JP2012178937A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電力変換装置においてパワー半導体素子のスイッチングノイズに起因する放射ノイズを低減する。
【解決手段】
直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールに直流電力を供給する正極配線及び負極配線と、前記パワー半導体素子の駆動を制御する制御信号を出力するドライバ回路基板と、前記ドライバ回路基板へ送る動作信号を生成する制御回路基板と、前記ドライバ回路基板もしくは前記制御回路基板と車両のグラウンドを電気的に接続する金属部材と、を備えた電力変換装置であって、前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置されることを特徴とする電力変換装置である。
【選択図】 図３

Description

本発明は電力変換装置に関する。

インバータ装置は、バッテリ等の直流電力から交流電力を生成する装置であり、たとえば電気自動車において電気エネルギから力学的エネルギを得るためのいわゆる自動車用パワーエレクトロニクスシステムに使用されている。
インバータ装置は、筺体内にモジュール化されたパワー半導体素子からなるスイッチング素子（これをパワーモジュールと称している）と、スイッチング素子をオン、オフさせる制御信号を駆動するドライバ回路等と、平滑化コンデンサと、ドライバ回路等へ送る動作信号を生成する制御回路等を備えて構成される。

スイッチング素子は直流電源を高速にスイッチングする際、急激な電圧・電流の変化に伴ってサージ電流・電圧が生じ、電磁ノイズの発生源となる。そこで従来技術として、特許文献１（特開平１８‐２２４０４５号）には、制御回路基板とパワーモジュールとの間に、筺体と電気的に絶縁された導電性のシールド板を配設することにより、パワーモジュール内のスイッチング素子のオン、オフ動作によって発生するスイッチングノイズが制御回路基板に重畳するのを防ぐ方法が開示されている。

特開平１８‐２２４０４５号

特許文献１（特開平１８−２２４０４５号公報）では、制御回路基板とパワーモジュールとの間に、筺体と電気的に絶縁された導電性のシールド板を配設して、パワーモジュール内のスイッチング素子のオン、オフ動作によって発生するスイッチングノイズが制御回路基板に重畳し、外部への電磁放射が増大することを防ぐ手法が示されている。しかし、シールド部材が増えることにより、インバータ装置のコストが増大したり、小型化できないという課題がある。

本発明は上記の問題を解決するものである。また、外部機器と接続される制御配線を伝搬して装置内に混入するノイズ電流または電圧を安価且つ小型に抑制する構造を備えた電力変換装置を提供する。

直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールと、当該パワーモジュールに直流電力を供給する正極及び負極配線と、当該パワー半導体素子の駆動を制御する制御信号を出力する制御回路基板と、当該制御回路基板と車両のグランドを電気的に接続する金属部材と、を備えた電力変換装置であって、前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置される電力変換装置である。

本発明によれば、電力変換装置においてパワー半導体素子のスイッチングノイズに起因するノイズを低減することができる。

インバータ装置の内部構成を説明するための説明図である。 本発明を適用しない構造において、スイッチングノイズにより、ベース板に電位変動が生じることを示す断面構造の説明図である。 本発明を適用した構造において、スイッチングノイズにより、ベース板に生じる電位変動を抑制する方法を示す断面構造の説明図である。 本発明の効果を示すため、ベース板に生じる電位変動差を３次元電磁界シミュレーションにより解析した様子を示す説明図である。 本発明を適用しない場合の電界強度の解析結果を示す図であある。 本発明を適用した場合の電界強度の解析結果を示す図である。 本発明を適用した場合の電界強度の解析結果を示す図である。 図５のドライバ回路ベース板３２の線Ｂにおける電界強度のグラフである。 本発明を適用した実施例２におけるスイッチングノイズにより、ベース板に生じる電位変動を抑制する方法を示す断面構造の説明図である。 本発明を適用した実施例２におけるスイッチングノイズにより、制御回路基板４１の誤動作を防ぐ方法を示す断面構造の説明図である。

図１は、インバータ装置の内部構成を説明するための説明図である。
このインバータ装置１は、主に電気自動車における自動車用パワーエレクトロニクスシステムに搭載されている。 なお、自動車用パワーエレクトロニクスシステムは、直流電力を供給するためのバッテリと、直流を交流に変換するインバータ装置と、インバータ装置の電気的出力から回転力を得るモータとから構成されている。
このような自動車用パワーエレクトロニクスシステムにおいて、インバータ装置は、 筐体内に格納されているドライバ回路基板からの信号によりパワーモジュールのスイッチング素子をオン、オフすることで、自動車の駆動源であるモータにおいて所望の回転力を得るための交流電力を生成している。そしてモータが、このようにしてインバータ装置から出力された交流電力により電磁気的作用によって回転力を得ている。

本実施例におけるインバータ装置１は、図１に示すように、筐体１１内に、少なくとも一つのスイッチング素子を備えるパワーモジュール１３と、それを制御するドライバ回路基板３１等と、平滑用のコンデンサモジュール１７と、ドライバ回路等へ送る動作信号を生成する制御回路基板４１等を備えて構成される。
パワーモジュール１３は、直流を交流に変換するために、通常は複数のスイッチング素子によって構成されている。スイッチング素子は、たとえば、サイリスタ、ＩＧＢＴ、パワートランジスタなどある。
ドライバ回路基板３１は、パワーモジュール１３と信号線１９によって接続されている。そして、パワーモジュール１３内のスイッチング素子をスイッチングするための制御信号を出力する。

制御回路基板４１は、ドライバ回路基板３１と信号線３３によって接続されている。そして、ドライバ回路３１等へモータを制御するための動作信号を生成し、出力する。
なお、制御回路基板４１はドライバ回路基板３１と別基板とせずに、同一基板とし、制御回路基板ベース板３２とドライバ回路基板ベース板４２を共通化してもよい。
筐体１１は、導電性の部材からなり、外部から伝搬するノイズ（主に電磁波ノイズ）を遮蔽する役割がある。
筐体１１内においては、直流電源である図外のバッテリの正極端子（不図示）からの電力供給線２１ａが第１の導電部材２２に接続されていて、
バッテリの負極端子（不図示）からの電力供給線２１ｂが第２の導電部材２３に接続されている。また、バッテリからインバータ装置に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール１７を備えている。コンデンサモジュール１７が第１の導電部材２３と第２の導電部材２３に接続されることで、電力供給線２１とパワーモジュール１３の間に接続されている。

ドライバ回路基板３１からの信号によりパワーモジュール１３のスイッチング素子をオン、オフすることにより、スイッチングノイズが生じ、スイッチングノイズが第１の導体板２２と第２の導体板２３に流れ、第１の導体板２２および第２の導体板２３と、ドライバ回路ベース板３２および制御回路ベース板４２との寄生容量５０を介して、スイッチングノイズがドライバ回路ベース板３２および制御回路ベース板４２に伝搬し、さらに筺体１１や制御回路基板４１内をノイズが伝導することにより、外部に放射する電磁ノイズが増大したり、ドライバ回路基板３１や制御回路基板４１の動作が誤動作する恐れがある。

図２は本発明を適用しない構造において、スイッチングノイズにより、ベース板に電位変動が生じることを示す断面構造の説明図を示している。
本実施例は第１の導体板２２と第２の導体板２３と、ドライバ回路基板３１とが階層構造となっており、ドライバ回路基板３１のグラウンドはねじ部材３４により、ドライバ回路ベース板３２と電気的に接続されている。なお、ねじ部材３４は導電性部材である。

パワーモジュール１３のスイッチング素子により、スイッチングノイズが生じるため、雑音の影響を受けやすい弱電系のハーネス・ケーブルや基板等から離す配置とすることが好ましい。
しかし、インバータ装置１の小型化要求により、弱電系のハーネス・ケーブルや基板等と強電系のパワーモジュール１３や第１の導体板２２や第２の導体板２３との距離が離せない場合、スイッチングノイズが第１の導体板２２と第２の導体板２３に流れ、スイッチングノイズが寄生容量５０を介してドライバ回路ベース板３２を伝搬することにより、ドライバ回路ベース板３２にノイズ電流が流れ、電位変動が生じる。

次に、図３に、本発明を適用した構造において、スイッチングノイズにより、ベース板に生じる電位変動を抑制する方法を示す断面構造の説明図を示している。
本実施例は図２から、ドライバ回路ベース板３２に対して第１の導体板２２と第２の導体板２３を配線途中で交差することにより、上下が交互に入れ替わるように配置した構成である。

ここで、第１の導体板２２と第２の導体板２３を配線途中で交差するために、スリットを空けて導体板を組み合わせるとき、インダクタンスの増加を防ぐため、パワーモジュール１３へ電流を流す方向をスリットに対して平行にすることが望ましい。
また、第１の導電部材２２、第２の導電部材２３の隣り合う部分に関しては、電気的に導通しない程度の開口部を開けておく必要がある。
第１の導体板２２はパワーモジュール１３の正極端子２５に接続され、第２の導電板２３はパワーモジュール１３の負極端子２６に接続されている。したがって、第１の導電部材２２と第２の導電部材２３に互いに電流が逆方向に流れるため、ドライバ回路ベース板３２の下部に、第１の導体板２２と第２の導体板２３にスリットを空け、折り曲げて、対向するように導体板を交互に組み合わせるように配置することにより、ドライバ回路ベース板３２上に誘起される電磁ノイズが打ち消しあう位置が生じる。

このように、電磁ノイズが打ち消しあう位置にねじ部材３４を配置することにより、ドライバ回路基板３４のグラウンドを電位変動の小さい静かなグラウンドに接地することができるため、シールドの追加や強電系の部品との距離を離すことなく電磁ノイズの発生を抑制し、また、誤動作を防ぐことができる。
ここで、第１の導体板２２と第２の導体板２３による電磁ノイズを打ち消す位置を作る対象は、ドライバ回路ベース板３２だけでなく、電磁ノイズを抑制する目的とするため、ドライバ回路基板３１のグラウンド、制御回路基板のグラウンド４１、制御回路ベース板４２でもよい。
なお、第１の導体板２２と第２の導体板２３は回路基板上の導電部材で形成し、ビアを介して導電部材が交互に組み合わせるように配置してもよい。

図４は本発明の効果を示すため、ベース板に誘起される電位変動を３次元電磁界シミュレーションにより解析した様子を示す図である。入力を１Ｖとし、周波数を１ＭＨｚにして第１の導体板２２と第２の導体板２３を励振したときの、ドライバ回路ベース板３２に誘起される電界強度を解析したものである。スイッチング素子は数ｋＨｚでスイッチングされ、数ＭＨｚという高調波成分が第１の導体板２２と第２の導体板２３から電磁結合により、ドライバ回路基板３１や制御回路基板４１等へ伝搬する。そのため、第１の導体板２２と第２の導体板２３が発生するノイズの周波数はドライバ回路基板３１がパワーモジュール１３へ出力するドライブ信号のキャリア周波数などに応じて決まる。
図５（ａ）は本発明を適用しない（図２参照）導体板構造と、第１の導体板２２と第２の導体板２３の上部にドライバ回路ベース板３２を配置した際に生じる電界強度の解析結果を示す図である。また、図５（ｂ）は本発明を適用した（図３参照）正極側の第１の導体板２２と負極側の第２の導体板２３を交差させ、上下が交互に入れ替わるように組み合わせた導体板の構造と、前記第１の導体板２２と第２の導体板２３の上部にドライバ回路ベース板３２を配置した際に生じる電界強度の解析結果を示す図である。なお、図５（ｃ）は本発明を適用した正極側の第１の導体板２２と負極側の第２の導体板２３が交差する回数を図５（ｂ）より１つ増やした導体板の構造と、前記第１の導体板２２と第２の導体板２３の上部にドライバ回路ベース板３２を配置した際に生じる電界強度の解析結果を示す図である。

また、図６は図５のドライバ回路ベース板３２の線Ｂにおける電界強度のグラフである。
導体板を折り曲げて、ノイズを打ち消す点を作ることにより、図５（ａ）と比べて図５（ｂ）ではピーク値は−３ｄＢ程度、ノイズが打ち消しあう点では、−２０ｄＢ程度のノイズを抑える効果があることが分かる。
また、図５（ｃ）の場合、図５（ａ）と比べて、ピーク値は−６ｄＢ程度低減でき、導体板を交互に組み合わせる回数を増やすことにより、ノイズ低減効果をさらに向上させることができる。
以上説明したように、シールドを用いることなく第１の導体板２２と第２の導体板２３によりドライバ回路誘起基板３１のグランドやドライバ回路ベース３２に誘起されるノイズを低減することができる。

図７は、本発明を適用した実施例２におけるスイッチングノイズにより、基板グラウンドに生じる電位変動を抑制する方法を示す断面構造の説明図である。
本実施例は、第１の導体板２２と第２の導体板２３とドライバ回路基板３１およびドライバ回路ベース板３２を配置している。
ドライバ回路ベース板３２に誘起されるノイズは第１の導体板２２と第２の導体板２３の中点で打ち消しあうため、導体板を加工することなく、導体板とベース板の設置位置により、ノイズを打ち消しあう点を作ることができる。
そして、ノイズが打ち消しあう点でねじ部材を設置することにより、ドライバ回路基板３１は電位変動の小さい点で基板グラウンドをとることができる。
これにより、回路内のノイズによる誤動作を防ぐことができ、また、外部に放射するノイズを低減することができる。

図８は、本発明を適用した実施例２におけるスイッチングノイズにより、制御回路基板４１の誤動作を防ぐ方法を示す断面構造の説明図である。
本実施例は、第１の導体板２２と第２の導体板２３と制御回路基板４１と、パワーモジュール１３のスイッチング素子のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）４４を備え、または制御回路ベース板４２を配置している。

制御回路ベース板４２にノイズが誘起され、マイコンのグラウンドの電位が変動することにより、回路が誤動作を起こしたり、動作が不安定になったりする恐れがある。
そのため、マイコン４４の制御回路基板４１上の配置位置を第１の導体板２２と第２の導体板２３の中点にすることにより、マイコンの電源電圧の変動を抑えることができ、回路が誤動作することを防ぐことができる。

１ インバータ装置
１１ 筺体
１３ パワーモジュール
１７ コンデンサモジュール
１９ 信号線
２１ 電力供給線
２２ 第１の導体板
２３ 第２の導体板
２４ 第３の導体板
２５ 正極端子
２６ 負極端子
２７ 絶縁部材
３１ ドライバ回路基板
３２ ドライバ回路ベース板
３３ 信号線
３４ ねじ部材
３５ ベース板の電位
４１ 制御回路基板
４２ 制御回路ベース板
４３ 制御ハーネス
４４ マイコン
５０ 寄生容量

Claims (6)

1. 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールに直流電力を供給する正極配線及び負極配線と、
   前記パワー半導体素子の駆動を制御する制御信号を出力するドライバ回路基板と、
   前記ドライバ回路基板へ送る動作信号を生成する制御回路基板と、
   前記ドライバ回路基板もしくは前記制御回路基板と車両のグラウンドを電気的に接続する金属部材と、を備えた電力変換装置であって、
   前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線から等距離の位置に配置されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記金属部材の基板のグラウンドのねじ位置またはハーネスやケーブルを、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記パワーモジュールに直流電力を供給する前記正極配線及び前記負極配線が絶縁体を介して対向して設置され、前記正極配線及び前記負極配線が配線途中で交差することにより、上下が入れ替わって配置されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４記載の電力変換装置において、
   前記正極配線及び前記負極配線に配線途中で交差するためのスリットを備え、前記パワーモジュールへ電流を流す向きをスリットと平行にすることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記ドライバ回路基板または前記制御回路基板上に配置されているマイコンを、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打消し合う位置に配置することを特徴とする電力変換装置。

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