本發(fā)明涉及功率轉換裝置。

背景技術：

現(xiàn)有的功率轉換裝置為了獲得低電感的結構，使用寬幅的連接導體來對電容器端子部和IGBT元件的端子部之間進行電連接(例如專利文獻1)。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2011-239679號公報

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術問題

然而，在上述現(xiàn)有的功率轉換裝置中，例如在采用將碳化硅(SiC)作為原材料制作的開關元件(以下記為“SiC元件”)那樣元件容許溫度較高的開關元件的情況下，經由連接導體傳遞至電容器的溫度也變高，因此存在必須使用具有耐熱性的電容器(以下稱為“耐熱電容器”)，從而成本變高的問題。

此外，為了避免增加成本，雖然也可以不使用耐熱電容器來構成，但是在該情況下，開關元件與電容器之間的距離變長，結果導致裝置的尺寸變大的問題，并且還存在損害低電感性的其它問題。

本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種能抑制成本增加及尺寸增大，并且不會損害低電感性的功率轉換裝置。

解決技術問題的技術方案

為了解決上述的問題并實現(xiàn)目的，本發(fā)明的功率轉換裝置的結構是積蓄直流電的濾波電容器與半導體元件模塊配置在同一殼體內，該半導體元件模塊進行用于將積蓄在該濾波電容器中的直流電轉換成交流電的開關動作，該功率轉換裝置具有以下特征：所述濾波電容器被分為第一電容器和耐熱性比所述第一電容器更高的第二電容器，所述第二電容器使用連接導體來連接至所述半導體元件模塊，并且所述第二電容器電連接至與所述連接導體不同的母線，所述第一電容器經由所述母線、所述連接導體以及所述第二電容器與所述半導體元件模塊進行電連接。

發(fā)明效果

根據本發(fā)明，起到如下效果：能抑制成本增加及尺寸增大，并且能實現(xiàn)開關元件與電容器之間的低電感。

附圖說明

圖1是表示實施方式1的功率轉換裝置的主電路結構的圖。

圖2是表示將實施方式1的功率轉換裝置搭載于鐵路車輛時的一個結構例的圖(俯視圖)。

圖3是從箭頭A的方向觀察圖2所示的功率轉換裝置的內部時的側視圖。

圖4是表示耐熱電容器的一個結構示例的立體圖。

圖5是表示實施方式2的功率轉換裝置的不同于圖2的一個結構例的圖(俯視圖)。

圖6是表示實施方式3的功率轉換裝置的不同于圖2及圖5的一個結構例的圖(俯視圖)。

具體實施方式

下面參照附圖，對本發(fā)明的實施方式所涉及的功率轉換裝置進行說明。另外，本發(fā)明并不局限于以下示出的實施方式。

實施方式1.

圖1是表示實施方式1的功率轉換裝置的主電路的結構的圖。主電路100如圖1所示，具備半導體元件模塊101～106來構成。搭載于半導體元件模塊101～106的開關元件是例如SiC元件。另外，SiC具有帶隙大于硅(Si)的特性，因此SiC是被稱為寬帶隙半導體的半導體的一個例子。除了該SiC以外，例如使用氮化鎵類材料、或金剛石所形成的半導體也屬于寬帶隙半導體，使用將寬帶隙半導體作為原材料制成的元件的結構也是本發(fā)明的要點。

返回至圖1，在正側(高電位側)的直流母線200P與負側(低電位側)的直流母線200N之間，串聯(lián)連接有構成正側臂的半導體元件模塊101與構成負側臂的半導體元件模塊102，半導體元件模塊101、102的連接點被引出從而形成U相交流(AC)端子。以下同樣，構成正側臂的半導體元件模塊103與構成負側臂的半導體元件模塊104串聯(lián)連接在直流母線200P、200N之間，半導體元件模塊103、104的連接點被引出從而形成V相交流端子，構成正側臂的半導體元件模塊105與構成負側臂的半導體元件模塊106串聯(lián)連接在直流母線200P、200N之間，半導體元件模塊105、106的連接點被引出從而形成W相交流端子。

具有正極(P)及負極(N)的電位的第一電容器即濾波電容器120連接至直流母線200P、200N。在實施方式1的功率轉換裝置中，除濾波電容器120以外，還具有耐熱性相對于濾波電容器120較高的第二電容器即耐熱電容器110a、110b、110c。濾波電容器120電連接至直流母線200P、200N，而耐熱電容器110a～110c分別連接至由各正側臂的半導體元件模塊與各負側臂的半導體元件模塊形成的串聯(lián)電路(以下根據需要稱為“橋臂電路”)。另外，如圖所示，耐熱電容器110a～110c與濾波電容器120并聯(lián)連接，因此能補全作為濾波電容器的功能的一部分。半導體元件模塊101～106進行用于將積蓄在濾波電容器120和耐熱電容器110a～110c中的直流電轉換成交流電的開關動作。

半導體元件模塊101具有晶體管元件的一個例子即IGBT111、以及與該IGBT111反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管(以下記為“FWD”)112來構成，IGBT111的集電極與FWD112的陰極連接形成端子C1,IGBT111的發(fā)射極與FWD112的陽極連接形成端子E1。半導體元件模塊102具有IGBT121、以及與IGBT121反向并聯(lián)連接的FWD122來構成，IGBT121的集電極與FWD122的陰極連接形成端子C2,IGBT121的發(fā)射極與FWD122的陽極連接形成端子E2。

接著，對于實施方式1的功率轉換裝置的結構，參照圖1～圖4進行說明。圖2是表示將實施方式1的功率轉換裝置搭載于鐵路車輛時的一個結構例的圖，是從車輛上部側向軌道側觀察搭載于鐵路車輛的功率轉換裝置1的內部時的正視圖。圖3是從箭頭A的方向觀察圖2所示的功率轉換裝置的內部時的側視圖。圖4是表示耐熱電容器11的一個結構例的立體圖。

功率轉換裝置1具備柵極控制單元2、斷路器和I/F單元3、逆變器控制部4以及散熱器5來構成。此外，逆變器控制部4具有柵極驅動電路10、耐熱電容器11、濾波電容器12、元件部14、母線17、以及遮蔽板18等來構成。另外，在實際的車輛搭載狀態(tài)中，除了散熱器5以外，柵極控制單元2、斷路器和I/F單元3以及逆變器控制部4收納于殼體6的內部并與外部空氣隔離。另一方面，散熱器5構成為安裝在殼體6的外部使得散熱器5與外部空氣接觸，可根據需要利用冷卻風進行冷卻。

元件部14是包含圖1中說明的多個半導體元件模塊的結構部。柵極控制單元2是生成對元件部14的半導體元件模塊進行PWM驅動所需要的控制信號的結構部。斷路器和I/F單元3是具有切斷流過主電路100的電流的功能、以及進行柵極控制單元2與柵極驅動電路10之間的信號收發(fā)的功能的結構部。柵極驅動電路10是基于柵極控制單元2所生成的控制信號，驅動元件部14的半導體元件模塊的結構部(驅動電路)。濾波電容器12是積蓄功率轉換所需要的直流電的結構部(供電源)。

耐熱電容器11中，如圖4所示，在耐熱電容器11的殼體的第一面設置6個連接導體16，在位于該第一面的相反側(背面?zhèn)?的第二面設置2個連接端子22。耐熱電容器11與元件部14通過連接導體16進行電連接。連接導體16是將元件部14的直流側端子15與耐熱電容器11進行電連接的導體。另外，如圖4中示出將連接導體16形成為曲柄形狀時的一個示例，圖2中示出將連接導體16形成為L字形狀時的一個示例那樣，只要具有電連接功能即可，其形狀是任意的(例如直線狀)。例如，若將耐熱電容器11上用于引出連接導體的位置設為與第二面正交的第三面，則能將連接導體形成為直線狀。

耐熱電容器11通過2個連接端子22與母線17連接。母線17典型的有例如經由絕緣物重疊薄銅板來以低電感構成的層疊母線、用例如樹脂制薄膜即層壓板材覆蓋層疊母線的外部表面而形成的層壓母線等。

濾波電容器12不與元件部14連接，而與母線17連接。即，濾波電容器12和元件部14的電連接經由母線17、耐熱電容器11以及連接導體16構成。濾波電容器12不與元件部14直接連接，因此能與元件部14隔開距離來配置。另一方面，耐熱電容器11的耐熱性比濾波電容器12更高，因此能配置在元件部14的附近。

另外，耐熱電容器11為了減輕對濾波電容器12的熱影響而設置，其電容值可以較小。實施方式1中，使用了電容值比濾波電容器12更小的電容器，因此尺寸也變小，從而產生未配置結構物的空間。因此，實施方式1中，在未配置結構物的空間設置用于遮蔽熱量的遮蔽板18。

接著，對實施方式1所涉及的功率轉換裝置具備的作用進行說明。另外，在此處的說明中，假設元件部14的半導體元件模塊為SiC元件。

在SiC元件的情況下，與現(xiàn)有的Si元件相比，能將半導體元件模塊的容許溫度較高地設定成例如50℃左右。因此，若SiC元件進行開關動作，則其發(fā)熱量變得比Si元件要大得多。雖然由開關動作產生的大部分熱量向散熱器5的方向移動并從散熱片進行散熱，但一部分熱量會移動至電容器側。

另一方面，在實施方式1中，將耐熱性相對較高的耐熱電容器11配置在比濾波電容器12更靠近元件側，因此能減小濾波電容器12受到的熱量的影響。尤其是，實施方式1中，以填補未配置結構物的空間的方式設置遮蔽板18，該遮蔽板18對由對流、輻射造成的熱量流動進行遮蔽，因此不需要將耐熱電容器11設為所需以上的尺寸，從而有效地抑制成本增加。

熱量流動除對流、輻射以外還存在熱傳導。濾波電容器12需要與元件部14的直流部進行電連接，存在經由電連接的連接導體進行熱傳導而造成的熱量移動。實施方式1中，對于熱量移動量比對流、輻射更大的熱傳導，構成為將作為發(fā)熱源的元件部14不與構成大部分濾波電容的濾波電容器12連接，而與耐熱電容器11連接，因此無需過多提高濾波電容器12的耐熱性，即使使用了SiC元件，也能抑制濾波電容器12的成本增加。

如上述說明的那樣，根據實施方式1的功率轉換裝置，將要構成為濾波電容器的電容器分為第一電容器和耐熱性高于該第一電容器的第二電容器，該第二電容器使用連接導體來連接至半導體元件模塊，并且還電連接至與該連接導體不同的母線，第一電容器與半導體元件模塊之間的電連接經由母線、連接導體及第二電容器來實現(xiàn)，因此取得如下效果：能抑制成本及尺寸的增加，并且在開關元件與電容器之間構成為低電感。

此外，根據實施方式1的功率轉換裝置，將耐熱電容器11的尺寸形成得比濾波電容器12的尺寸更小，在由于耐熱電容器11與1個濾波電容器12的尺寸差異所產生的空間設置遮蔽板，因此能有效地遮蔽由對流、輻射造成的熱量流動。

實施方式2.

圖5是表示實施方式2的功率轉換裝置不同于圖2的一個結構例的圖(俯視圖)，從圖2所示功率轉換裝置的結構中，去除了遮蔽板18，將該空出的空間構成作為用于減小熱對流的影響的隔離空間28。另外，對于其他結構，與圖2所示的實施方式1的結構相同或等同，對這些共同的構成部標注相同的標號并省略重復的說明。

在元件部14產生的熱量通過對流移動的情況下，被加熱的空氣向與重力相反的方向移動。即，在圖5中，從紙面的背面?zhèn)认蛘鎮(zhèn)劝l(fā)生熱量的移動。由此，若如實施方式1那樣即便不設置遮蔽板也進行熱學設計來形成用于減小熱對流的影響隔離空間28，則能使用耐熱性不高的以往的濾波電容器，能獲得抑制成本增加這樣的效果。

如上述說明的那樣，根據實施方式2的功率轉換裝置，將耐熱電容器的尺寸形成得比濾波電容器的尺寸更小，將由耐熱電容器與1個濾波電容器的尺寸的差異產生的空間構成為用于減小熱對流的影響的隔離空間，因此不需要如實施方式1那樣設置遮蔽板，能夠減少元器件數(shù)量，能抑制成本增加。

實施方式3.

圖6是表示實施方式3的功率轉換裝置不同于圖2及圖5的一個結構例的圖(俯視圖)，在圖5所示的功率轉換裝置的結構中，用于減小熱對流的影響的隔離空間28被耐熱電容器11的殼體填補。另外，若與圖2的結構相比，可以認為使耐熱電容器11的殼體起到遮蔽板(遮蔽物)的作用。

根據實施方式3的功率轉換裝置，雖然耐熱電容器11的尺寸變大，但耐熱電容器11的電容值(電容)變大，因此能減小濾波電容器12的電容值。因此，與實施方式1、2相比，能減小濾波電容器12的尺寸，可獲得能使功率轉換裝置的結構變得緊湊的效果。

此外，以上的實施方式1～3所示的結構是本發(fā)明結構的一個示例，也可以與其它公知技術進行組合，在不脫離本發(fā)明要點的范圍內，當然也可以省略一部分等或進行變更來構成。

此外，在實施方式1～3中，搭載在半導體元件模塊101～106中的開關元件作為用以SiC元件為代表的寬帶隙半導體形成的開關元件進行了說明，但只要是能進行高速的開關驅動的開關元件，也會產生上述那樣的問題。因此，使用以Si元件為代表的窄帶隙半導體形成的開關元件的情況也是本發(fā)明的要點。

工業(yè)上的實用性

由此，本發(fā)明作為抑制增加成本及尺寸并且不會損害低電感性的功率轉換裝置是有用的。

標號說明

1 功率轉換裝置

2 柵極控制單元

3 斷路器和I/F單元

4 逆變器控制部

5 散熱器

6 殼體

10 柵極驅動電路

11、110a～110c 耐熱電容器(第二電容器)

12、120 濾波電容器(第一電容器)

14 元件部

15 直流側端子

16 連接導體

17 母線

18 遮蔽板

22 連接端子

28 隔離空間

100 主電路

101～106 半導體元件模塊

200P、200N 直流母線