电力转换器的制作方法

本说明书公开的技术涉及具备收容开关元件的多个功率模块的电力转换器。尤其涉及至少并联连接有两个功率模块的电力转换器。

背景技术：

在使用了电力转换用的开关元件的电力转换器中，有时会使用收容有开关元件的功率模块。在专利文献1中，公开了使用收容有两个开关元件的功率模块的电力转换器。

为了提高电力转换器的电流容量，有时会并联连接收容有开关元件的多个功率模块。各个功率模块的开关元件同步地被驱动。并联连接的多个功率模块像一个功率模块一样工作。由于流通于电力转换器的电流分散于并联连接的多个功率模块，所以电力转换器整体中的电流容量变大。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5541362号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在并联连接多个功率模块的情况下，如果电流路径具有电阻差，则会导致功率模块的负载产生差异。或者，若电流路径具有电阻差，则有可能产生栅极振荡。本说明书涉及并联连接有多个功率模块的功率转换器，提供减小电流路径的电阻差的技术。

用于解决课题的技术方案

本说明书公开的电力转换器具有四个功率模块(第一～第四功率模块)和连接四个功率模块的汇流条。所谓“汇流条”是指由金属板(或金属棒)制成的导通部件。第一～第四功率模块沿第一方向排列配置。各个功率模块收容有开关元件，并且具备与开关元件导通的正极端子和负极端子。正极端子和负极端子在与第一方向交叉的第二方向上排列，并且沿与第一方向和第二方向这两个方向交叉的第三方向延伸。汇流条具有第一汇流条片、第二汇流条片及多个连接汇流条片。另外，虽然汇流条由一张金属板制成，但为了便于说明，对各部标注上述名称。第一汇流条片连接第一功率模块的负极端子和与第一功率模块相邻的第二功率模块的正极端子。第二汇流条片连接第三功率模块的负极端子和与第三功率模块相邻的第四功率模块的正极端子。即，第一汇流条片将第一功率模块与第二功率模块串联连接。第二汇流条片将第三功率模块与第四功率模块串联连接。多个连接汇流条片沿第一方向延伸，并对第一汇流条片与第二汇流条片进行连接。即，连接汇流条片将第一功率模块与第三功率模块的负极端子彼此连接，并且将第二功率模块与第四功率模块的正极端子彼此连接。

本说明书公开的电力转换器中，至少一个连接汇流条片连接第一汇流条片的第二方向的中央与第二汇流条片的第二方向的中央。通过上述结构，尤其是通过多个连接汇流条片的结构，使得并联连接的多个功率模块的电流路径的电阻差变小。在电阻差变小时，不易产生栅极振荡。另外，由于多个连接汇流条片以最短距离连接第一汇流条片与第二汇流条片，所以连接汇流条的内部电感也变小。

本说明书所公开的技术的细节和进一步的改进将在以下的“具体实施方式”中进行说明。

附图说明

图1是包括实施例的电力转换器的电动汽车的电力系统的框图。

图2是功率模块的立体图。

图3是功率模块内部的电路图。

图4是电力转换器(一部分)的立体图。

图5是电力转换器(一部分)的俯视图。

图6是实施例的电力转换器所采用的汇流条与比较例1～3的汇流条的特性的比较表。

图7是变形例的电力转换器的俯视图。

附图标记说明

2：滤波电容器

3：电抗器

4、4a～4d、6、6a～6c：功率模块

4n：负极端子

4p：正极端子

5：电容器

10：电力转换器

12：电压转换器电路

13：变换器电路

20、20a：层叠单元

21：冷却器

30：汇流条

31：第一汇流条片

32：第二汇流条片

33～35：连接汇流条片

36：翼片

37：基部

41a～41c：半导体芯片

48a～48c：开关元件

49a～49c：二极管

91：蓄电池

92：电动机

100：电动汽车

具体实施方式

参照附图对实施例的电力转换器进行说明。实施例的电力转换器搭载于电动汽车。图1示出了包括电力转换器10的电动车辆100的电力系统的框图。首先，对电力转换器10整体的电路结构进行说明。

电力转换器10具备电压转换器电路12和变换器电路13。在电压转换器电路12的低电压端12a、12b(即，电力转换器10的输入端)连接有蓄电池91。在电压转换器电路12的高电压端12c、12d连接有变换器电路13的直流端。在电压转换器电路12与变换器电路13之间连接有电流平滑用的电容器5。在变换器电路13的交流端连接有电动机92。电动车辆100通过电动机92而进行行驶。当车辆减速时，利用车辆的惯性能量来使电动机92发电。通过发电获得的交流电力(再生电力)由电力转换器10转换为直流电力，存储在蓄电池91中。

对电压转换器电路12进行说明。电压转换器电路12包括滤波电容器2、电抗器3及多个功率模块4a～4d。在无区别地表示功率模块4a～4d中的任一个时，标记为功率模块4。

功率模块4在其主体收容有三个开关元件和三个二极管，详细内容将后述。三个开关元件并联连接，二极管与各个开关元件分别反并联连接。

功率模块4a与4c并联连接，功率模块4b与4d也并联连接。功率模块4a、4c的组与功率模块4b、4d的组串联连接。功率模块4a、4c的组与功率模块4b、4d的组的串联连接连接于高电压端12c、12d之间。电抗器3的一端连接于功率模块4a～4d的串联连接的中点。电抗器3的另一端连接于低电压端的正极12a。在低电压端的正极12a与负极12b之间连接有滤波电容器2。低电压端的负极12b与高电压端的负极12d直接连接。

电压转换器电路12具有：升压功能，对施加于低电压端12a、12b的电压进行升压，并向高电压端12c、12d进行输出；以及降压功能，对施加于高电压端12c、12d的电压进行降压，并向低电压端12a、12b进行输出。即，电压转换器电路12是双向dc～dc转换器。电动机92产生的再生电力的电压施加于高压端12c、12d。电压转换器电路12将两个功率模块4a和4c并联连接，并且也将另外两个功率模块4b和4d并联连接，从而使电流容量变大。

对变换器电路13进行说明。变换器电路13具备三个功率模块6a～6c。三个功率模块6a～6c在正极线7p与负极线7n之间并联连接。在无区别地表示功率模块6a～6c中的任一个时，标记为功率模块6。在功率模块6收容有两个开关元件和两个二极管。两个开关元件在功率模块6的主体中串联连接。各个二极管分别与相应的开关元件反并联连接。在适当地接通断开三个功率模块6的各开关元件时，会从两个开关元件的串联连接的中点输出交流电。变换器电路13输出的交流电被供给至电动机92。另外，变换器电路13有时也会将电动机92生成的再生电力(交流)转换为直流并供给至电压转换器电路12。

电压转换器电路12的功率模块4与变换器电路13的功率模块6在内部的开关元件的连接结构上有所不同。图2示出了功率模块4的外观。在功率模块4收容有三个半导体芯片41a、41b、41c。图3示出了功率模块4的内部的电路图。在半导体芯片41a(41b、41c)收容有一个开关元件48a(48b、48c)与一个二极管49a(49b、49c)的反并联电路。在功率模块4的内部，三个半导体芯片41a～41c并联连接。即，三个开关元件48a～48c并联连接。开关元件48a～48c是电力转换用的开关元件，典型的是igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极型晶体管)或mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。

返回图2，继续进行功率模块4的说明。功率模块4具有扁平的形状，在宽幅面露出有散热板44。在相反侧的宽幅面也露出有散热板。从一个窄幅面延伸出三个半导体芯片41a～41c的并联连接的正极端子4p和负极端子4n。从相反侧的窄幅面延伸出控制端子43a～43c。控制端子43a(43b、43c)是半导体芯片41a(43b、43c)的开关元件的栅极端子、温度传感器的端子等。

电压转换器电路12的功率模块4a～4d与变换器电路13的功率模块6a～6c集成为层叠单元，被集中冷却。图4示出了作为电力转换器10的一部分的层叠单元20的立体图。图5示出了层叠单元20的俯视图。层叠单元20是将多个功率模块4、6与多个冷却器21一起层叠而成的器件。层叠单元20是电力转换器10的主要部件。

冷却器21具有扁平形状。多个冷却器21以扁平面相对的方式沿x方向排列配置。另外，在图4、图5中，有几个冷却器省略了附图标记21。在相邻的冷却器21之间夹着功率模块4或功率模块6。相邻的冷却器21通过两个连接管23a、23b连接。从冷却器与功率模块的层叠方向(x方向)来看，两个连接管23a、23b位于功率模块4(6)的两侧。在图4、图5中，仅对一对连结管标注了附图标记23a、23b，对其余的连结管省略了附图标记。

在多个冷却器21的排列的端部的冷却器21(图5中为左端的冷却器21)连接有冷却介质供给管22a和冷却介质排出管22b。从层叠方向(x方向)来看，冷却介质供给管22a安装在与一个连结管23a重叠的位置，冷却介质排出管22b安装在与另一个连接管23b重叠的位置。冷却介质供给管22a和冷却介质排出管22b与未图示的冷却介质循环装置连接。冷却介质通过冷却介质供给管22a被供给到层叠单元20。在冷却器21的内部设置有冷却介质的流道。冷却介质经由一个连结管23a被分配给所有的冷却器21。冷却介质在通过冷却器21的期间吸收相邻的功率模块4(6)的热量。吸收了热量后的冷却介质通过另一个连接管23b和冷却介质排出管22b从层叠单元20排出。冷却介质为液体，典型的是水或防冻液。

电压转换器电路12的四个功率模块4a～4d沿x方向排列配置。如先前所述，各个功率模块4具备正极端子4p和负极端子4n。正极端子4p和负极端子4n沿与x方向正交的y方向排列。正极端子4p和负极端子4n从功率模块4的主体向与x方向和y方向分别正交的z方向延伸。多个功率模块4的正极端子4p沿x方向排成一列，多个负极端子4n也沿x方向排成一列。

变换器电路13的三个功率模块6a～6c也沿x方向排列配置。各个功率模块6具备正极端子6p、负极端子6n和中点端子6u。正极端子6p与功率模块6的内部的串联电路(两个开关元件的串联电路)的正极相对应。负极端子6n与串联电路的负极相对应。中点端子6u与串联电路的中点相对应。在图4、图5中，仅对右端的功率模块6c的端子标注了附图标记6p、6n、6u，对其余的功率模块6a、6b的端子省略了附图标记。

在图4和图5中，还示出了将功率模块4a和4b(4c和4d)串联连接并且将4a和4c(4b和4d)并联连接的汇流条30。在图4、图5中，省略了其它汇流条的图示。汇流条是由内部电阻小的金属板(或金属棒)制成的导通部件。汇流条是适合于大功率的传输的导体。

在图4中，描绘了与层叠单元20分离的汇流条30和安装到层叠单元20的汇流条30这两者。虽然汇流条30由一张金属板制成，但为了便于说明，将其分为第一汇流条片31、第二汇流条片32、连接汇流条片33、34、35以及基部37进行说明。在图5中，为了帮助理解，对第一汇流条片31和第二汇流条片32附加了深灰色的阴影线，对连接汇流条片33、34、35附加了淡灰色的阴影线。对基部37没有附加阴影线。

第一汇流条片31沿y方向延伸，并连接功率模块4a的负极端子4n与功率模块4b的正极端子4p。功率模块4a和4b在x方向上相邻。在第一汇流条片31设有以直角弯折的两个翼片36，一个翼片36与功率模块4a的负极端子4n连接，另一个翼片36与功率模块4b的正极端子4p连接。

第二汇流条片32沿y方向延伸，并连接功率模块4c的负极端子4n与功率模块4d的正极端子4p。功率模块4c和4d在x方向上相邻。在第二汇流条片32设有以直角弯折的两个翼片36，一个翼片36与功率模块4c的负极端子4n连接，另一个翼片36与功率模块4d的正极端子4p连接。

三个连接汇流条片33、34、35沿x方向延伸，并对第一汇流条片31与第二汇流条片32进行连接。连接汇流条片33在y方向上对第一汇流条片31的中央与第二汇流条片32的中央进行连接。连接汇流条片34对第一汇流条片31的前端与第二汇流条片32的前端进行连接。连接汇流条片35对第一汇流条片31的根部与第二汇流条片32的根部进行连接。基部37的一端与连接汇流条片35连接。虽然省略了图示，但基部37的另一端与电抗器3连接(参照图1)。

沿y方向延伸的第一汇流条片31将功率模块4a和4b串联连接，第二汇流条片32将功率模块4c和4d串联连接。并且，沿x方向延伸的三个连接汇流条片33～35对第一汇流条片31与第二汇流条片32进行连接。即，三个连接汇流条片33～35将功率模块4a和4c并联连接，并且将功率模块4b和4d并联连接。

在电力转换器10中，为了增大电流容量，并联连接了功率模块。通过并联连接功率模块(开关元件)，电流分散于多个功率模块(开关元件)，从而电力转换器10整体的电流容量变大。如图2、图3所示，在一个功率模块4中，并联连接有三个开关元件。通过将两个功率模块并联连接，从而实现六个开关元件的并联连接。并联连接的六个开关元件通过同步工作，宛如一个开关元件那样动作。

另一方面，在并联连接的功率模块的电流路径存在电阻差时，负载会产生偏差。如此，负载高的功率模块比负载低的功率模块劣化得更快。另外，如果在并联连接的功率模块(开关元件)的电流路径存在电阻差，则容易产生所谓的栅极振荡。优选为，并联连接的功率模块之间的电阻差较小。

在实施例的电力转换器10中，功率模块4a和4c(4b和4d)通过汇流条30并联连接。沿y方向延伸的第一汇流条片31将功率模块4a和4b串联连接，第二汇流条片32将功率模块4c和4d串联连接。并且，沿x方向延伸的三个连接汇流条片33～35以最短距离对第一汇流条片31与第二汇流条片32进行连接。连接汇流条片33在y方向上对第一汇流条片31的中央与第二汇流条片32的中央进行连接。正极端子4p和负极端子4n沿z方向延伸，连接汇流条片33在功率模块4a的正极端子4p和负极端子4n之间通过。通过汇流条30的这种形状，能够抑制并联连接的功率模块4a和4c(4b和4d)之间的电阻差。通过采用汇流条30，功率模块间的负载的差变小，并且不易产生栅极振荡。

另外，通过三个连接汇流条片33～35以最短距离并联连接功率模块4a和4c(4b和4d)，能够抑制汇流条30的寄生电感。

图6示出了针对实施例的电力转换器10所采用的汇流条30和形状不同的三种汇流条(比较例1～3)进行特性比较所得的表。针对电流不平衡、栅极振荡、电感这三项进行了特性比较。图6的最左列示出了汇流条30。另外，图6所示的汇流条30相对于图4所示的汇流条30上下颠倒地进行了描绘。

通过四种类型的汇聚条的相对性能来评价各项的特性。“a”表示在四种类型的形状之中性能最好。“b”表示在四种类型的形状之中性能第二好。“c”表示在四种类型的形状之中性能排在第三或第四。实施例的电力转换器10所采用的汇流条30在所有项目中都为“a”评价。

(变形例)

图7示出了变形例的层叠单元20a(变形例的电力转换器)的俯视图。在图7中，对汇流条30全体施加了灰色的阴影线。汇流条30的形状与实施例的电力转换器10(层叠单元20)的汇流条相同。在图7中，省略了表示汇流条30的各部分的附图标记(31～37)的图示。

在该变形例中，功率模块4a和4b相对配置。即，功率模块4a的正极端子4p和功率模块4b的正极端子4p没有在x方向上排列。功率模块4a的正极端子4p在图7中位于负极端子4n的-y侧，功率模块4b的正极端子4p位于负极端子4n的+y侧。另一方面，负极端子4n在y方向上位于功率模块4a、4b的中央。因此，即使将功率模块4a、4b相对配置，两个负极端子4n也在x方向上相对。功率模块4c、4d也同样地相对配置。在这种情况下，也能够使用与实施例的汇流条30相同的汇流条。

对与实施例中所说明的技术相关的注意点进行说明。在实施例的电力转换器10中，第一汇流条片31与第二汇流条片32通过三个连接汇流条片33～35相连接。并且，一个连接汇流条片33在y方向上对第一汇流条片31的中央与第二汇流条片32的中央进行连接。连接第一汇流条片31与第二汇流条片32的连接汇流条片只要至少有两个即可。而且，两个中的一个只要在y方向上对第一汇流条片的中央与第二汇流条片的中央进行连接即可。

功率模块4a～4d分别相当于第一～第四功率模块的一例。图中的坐标系的x方向、y方向、z方向分别与第一方向、第二方向、第三方向相对应。

实施例的功率模块4收容有并联连接的三个开关元件。本说明书所公开的技术也可以应用于使用了并联连接有两个开关元件的功率模块的电力转换器。此外，本说明书所公开的技术也可以应用于将收容一个开关元件的多个功率模块并联连接的电力转换器。而且，本说明书所公开的技术也可以应用于将并联连接有四个以上的开关元件的功率模块并联连接的电力转换器。

以上，对本发明的具体例进行了详细说明，但这些只不过是例示，并不限定权利要求的范围。权利要求书中所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更后的技术。在本说明书或附图中所说明的技术要素单独或通过各种组合发挥技术上的实用性，并不限定于申请时权利要求所记载的组合。另外，在本说明书或附图中所例示的技术能够同时实现多个目的，并且达成其中的一个目的本身便具有技术上的实用性。