行配置，以使其不对因电流a1流过各母线23a～23c而产生的磁通f2到达电流传感器元件22的情况进行屏蔽。其结果是，电流传感器元件22中仅母线23产生的磁通f2通过，或通过的磁通的大部分是由母线23产生的。因此，通过配置磁屏蔽板24，从而能够高精度地进行使用了电流传感器元件22的电流a1的测定。
[0038]
磁屏蔽板24的配置以及形状的决定与专利文献1所记载的现有技术不同，能够与各母线23、各电流传感器元件22a～22c以及升压电抗器的配置的决定分开地独立进行。因此，与磁屏蔽板24的配置相伴地，能避免抑制功率转换装置100设计上的自由度，或其抑制的程度变得非常低。
[0039]
本实施方式1中，如图3和图4所示，在包含来自升压电抗器12的磁通f1的平面上配置了各电流传感器元件22a～22c。在这样配置了各电流传感器元件22a～22c、各母线23a～23c的情况下，能够对各电流传感器元件22a～22c使用共通的磁屏蔽板24。该磁屏蔽板24的z轴方向上的所需长度即高度也能被抑制。由此，能得到抑制部件个数、磁屏蔽板24的安装性等方面上的优点。
[0040]
图5是示出磁场仿真用的升压电抗器、电流传感器元件以及两个磁屏蔽板之间的位置关系的立体图，图6是示出磁场仿真结果的图。接着，参照图5和图6，对磁屏蔽板24的屏蔽效果进行具体说明。
[0041]
在图5和图6中，对相同结构要素或相当的结构要素标注对应的标号。电流传感器元件22相当于图3所示的电流传感器元件22b。图6所示的磁场仿真结果在包含电流传感器元件22的xy平面上，通过浓淡来表示电流传感器元件22的感磁方向即x轴方向上的磁通大小。越浓越表示磁通较大。磁场仿真中，为了较容易地确认磁屏蔽板24的屏蔽效果，不对母线23进行模拟。
[0042]
如图6所示，磁屏蔽板24a屏蔽来自升压电抗器12的磁通f1，因此从该磁屏蔽板24a起在y轴上的负方向侧的磁通变得非常小。在两个磁屏蔽板24a、24b之间，在x轴上磁通变得非常小的范围朝向y轴上的负方向侧逐渐变窄后又缓慢变宽。
[0043]
在x轴上磁通变得非常小的范围朝向y轴上的负方向侧缓慢变宽是由于磁通f1被迂回到磁屏蔽板24b内。通过该迂回，在y轴上越靠近磁屏蔽板24，则在x轴上磁通变得非常小的范围变得越宽。
[0044]
因此，示出了在x轴上磁通变得非常小的范围基于y轴上的位置的如图6所示的变化不仅对磁屏蔽板24a有效、而且对于磁屏蔽板24b也是有效的情况。即磁屏蔽板24a和磁屏蔽板24b均对电流传感器元件22能检测磁通的灵敏度区域内的不要的磁通进行抑制。根据该事实，在以更高精度测定电流a1的基础上，配置两个磁屏蔽板24从而夹住电流传感器元件22是非常有效的。
[0045]
通过图5所示模型的磁场仿真，确认出优选电流传感器元件22的感磁方向上的磁屏蔽板24的长度大于其感磁方向上的电流传感器元件22的长度的两倍。感磁方向优选为以最高灵敏度检测磁通的感磁方向。磁屏蔽板24与电流传感器元件22之间的距离越长，则磁屏蔽板24的优选长度越长。以后，将感磁方向上的电流传感器元件的长度标记为“元件长”。
[0046]
如图2和图3所示，针对三个电流传感器元件22a～22c也能设置一个磁屏蔽板24。该情况下，磁屏蔽板24的优选长度成为对三个电流传感器元件22a～22c在排列方向上的端
到端的长度加上比元件长要大的长度后得到的长度。即，磁屏蔽板24的优选长度成为对作为对象的电流传感器元件22存在的范围的长度加上比元件长要大的长度后得到的长度，而与作为对象的电流传感器元件22的数量无关。
[0047]
此外，本实施方式1中，配置了两个磁屏蔽板24，但磁屏蔽板24也可以设为一个。该情况下，优选将磁屏蔽板24设得较大。在从升压电抗器12进行观察的视点上，位置可以为电流传感器元件22的前侧，也可以为电流传感器元件22的里侧。
[0048]
另外，可以按每个电流传感器元件22来设置一个以上的磁屏蔽板24。磁屏蔽板24的形状可以不是平面状而是曲面状。可以是组合多个平面那样的形状。也有这些情况，磁屏蔽板24的配置方法、其形状等可以进行各种变形。
[0049]
另外，功率转换装置100是具有dcdc升压转换器电路10、逆变器电路20的装置，但能应用本实施方式1的功率转换装置100并不限于那样的装置。例如，功率转换装置100可以是具有ac/dc转换器电路的装置，也可以是具有绝缘型dcdc转换器电路的装置等，还可以是具有三个以上电路的装置。即，功率转换装置100可以是具有用于以非接触方式检测电流a1的电流传感器元件、以及对该电流传感器元件的检测结果产生影响的磁性部件的装置。
[0050]
实施方式2.在使dcdc升压转换器电路10的半导体开关元件13a～13d进行开关动作的情况下，在升压电抗器12具有的两个绕组122中流过具有脉动分量的电流。因此，升压电抗器12产生的磁通f1根据该脉动分量而变化。在不能完全屏蔽升压电抗器12产生的磁通f1的情况下，该磁通f1的变化使电流值的检测结果中所包含的误差大小变动，并使磁屏蔽板24发热。由此，本实施方式2抑制了电流值的检测结果中所包含的误差大小的变动，进一步提高了精度，并且进一步抑制了磁屏蔽板24的发热。此处，对与上述实施方式1相同或相当的结构要素标注相同标号，对于不同部分进行详细说明。这在后述的其它实施方式中也设为相同。
[0051]
图7是示出收纳有本发明实施方式2所涉及的功率转换装置的壳体内的升压电抗器、母线、电流传感器元件以及磁屏蔽板的配置例的剖视图。该剖视图是从x轴方向上负侧进行观察的视点的图。
[0052]
功率转换装置100设置在壳体5内。本实施方式2中，如图7所示，在连接升压电抗器12与电流传感器元件22的直线上，除了磁屏蔽板24以外，还配置有金属屏蔽板5a。即，金属屏蔽板5a沿电流传感器元件22a～22c的排列方向与磁屏蔽板24平行或大致平行地配置在升压电抗器12与电流传感器元件22之间。而且，金属屏蔽板5a配置在升压电抗器12与磁屏蔽板24之间。
[0053]
金属屏蔽板5a为铝合金、铜、不锈钢等非磁性体，并且为由电传导率较高的材料制成的板状构件，其大小覆盖从升压电抗器12朝向电流传感器元件22的磁通f1通过的范围。因此，金属屏蔽板5a利用涡电流的磁屏蔽效果，来屏蔽从升压电抗器12朝向电流传感器元件22的磁通f1。因此，升压电抗器12产生的伴随时间变化的磁通f1被金属屏蔽板5a屏蔽，从而对电流传感器元件22和磁屏蔽板24不产生影响，或大幅抑制其影响。其结果是，与上述实施方式1相比较，本实施方式2中能够以更高精度进行电流值的测定。
[0054]
此外，金属屏蔽板5a作为壳体5的一部分来实现，但也可以作为单独部件来制成。在实现金属屏蔽板5a作为壳体5的一部分的情况下，在部件数量的降低、组装成本的抑制等方面具有优势。
[0055]
实施方式3.图8是示出本发明实施方式3所涉及的功率转换装置中包含母线的周边结构例与升压电抗器之间的位置关系例的立体图。
[0056]
本实施方式3中，如图8所示，在夹住各电流传感器元件22的位置上配置有两个磁屏蔽板24a、24b，在各电流传感器元件22上分别进一步配置有集磁芯体25a～25c。
[0057]
各集磁芯体25a～25c为对相应的母线23产生的磁通数进行放大并提供给相应的电流传感器元件22的部件。因此，各集磁芯体25a～25c配置在母线23产生的磁通f2中提供给电流传感器元件22的磁通f2的磁路上。
[0058]
通过使用这样的集磁芯体25a～25c，从而能够进一步提高电流传感器元件22的s/n比(signal-to-noise ratio：信噪比)。因此，能够以更高精度检测母线23的电流值。另外，集磁芯体25a～25c本身具有作为磁屏蔽的效果。这意味着通过使用集磁芯体25a～25c从而对外部干扰磁场的耐性进一步提高。这也起到能够以更高精度检测母线23的电流值的功能。
[0059]
各磁屏蔽板24如图8所示，避开由集磁芯体25a～25c进行集磁的磁通f2的磁路来配置。因此，可避免因磁屏蔽板24使电流传感器元件22的s/n比下降。
[0060]
实施方式4.图9是示出本发明实施方式4所涉及的功率转换装置中包含母线的周边结构例与升压电抗器之间的位置关系例的立体图。
[0061]
本实施方式4中，如图9所示，在上述实施方式3的基础上追加有覆盖包含各集磁芯体25a～25c的范围的磁屏蔽板26。该磁屏蔽板26配置在各集磁芯体25a～25c的z轴上的负侧。
[0062]
集磁芯体25a～25c例如为对多种磁性构件进行层叠而制成的部件。通过对该磁性构件提供磁通，从而提供给电流传感器元件22的磁通产生变化。通过配置磁屏蔽板26，从而能够抑制外部干扰磁场产生的磁通到达集磁芯体25a～25c。因此，与上述实施方式3相比较，能够以更高精度测定母线23的电流值。
[0063]
将集磁芯体25a～25c的电流传感器元件22的灵敏度方向上的长度标记为“芯体长”。该灵敏度方向上的磁屏蔽板26的优选长度在对象为集磁芯体25a～25c中的一个的情况下，为大于芯体长的两倍的长度。如图9所示，在对集磁芯体25a～25c设置一个磁屏蔽板26的情况下，磁屏蔽板26的优选长度成为对作为对象的集磁芯体25a～25c存在的范围的长度加上大于芯体长的长度后得到的长度。
[0064]
此外，上述实施方式1～4中，作为产生对电流传感器元件22产生影响的外部干扰磁场的磁性部件，假设了升压电抗器，但假设的磁性部件并不限于升压电抗器。假设的磁性部件可以是通过功率转换装置100所使用的磁性部件、其位置关系等来决定的部件。即磁性部件例如可以是使用磁导率较低的铁粉芯(dust core)的电抗器、变压器等。假设的磁性部件可以为多个。例如磁屏蔽板26可以配置用于屏蔽其它磁性部件产生的磁通。
[0065]
另外，能对上述实施方式1～4进行组合。例如金属屏蔽板5a可以在上述实施方式3和4中使用。该情况下，可以仅配置一个磁屏蔽板24。标号说明
[0066]1ꢀꢀꢀ
电源
2
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负载5
ꢀꢀꢀ
壳体5a
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金属屏蔽板10
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dcdc升压转换器电路12
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升压电抗器(磁性部件)20
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逆变器电路22、22a～22c
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电流传感器元件23、23a～23c
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母线24、24a、24b、26
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磁屏蔽板25a～25c
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集磁芯体100
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功率转换装置121
ꢀꢀ
磁芯122
ꢀꢀ
绕组。