專利名稱:功率轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路車輛等車用功率轉(zhuǎn)換裝置，特別涉及將構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置 的各相橋臂的半導(dǎo)體元件配置在冷卻器的同一平面上、以提高半導(dǎo)體元件的冷 卻效率并降低布線電感的功率轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
作為以往的車用功率轉(zhuǎn)換裝置，有例如日本專利特開(kāi)2001-238468號(hào)公報(bào) (稱作專利文獻(xiàn)l)所示，在一個(gè)散熱塊上，通過(guò)安裝螺絲沿電車的行駛方向安 裝對(duì)各相進(jìn)行單元化的多個(gè)半導(dǎo)體單元，力圖提高冷卻效率，降低電路電感。
另外，作為降低功率轉(zhuǎn)換器的主電路布線的電感、提高絕緣的可靠性、提 高操作性的方案，在日本專利特開(kāi)2001-86731號(hào)公報(bào)(稱為專利文獻(xiàn)2)中有所 揭示。
在這樣的專利文獻(xiàn)1、 2所揭示的車用功率轉(zhuǎn)換裝置中，將構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換 裝置的正側(cè)橋臂及負(fù)側(cè)橋臂的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊配置在冷卻器 上，使IGBT模塊的短邊與車輛行駛方向垂直，通過(guò)車輛行駛、移動(dòng)，所產(chǎn)生 的風(fēng)流向冷卻器的散熱部，該風(fēng)作為冷卻風(fēng)，遇到散熱部時(shí)使冷卻器冷卻。
專利文獻(xiàn)1:日本專利特開(kāi)2001-238468號(hào)公報(bào)(圖1)
專利文獻(xiàn)2:日本專利特開(kāi)2001-86731號(hào)公報(bào)(圖1)

發(fā)明內(nèi)容
然而在這樣以往的功率轉(zhuǎn)換裝置中，由于構(gòu)成正側(cè)及負(fù)側(cè)橋臂的IGBT模 塊的短邊配置成與冷卻風(fēng)的流向(即車輛的行駛方向)垂直的位置關(guān)系，所以對(duì) 冷卻風(fēng)來(lái)講從風(fēng)上游到風(fēng)下游的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，風(fēng)上游的IGBT模塊和風(fēng)下游的 IGBT模塊的溫差較大。另外，由于各IGBT模塊遇到冷卻風(fēng)的面積也較小， 所以冷卻效率較差。因此，由于車輛的行駛所產(chǎn)生的風(fēng)不能被有效作為冷卻風(fēng)使用，為充分冷卻風(fēng)下游的IGBT模塊，必須設(shè)定更強(qiáng)的冷卻性能，這就需要 散熱部較大或者效率較高的冷卻器，會(huì)存在帶來(lái)裝置的大型化、且?guī)?lái)裝置的 高成本化這樣的問(wèn)題。
本發(fā)明是為了解決這樣的以往裝置的問(wèn)題而完成的，其目的是提供一種功 率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置可以確保構(gòu)成正側(cè)橋臂及負(fù)側(cè)橋臂的半導(dǎo)體元件 模塊的接受冷卻風(fēng)的面積較大，并且可以減小風(fēng)上游側(cè)和風(fēng)下游側(cè)的半導(dǎo)體元 件模塊的溫差，可以減小冷卻器的散熱部，裝置可以小型化和低成本化。
另外，其目的是提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置利用適于半導(dǎo)體 元件模塊的配置狀態(tài)的布線結(jié)構(gòu)，來(lái)降低電路的電感，可以使裝置小型化和低 成本化。
本發(fā)明涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置，是在直流電壓源的正電位側(cè)和負(fù)電位側(cè)之間 連接由開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件形成的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂與負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的 串聯(lián)電路，從上述兩組半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)連接點(diǎn)引出輸出端子，正側(cè)半導(dǎo) 體開(kāi)關(guān)橋臂的陽(yáng)極與直流電壓源的正電位側(cè)連接，負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的陰極 與直流電壓源的負(fù)電位側(cè)連接，將上述兩組半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)電路作為功 率轉(zhuǎn)換裝置的一相，構(gòu)成半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的所有開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件配置在冷卻器 的同一平面上，冷卻器的冷卻部由多個(gè)翅片構(gòu)成，利用在翅片之間流動(dòng)的冷卻 劑使開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件冷卻，在該車用功率轉(zhuǎn)換裝置中，將上述開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件 設(shè)置在冷卻器的同一平面上，使冷卻劑的流動(dòng)方向與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的長(zhǎng)邊方 向垂直。
另外，在如上所述構(gòu)成的功率轉(zhuǎn)換裝置中，連接構(gòu)成一側(cè)(正側(cè))半導(dǎo)體開(kāi) 關(guān)橋臂的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極與直流電壓源的正電位側(cè)的布線，對(duì)于構(gòu)成功 率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第一平板導(dǎo)體；連接構(gòu)成另一側(cè)(負(fù)側(cè))半 導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè)的布線，對(duì)于 構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第二平板導(dǎo)體；連接形成串聯(lián)電路 的一側(cè)(正側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極與另一側(cè)(負(fù)側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極的 布線，對(duì)于各相的每相使用第三平板導(dǎo)體；第一 第三平板導(dǎo)體是層疊的平行 平板，第三平板導(dǎo)體被配置為與輸出端子連接，使其陰極側(cè)跨過(guò)與輸出端子連 接的一側(cè)(正側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極，另外使其陽(yáng)極側(cè)跨過(guò)與輸出端子連接
6的另一側(cè)(負(fù)側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極。
若采用本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換裝置，可以使冷卻器的散熱部小型化，可以將冷 卻器的價(jià)格控制得較低。
另外，因?yàn)榭梢詼p小電路的電感，所以不需要緩沖電路，可以減少元器件， 提高裝置的可靠性，并能使裝置小型化，且由于元器件較少，而可以將裝置的 價(jià)格控制得較低。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的功率轉(zhuǎn)換裝置的簡(jiǎn)要電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的冷卻器上開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的配置結(jié)構(gòu)的
說(shuō)明圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式2的功率轉(zhuǎn)換裝置的簡(jiǎn)要電路結(jié)構(gòu)圖。 圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的冷卻器上半導(dǎo)體元件的配置結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖。
圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式3的功率轉(zhuǎn)換裝置的簡(jiǎn)要電路結(jié)構(gòu)圖。
圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的冷卻器上半導(dǎo)體元件的配置結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖。
圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的功率轉(zhuǎn)換裝置的冷卻器的變形例的圖。
圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)、負(fù)側(cè)橋臂的半導(dǎo)體元 件的排列圖及通過(guò)平板導(dǎo)體的布線電路圖。
圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的連接正側(cè)半導(dǎo)體元件和負(fù)側(cè) 半導(dǎo)體元件的平板導(dǎo)體的布線結(jié)構(gòu)圖。
圖10是本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)半導(dǎo)體元件和電源的 正電位側(cè)的布線結(jié)構(gòu)圖。
圖11是本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體元件和電源的 負(fù)電位側(cè)的布線結(jié)構(gòu)圖。
圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的平板導(dǎo)體的層疊結(jié)構(gòu)圖。
圖13是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的電流路徑和布線電感
7的關(guān)系圖。
圖14是以往裝置的布線路徑和布線電感的說(shuō)明圖。
圖15是本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的布線路徑和布線電感的說(shuō)明圖。
圖16是本發(fā)明的實(shí)施方式5的功率轉(zhuǎn)換裝置的連接正側(cè)半導(dǎo)體元件和負(fù) 側(cè)半導(dǎo)體元件的平板導(dǎo)體的布線結(jié)構(gòu)圖及布線電路圖。
圖17是本發(fā)明的實(shí)施方式6的功率轉(zhuǎn)換裝置的連接正側(cè)半導(dǎo)體元件和負(fù) 側(cè)半導(dǎo)體元件的平板導(dǎo)體的布線結(jié)構(gòu)圖及布線電路圖。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明
1、 2、 3、 4、 5、 6是IGBT模i央，7、 8、 9是交流輸出端子，10是直流電 壓源，P是直流電壓源的正極端子，N是直流電壓源的負(fù)極端子，11、 15、 19、 20是冷卻器，12是IGBT模塊，13是二極管模塊，14、 18是交流輸出端子， 21、 22、 23是第三平板導(dǎo)體，24是第一平板導(dǎo)體，25是第二平板導(dǎo)體，26、 27是第三平板導(dǎo)體，28是第一平板導(dǎo)體，29是第二平板導(dǎo)體，C是IGBT模 塊的集電極端子，E是IGBT模塊的發(fā)射極端子，A是二極管模塊的陽(yáng)極端子， K是二極管模塊的陰極端子，AC是交流輸出端子。
具體實(shí)施方式
實(shí)施方式1
參照?qǐng)Dl、圖2說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的功率轉(zhuǎn)換裝置。 圖l是三相功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)圖，圖中，1 6例如是IGBT模塊 那樣的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件模塊(以下也簡(jiǎn)稱為開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件)，IGBT模塊1、 3、 5構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，IGBT模塊2、 4、 6構(gòu)成負(fù)側(cè)半
導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂。
艮P， IGBT1、 3、 5的各集電極端子C與直流電源(也稱為濾波電容器)10的 正極端子P連接，IGBT模塊2、 4、 6的各發(fā)射極端子E與直流電源10的負(fù)極 端子N連接，IGBT1的發(fā)射極端子E和IGBT2的集電極端子C串聯(lián)連接，從 該串聯(lián)連接點(diǎn)引出交流輸出端子7。
同樣地，IGBT3的發(fā)射極端子E和IGBT4的集電極端子C串聯(lián)連接，另外，IGBT5的發(fā)射極端子E和IGBT6的集電極端子C串聯(lián)連接，從各個(gè)串聯(lián)連接點(diǎn)分別引出交流輸出端子8、 9。
另外，在鐵路車輛用的這樣的大容量的功率轉(zhuǎn)換裝置中，通常在一個(gè)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件(IGBT模塊)內(nèi)，例如并聯(lián)連接三個(gè)IGBT， 一個(gè)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件(IGBT模塊)具有三組集電極端子和發(fā)射極端子。
圖2是表示在冷卻器11的同一平面上設(shè)置圖1的IGBT模塊1 6的狀態(tài)的配置結(jié)構(gòu)圖，圖2(a)是從IGBT模塊安裝面看到的圖，圖2(b)是從冷卻器的側(cè)面看到的圖。
如圖2所示，在實(shí)施方式l的功率轉(zhuǎn)換裝置中，將構(gòu)成正側(cè)及負(fù)側(cè)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的所有IGBT模塊1 6設(shè)置在冷卻器11的同一平面上時(shí)，配置為使得IGBT模塊1 6的長(zhǎng)邊側(cè)與冷卻風(fēng)的方向X(即車輛的行進(jìn)方向)垂直。
若采用這樣配置構(gòu)成的實(shí)施方式1的功率轉(zhuǎn)換裝置，則由于將IGBT模塊1 6的長(zhǎng)邊側(cè)配置為與冷卻風(fēng)的方向(箭頭X)垂直，因此可以使各IGBT模塊1 6的接受冷卻風(fēng)的面積變大，且由于從風(fēng)上游到風(fēng)下游的方向是IGBT模塊的短邊側(cè)，因此可以縮短從風(fēng)上游到風(fēng)下游的距離，能夠減小風(fēng)上游側(cè)和風(fēng)下游側(cè)的IGBT模塊的溫差，能夠高效地冷卻IGBT模塊。所以，可以減小冷卻器11的散熱部，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻器的小型化，由于冷卻器減小，因此可以降低成本。
另外，圖7是表示使用方格型翅片的散熱器型的冷卻器20作為冷卻器時(shí)的IGBT模塊1 6的配置結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，使用這樣的冷卻器20也能達(dá)到與上述一樣的效果。即，只要冷卻器具有多個(gè)翅片，將IGBT模塊的長(zhǎng)邊側(cè)配置為與
冷卻風(fēng)的方向垂直即可。實(shí)施方式2
圖3、圖4表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的功率轉(zhuǎn)換裝置，圖3是功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)圖，圖4是表示在冷卻器設(shè)置圖3的半導(dǎo)體元件模塊的狀態(tài)的配置結(jié)構(gòu)圖，圖4(a)是從半導(dǎo)體元件模塊安裝面看到的圖，圖4(b)是從冷卻器
的側(cè)面看到的圖。
圖3、圖4中，12是與實(shí)施方式1一樣的IGBT模塊，構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，集電極端子C與直流電源10的正極端子P連接。13是二極管模塊(也稱為整流半導(dǎo)體元件)，構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體整流
橋臂，陽(yáng)極端子A與直流電源10的負(fù)極端子N連接，IGBT模塊12的發(fā)射極端子E和二極管模塊13的陰極端子K串聯(lián)連接，從該串聯(lián)連接點(diǎn)引出輸出端子14。
如圖4所示，將IGBT模塊12及二極管模塊13配置在冷卻器15的同一平面上，使得IGBT模塊12及二極管模塊13的長(zhǎng)邊側(cè)與冷卻風(fēng)的方向(即車輛
的行進(jìn)方向)垂直。
艮P，該實(shí)施方式2與上述實(shí)施方式1的不同之處只是功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)不同，即使是這樣的實(shí)施方式2的主電路結(jié)構(gòu)，但通過(guò)在冷卻器15的同一平面上將IGBT模塊12的長(zhǎng)邊側(cè)及二極管模塊13的長(zhǎng)邊側(cè)配置為與冷卻風(fēng)的方向垂直，也可以得到與實(shí)施方式l一樣的效果。
艮P，由于將IGBT模塊12的長(zhǎng)邊側(cè)及二極管模塊13的長(zhǎng)邊側(cè)配置為與冷卻風(fēng)的方向垂直，因此可以使IGBT模塊12和二極管模塊13的接受冷卻風(fēng)的面積變大，且由于從風(fēng)上游到風(fēng)下游的方向是IGBT模塊及二極管模塊的短邊側(cè)，因此可以縮短從風(fēng)上游到風(fēng)下游的距離，可以高效地冷卻。所以，可以減小冷卻器的散熱部，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻器的小型化，由于冷卻器減小，因此可以降低成本。
實(shí)施方式3
圖5、圖6表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的功率轉(zhuǎn)換裝置，圖5是功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)圖，圖6表示在冷卻器設(shè)置圖5的半導(dǎo)體元件模塊的狀態(tài)的配置結(jié)構(gòu)圖，圖6(a)是從半導(dǎo)體元件模塊安裝面看到的圖，圖6(b)是從冷卻器的
側(cè)面看到的圖。
圖5、圖6中，12是與實(shí)施方式2—樣的IGBT模塊，構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，發(fā)射極端子E與直流電源10的負(fù)極端子N連接。13是二極管模塊(也稱為整流半導(dǎo)體元件)，構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)半導(dǎo)體整流橋臂，陰極端子K與直流電源10的正極端子P連接，IGBT模塊12的集電極端子C和二極管模塊13的陽(yáng)極端子A串聯(lián)連接，從該串聯(lián)連接點(diǎn)AC引出輸出端子18。
如圖6所示，將IGBT模塊12及二極管模塊13配置在冷卻器19的同一平面上，使得IGBT模塊及二極管模塊的長(zhǎng)邊側(cè)與冷卻風(fēng)的方向(即車輛的行進(jìn)
方向)垂直。
艮P，該實(shí)施方式3與實(shí)施方式2不同之處只是在于IGBT模塊12和二極管模塊13的連接關(guān)系是上下相反的關(guān)系，即二極管模塊13成為正側(cè)半導(dǎo)體整流橋臂，IGBT模塊12成為負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，通過(guò)這樣的實(shí)施方式3也可以得到與實(shí)施方式2完全相同的效果。
實(shí)施方式4
參照?qǐng)D8 圖15說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式4。而且，圖中的同一標(biāo)號(hào)表示同一或者相當(dāng)?shù)牟糠帧?br>該實(shí)施方式4的發(fā)明涉及用于上述實(shí)施方式1的功率轉(zhuǎn)換裝置的布線結(jié)構(gòu)，使電路的布線電感力圖降低。
圖8是實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)及負(fù)側(cè)的IGBT模塊的排列圖(圖8(a))、及通過(guò)平板導(dǎo)體的布線電路圖(圖8(b))。
圖8中，IGBT模塊1 6是分別具有三個(gè)集電極端子C和發(fā)射極端子E的IGBT模塊(也稱為開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件)，如圖8(b)所示，IGBT模塊1、 3、 5構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，IGBT模塊2、 4、 6構(gòu)成負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂。如后所述，IGBT模塊1、 3、 5的各集電極端子C通過(guò)各相共同的一條第一平板母線(也稱為第一平板導(dǎo)體)24與成為直流電壓源的濾波電容器IO的正極端子P連接，同樣地，IGBT模塊2、 4、 6的發(fā)射極端子E通過(guò)各相共同的一條第二平板母線(也稱為第二平板導(dǎo)體)25與濾波電容器10的負(fù)極端子N連接。
另外，IGBT模塊1的發(fā)射極端子E和IGBT模塊2的集電極端子C通過(guò)第三平板母線(也稱為第三平板導(dǎo)體)21連接，該第三平板母線21與U相的交流輸出端子7連接。另夕卜，IGBT模塊3的發(fā)射極端子E和IGBT模塊4的集電極端子C通過(guò)第三平板母線22連接，該第三平板母線22與V相的交流輸出端子8連接。同樣地，IGBT模塊5的發(fā)射極端子E和IGBT模塊6的集電極端子C通過(guò)第三平板母線23連接，該第三平板母線23與W相的交流輸出端子9連接。
圖9是表示上述的IGBT模塊1 6和第三平板母線21、 22， 23的連接結(jié)
11構(gòu)圖，第三平板母線21是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊1的三個(gè)發(fā)射極端子E與IGBT模塊2的三個(gè)集電極端子C連接，IGBT模塊1的集電極端子C不與IGBT模塊2的發(fā)射極端子E的部分接觸。
艮P，第三平板母線21是這樣設(shè)置的，使得IGBT模塊1的E端子與IGBT模塊2的C端子連接，IGBT模塊1的C端子不與IGBT模塊2的E端子連接，在跨過(guò)這些C端子與E端子的狀態(tài)下與輸出端子7連接。
同樣地，第三平板母線22是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊3的三個(gè)發(fā)射極端子E與IGBT模塊4的三個(gè)集電極端子C連接，IGBT模塊3的集電極端子C不與IGBT模塊4的發(fā)射極端子E的部分接觸。
艮P，第三平板母線22是這樣設(shè)置的，使得IGBT模塊3的E端子與IGBT模塊4的C端子連接，IGBT模塊3的C端子不與IGBT模塊4的E端子連接，在跨過(guò)這些C端子與E端子的狀態(tài)下與輸出端子8連接。
第三平板母線23也是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊5的三個(gè)發(fā)射極端子E與IGBT模塊6的三個(gè)集電極端子C連接，IGBT模塊5的集電極端子C不與IGBT模塊6的發(fā)射極端子E的部分接觸。
艮卩，第三平板母線23是這樣設(shè)置的，使得IGBT模塊5的E端子與IGBT模塊6的C端子連接，IGBT模塊5的C端子不與IGBT模塊6的E端子連接，在跨過(guò)這些C端子與E端子的狀態(tài)下與輸出端子8連接。
圖10是圖8(b)所示的、連接作為直流電壓源的濾波電容器10的正極端子P與IGBT模塊l、 3、 5的各集電極端子C的第一平板母線24的布線結(jié)構(gòu)圖。
如圖10所示，第一平板母線24是將IGBT模塊1、 3、 5的各三個(gè)集電極端子C全部共同連接、并與濾波電容器10的正極端子P連接的結(jié)構(gòu)。
另外，第一平板母線24是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊1、 3、 5的各發(fā)射極端子E不與第一平板母線24接觸。
圖11是表示圖8(b)所示的、連接濾波電容器10的負(fù)極端子N與IGBT模塊2、 4、 6的各發(fā)射極端子E的第二平板母線25的布線結(jié)構(gòu)圖，第二平板母線25是將IGBT模塊2、 4、 6的各三個(gè)發(fā)射極端子E全部共同連接、并與濾波電容器10的負(fù)極端子N連接的結(jié)構(gòu)。
另外，第二平板母線25是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊2、 4、 6的各集電極端子C不與第二平板母線25接觸。
另外，上述的第三平板母線21(或者22、 23)與第一平板母線24及第二平 板母線25的配置關(guān)系如圖12所示，設(shè)置為分別互相重合成為層疊結(jié)構(gòu)的平行平板。
例如通過(guò)螺釘固定將第一 第三平板導(dǎo)體與IGBT的端子連接。在連接平 板導(dǎo)體與端子時(shí)，如有必要可以進(jìn)行使平板導(dǎo)體彎曲、形成凸起、形成鉆孔等 處理。在IGBT的端子與任意平板導(dǎo)體的連接位置附近，如上所述地在其它平 板導(dǎo)體設(shè)置孔，使其它平板導(dǎo)體不與端子連接。圖12中是隔開(kāi)間隔配置平板 導(dǎo)體，但也可以?shī)A有絕緣材料來(lái)層疊平板導(dǎo)體。另外，是從IGBT模塊1 6 的近側(cè)依次配置第二平板導(dǎo)體25、第一平板導(dǎo)體24、第三平板導(dǎo)體21 23， 但也可以將平板導(dǎo)體的順序交換。
接下來(lái)，使用圖13說(shuō)明作為該實(shí)施方式4的特征的降低主電路布線電感 的作用。
主電路布線電感的大小受到布線的長(zhǎng)度、及流過(guò)電流并根據(jù)右手定則產(chǎn)生 的磁場(chǎng)的大小影響。所以，為了減小主電路布線電感，需要(l)縮短布線長(zhǎng)度， (2)減小由于電流流過(guò)而產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
圖13(a)是說(shuō)明電流方向和產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)系。
圖13(a)中，在電流I流過(guò)的回路中使電流I1和電流I2來(lái)回那樣配置的情 況下，由電流I1產(chǎn)生的磁場(chǎng)①11的方向與由電流I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)①I2的方向?yàn)?相反關(guān)系。所以，通過(guò)使磁場(chǎng)互相抵消，來(lái)減小電感。
圖13(c)是說(shuō)明例如U相的電流路徑圖，從濾波電容器10的正極端子P輸 出的電流經(jīng)由P端子一第一平板母線24—電流11 —正側(cè)橋臂IGBT模塊1的C 端子一E端子一第三平板母線21 —電流12—U端子流動(dòng)。另外，從U端子返 回的電流經(jīng)由U端子一第三平板母線21 —電流13 —負(fù)側(cè)橋臂的IGBT模塊2 的C端子一E端子一電流14—第二平板母線25—濾波電容器10的負(fù)極端子N 流動(dòng)。
圖13(b)圖示了圖9 圖11所示的平板母線21、24、25的連接路徑的狀態(tài)， 表示上述的電流Il、 12、 13、 14的電流路徑。
從圖13(b)可知，電流I1和I2、另外電流I3和I4分別來(lái)回那樣流動(dòng)。艮P，
13通過(guò)如圖9 圖11所示那樣構(gòu)成平板母線，可以使電流來(lái)回流動(dòng)，據(jù)此如在圖
13(a)說(shuō)明的那樣，可以降低布線的電感。
再通過(guò)圖14、圖15說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置和以往裝置 的布線電感的比較。
圖14圖示了以往裝置的布線路徑和布線的電感。以往裝置中，濾波電容 器10和U相、濾波電容器10和V相、濾波電容器10和W相分別對(duì)各相分 開(kāi)連接而構(gòu)成。因此，在從濾波電容器10的P (正側(cè))端子到U相上側(cè)(正側(cè)) 橋臂的IGBT的C端子、從濾波電容器10的P端子到V相上側(cè)橋臂的IGBT 的C端子、以及從濾波電容器10的P端子到W相上側(cè)橋臂的IGBT的C端子 之間的各布線都存在電感Lp。
另外，在從濾波電容器10的N (負(fù)側(cè))端子到U相下側(cè)(負(fù)側(cè))橋臂的IGBT 的E端子、從濾波電容器10的N端子到V相下側(cè)橋臂的IGBT的E端子、以 及從濾波電容器10的N端子到W相下側(cè)橋臂的IGBT的E端子之間的各布線 都存在電感Ln。
此時(shí)，IGBT進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)浪涌電壓可由(Lp+Ln)XIGBT的開(kāi)關(guān) di/dt的關(guān)系表示。
另一方面，實(shí)施方式4的布線狀態(tài)如圖15所示，由于從濾波電容器10的 P (正側(cè))端子一并連接U相、V相、W相的各上側(cè)(正側(cè))橋臂的IGBT模塊的C 端子，從濾波電容器10的N (負(fù)側(cè))端子一并連接U相、V相、W相的各下側(cè)(負(fù) 側(cè))橋臂的IGBT模塊的E端子，因此從濾波電容器的P端子到上側(cè)橋臂的IGBT 模塊的C端子間的布線的電感成為將U相和V相和W相的布線電感并聯(lián)連接 的形態(tài)，與圖14的以往例相比，其電感成為以往例的電感Lp的1/3。對(duì)于濾 波電容器的N側(cè)端子和U、 V、 W各相間的布線的電感也一樣，成為以往例的 電感Ln的1/3。
如以上那樣，若采用本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率轉(zhuǎn)換裝置，可以將布線的 電感減小，不需要通常必須的抑制IGBT的開(kāi)關(guān)浪涌電壓的緩沖電路，減少元 器件數(shù)量，不僅可以使裝置小型化，還能力圖降低成本。
實(shí)施方式5
圖16表示本發(fā)明的實(shí)施方式5。該實(shí)施方式5的發(fā)明涉及用于上述實(shí)施方式2的功率轉(zhuǎn)換裝置的布線結(jié)構(gòu)，力圖使電路的布線電感降低。
圖16(a)是表示功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)及負(fù)側(cè)半導(dǎo)體元件的排列和布線結(jié)構(gòu) 圖，圖16(b)是表示通過(guò)平板母線的布線電路圖。
圖16中，12是具有三個(gè)集電極端子C和發(fā)射極端子E的IGBT模塊，構(gòu) 成功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，集電極端子C與直流電源10的正極 端子P連接。
13是具有陽(yáng)極端子A和陰極端子K的二極管模塊(也稱為整流半導(dǎo)體元 件)，構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體整流橋臂，陽(yáng)極端子A與直流電源10的 負(fù)極端子N連接，IGBT模塊12的發(fā)射極端子E和二極管模塊13的陰極端子 K串聯(lián)連接，從該串聯(lián)連接點(diǎn)引出輸出端子14。
另外，圖16表示功率轉(zhuǎn)換裝置的一相的輸出橋臂的結(jié)構(gòu)，例如，在三相 功率轉(zhuǎn)換裝置的情況下，在直流電源10的正負(fù)端子間當(dāng)然會(huì)連接三個(gè)輸出橋 臂。
這里，與上述的實(shí)施方式4一樣，IGBT模塊12的集電極端子C通過(guò)一條 第一平板母線(也稱為第一平板導(dǎo)體)28與直流電源10的正極端子P連接，二 極管模塊13的陽(yáng)極端子A通過(guò)一條第二平板母線(也稱為第二平板導(dǎo)體)29與 直流電源10的負(fù)極端子N連接。
另外，IGBT模塊12的發(fā)射極端子E和二極管模塊13的陰極端子K通過(guò) 第三平板母線(也稱為第三平板導(dǎo)體)26連接，該第三平板母線26與輸出端子 14連接。
如圖16(a)所示，第三平板母線26是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊 12的三個(gè)發(fā)射極端子E與二極管模塊13的兩個(gè)陰極端子K連接，IGBT模塊 12的集電極端子C不與二極管模塊13的陽(yáng)極端子A的部分接觸。
艮P，第三平板母線26是這樣設(shè)置的，使得IGBT模塊12的E端子與二極 管模塊13的陰極端子K連接，IGBT模塊12的C端子不與二極管模塊13的 陽(yáng)極端子A連接，在跨過(guò)這些C端子、A端子的狀態(tài)下與輸出端子14連接。
艮卩，該實(shí)施方式5與實(shí)施方式4的不同之處只是功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié) 構(gòu)的不同，即使是這樣的實(shí)施方式5的主電路結(jié)構(gòu)，如上所述，通過(guò)使其具有 與實(shí)施方式4同樣的通過(guò)平板導(dǎo)體的布線結(jié)構(gòu)，可以得到與實(shí)施方式4相同的效果。
實(shí)施方式6
圖17是表示本發(fā)明的實(shí)施方式6，圖17(a)是表示功率轉(zhuǎn)換裝置的正側(cè)及 負(fù)側(cè)半導(dǎo)體元件的排列和布線結(jié)構(gòu)圖，圖17(b)是表示通過(guò)平板母線的布線電路圖。
該實(shí)施方式6的發(fā)明涉及用于上述實(shí)施方式3的功率轉(zhuǎn)換裝置的布線結(jié) 構(gòu)，該實(shí)施方式6與實(shí)施方式5的不同之處只是IGBT模塊12和二極管模塊 13的連接關(guān)系是上下(正負(fù))相反的關(guān)系，即二極管模塊13成為正側(cè)半導(dǎo)體整 流橋臂，IGBT模塊12成為負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂，其它結(jié)構(gòu)與實(shí)施方式5完全相同。
艮卩，二極管模塊13的陰極端子K通過(guò)一條第一平板母線28與直流電源 10的正極端子P連接，IGBT模塊12的發(fā)射極端子E通過(guò)一條第二平板母線 29與直流電源10的負(fù)極端子N連接。
另外，二極管模塊13的陽(yáng)極端子A與IGBT模塊12的集電極端子C通過(guò) 第三平板母線27連接，該第三平板母線27與輸出端子18連接。
如圖17(a)所示，第三平板母線27是留出開(kāi)孔空間的結(jié)構(gòu)，使二極管模塊 13的兩個(gè)陽(yáng)極端子A與IGBT模塊12的三個(gè)集電極端子C連接，二極管模塊 13的陰極端子K不與IGBT模塊12的發(fā)射極端子E的部分接觸。
即使是這樣的實(shí)施方式6的主電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)使其具有與實(shí)施方式4同樣 的通過(guò)平板導(dǎo)體的布線結(jié)構(gòu)，也可以得到與實(shí)施方式4相同的效果。
工業(yè)上的實(shí)用性
本發(fā)明可以用于安裝在鐵路車輛等車輛上的功率轉(zhuǎn)換裝置。
權(quán)利要求
1. 一種功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置是在直流電壓源的正電位側(cè)和負(fù)電位側(cè)之間連接由開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件形成的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂與負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)電路，從所述兩組半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)連接點(diǎn)引出輸出端子，所述正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的陽(yáng)極與直流電壓源的正電位側(cè)連接，所述負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的陰極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè)連接，將所述兩組半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)電路作為功率轉(zhuǎn)換裝置的一相，構(gòu)成所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的所有開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件配置在冷卻器的同一平面上，冷卻器的冷卻部由多個(gè)翅片構(gòu)成，利用在翅片之間流動(dòng)的冷卻劑使開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件冷卻，該功率轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，將所述開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件設(shè)置在冷卻器的同一平面上，使冷卻劑的流動(dòng)方向與所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的長(zhǎng)邊方向垂直。
2. —種功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置是在直流電壓源的正電位側(cè)和負(fù)電位側(cè)之間連接由開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件形成的正側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂與由整流半導(dǎo)體 元件形成的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體整流橋臂的串聯(lián)電路，從所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂和所述半 導(dǎo)體整流橋臂的串聯(lián)連接點(diǎn)引出輸出端子，所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的陽(yáng)極與直流 電壓源的正電位側(cè)連接，所述半導(dǎo)體整流橋臂的陽(yáng)極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè) 連接，將所述串聯(lián)電路作為功率轉(zhuǎn)換裝置的一相，構(gòu)成所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂及 所述半導(dǎo)體整流橋臂的所有半導(dǎo)體元件配置在冷卻器的同一平面上，冷卻器的 冷卻部由多個(gè)翅片構(gòu)成，利用在翅片之間流動(dòng)的冷卻劑使半導(dǎo)體元件冷卻，該 功率轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，將所述半導(dǎo)體元件設(shè)置在冷卻器的同一平面上，使 冷卻劑的流動(dòng)方向與所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂及半導(dǎo)體整流橋臂的長(zhǎng)邊方向垂直。
3. —種功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置是在直流電壓源的正電位側(cè)和負(fù)電 位側(cè)之間連接由整流半導(dǎo)體元件形成的正側(cè)半導(dǎo)體整流橋臂與由開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體 元件形成的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)電路，從所述半導(dǎo)體整流橋臂和所述半 導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的串聯(lián)連接點(diǎn)引出輸出端子，所述半導(dǎo)體整流橋臂的陰極與直流 電壓源的正電位側(cè)連接，所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的陰極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè) 連接，將所述串聯(lián)電路作為功率轉(zhuǎn)換裝置的一相，構(gòu)成所述半導(dǎo)體整流橋臂及 所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的所有半導(dǎo)體元件配置在冷卻器的同一平面上，冷卻器的冷卻部由多個(gè)翅片構(gòu)成，利用在翅片之間流動(dòng)的冷卻劑使所述半導(dǎo)體元件冷 卻，該功率轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，將所述半導(dǎo)體元件設(shè)置在冷卻器的同一平面 上，使冷卻劑的流動(dòng)方向與所述半導(dǎo)體整流橋臂及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的長(zhǎng)邊方向垂直。
4. 如權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，連接構(gòu)成一側(cè)(正側(cè)) 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極與直流電壓源的正電位側(cè)的布線，對(duì) 于構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第一平板導(dǎo)體；連接構(gòu)成另一側(cè) (負(fù)側(cè))半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè)的布 線，對(duì)于構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第二平板導(dǎo)體；連接形成 串聯(lián)電路的所述一側(cè)(正側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極與另一側(cè)(負(fù)側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體 元件的陽(yáng)極的布線，對(duì)于各相的每相使用第三平板導(dǎo)體；所述第一 第三平板 導(dǎo)體是層疊的平行平板，所述第三平板導(dǎo)體被配置為與輸出端子連接，使所述 陰極側(cè)跨過(guò)與輸出端子連接的一側(cè)(正側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極，另外使陽(yáng)極 側(cè)跨過(guò)與輸出端子連接的另一側(cè)(負(fù)側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極。
5. 如權(quán)利要求
2所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，連接構(gòu)成一側(cè)(正側(cè)) 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極與直流電壓源的正電位側(cè)的布線，對(duì) 于構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第一平板導(dǎo)體；連接構(gòu)成另一側(cè) (負(fù)側(cè))半導(dǎo)體整流橋臂的整流半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè)的 布線，對(duì)于構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第二平板導(dǎo)體；連接形 成串聯(lián)電路的所述一側(cè)(正側(cè))開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極與整流半導(dǎo)體元件的陰極 的布線，對(duì)于各相的每相使用第三平板導(dǎo)體；所述第一 第三平板導(dǎo)體是層疊 的平行平板，所述第三平板導(dǎo)體被配置為與輸出端子連接，使所述陰極側(cè)跨過(guò) 與輸出端子連接的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極，另外使陰極側(cè)跨過(guò)與輸出端子連接 的所述整流半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極。
6. 如權(quán)利要求
3所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，連接構(gòu)成一側(cè)(正側(cè)) 半導(dǎo)體整流橋臂的整流半導(dǎo)體元件的陰極與直流電壓源的正電位側(cè)的布線，對(duì) 于構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第一平板導(dǎo)體；連接構(gòu)成另一側(cè) (負(fù)側(cè))半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋臂的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極與直流電壓源的負(fù)電位側(cè)的 布線，對(duì)于構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換裝置的所有相使用共同的一條第二平板導(dǎo)體；連接形成串聯(lián)電路的所述整流半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極與所述開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陽(yáng)極的布 線，對(duì)于各相的每相使用第三平板導(dǎo)體；所述第一 第三平板導(dǎo)體是層疊的平行平板，所述第三平板導(dǎo)體被配置為 與輸出端子連接，使陽(yáng)極側(cè)跨過(guò)與輸出端子連接的所述整流半導(dǎo)體元件的陰 極，另外使陽(yáng)極側(cè)跨過(guò)與輸出端子連接的所述開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的陰極。
專利摘要
車用功率轉(zhuǎn)換裝置是在直流電源的正負(fù)端子間連接開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件(1)、(2)的串聯(lián)電路，從該串聯(lián)電路的串聯(lián)連接點(diǎn)引出交流輸出端子，將該串聯(lián)電路作為功率轉(zhuǎn)換裝置的一相，將所有的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件配置在冷卻器(11)的同一平面上，冷卻器的冷卻部由多個(gè)翅片構(gòu)成，利用在翅片之間流動(dòng)的冷卻劑使開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件冷卻，在該車用功率轉(zhuǎn)換裝置中，將開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件設(shè)置在冷卻器上，使冷卻劑的流動(dòng)方向與開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的長(zhǎng)邊方向垂直?？梢缘玫嚼鋮s效率高、體積小、低成本的功率轉(zhuǎn)換裝置。
文檔編號(hào)GKCN101473520SQ200680055073
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2006年6月23日
發(fā)明者田中毅 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan