电力转换装置和移动体的制作方法

1.本公开涉及一种电力转换装置和移动体。


背景技术：

2.以往，为了应对与电力转换装置的大容量化相伴的发热损耗的增大、与小型化相伴的发热密度的增加，已知有以使用水等制冷剂来进行冷却的液冷方式对电力转换装置进行冷却的技术。例如在专利文献1中公开了将开关电路等需要冷却的要素安装在冷却板上的结构。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2001-352767号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的问题
7.在这种结构中，例如，能够通过将需要冷却的要素安装在冷却板的两个表面上来使冷却板小型化，并能够抑制需要冷却的要素的安装密度。然而，由于将需要冷却的要素安装在冷却板的两个表面上，将要素之间电连接的布线的引绕量有时会增加。若布线的引绕量增加，则容易使从开关电路产生的噪声扩散。因此，冷却板的小型化有时会受到限制。
8.本公开提供一种能够使冷却板小型化的电力转换装置和移动体。
9.用于解决问题的方案
10.本公开所涉及的电力转换装置具备冷却板以及多个电路元件。所述冷却板具有第一冷却面以及与所述第一冷却面相反的一侧的第二冷却面。在所述冷却板设置有将所述第一冷却面与所述第二冷却面之间贯通的贯通孔。所述多个电路元件构成为将从外部电源供给的交流电力转换为规定电压的直流电力并输出该直流电力。所述多个电路元件至少包括第一电路元件和第二电路元件。所述第一电路元件具有第一端子，并与所述第一冷却面热连接。所述第二电路元件具有与所述第一端子电连接且被插入到所述贯通孔中的第二端子，并且所述第二电路元件与所述第二冷却面热连接。
11.发明的效果
12.根据本公开所涉及的电力转换装置，能够使冷却板小型化。
附图说明
13.图1是示出实施方式所涉及的电力转换装置的电路结构的一例的图。
14.图2是示出实施方式所涉及的电力转换装置的概要结构的立体图。
15.图3是以不显示印刷电路板的状态示出图2的电力转换装置的概要结构的俯视图。
16.图4是示出图2的电力转换装置的概要结构的仰视图。
17.图5是示出图2的电力转换装置的概要结构的主视图。
18.图6是示出图2的冷却板的概要结构的俯视图。
19.图7是示出搭载实施方式所涉及的电力转换装置的移动体的结构的一例的图。
具体实施方式
20.下面，参照附图来说明本公开所涉及的电力转换装置和移动体的实施方式。
21.图1是示出实施方式所涉及的电力转换装置10的电路结构的一例的图。
22.实施方式所涉及的电力转换装置10是将从电源(外部电源)供给到输入端子1011、1012的交流电力转换为从输出端子1021、1022供给到电池的直流电力并输出该直流电力的充电器。电源产生例如200v的交流电力。向电池供给例如400v的电力。作为电池，能够利用例如锂离子电池。此外，在下面的说明中，有时也将电源侧记载为上游侧，将电池侧记载为下游侧。
23.如图1所示，电力转换装置10具有线路滤波器11、第一整流电路12、pfc(power factor correction：功率因数校正)电路13、平滑电容器14、llc开关电路15、llc变压器16、第二整流电路17以及电抗器18。在此，线路滤波器11、第一整流电路12、pfc电路13、平滑电容器14、llc开关电路15、llc变压器16、第二整流电路17、电抗器18以及它们的构成要素是多个电路元件的一例。
24.线路滤波器11是用于防止噪声从电源侵入到电力转换装置10以及噪声从电力转换装置10流出到电源的有源滤波器(acf：active filter)。线路滤波器11也称为共模噪声滤波器(cmnf)。线路滤波器11的上游侧与输入端子1011、1012电连接。线路滤波器11的下游侧的一端电连接于二极管121的阳极与二极管123的阴极之间。线路滤波器11的下游侧的另一端电连接于二极管122的阳极与二极管124的阴极之间。
25.第一整流电路12将来自线路滤波器11的交流电力转换为直流电力，并向pfc电路13供给直流电力。第一整流电路12具有二极管121、122、123、124。二极管121的阳极与二极管123的阴极电连接。二极管122的阳极与二极管124的阴极电连接。二极管121、122的阴极电连接于pfc线圈131的上游侧。二极管123、124的阳极与nmos晶体管153、154的源极电连接。
26.pfc电路13是用于改善功率因数来抑制无效电力的升压电路。pfc电路13具有pfc线圈131和开关电路132。
27.pfc线圈131具有线圈1311、1312。线圈1311的下游侧与二极管1321的阳极电连接。线圈1312的下游侧与二极管1322的阳极电连接。
28.开关电路132具有二极管1321、1322、nmos晶体管1323、1324以及电阻1325、1326。二极管1321、1322的阴极与nmos晶体管151、152的漏极电连接。nmos晶体管1323的漏极电连接于线圈1311的下游侧与二极管1321的阳极之间。nmos晶体管1324的漏极电连接于线圈1312的下游侧与二极管1322的阳极之间。nmos晶体管1323的源极经由电阻1325电连接于二极管123、124的阳极与nmos晶体管153、154的源极之间。nmos晶体管1324的源极经由电阻1326电连接于二极管123、124的阳极与nmos晶体管153、154的源极之间。nmos晶体管1323、1324的栅极与未图示的控制电路电连接。
29.平滑电容器14用于使从pfc电路13向llc开关电路15供给的电力平滑化。平滑电容器14的一端电连接于二极管1321、1322的阴极与nmos晶体管151、152的漏极之间。平滑电容
器14的另一端电连接于二极管123、124的阳极与nmos晶体管153、154的源极之间。
30.llc开关电路15具有nmos晶体管151、152、153、154。llc开关电路15通过未图示的变压器的漏电感与未图示的电容器的谐振来谐振驱动llc变压器16。llc开关电路15通过在电流为0(零)的时刻等转变为导通状态的nmos晶体管151、152、153、154来抑制浪涌等的产生。
31.nmos晶体管151的源极与nmos晶体管153的漏极电连接。nmos晶体管152的源极与nmos晶体管154的漏极电连接。
32.llc变压器16是绝缘变压器。llc变压器16的上游侧的一端电连接于nmos晶体管151的源极与nmos晶体管153的漏极之间。llc变压器16的上游侧的另一端电连接于nmos晶体管152的源极与nmos晶体管154的漏极之间。llc变压器16的下游侧的一端电连接于二极管171的阳极与二极管173的阴极之间。llc变压器16的下游侧的另一端电连接于二极管172的阳极与二极管174的阴极之间。
33.第二整流电路17将来自llc变压器16的交流电力转换为直流电力，并向电抗器18供给直流电力。第二整流电路17具有二极管171、172、173、174。二极管171的阳极与二极管173的阴极电连接。二极管172的阳极与二极管174的阴极电连接。二极管171、172的阴极与电抗器18的上游侧的一端电连接。二极管173、174的阳极与电抗器18的上游侧的另一端电连接。
34.电抗器18去除来自第二整流电路17的直流电力中的未被平滑电容器14除尽的波形的紊乱、即波动(ripple)，将去除波动后的直流电力向电池供给。电抗器18的下游侧与输出端子1021、1022电连接。
35.图2是示出实施方式所涉及的电力转换装置10的概要结构的立体图。如图2所示，实施方式所涉及的电力转换装置10具有冷却板21和印刷电路板22(pcb：printed circuit board)。
36.图3是以不显示印刷电路板22的状态示出图2的电力转换装置10的概要结构的俯视图。在图3所例示的结构中，第一整流电路12、pfc电路13的开关电路132、llc开关电路15a、15b以及llc变压器16分别以能够借助热扩散板23来与冷却板21进行热交换的方式配置于冷却板21的上表面211。换言之，第一整流电路12、pfc电路13的开关电路132、llc开关电路15a、15b以及llc变压器16分别与冷却板21的上表面211热连接。在此，冷却板21的上表面211是第一冷却面的一例。另外，第一整流电路12、pfc电路13的开关电路132、llc开关电路15a、15b以及llc变压器16分别是第一电路元件的一例。
37.图4是示出图2的电力转换装置10的概要结构的仰视图。在图4所例示的结构中，pfc电路13的pfc线圈131以能够借助未图示的热扩散板来与冷却板21进行热交换的方式配置于冷却板21的与上表面211相反一侧的底面213。换言之，pfc线圈131与冷却板21的底面213热连接。另外，pfc电路13的pfc线圈131具有输入输出端子1313。如图3所示，输入输出端子1313被插入到冷却板21的贯通孔212。在此，冷却板21的底面213是第二冷却面的一例。另外，pfc线圈131是第二电路元件的一例。另外，pfc线圈131的输入输出端子1313是第二端子的一例。
38.此外，关于电力转换装置10的多个电路元件中的各个电路元件，能够任意地设计将电路元件配置到冷却板21的哪一侧的冷却面上。作为一例，在冷却板21的位于印刷电路
板22侧的冷却面上配置的电路元件的输入输出端子的长度比在冷却板21的位于与印刷电路板22相反一侧的冷却面上配置的电路元件的输入输出端子的长度短。具体地说，只要将二极管、fet(field effect transistor：场效应晶体管)等端子较短的电路元件优先配置到冷却板21的位于印刷电路板22侧的冷却面上即可。
39.图5是示出图2的电力转换装置10的概要结构的主视图。印刷电路板22被设置于冷却板21的两侧的冷却面中的一侧的冷却面。印刷电路板22在图2和图5所示的例子中被配置在冷却板21的上表面211侧。如图5所示，印刷电路板22与第一整流电路12、pfc电路13、平滑电容器14、llc开关电路15a、15b以及llc变压器16各自所具有的输入输出端子(第一端子和第二端子)电连接。换言之，在冷却板21的两侧的冷却面分别配置的多个电路元件中的各个电路元件与印刷电路板22之间的电连接从冷却板21来看被汇集到单侧。在此，印刷电路板22是连接构件的一例。
40.电力转换装置10的多个电路元件中的各个电路元件以由例如图1所示的电路图规定的电路元件间的位置关系被配置在冷却板21的冷却面上。也就是说，实施方式所涉及的电力转换装置10中的多个电路元件在冷却板21上的配置优选为使相邻的电路元件的端子间的距离沿着电力线尽可能地短。例如，在图5所示的例子中，第一整流电路12的输出端子与pfc线圈131的输入输出端子1313之间的在印刷电路板22上的距离d1是由图1所示的电路图的电力线上的距离规定的、与各个电路元件的大小相应地能够进行连接的最短距离。例如，在图5所示的例子中，pfc线圈131的输入输出端子1313与开关电路132的输入端子之间的在印刷电路板22上的距离d2也被同样地规定。
41.此外，本实施方式例示印刷电路板22作为连接构件的一例，但是并不限于此。作为连接构件，也能够适当地利用母线、铜板等构件。
42.图6是示出图2的冷却板21的概要结构的俯视图。冷却板21在内部具有未图示的制冷剂的流路。冷却板21的内部的流路可以通过任何方法来形成。作为一例，在内部具有流路的冷却板21能够通过低压铸造来形成。作为另一例，在内部具有流路的冷却板21能够将以流路的形状形成有槽的两张板状的构件通过硬钎焊进行接合来形成。作为另一例，在内部具有流路的冷却板21能够通过对板状的构件进行机械加工来形成。作为另一例，在内部具有流路的冷却板21能够通过喷出金属粉的3d打印机来形成。冷却板21的两侧的x-y面被构成为能够与制冷剂进行热交换的冷却面。需要冷却的多个电路要素分别以能够与冷却板21之间进行热交换的方式配置在冷却板21的两个冷却面中的任一个冷却面上。换言之，需要冷却的多个电路要素分别配置在冷却板21的两个冷却面中的任一个冷却面上，并与所配置一侧的冷却面热连接。如图6所示，在冷却板21设置有将冷却板21的上表面211与底面213之间沿z方向贯通的贯通孔212。
43.贯通孔212被设置于将电路元件的输入输出端子与印刷电路板22之间的触点从印刷电路板22投影到冷却板21上的位置，该电路元件配置于冷却板21的与印刷电路板22相反一侧的冷却面。在图5所示的例子中，贯通孔212被设置于冷却板21的位于pfc线圈131的输入输出端子1313与印刷电路板22之间的触点的正下方的区域。
44.另外，贯通孔212的宽度d3大于配置在冷却板21的与印刷电路板22相反一侧的冷却面上的电路元件的输入输出端子的绝缘部。在图5所示的例子中，贯通孔212的宽度d3大于pfc线圈131的输入输出端子1313的包覆材料的直径。在此，设为设置于输入输出端子
1313的包覆材料的直径根据绝缘距离来决定。此外，贯通孔212的宽度d3优选为比输入输出端子的包覆材料的直径稍大的宽度。在该情况下，冷却板21能够利用贯通孔212的壁面来支承插入到贯通孔212中的输入输出端子。另外，也能够使用冷却板21来作为将该输入输出端子安装到印刷电路板22时的定位构件。另外，贯通孔212的长度d4、数量只要根据在冷却板21的与印刷电路板22相反一侧的冷却面上配置的电路元件的位置、数量来适当地设定即可。
45.此外，本实施方式例示液冷方式的冷却板21，但是并不限于此。本公开所涉及的技术也能够通过空气冷却方式、使用散热器的方式的冷却板21来实现。
46.此外，关于平滑电容器14那样大的电路元件，不限于该平滑电容器14的输入输出端子，也可以是，电路元件本身被插入到设置于冷却板21的贯通孔212。由此，能够实现电力转换装置10的小型化。
47.此外，本实施方式所涉及的电力转换装置10能够应用dc-dc转换器、ac-dc转换器、dc-ac转换器等各种电力电子元件(power electronics)。
48.如上所述，电力转换装置10在将被输入的交流电力通过第一整流电路12转换为直流电力之后，将转换后的直流电力通过pfc电路13进行升压以改善功率因数。电力转换装置10使升压后的直流电力经过平滑电容器14，并通过llc开关电路15驱动llc变压器16。之后，电力转换装置10通过第二整流电路17将来自llc变压器16的交流电力转换为直流电力来对电池进行充电。电力转换装置10的电路规模由于需要这样的多级转换而变大。
49.另外，对电力转换装置10要求的输出电力随着近年来的电池容量的增大而变大。若输出电力变大，则电力转换装置10的发热损耗增大。并且，在电力转换装置10例如为车载用的充电器的情况等下，与为了提高搭载性而进行的小型化相伴地，发热密度增加。根据这种情况，有时优选采用冷却能力大于空气冷却方式的冷却能力的水冷等液冷方式。
50.其中，在采用液冷方式的情况下，由于在内部设置有制冷剂的流路的冷却板上安装需要冷却的电路要素，因此电力转换装置10的尺寸与电力转换装置10的电路规模相应地变大。作为需要冷却的电路要素，例如存在第一整流电路12、pfc电路13、平滑电容器14、llc开关电路15、llc变压器16、第二整流电路17、电抗器18等。若电力转换装置10的尺寸变大，则搭载性降低。
51.例如，通过将需要冷却的电路要素安装在冷却板的两个冷却面上，能够使冷却板小型化，并能够抑制需要冷却的电路要素的安装密度。然而，由于将需要冷却的要素安装在冷却板的两个表面上，将要素之间电连接的布线的引绕量有时会增加。若布线的引绕量增加，则容易使例如从llc开关电路15、开关电路132产生的噪声扩散。因此，从抑制emi(electromagnetic interference：电磁干扰)噪声的观点出发，有时冷却板的小型化会受到限制。另外，在追加用于抑制从llc开关电路15、开关电路132产生的噪声的电路要素的情况下，可能由于该追加而成本增大并且搭载性降低。
52.另一方面，实施方式所涉及的电力转换装置10具有设置有贯通孔212的冷却板21、以及设置在冷却板21的两侧的冷却面中的一侧的冷却面上的印刷电路板22。在电力转换装置10中，需要冷却的多个电路要素分别被配置在冷却板21的两个冷却面中的任一个冷却面上，并且与印刷电路板22电连接。在此，在冷却板21的两侧的冷却面中的位于印刷电路板22侧的冷却面上安装的至少一个电路要素与印刷电路板22电连接。另外，在冷却板21的两侧
的冷却面中的与印刷电路板22相反一侧的冷却面上安装的至少一个电路要素经由贯通孔212而与印刷电路板22电连接。换言之，在实施方式所涉及的电力转换装置10中，需要冷却的电路要素间的电连接包含经由冷却板21的贯通孔212进行的连接，被汇集在冷却板21的单侧。
53.像这样，根据实施方式的电力转换装置10，能够将需要冷却的电路要素间的电连接汇集在冷却板21的单侧。由此，根据实施方式的电力转换装置10，能够使被切换的电力线的连接例如图1所示的电路结构那样接近理想的连接。换言之，实施方式的电力转换装置10即使在将需要冷却的多个电路要素配置于冷却板21的两侧的冷却面的情况下，也能够抑制将电路要素之间电连接的布线的引绕量的增大。
54.因而，根据实施方式的电力转换装置10，能够抑制emi噪声的产生，并能够使冷却板小型化。也就是说，使作为电力转换装置10的充电器的功率流(power flow)最优化，能够抑制emi噪声的产生等，并能够将很多的部件收纳到小型的电力转换装置10的壳体内。另外，由于能够不需要针对emi噪声而追加的电路结构，因此也有助于低成本化。
55.(应用例)
56.图7是示出搭载实施方式所涉及的电力转换装置10的移动体1的结构的一例的图。
57.实施方式所涉及的移动体1例如是电动汽车、混合动力汽车等利用电池的各种车辆。如图7所示，移动体1具有电力转换装置10、电池30以及马达50。
58.电力转换装置10是搭载于移动体1的车载充电器。电力转换装置10与外部电源连接，将从外部电源供给的交流电力转换为规定电压的直流电力，并向电池30和/或马达50供给该直流电力。关于电力转换装置10，由于通过实施方式在上面进行了描述，因此省略此处的记载。
59.电池30例如是用于驱动搭载于车辆的马达50的电池。作为电池30，例如能够利用锂离子电池。搭载于车辆的马达50是通过来自电池30的电力来驱动的马达。马达50可以是用于使车辆行驶的马达，也可以是用于驱动前灯、雨刮器、音频设备等搭载于车辆的各种电气部件、或者使它们进行动作的马达。
60.此外，作为移动体1，能够适当地利用自行车、机动二轮车、汽车、电车等各种车辆。另外，移动体1不限于这些车辆，也可以是船舶、飞机等利用电池的各种移动体。另外，移动体1可以是载人地移动的移动体，也可以是无人地移动的移动体。另外，移动体1的移动可以由用户来控制，也可以根据所设定的配送路径等自主地进行控制。
61.像这样，实施方式的移动体1搭载电力转换装置10。由此，关于被要求小型化的车载充电器，能够同时实现冷却性能提高和电力密度提高。
62.虽然说明了本发明的若干个实施方式，但是这些实施方式是作为例子而呈现的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其它各种方式来实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、它们的变形与包含在发明的范围、主旨内同样地被包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。