开关电源装置及具有该装置的车载用电动压缩机和开关电源装置的制造方法与流程

1.本发明涉及一种通过开关变压器对高电压电源侧和低电压电源侧进行绝缘的开关电源装置以及具有该开关电源装置的车载用电动压缩机、开关电源装置的制造方法。


背景技术：

2.由于近年来显现的地球环境问题，开发了混合动力汽车和电动车，在这些汽车的车厢内进行空气调节的空调装置中，使用包括电动机的电动压缩机来代替发动机驱动的压缩机。该情况下，车辆上例如搭载有由直流300v(dc300v)左右的高电压电池构成的高电压电源、和由直流12v(dc12v)的一般电池构成的低电压电源，并向电动压缩机的电动机提供利用逆变器电路将高电压电源的直流电压变为交流而得的电压。
3.另一方面，将低电压电源的直流电压通过开关电源装置而转换为规定电压(例如dc15v等)并提供给控制逆变器电路的控制电路。因此，该开关电源装置中设置有由绝缘变压器构成的开关变压器，将该开关变压器的初级侧即低电压电源侧与次级侧即高电压电源侧进行绝缘。
4.另外，关于降噪对策，将开关变压器的初级侧(低电压侧)和次级侧(高电压侧)分别经由y电容器(旁路电容器)而接地至电动压缩机的底盘(gnd)，并在低电压电源与开关电源装置之间设置了emi滤波电路。
5.此处，对于因开关电源装置而引起的emi噪声对策，采用利用耦合电容器来连接被开关变压器绝缘的初级侧接地与次级侧接地的结构。根据该结构，能够使经由开关变压器的绕组之间的耦合(寄生)电容在初级绕组与次级绕组之间相互传递的噪声回流，抑制流向接地(电动压缩机的底盘)侧的共模噪声电流，从而能够期待降低噪声电压(例如参照专利文献1)。现有技术文献专利文献
6.专利文献1：日本专利第3473853号公报专利文献3：日本专利特开平9－17657号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
7.这里，在现有的开关电源装置中，为了改善开关变压器的初级绕组与次级绕组的耦合度，通常采用初级绕组将次级绕组夹在中间的结构(例如，参照专利文献2)。其原因是，若初级绕组和次级绕组的耦合度降低，则由于漏感的增加，例如用于商用交流100v输入等的开关变压器中的浪涌电压变大，开关元件的耐压余量降低，导致浪涌吸收元件发热和电源效率降低。
8.但是，如果提高开关变压器的初级绕组和次级绕组的耦合度，绕组间的耦合(寄
生)电容就会增加，转换为共模的噪声量就会增加，因此需要采取使用大型emi滤波器、或使用铁氧体铁芯等对策。
9.本发明是为了解决上述现有技术问题而完成的，其目的是提供一种能够在不使用大型emi滤波器等的情况下实现降噪的开关电源装置、具备该开关电源装置的车载用电动压缩机、以及开关电源装置的制造方法。用于解决技术问题的技术手段
10.本发明的开关电源装置具备对低电压电源进行开关并向作为高电压电源侧的控制电路进行供电的开关变压器，其特征在于，开关变压器具有低电压电源侧的初级绕组和控制电路侧的次级绕组，使低电压电源侧和高电压电源侧绝缘，并且使初级绕组和次级绕组分离。
11.第2项发明的开关电源装置的特征在于，在上述发明中，开关变压器包括设置在初级绕组和次级绕组之间的屏蔽体。
12.第3项发明的开关电源装置的特征在于，在上述发明中，屏蔽体连接到开关变压器的初级绕组或次级绕组的稳定电位部。
13.第4项发明的开关电源装置的特征在于，在第2项或第3项发明中，屏蔽体是具有绝缘被膜的绕组、或屏蔽层、或绝缘物。
14.第5项发明的开关电源装置的特征在于，在上述各发明中，低电压电源是搭载在车辆上的直流12v电源，控制电路控制由搭载在车辆上的高电压电源驱动的车载用电动压缩机。
15.第6项发明的车载用电动压缩机的特征在于，包括：第1项至第5项的开关电源装置、控制电路、由高电压电源进行供电并通过控制电路进行控制的逆变器电路、以及通过该逆变器电路进行驱动的电动机。
16.第7项发明的开关电源装置的制造方法的特征在于，在第4项发明中，通过选择构成屏蔽体的绕组的绝缘被膜的厚度和/或绕组层数、或者选择屏蔽层的厚度和/或层数、或者选择绝缘物的厚度和/或层数，来调整开关变压器的初级绕组和次级绕组之间的耦合电容以及初级绕组和次级绕组之间的耦合度。发明效果
17.根据本发明，在具备对低电压电源进行开关并向作为高电压电源侧的控制电路供电的开关变压器的开关电源装置中，开关变压器具有低电压电源侧的初级绕组和控制电路侧的次级绕组，使低电压电源侧和高电压电源侧绝缘，并且使初级绕组和次级绕组分离，因而能降低开关变压器的初级绕组和次级绕组的耦合度，降低初级绕组和次级绕组之间的耦合电容，结果能减少转换为共模的噪声量。
18.此时，如果低电压电源是例如第5项发明所述搭载在车辆上的直流12v电源那样的低电压输入，则初级绕组和次级绕组之间的耦合度比较容易降低，但即使耦合度降低，浪涌电压的增加也是有限的。因此，能在不使用大型emi滤波器等的情况下降低噪声。
19.另外，如果如第2项发明那样在开关变压器的初级绕组和次级绕组之间设置屏蔽体，则通过例如第3项发明那样将该屏蔽体连接到开关变压器的初级绕组或次级绕组的稳定电位部，能利用静电屏蔽效应来进一步降低噪声。
20.此外，若如第4项发明那样由具有绝缘被覆的绕组、或屏蔽层、或绝缘物构成屏蔽
体，如第7项发明那样选择该绕组的绝缘被覆的厚度和/或绕组层数、或选择屏蔽层的厚度和/或层数、或选择绝缘物的厚度和/或层数，来调整开关变压器的初级绕组和次级绕组之间的耦合电容以及初级绕组和次级绕组之间的耦合度，则能同时兼顾开关变压器的电源效率和低噪声，并容易将其设计为最佳。
21.而且，上述各发明的开关电源装置如第6项发明那样，尤其适于设置在包括控制电路、由高电压电源进行供电并通过控制电路进行控制的逆变器电路、以及通过该逆变器电路进行驱动的电动机的车载用电动压缩机的情况。
附图说明
22.图1是应用本发明的开关电源装置的一实施例的车载用电动压缩机的电路的框图(实施例1)。图2是说明图1的开关电源装置的开关变压器的结构的图。图3是构成本发明的开关电源装置的另一实施例的开关变压器的电路图(实施例2)。图4是说明图3的开关变压器的结构的图。
具体实施方式
23.以下，基于附图对本发明的实施方式进行详细说明。[实施例1]
[0024]
(1)车载用电动压缩机1图1中，1是搭载于电动车或混合动力汽车等车辆并构成对车厢内进行空气调节的车辆用空调装置的制冷剂回路的车载用电动压缩机，2示出了其底盘。而且，在该底盘2内收纳有未图示的压缩机构、驱动该压缩机构的电动机3、使该电动机3运行的逆变器电路4、对该逆变器电路4进行控制的控制电路6、emi滤波电路7、8以及本发明的开关电源装置9等。
[0025]
此外，车辆上还搭载有用于向车载用电动压缩机1的电动机3或未图示的行驶用电动机进行供电加以驱动的例如由直流300v(dc300v)左右的高电压电池构成的高电压电源(hv电源)11、和由一般的直流12v(dc12v)的电池(直流12v电源)构成的低电压电源(lv电源)12。另外，车载用电动压缩机1的底盘2与车体(接地)导通。
[0026]
逆变器电路4由三相桥接的igbt等所构成的未图示的六个开关元件构成，各开关元件通过控制电路6所具有的栅极驱动器生成的栅极驱动信号来控制。控制电路6由微处理器构成，通过栅极驱动器对逆变器电路4的各开关元件进行开关并进行pwm调制，从而将高电压电源11的直流电压变为规定的交流电压而提供给电动机3。
[0027]
emi滤波电路7连接在高电压电源11与逆变器电路4之间，起到降低因逆变器电路4的开关而导致产生的emi噪声的作用。另外，emi滤波电路8连接在低电压电源12与开关电源装置9之间，起到降低因开关电源装置9中的后述开关而产生的emi噪声的作用。
[0028]
(2)开关电源装置9该开关电源装置9是用于对低电压电源12(直流12v)进行开关来生成规定的直流电压(hv15v、hv5v)并向控制电路6进行供电的dc-dc转换器。此外，hv15v是提供给用于生成逆变器电路4的栅极驱动信号的栅极驱动器(设置于控制电路6)的电压，hv5v是成为控制电
路6的电源的电压。
[0029]
该实施例的开关电源装置9具有由初级绕组13和与该初级绕组13绝缘的次级绕组14所构成的绝缘变压器构成的开关变压器15。该开关变压器15的初级绕组13的卷绕结束端(电源正侧)13b通过初级侧电源线(lv+)16而与emi滤波电路8相连，并进一步地连接至低电压电源12。
[0030]
实施例中，在初级绕组13的卷绕起始端(接地侧)13a，连接有由mosfet构成的开关元件17的漏极端子，该开关元件17的源极端子连接至初级侧接地(lvgnd)18。即，开关变压器15的初级绕组13的卷绕起始端13a不直接连接到初级侧接地18。
[0031]
图中，19是开关电源控制器(控制器)，从低电压电源12经由初级侧电源线16对该开关电源控制器19进行供电。开关电源控制器19的输出连接至开关元件17的栅极，开关元件17的开关通过该开关电源控制器19来控制。
[0032]
由此，开关变压器15的初级绕组13位于低电压电源12侧。此外，21是连接在初级侧电源线16与初级侧接地18之间的滤波电容器。另外，实施例中，与开关变压器15中次级侧(后述的次级侧接地26)绝缘的初级侧接地18经由使共模噪声衰减的y电容器(旁路电容器)22而连接至底盘2。
[0033]
另一方面，开关变压器15的次级绕组14具有第一次级绕组部23和第二次级绕组部24，该第一次级绕组部23具有卷绕起始端23a和卷绕结束端23b，该第二次级绕组部24同样具有卷绕起始端24a和卷绕结束端24b。该第二次级绕组部24的卷绕结束端24b连接到次级侧接地(hvgnd)26。该次级侧接地26成为次级绕组14的稳定电位部(冷端)。
[0034]
而且，第一次级绕组部23的卷绕起始端23a经由二极管31连接至hv15v线(第一高电压侧电源线)32，该hv15v线32与上述的控制电路6的栅极驱动器相连接。第二次级绕组部24的卷绕起始端24a经由二极管33和调节器(ldo:低压差稳压器)34连接至hv5v线(第二高电压侧电源线)36，该hv5v线36成为控制电路6的电源。
[0035]
另外，第二次级绕组部24的卷绕起始端24a连接至第一次级绕组部23的卷绕结束端23b，第二次级绕组部24的卷绕结束端24b如上所述连接至次级侧接地26。
[0036]
此外，37～39是分别连接在hv15v线32与次级侧接地26之间、调节器34后级的hv5v线36与次级侧接地26之间的滤波电容器。另外，实施例中，开关变压器15中与初级侧(初级侧接地18)绝缘的次级侧接地经由使共模噪声衰减的y电容器(旁路电容器)41而连接至底盘2。
[0037]
此外，在实施例的开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14之间设有屏蔽体43。本实施例的屏蔽体43由用绝缘被膜覆盖铜线的绕组构成，并且屏蔽体43在实施例中连接到具有稳定电位的初级侧接地18。屏蔽体43可以连接到次级侧接地26(次级绕组14的稳定电位部)。另外，开关变压器15的结构将在后面详细描述。
[0038]
而且，开关电源控制器19根据开关变压器15的匝数比，来对开关元件17进行开关控制，以将dc15v(hv15v)输出至hv15v线32。由此，向控制电路6的栅极驱动器提供dc15v(hv15v)，并从与次级绕组部23与24的匝数比相对应的中间输出经由调节器34向控制电路6本身提供dc5v(hv5v)。
[0039]
开关电源装置9对低电压电源12进行开关来对控制电路6进行供电，并且通过开关变压器15将初级绕组13所在的低电压电源12侧与次级绕组14所在的高电压电源11侧进行
绝缘(图中用虚线“绝缘”来表示)，针对开关电源装置9的开关元件17的开关所引起的emi噪声的对策，将开关变压器15的初级绕组13的卷绕结束端13b与次级绕组14的卷绕结束端24b经由耦合电容器42来进行耦合。
[0040]
由此，利用耦合电容器42将开关变压器15的初级绕组13的卷绕结束13b与次级绕组14的卷绕结束端24b相耦合，从而伴随开关元件17的开关，经由开关变压器15的绕组之间(初级绕组13与次级绕组14之间)的耦合电容(寄生电容)在初级绕组13与次级绕组14之间相互传递的噪声发生回流，抑制流向电动压缩机1的底盘2侧(接地：最终为车体侧)的共模噪声电流。由此，能降低噪声电压。
[0041]
(3)开关变压器15的结构接着，将参照图2说明该实施例中的开关变压器15的结构。图中，46是卷绕有初级绕组13(用np表示)和次级绕组14(第一次级绕组部23用ns-1表示，第二次级绕组部24用ns-2表示)的芯体，47是以符合安全标准要求的宽度进行卷绕后得到的阻挡带。在本发明中，开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14如图2所示地分离，并且如上所述，屏蔽体43设置在初级绕组13和次级绕组14之间。
[0042]
即，由于不是用初级绕组13将次级绕组14夹在中间的结构，因此开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度降低，但是初级绕组13和次级绕组14之间的耦合电容减小，结果能够降低转换到共模的噪声量。
[0043]
特别地，开关变压器15的输入是低电压电源12，如实施例那样是直流12v电源的低电压输入，因此初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度比较容易降低，但即使耦合度降低，浪涌电压的增加也是有限的。因此，能在不使用大型emi滤波器8的情况下降低噪声。
[0044]
另外，在实施例中，将屏蔽体43设置在开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14之间，并且将该屏蔽体43连接到开关电源装置9的稳定电位部(本实施例中的初级侧接地18)，因此，能通过利用静电屏蔽效应来进一步降低噪声。
[0045]
此处，在本实施例中，由用绝缘被膜覆盖铜线后得到的绕组来构成屏蔽体43。因此，若屏蔽体43的绝缘被膜变薄和/或绕组层数变少，则初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度变高，但耦合电容也变大。另一方面，若使绝缘被膜变厚和/或使绕组层数变多，则耦合度变低，但耦合电容也变小。
[0046]
因此，在本实施例中，当制造开关变压器15时，通过选择铜线的绝缘被膜的厚度和/或绕组层数来进行调整以获得开关电源装置1所要求的最佳耦合度和耦合电容。由此，选择屏蔽体43的绝缘被膜的厚度和/或绕组层数，来调整开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14之间的耦合电容、以及初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度，因此，能够同时兼顾开关变压器15的电源效率和低噪声，并且容易将其设计为最佳。
[0047]
而且，本发明的开关电源装置1尤其适于设置在包括控制电路6、由高电压电源11进行供电并通过控制电路6进行控制的逆变器电路4、以及通过该逆变器电路4进行驱动的电动机3的如实施例那样的车载用电动压缩机1的情况。[实施例2]
[0048]
接下来，将参照图3和图4说明本发明的另一实施例的开关电源装置9。图3示出了开关电源装置9中使用的另一实施例的开关变压器15的电路图，图4示出了其结构。此外，在这些图中，用与图1或图2相同的标号来表示具有相同或同样的功能。
[0049]
本实施例的开关变压器15的初级绕组13具有第一初级绕组部51(用np-1表示)和第二初级绕组部52(用np-2表示)，该第一初级绕组部51具有卷绕起始端51a和卷绕结束端51b，该第二初级绕组部52同样具有卷绕起始端52a和卷绕结束端52b，第一初级绕组部51由并联连接的两个绕组53、54构成，第二初级绕组部52也由并联连接的两个绕组56、57构成。
[0050]
第二初级绕组部52的卷绕结束端52b通过图1所示的初级侧电源线(lv+)16连接到emi滤波电路8，并进一步连接到低电压电源12。另外，第二初级绕组部52的卷绕起始端52a连接到第一初级绕组部51的卷绕结束端51b，并且第一初级绕组部51的卷绕起始端51a连接到开关元件17的漏极端子。屏蔽体43连接到其初级侧接地18。
[0051]
另一方面，开关变压器15的次级绕组14具有第一次级绕组部61(用ns-1表示)和第二次级绕组部62(用ns-2表示)，该第一次级绕组部61具有卷绕起始端61a和卷绕结束端61b，该第二次级绕组部62同样具有卷绕起始端62a和卷绕结束端62b，第一次级绕组部61由并联连接的两个绕组63和64组成。第一次级绕组部61的卷绕结束端61b连接到次级侧接地(hvgnd)26，并且该次级侧接地26成为次级绕组14的稳定电位部(冷端)。
[0052]
第二次级绕组部62的卷绕起始端62a经由二极管31连接到hv15v线(第一高电压侧电源线)32。此外，第一次级绕组部61的卷绕起始端61a经由二极管33和调节器34连接到hv5v线36。
[0053]
另外，第一次级绕组部61的卷绕起始端61a连接至第二次级绕组部62的卷绕结束端62b，第一次级绕组部61的卷绕结束端61b连接至次级侧接地26。
[0054]
(4)图3的开关变压器15的结构接着，将参照图4说明图3的实施例中的开关变压器15的结构。在这种情况下，用与图2相同的标号表示具有相同或同样的功能。即，46是卷绕有初级绕组13(用np-1表示第一初级绕组51，用np-2表示第二初级绕组52)和次级绕组14(用ns-1表示第一次级绕组部61，用ns-2表示第二次级绕组部62)的芯体，47是以符合安全标准要求的宽度进行卷绕后得到的阻挡带。
[0055]
在本实施例中，开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14也如图4所示地分离，并且在初级绕组13和次级绕组14之间设有屏蔽体43。即，在该实施例的情况下也不是用初级绕组13将次级绕组14夹在中间的结构，因此开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度降低，但是初级绕组13和次级绕组14之间的耦合电容减小，结果能够降低转换到共模的噪声量。
[0056]
另外，在上述各实施例中，由用绝缘被膜覆盖铜线的绕组构成屏蔽体43，但不限于此，也可以由铜箔等屏蔽层或层间(绝缘)带等绝缘物构成屏蔽体43。在屏蔽层的情况下，若层的厚度变薄和/或层数变少，则初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度也变高，但耦合电容也变大。另一方面，若使屏蔽层的厚度变厚和/或使层数变多，则耦合度变低，但耦合电容变小。
[0057]
在绝缘物的情况下，若厚度变薄和/或层数变少，则初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度也变高，但耦合电容也变大。另一方面，若使绝缘物的厚度变厚和/或使层数变多，则耦合度变低，但耦合电容变小。
[0058]
因此，同样地，当制造开关变压器15时，选择屏蔽层的厚度和/或层数或者选择呢绝缘物的厚度和/或层数来调整开关变压器15的初级绕组13和次级绕组14之间的耦合电容
以及初级绕组13和次级绕组14的耦合度，以实现开关电源装置1所要求的最佳耦合度和耦合电容，也能同时兼顾开关变压器15的电源效率和低噪声，并容易将其设计为最佳。
[0059]
另外，在上述各实施例中，如图2、图4所示，开关变压器15的初级绕组13设为外层，次级绕组14设为内层，但不限于此，本发明对于初级绕组13设为内层，次级绕组14设为外层的结构也有效。
[0060]
此外，不限于如实施例所示的将初级绕组13作为外层或内层、将次级绕组14作为内层或外层的结构，例如，即使是用初级绕组13将次级绕组14夹在中间的所谓夹层结构，也能降低初级绕组13和次级绕组14之间的耦合度。在这种情况下，将屏蔽体43插入到初级绕组13和次级绕组14相对的每个部位，这样的结构也包含在本发明中将初级绕组13和次级绕组14分离的概念内。
[0061]
另外，在实施例中，以车载用电动压缩机1的开关电源装置9为例进行了说明，但是在第5项、第6项以外的发明中不限于此，本发明在对低电压电源进行开关的各种开关电源装置上都是有效的。标号说明
[0062]
1车载用电动压缩机2底盘3电动机4逆变器电路6控制电路7、8emi滤波电路9开关电源装置11高电压电源12低电压电源13初级绕组14次级绕组15开关变压器17开关元件18初级侧接地19开关电源控制器(控制器)26次级侧接地43屏蔽体46芯体。