JP2013030186A - ノイズ解析設計方法およびノイズ解析設計装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製品設計の上流段階で、熱、振動、ＥＭＣのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供する。
【解決手段】自動車用インバータなどの電気装置のノイズ解析設計方法において、この電気装置には、１つ以上のエネルギー源と、エネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路と、伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位とがあり、計算機を用いて、ユーザから指定された経路を解析して発生放射ノイズなどの発生ノイズを推定するステップを有し、このユーザから指定された経路は伝搬経路を流れるエネルギーの経路であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気装置のノイズ解析設計技術に関し、特に、自動車用インバータなどのＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ：電磁界）解析設計方法に適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討したところによれば、電気装置のノイズ解析設計技術に関しては、例えば特許文献１，２に記載される技術などが挙げられる。

特許文献１には、コンピュータの使用するメモリ量、およびシミュレーション計算時間の大幅な削減をする電磁界解析装置において、シミュレーションによる電磁界計算結果と、実際の電磁界計算結果との誤差が極小となるようにする技術が記載されている。

特許文献２には、プリント配線板およびマルチチップモジュール基板の設計において、波形、熱、タイミング、電磁放射などの各種シミュレーションを高精度に行う配線板設計装置が記載されている。

特開２００６−２０９５９０号公報 特開平９−２４５０７６号公報

ところで、前記のような電気装置のノイズ解析設計技術に関して、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。たとえば、上記特許文献１は、モデルの簡略化はビア（多層基板の層間を導通接続する穴）のリターン電流のみを考慮し、基板間、基板−ケーブル間については記載されておらず、また、寄与度の高い部位（主経路）の抽出が行われていない。また、上記特許文献２は、ＥＭＣシミュレーションの高速化については記載されていない。

また、従来技術における電気装置のノイズ解析設計技術において、自動車用インバータでは、ＥＭＣ設計を電磁界解析にて求める場合、例えば１００ｋＷクラスのインバータの設計では１ｎＷと小さい許容漏洩電力以下に抑えるには、その２つの比である１０の−１４乗以下の抑制が必要で、その解析精度が必要とされ、計算機コストをかけても実用時間内に計算が終わらなかった。

そこで、本発明の目的は、製品設計の上流段階で、熱、振動、ＥＭＣのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的なものの概要は、自動車用インバータなどの電気装置のノイズ解析設計方法において、この電気装置には、１つ以上のエネルギー源と、エネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路と、伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位とがあり、計算機を用いて、ユーザから指定された経路を解析して発生放射ノイズなどの発生ノイズを推定するステップを有し、このユーザから指定された経路は伝搬経路を流れるエネルギーの経路であることを特徴とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、代表的なものによって得られる効果は、製品設計の上流段階で、熱、振動、ＥＭＣのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供することができる。

本発明の一実施の形態であるＥＭＣ設計方法のフローおよびＥＭＣ設計装置の構成を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、ひな型等価回路化の詳細フローを説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、マルチフィジックス解析による設計フローを説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、インバータの構造を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、自動車用インバータのＥＭＣ設計を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、インバータの断面を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、要素ごとの等価モデルを説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、インバータのひな型等価回路を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、回路定数データベースの作成を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、ＥＭＣ設計装置の入力インタフェースを説明するための図である。

＜実施の形態の概要＞
本発明の実施の形態における電気装置のノイズ解析設計技術の概要を説明する。本実施の形態においては、ＥＭＣ高速解析技術を実現するために回路解析を用いる。

ＥＭＣは、元来、電磁現象の問題であるから電磁界解析を解くのが普通であるが、本実施の形態では、それを電気回路で解析することで高速化するという発想の転換を行っている。これが可能となる前提は、製品のノイズメカニズムが明らかであり、寄生成分を含むノイズ伝搬経路が明らかになっていることである。これにより、ＥＭＣ回路解析における等価回路化が可能となる。

このＥＭＣ回路解析の考え方は、基本方程式として、Ｅ＝ＳＰＡ、すなわち、放射強度であるエミッション（Ｅ）は、ノイズ源のソース（Ｓ）と、伝搬経路（Ｐ）、及びアンテナ（Ａ）の積で表せるという考え方に基づいている。自動車用インバータでは、インバータを構成するそれぞれの部位が、このＥ＝ＳＰＡのどこの部分に対応するかというメカニズムを解明する。そして、このメカニズムに対応した等価回路を作成し、回路解析を行うことによってＥＭＣの電界強度が計算できるようになる。

以下において、本実施の形態の概要に基づく、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

＜ＥＭＣ設計方法のフローおよびＥＭＣ設計装置の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態であるＥＭＣ設計方法のフローおよびＥＭＣ設計装置の構成を説明するための図である。

本実施の形態のＥＭＣ設計方法は、回路解析に先立って、ひな型等価回路化を行い（ステップ３０１）、これを回路定数化して（ステップ３０８）、回路定数データベースを作成する（ステップ３０９）。このように、回路定数データベースを回路解析に先立って予め用意する。

この回路定数データベースが用意できたら、まず、ユーザによりノイズ源情報と構造の寸法が入力される（ステップ３０２，３０３）。これらの入力情報と予め作成された回路定数データベースの情報に基づいて等価回路を作成し（ステップ３０４）、回路解析を行う（ステップ３０５）。そして、電界強度を表示し（ステップ３０６）、回路解析の結果を判定し（ステップ３０７）、この判定の結果、目標が達成しなかったら、ステップ３０２に戻り、ステップ３０２からステップ３０６までの処理を繰り返す。そして、ステップ３０７の判定の結果で目標が達成したら、ＥＭＣ設計は終了となる。ここで、電界強度表示（ステップ３０６）に先立ち、あるいは同時に、回路解析（ステップ３０５）の結果を回路図に対応させて表示させることで、目標未達成の部位を明示してもよい。この場合、目標未達成部位が回路図のどこに対応するのかを、すなわち構造のどこに対応するのかをユーザは容易に推定できる。

以上のようなＥＭＣ設計方法は、中央処理装置や記憶装置などから構成される計算機を用いて実現される。すなわち、本実施の形態のＥＭＣ設計装置は、計算機を用いて、記憶装置に記憶されているＥＭＣ設計方法のアルゴリズムを記述したプログラムを中央処理装置上で実行することで、ひな型等価回路化のための機能部、回路定数化のための機能部、ノイズ源情報入力のための機能部、構造寸法入力のための機能部、等価回路作成のための機能部、回路解析のための機能部、回路解析結果判定のための機能部、電界強度表示のための機能部などが構築される。また、ＥＭＣ設計装置には、記憶装置上に回路定数データベースも構築されている。

＜ひな型等価回路化の詳細フロー＞
図２は、本実施の形態において、ひな型等価回路化の詳細フローを説明するための図である。

図１に示したステップ３０１のひな型等価回路化は、ユーザにより伝搬の主経路が入力される（ステップ３０１１）。この場合に、ユーザが電気エネルギーの伝搬の主経路を抽出して、この伝搬の主経路を定義する。例えば、後述する自動車用インバータの場合には、このインバータに、エネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路、この伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位があり、伝搬経路を流れるエネルギーの経路が伝搬の主経路として定義される。

この定義された伝搬の主経路に基づいて、伝搬の主経路を分割し（ステップ３０１２）、この分割された部位をＳ（ノイズ源）、Ｐ（経路）、Ａ（アンテナ）に割り付ける（ステップ３０１３）。すなわち、Ｅ（放射電界）を回路解析により求めるために、製品の各部位をＥ＝ＳＰＡに分類する。そして、Ｅ＝ＳＰＡの分類に従ったひな型等価回路を作成する（ステップ３０１４）。

以上のようにして、ひな型等価回路化が行われる。その後、前述したステップ３０８の回路定数化が行われ、そして、前述したステップ３０９において、入力形状に依存した回路定数のデータベース化が行われる。さらに、前述したステップ３０５の回路解析において、入力形状により放射電界が計算される。

＜マルチフィジックス解析による設計フロー＞
図３は、本実施の形態において、マルチフィジックス解析による設計フローを説明するための図である。

マルチフィジックス解析による設計フローでは、市場ニーズをもとにコンセプト仕様を策定し、機器の構想設計を行う。インバータでは、この段階で、コンセプト仕様に基づいた回路設計と構造設計を行い、熱、振動、ＥＭＣの観点で後戻りとならないように部品の大まかな構造を決定する。その後、詳細設計、試作評価、量産というフローで製品出荷される。

ここの設計上流である機器構想設計段階において、熱ルール、振動ルール、ＥＭＣルールの各ルールに従った複数の構造案を抽出する。このルールベースの設計は、過去の蓄積をもとにした概略設計が可能である。この複数の構造案に対して、個別に定量解析することで、この構造案がそれぞれの目標を達成できるかどうかが得られる。

例えば、従来技術においても、熱解析、振動解析をフルに解くことは難しいが、設計の上流段階であれば、エネルギーの伝搬主経路を部分的にモデル化することによって実用的な値を実用時間内で計算することができる。

しかしながら、従来技術におけるＥＭＣ解析では、定量的な解析ができていないため、複数の構造案の中から１つを選び絞り込むということができなかった。すなわち、ＥＭＣ解析の場合、１００ｋＷから１ｎＷと非常に大きな桁数の電力を扱わなければならず、また１ｎＷオーダの漏洩経路計算には、静電結合や誘導結合といった寄生成分の取り扱いが必要であるため、全空間の解析が必要になる。そのため、膨大なメッシュの解析が必要となり、実用時間内のＥＭＣの解析ができないといった難しさがあった。

そこで、本実施の形態の設計フローでは、このルールベース設計から得られた複数の構造案から、ＥＭＣ解析を高速に定量判断ができるようにすることで、熱設計、振動設計とともにＥＭＣ設計を満足する構造案を決定できるようにする。すなわち、本実施の形態の設計フローにおける目標は、マルチフィジックスの定量解析を可能とするＥＭＣの高速解析の実現にある。

以上のマルチフィジックス解析による設計フローにおいて、ＥＭＣルールを指針とした構造案のＥＭＣ解析の部分が、前述した図１及び図２に示したＥＭＣ設計方法のフローに対応する部分である。

＜インバータの構造＞
図４は、本実施の形態において、インバータの構造を説明するための図である。

インバータ１００は、筐体１０１内に収納され、制御回路が形成されたＬＳＩ１０２と、このＬＳＩ１０２が実装された基板１０３と、２個のパワーモジュール１０４と、このパワーモジュール１０４に接続されたバスバー１０５と、このバスバー１０５に接続されたモータケーブル１１０と、ＬＳＩ１０２が実装された基板１０３に接続された制御ケーブル１１１などから構成される。モータケーブル１１０と制御ケーブル１１１は、それぞれ、筐体１０１の側面に形成された開口部１１２，１１３を通じて外部に引き出されている。なお、図示しないが、前記基板１０３の裏面にはグランド板が配置されている。

このインバータ１００において、パワーモジュール１０４は１つ以上のエネルギー源として機能し、バスバー１０５及び制御ケーブル１１１はエネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路として機能し、制御ケーブル１１１は伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位として機能する。このようなインバータ１００において、伝搬経路を流れるエネルギーの経路がユーザから指定され、このユーザから指定された経路を解析することで発生放射ノイズが推定される。

＜自動車用インバータのＥＭＣ設計＞
図５は、本実施の形態において、自動車用インバータのＥＭＣ設計を説明するための図である。

自動車用インバータにおいては、前述した図４に示したようなインバータ１００からなり、このインバータ１００に電池１５０が接続される。また、インバータ１００には、このインバータ１００から引き出されたモータケーブル１１０がタイヤ１６０を駆動するモータ１７０に接続され、制御ケーブル１１１がＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１８０に接続される。

自動車の場合、タイヤ１６０をモータ１７０で駆動するために電池１５０から直流電流を交流に変換するインバータ１００が用いられる。ここでは、自動車を加速することや、減速させることなどの制御信号をＥＣＵ１８０から制御ケーブル１１１を介してインバータ１００に伝達され、これに従ってインバータ１００はパルス変調によるトルク制御を行う。

このインバータ１００のパルス変調時にノイズが生じ、これが部分的に外部に漏れて、そこからノイズ放射が生じる。電界アンテナでの電界強度が規制値を超えないようにするためには、許容される漏洩電力は１ｎＷに相当する。他方、インバータ１００の最大出力は１００ｋＷクラスであり、出力電圧をこの許容漏洩電力以下に抑えるには、その２つの比である１０の−１４乗以下の電力抑制量が必要となる。すなわち、このインバータ１００の装置外部への漏洩を抑えて放射ノイズを規制値以下にするＥＭＣ設計では、漏洩電力を出力の１４桁以下に抑えなければならないという難しさがある。

このため、従来技術では、前述したように、このＥＭＣ設計で計算機コストをかけても実用時間内に計算が終わらなかったが、本実施の形態においては、前述したような図１及び図２に示したＥＭＣ設計方法を適用することで、実用時間内で、かつ低価格で計算処理を終わらせることができる。

＜インバータの断面＞
図６は、本実施の形態において、インバータの断面を説明するための図である。

前述した図４に示したインバータ１００の断面は、図６のようになる。図６に示すように、ＬＳＩ１０２が実装された基板１０３と、パワーモジュール１０４に接続されたバスバー１０５との間に容量性結合が発生する。さらに、基板１０３とグランド板との間に誘導性結合、基板１０３と筐体１０１との間に導電性結合が発生する。

このような断面構造のインバータ１００において、ノイズの伝搬経路を特定する方法として以下のような方法がある。例えば、基板１０３の電流解析では、磁界センサを用いて基板１０３の真上をスキャンすることで、基板１０３を流れるノイズ電流の分布を測定することができる。また、基板１０３と筐体１０１などの部品間を流れる電流の測定についても、ネジ電流プローブを用いることで測定が可能になる。これは、基板１０３と筐体１０１をつなぐネジを取り巻くようにコイル状配線を微小基板上に作成し、ネジを流れる電流を測定するという技術である。また、筐体１０１の表面の高感度磁界センサにて電流分布を測定する技術も３ＧＨｚの定在波が測定できる。

これらの計測技術により、実装状態に大きく依存する製品固有のノイズ電流の伝搬経路を特定することができる。次に、この特定されたノイズ電流の伝搬経路を、後述するように要素ごとの等価モデルを結合して等価回路化を行う。

＜要素ごとの等価モデル＞
図７は、本実施の形態において、要素ごとの等価モデルを説明するための図である。

ノイズ電流の伝搬経路を等価回路化するに際し、図６に示すように特定された寄生成分あるいはノイズ経路は、図７に示すように、その部位ごとに等価回路化される。例えば、パワーモジュール１０４であれば、要素Ｓ（ノイズ源）としてインピーダンスを有する電流源で等価表現する。また、制御ケーブル１１１と大電力を伝搬するバスバー１０５間は、要素Ｐ１（電流による容量性結合）としてキャパシタで等価表現する。また、基板１０３とグランド板間は、要素Ｐ２（電流による誘導性結合）としてインダクタで等価表現する。また、基板１０３と筐体１０１間のネジならば、要素Ｐ３（ネジを通じて流れる電流による導電性結合）として抵抗で等価表現する。そして、制御ケーブル１１１ならば、要素Ａ（ノイズ電流によるアンテナ）としてアンテナの放射効率であるアンテナ効率を従属電源で表現する。

以上により、各ノイズ経路や部位を等価回路化することができる。次に、要素ごとの等価回路を結合することで、後述するような１つのひな型等価回路が得られる。

＜インバータのひな型等価回路＞
図８は、本実施の形態において、インバータのひな型等価回路を説明するための図である。

前述した図７に示した要素ごとの等価回路を結合することで、図８に示すように、１つのひな型等価回路が得られる。例えば、パワーモジュール１０４の部分は、インピーダンスを有する電流源で表すことができる。バスバー１０５の部分は、インダクタで表すことができる。モータ１７０の部分は、インダクタとキャパシタで表すことができる。制御ケーブル１１１は、アンテナ係数（電源）と放射電界（Ｅ）の空間インピーダンスで表すことができる。また、制御ケーブル１１１とバスバー１０５の間は、容量性結合によるキャパシタ２０１で表すことができる。基板１０３とグランド板の間は、誘導性結合によるインダクタ２０２で表すことができる。基板１０３と筐体１０１の間は、導電性結合による抵抗２０３で表すことができる。実際のインバータ１００からモータへは３相交流で電力供給されているが、ひな型等価回路は３相交流を示す回路網で記述しても良い。

このように、インバータ１００のＥＭＣメカニズムをひな型等価回路で表すことができる。次に、この得られたひな型等価回路について、後述するように回路定数データベース化を行う。

＜回路定数データベースの作成＞
図９は、本実施の形態において、回路定数データベースの作成を説明するための図である。

ひな型等価回路を回路定数データベース化するに際し、この等価回路の定数は部品の位置や部品間の寸法で変化する。そこで、例えば図９に示すように、制御ケーブル１１１とバスバー１０５間の寄生容量Ｃの算出の場合、まず、断面構造において、制御ケーブル１１１とバスバー１０５の距離ｈやバスバー１０５の幅ｗといった実装可能な範囲を求める。この実装可能な範囲内で、結合容量の解析式や２次元の電磁界解析などを用いて定数を算出する。その定数の値は、制御ケーブル１１１とバスバー１０５の位置に対しての値を持つので、Ｃとｈとｗの関係を実装構造に対するデータベースとすることができる。

同様に、基板１０３とグランド板間の誘導性結合、基板１０３と筐体１０１間の導電性結合についても、各構造の寸法に対応したデータベースを作成することができる。

この回路定数データベースを用いて回路解析をすることで、ＥＭＣを解析することができる。

＜ＥＭＣ設計装置の入力インタフェース＞
図１０は、本実施の形態において、ＥＭＣ設計装置の入力インタフェースを説明するための図である。

前述したように、製品のノイズ伝搬経路に対するひな型等価回路を作成し、回路定数データベースを作成する。それ以降は、実装可能範囲の寸法情報を入力することで、回路定数の自動引用と等価回路作成と回路解析、及び出力表示としての放射ノイズの電界強度を計算することができるようになる。

このＥＭＣ設計装置の入力インタフェースには、図１０に示すような入力画面がある。例えば、ユーザによりノイズ源情報を入力するノイズ源情報入力部には、パワーモジュール波形情報として、スルーレート、高圧バッテリ電圧、サージ電圧、スイッチング周波数、最大電流の各入力項目がある。また、構造の寸法を入力する構造の寸法入力部（伝搬経路・放射部位）には、バスバー構造（パワーモジュールＰＭ１）として、区間１と区間２のそれぞれに、バスバー長さ、バスバー幅、Ｐ−Ｎ間距離、制御ケーブルとの距離の各入力項目がある。

このような入力画面から、ノイズ波形の立ち上がり及び立ち下がり時間や最大電流値や制御ケーブルやバスバーなどの寸法制約情報などを入力する。この入力インタフェースを用いることで、１構造当たり数分のオーダで高速にＥＭＣの電界強度を計算することができる。

＜効果＞
以上説明したように、本実施の形態によれば、ユーザが定義した電気エネルギーの伝搬の主経路に基づいて、放射電界を回路解析により求めて製品の各部位をＥ＝ＳＰＡの各４つに分類し、この分類に従ったひな型等価回路化を行い、入力形状に依存した回路定数のデータベース化を行い、入力形状により放射電界の計算を行うことにより、ＥＭＣ解析が短時間で可能となる。よって、短時間にＥＭＣ解析を行うことで、多数の構造案のＥＭＣを評価できる。

さらに、ＥＭＣ解析に加えて、熱解析、振動解析を行う場合には、同じ構造であるので、新たな入力が不要になるという効果が得られる。

この結果、製品設計の上流段階で、熱、振動、ＥＭＣのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、電気装置のノイズ解析設計技術に関し、特に、自動車用インバータなどのＥＭＣノイズ解析設計方法に利用可能である。

１００…インバータ、１０１…筐体、１０２…ＬＳＩ、１０３…基板、１０４…パワーモジュール、１０５…バスバー、１１０…モータケーブル、１１１…制御ケーブル、１１２，１１３…開口部、
１５０…電池、１６０…タイヤ、１７０…モータ、１８０…ＥＣＵ、
２０１…キャパシタ、２０２…インダクタ、２０３…抵抗。

Claims (5)

1. 電気装置のノイズ解析設計方法において、
   電気装置の指定された電気エネルギーの伝搬の主経路を、部位に分割するステップと、
   前記分割された各部位を、要素に分類するステップと、
   前記分類に基づいて、前記各部位の等価回路を作成するステップと、
   前記等価回路の回路定数を算出し、回路定数データベースを作成するステップと、
   入力された解析対象の電気装置の情報と、前記回路定数データベースとに基づいて、電界強度を算出するステップとを、計算機が行い、
   前記電気エネルギーの伝搬の主経路の部位は、導体で接続されていない部位間の容量性結合または誘電性結合により結合される経路を含むことを特徴とするノイズ解析設計方法。
2. 請求項１において、
   前記等価回路を組み合わせて、前記電気装置のひな型等価回路を作成するステップを含み、
   前記回路定数データベースを作成するステップは、前記ひな型等価回路の回路定数を算出することにより行うことを特徴とするノイズ解析設計方法。
3. 請求項１または２において、
   前記要素は、ノイズ源、伝搬経路及びアンテナを含むことを特徴とするノイズ解析設計方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記解析対象の電気装置の情報は、ノイズ源の情報と、前記各部位の寸法の情報とを含むことを特徴とするノイズ解析設計方法。
5. 電気装置のノイズを解析するノイズ解析設計装置において、
   電気装置の電気エネルギー伝搬の経路が部位ごとに等価回路化され、その要素及び回路定数を含む等価回路のデータを格納した回路定数データベースを有する記憶手段と、
   入力された解析対象の電気装置の情報と、前記回路定数データベースとに基づいて、前記電気装置の電気エネルギー伝搬の経路が発生する電界強度を算出する演算手段とを備え、
   前記電気エネルギーの伝搬の主経路の部位は、導体で接続されていない部位間の容量性結合または誘電性結合により結合される経路を含むことを特徴とするノイズ解析設計装置。