电力转换装置
2019-11-22

电力转换装置

本发明提供一种电力转换装置,具备具有上下臂串联电路的功率组件、电源平滑用电容组件、和包含冷却水流路的冷却部,可以提高可靠性,实现小型轻量化和提高可组装性。电力转换装置(200),具备:包括逆变电路和金属基片的功率组件(300)、平滑用电容组件(500)、和具有冷却水流路(19)的冷却部(9),其中,功率组件(300)和电容组件(500),是夹有冷却水流路(19)的三明治构造,功率组件的直流正极·负极端子(314、316),相对于电容组件的电容端子(504、506),不通过其它连接体直接连接。通过使设在功率组件(300)的交流母线(306)上的孔与设在外壳上的凸部嵌合,支撑交流母线(306)不受外部振动的影响。

前轮车轴114被可旋转地轴支在车体的前部。前轮车轴114的两端设有1对前轮112。后轮车轴(图示省略)被可旋转地轴支在车体后部。后轮车轴的两端设有1对后轮。本实施方式的HEV采用的是将由动力驱动的主动轮作为前轮112,将被带动的从动轮作为后轮的所谓前轮驱动方式,也可以反过来,也就是说采用后轮驱动方式。

技术领域

在本实施方式中,通过直接连接电容500和功率组件300的直流端子,可以减少部件数量,提高装配加工性,实现小型化。另外,现有技术中因连接电容组件与功率组件的端子之间的中间部件的存在而带来的寄生电感,在本实施方式中得以消除,由此可以减小尖峰电压,提高作为产品的电力转换装置的可靠性。

如上所述,由于控制电路基板20与功率组件300之间配置了驱动电路基板22,所以逆变电路的动作定时就背从控制电路基板20传至驱动电路基板22,据此,栅极信号就在驱动电路基板22上被生成,并分别被施加在功率组件300的栅极上。这样,由于按电连接关系,配置有控制电路基板20和驱动电路基板22,可以简化电布线,实现电力转换装置200的小型化。

图11是从背面观察图3的背面图,设置有形成去往电动机的交流连接端子的交流接头188。来自控制电路基板20的接头21和冷却水入口配管13分别在图的左右被突出设置。此外,在框体12上,形成有铸造框体材料时的铸造倒凹49。另外,在图11的例子当中,表示了并列设置2个功率组件(半导体组件)300的构造例,该功率组件具备由图2所示的3个上下臂串联电路组成的U相、V相和W相的交流电线186。

另外,作为另一努力重点,是在冷却水流路的一面配置功率组件,在冷却水流路的另一面配置辅机用逆变装置,由此提高冷却效率,结果实现电力转换装置的小型化。这里,辅机用逆变装置是指例如用于车辆用空调的驱动用马达的逆变装置或用于油栗用马达的逆变装置等。另外,通过在上述冷却水流路的另一侧设置辅机用逆变装置和电容组件,不仅可以将上述电容组件作为车辆驱动用旋转电机的平滑用电容使用,而且还可以作为上述辅机用逆变器的平滑电容使用。这样,电路构成就可以被简化,可以使电力转换装置进一步小型化。

图22是表示与本实施方式相关的电容组件中带有填充材料的外观构成立体图。

附图说明

图8是关于上述冷却的考量的说明图。通过在冷却水流路19的一面固定功率组件300,在另一面固定辅机用逆变装置43,来用冷却水流路19同时冷却功率组件300和辅机用逆变装置43。在这种情况下,由于功率组件300的散热用冷却器与冷却水流路19的冷却水直接接触,所以冷却效果较大。进一步,通过用冷却水流路19冷却框体12,在框体12上固定下部外壳16和金属基板11,来隔着下部外壳16和金属基板11进行冷却。在下部外壳16上,由于电容组件500的金属外壳是固定的,所以电容组件500隔着下部外壳16和框体12被冷却。另外,通过金属基板11,对控制电路基板20和驱动电路基板22进彳丁冷却,这样,通过在中央设置冷却水流路19、在一方设置金属基板11、在另一方设置下部外壳16,可以按照发热量,对构成电力转换装置200所需要的部件进行高效冷却。此外,在电力转换装置200的内部,部件被整齐配置,因而可以实现小型化。

电力转换装置

本发明提供一种电力转换装置,其提高电力转换装置的冷却效率,同时确保内部配线的规则性,由此实现装置的小型化。在电力转换装置的中段配置构成冷却通路形成体的第一及第二底座(11、12),并在冷却通路形成体的两面配置半导体模块(20、30)及电容器(50),由此提高冷却效率。另外,在第一及第二底座(11、12)上形成有贯通孔(1112、1122),通过上述贯通孔(1112、1122)进行直流及交流电路的配线,由此实现装置的小型化。

80:直流端子

本发明的目的在于提供一种能够尽量抑制体积增大的电力转换装置。

在被制作于第一底座11中的开口1134上固定有半导体模块20,在开口1136上固定有半导体模块30。半导体模块20及30的散热风扇分别从上述开口向冷却水路内突出,每个开口利用半导体模块20及30的散热片关闭。在开口1134的周围设置有密封槽1157,在开口1136的周围设置有密封槽1156。在这些密封槽1157及1156中嵌有用铜等柔软金属制作的密封材料及用树脂或橡胶材料等制作的密封材料,如上所述,压紧半导体模块20及30的传热片使上述开口封闭。使用螺栓来紧固半导体模块20及30的传热片。在上述开口1134及1136的外侧设置有孔1122,交流母线60通过第二底座12的孔1222和第一底座11的孔1122突出。突出的交流母线60的顶端连接于半导体模块20及30的交流模块端子27。

电力转换装置

图I是使用了应用本发明的电力转换装置的混合动力型电动汽车的系统图。就电动汽车而言,具有装备了发动机的混合动力型和没有装备发动机的类型,虽然下述的实施例不论哪种类型都可适用,但在此是以混合动力型的电动汽车为例来进行说明的,如上所述,本发明的电力转换装置也可应用于没有装备发动机的纯粹的电动汽车。 混合动力电动汽车(下文表述为“HEV”)为了使车辆行驶而具备电动驱动和机械驱动这两套驱动系统。一个是以内燃发动机104为动力源的发动机驱动系统,另一个是基于旋转电机的驱动系统。在下述实施方式中,旋转电机具有电动机和发电机这两者的功能,或者根据行驶状态作为电动机运转,或者作为发电机运转。下面将作为电动机或者发电机起作用的旋转电机记述为电动发电机。本系统具备两个电动发电机130和140。

在本实施方式中,交流母线60其一端固定于半导体模块的交流模块端子27,另一端固定于端子保持架63,可将从端子61至端子62的交流母线60做成一体形状。因此,交流母线60的构造简单,易于生产。另外,当将电力转换装置配置在振动多的环境中时,相对于来自外部的振动,固定有交流母线60的构造表现出强的抗振性。端子62被用作交流电端子。

在交流母线60所贯通的第一底座11的孔1122的外侧设置有密封槽1154,在密封槽1154中嵌有用铜等柔软的金属制作的密封材料及用树脂或橡胶材料制作的密封材料,通过上部壳体10的压紧,能够防止水分等从外部漏进第一底座11的孔1122中。

多个单位电容器、在本实施例是四个单位电容器被保持在电容器外壳5I的内部,在电容器外壳51的外侧设置有连接器基板72和控制电路基板74。如上所述,负极侧电容器端子及正极侧电容器端子分别从各单位电容器突出,上述各负极侧电容器端子56及正极侧电容器端子57分别连接于直流负极侧的母线44及直流正极侧的母线45,直流负极侧的母线44的模块侧端子41和直流正极侧的母线45的模块侧端子42分别连接于半导体模块20、40的直流负极侧模块端子26和直流正极侧模块端子33。

电力转换装置

本发明提供一种电力转换装置。连接上臂控制端子(320UU~320UW)的连接部(225UP~225WP)配置在驱动电路基板(22)的第1基板边缘部;连接下臂控制端子(320LU~320LW)的连接部(225UN~225WN)配置在驱动电路基板(22)的第2基板边缘部。在由这些基板边缘部夹着的基板区域形成弱电图案区域(228),在弱电图案区域(228)安装上臂安装区(227UP~227WP)、下臂安装区(227UN~227WN)、光电耦合器(221U~221W)。在下臂安装区域,将形成在比安装下臂用驱动器电路的导体层还要下层的导体层上,该信号布线(40U)从光电耦合器(221U)向安装区域(227UN)传输信号。

第1、2层图案Pl〜P4内的图案P1、P2形成在U相的下臂安装区域227UN上;图案P3、P4形成在V相的下臂安装区域227VN上。此外,图案P5、P6构成信号布线40U,第3层图案P5是具有接地图案功能的beta图案。光电耦合器221U和预驱动器IC5U的接地端子与该接地图案P5连接。233是设置在下臂安装区域227VN上的电路部件。

电力转换装置

但是,在使用预驱动器IC5U〜5W、如图11那样将弱电系统区域配置在控制端子间区域的情况下,很难对信号布线进行布局,使其从设置于弱电图案区域228周边的光电耦合器221U〜211W布线到各相。以往,为了避免输出电位电平的上臂安装区域的影响,需要暂时将信号布线引导到控制端子间区域的外侧,将上臂安装区域间的空间设定的较大,在那里配置信号布线,但在本实施方式中,采用的布线结构无需那样的结构。也就是说,利用基板22的下层(例如3、4层),使信号布线通过,从而使得控制信号导线可以直线通过下臂安装区域。

发明内容

图8是表示搭载在金属基底304上的V相的上下臂串联电路150V,U相和W相的上下臂串联电路150UU50W也具有相同结构。上下臂串联电路150V包括上臂电路151和下臂电路152。上臂电路151和下臂电路152通过端子370连接。上述的功率模块外壳302的梁状部位于上臂电路151与下臂电路152之间,端子370被设置为跨越梁状部。

电容器模块500构成了平滑电路,用来抑制因IGBT328、330的开关动作而产生的直流电压的变动。电容器模块500的正极侧电容器电极经由直流连接器138与电池316的正极侧电连接;电容器模块500的负极侧电容器电极经由直流连接器138与电池316的负极侧电连接。由此,电容器模块500在上臂IGBT328的集电极153与电池136的正极侧之间、下臂IGBT330的发射极与电池136的负极侧之间连接,电池136相对于上下臂直流电路150电并联。

另一方面,下臂用的电源布线223W通过相同电位电平的下臂安装区域227VN的下层,导出至W相侧,与下臂安装区域227WN连接。在这种情况下,为了抑制相间影响,优选尽量使用下侧的层。对电源布线应考虑的要点是,力争使电位电平与上臂相同的上臂用电源布线不通过上下臂安装区域的下层,而是通过预驱动器IC的下层。此外,力争使下臂用电源布线不通过上臂安装区域的下层,而是通过电位电平相同的下臂安装区域的下层。

在图12中,P1、P3是第I层图案;P2、P4是第2层图案;P5是第3层图案。此外,图案P6是由连接于光电耦合器221U的强电侧端子的第I层图案P61、连接于预驱动器电路5U的下臂侧端子的第I层图案P62、形成在基板背面侧的第4层图案P63、和贯通驱动电路基板22并连接第I层图案和第4层图案的贯通图案P64、P65组成。

此外,如图15所示,通过将弱电图案区域228配置在基板中央部,从而能与下臂的安装区域227UN〜227WN重叠地配置将光电耦合器221V〜221W的高压侧。

图16是变形例的预驱动器IC部分的截面图。

驱动器电路174在驱动下臂的情况下,放大PWM信号,将其作为驱动信号输出至下臂的IGBT330的栅极;在驱动上臂的情况下,将PWM信号的基准电位电平移至上臂的基准电位电平,然后放大PWM信号,将其作为驱动信号输出至上臂的IGBT328的栅极。由此,各IGBT328、330根据输入的驱动信号进行开关动作。

也可以将一个或多个的实施方式和变形例组合起来。能以任意方式组合变形例

图案P1、P2表示下臂安装区域227VN的电路图案,图案P3〜P6表示上臂安装区域227VP的电路图案。233b是下臂驱动电路部7VN的电路部件,它利用第1、2层的图案P1、P2,被安装在基板22的表面侧。此外,233a、233c是安装在上臂安装区域227VP上的上臂驱动电路部7VP的电路部件。电路部件233a利用第1、2层的图案P3、P4,安装在基板22的表面侧。电路部件233c利用第3、4层的图案P5、P6,安装在基板22的背面侧。这样,基板背面侧也安装有一部分电路部件。 在上下臂安装区域227VN、227VP之间安装有预驱动器IC5V,上述信号布线40V与下臂侧的端子连接。预驱动器IC5V的正下方什么也没有配置,上下臂安装区域227VN、227VP以超出规定的绝缘距离进行分离。如上所述,信号布线40V设置在第3、4层上,在下臂安装区域227VN中从第3、4层贯通至第1、2层,并与预驱动器IC5V连接。预驱动器IC5V的内部被分为上臂侧块5VP和下臂侧块5VN。从电源变压器220b向上臂安装区域227WP的上臂驱动电路7WP传送电源电压的电源布线222W被布局成通过预驱动器IC5V的下方。电源布线222W由正极侧和负极侧的2个布线图案构成,在3、4层上形成。

电力转换装置

本发明提供一种电力转换装置,包括:将直流转换成三相交流或者将三相交流转换成直流的电力转换器;检测该电力转换器的交流侧电流的部件;提供上述电力转换器的交流侧的电流指令的部件;以使上述电流检测值与该电流指令一致的方式,对上述电力转换器的交流侧的电压指令进行运算的电流控制器;以及,根据上述电压指令,通过脉宽调制对上述电力转换器进行控制的脉宽调制部件。在上述交流侧的三相的电流检测值中,至少对1相使用上述电流指令来取代上述电流检测值。

油压电路中,通过由电磁阀408切换电路,泵404的负载就会发生变化,电动机驱动系统400上会产生负载外扰。根据本实施方式,可以使用廉价的微型控制器,得到相对于负载外扰良好的转矩响应性能。此外,还可以抑制低速域的电磁噪声增加、和电流脉动增加之类的性能恶化。

附图说明

与电流检测相关的动作,与到目前为止的以电动机为对象的实施方式完全相同。可以应用在直至实施方式5的各种手法中。只要提供电流指令ΙΛ本系统就能发生作用,使直流电压VO达到规定值。此外,与到目前为止的实施例相同,通过取代电流检测值,使用电流指令值,就可以解决因三个相的取样误差而导致的不平衡的问题,和1分流电流检测中的误检测的问题,实现高性能的电源转换器系统。

利用图12的构成图,对本发明的第7实施方式进行说明。图12是将本发明的电动机驱动系统300,应用在风扇301的驱动上的示意图。电动机驱动系统300,是与第1至第4的实施方式所述的电动机驱动系统一致的结构。通过驱动风扇301,来对散热风扇和热交换器等冷却对象302进行冷却,或进行使用集尘过滤器的集尘。

图12是应用本发明的风扇的示意图的一例。

本实施方式去掉了图1的电流检测部件3,使用作为1个分流电阻的电流检测部件3B,检测出电力转换器1的直流母线电流IDC。在本实施方式中,由于只要检测出直流母线电流IDC即可,所以如图所示,既可以从分流电阻的两端电压检测出来,也可以使用利用了霍尔元件的电流传感器(DCCT)。

此外,作为以往例的其它方式还存在以下方法:就像图5那样,使用2个A/D转换器,同时检测三相交流中的2相,通过运算求出剩余的1相。但在这种情况下存在以下问题:价格较高的A/D转换器需要2个,成本会提高。此外,电路面积会增大,电力消耗量也会增加。图1中的本发明也可以解决上述问题。

以下,参照附图,对本发明进行详细说明。

图14是应用本发明的电力转向的示意图的一例。

图5是以往的电流检测电路的构成图。

通过本实施例可以带来的效果是,可以将检测的相位误差限制得极小,直至高速域都可以实现稳定的电动机驱动。

电力转换装置

电力转换装置具备:多个动力模块;第一壳体,其收纳多个动力模块,且形成有供制冷剂流通的流路;多个交流母线,它们分别与多个动力模块的交流端子连接;保持部件,其保持多个交流母线并被固定于第一壳体,且形成有向与该第一壳体相反的方向的上方突出的定位销;电流传感器模块,其具有多个电流传感器、框体及引线端子,所述多个电流传感器分别检测多个交流母线的交流电流,所述框体将多个电流传感器保持为一体,并且形成模块定位用贯通孔,所述引线端子从框体向上方突出;以及驱动电路基板,其在配置于保持部件上的框体的上方配置,并形成有引线端子用通孔以及基板定位用贯通孔,其中定位销的前端比从配置于保持部件的框体突出的引线端子的前端更向上方突出。

发明效果

以下,参照附图对用于实施本发明的实施方式进行说明。图1是表示混合动力汽车(以下记为“HEV”)的控制框图。发动机EGN以及马达发电机MGl产生车辆行驶用转矩。另外,马达发电机MGl不仅产生旋转转矩,而且具有将从外部施加于马达发电机MGl的机械能量转换为电力的功能。

将下述优先权基础申请的公开内容作为引用文引入于此。

在由导体板从两面夹着动力半导体元件而固定后,搭载用于与驱动基板连接的信号电极。将上臂侧IGBT328的栅电极与信号端子325U、以及将下臂侧IGBT330的栅电极与信号端子325L分别用接合线327、接合带等连接。线、带可以采用铝。另外,还可以使用焊料等的金属接合件160而将信号端子325U连接于栅电极。信号端子325U可以采用纯铜或者铜合金。

为此,在要尽量减小电力转换装置200的设置面积的情况下,可考虑通过使俯视时的形状(平面形状)为大致正方形,从而实现电力转换装置200的小型化。如上所述,在沿着侧面12b、12c的方向需要有连通路,所以从小型化的观点出发,如图16所示,优选以在一对动力模块300U、300W之间的区域SI包含动力模块300V的一部分的方式,配置动力模块300V。

如此,通过将交流母线802U装配于保持部件803,组装时通过简单操作(onetouch)就能够将交流母线802向保持部件803固定。而且,由于用钩803a卡止交流母线802U,所以能够防止交流母线802U的翘起或浮起,实现作业性的提高。

图14是表示在开口部402a〜402c固定动力模块300U〜300W、在收纳空间405收纳电容器模块500的流路形成体12的图。在图14所示的例子中,在开口部402b固定U相的动力模块300U,在开口部402a固定V相的动力模块300V,在开口部402c固定W相的动力模块300W。之后,将电容器模块500收纳于收纳空间405,通过焊接等连接电容器侧的端子与各动力模块的端子。各端子从流路形成体12的上端面突出,从上方使焊接机接近而进行焊接作业。

如图20所示,钩803a以从保持部件803的底面向上方突出的方式形成,在前端部分形成有爪状部8031ο在交流母线802U上,接近连接部805而形成贯通孔8021,钩803a被插通于该贯通孔8021。而且,钩803a的前端部的爪状部8031卡合于交流母线802U的上表面。其结果是,交流母线802U的上下方向的移动被限制,防止连接部805相对于交流端子321向图示上方错开。

由磁性材料形成的传感器芯51由于相对磁导率比空气的(相对磁导率=I)大,因此,交流母线802U的周围的磁通线以关在传感器芯51内的方式集中。其结果是,间隙52中的磁通密度变大,实现传感器灵敏度的提高。从霍尔传感器53输出的信号被放大电路54放大并从引线端子182a输出。

配管13、14以及它们被压入的连通路12e、12f的上部区域是中空的空间。因此,如图8所示,在该空间形成凹部405a、405b,如图14那样配置作为电容器模块500的放电电阻安装部的突出部500e和作为Y电容器安装部的突出部500f,由此,实现中空空间的有效利用,有助于电力转换装置200的小型化。通过将配管13、14的位置集约于一个侧面12d,从而从入口配管13到流路区间19b、以及从流路区间19c到出口配管14的冷却水的流动成为直线状,因此,可使压损极小。另外,能够抑制配管突出所导致的装置的设置空间变大,并且可以实现车载性的提高。进而,在将配管13、14压入连通路12e、12f时,由于只是在筐体的一面的压入作业,所以作业性以及生产率提高。

在该实施方式中,这3相对应于马达发电机MGl的电枢绕组的3相的各相绕组。3相的各自的上下臂的串联电路150从串联电路的中点部分即中间电极169输出交流电。该中间电极169通过交流端子159以及交流端子188而连接于作为通向马达发电机MGl的交流电力线的、以下说明的交流母线802。

图16是说明动力模块300U〜300W的配置的模式图。

图20是表示交流母线802U与动力模块300U的交流端子321的连接部分的图。对于其他的相的交流母线802V、802W以及动力模块300V、300W的交流端子,也具有同样的连接构造。被保持于保持部件803的交流母线802U〜802W在与输出端相反的一侧的端部,具有以垂直立起的方式形成的连接部805。该连接部805通过焊接连接于图10所示的动力模块300U〜300W的交流端子321。

如图8所示,在流路形成体12的上表面侧,在与流路区间19a对置的位置形成有平行于侧面12a的长方形的开口部402a,在与流路区间19b对置的位置形成有平行于侧面12b的长方形的开口部402b,在与流路区间19c对置的位置形成有平行于侧面12c的长方形的开口部402cο通过这些开口部402a〜402c,将动力模块300U〜300W插入流路19内。

图20是表示交流母线802U与动力模块300U〜300W的交流端子321的连接部分的图。