JP2013093947A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーブルから放射されるノイズを低減可能な電力変換装置を得ること。
【解決手段】本発明にかかる電力変換装置は、三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１１と、整流回路１１の出力端にケーブル９を介して一端が接続されたＤＣリアクトル５と、ＤＣリアクトル５の他端にケーブル９を介して接続され、直流電圧を平滑する平滑回路１２と、平滑回路１２から出力された直流電圧をスイッチング制御により負荷駆動用の三相交流電圧に変換するスイッチング回路１３と、を備え、ケーブル９を束ねて囲むようにコア６を装着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機などの負荷を駆動するための電力を生成する電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された車両用電力変換装置は、フィルタコンデンサや三相ブリッジ回路などを備え、直流電力を負荷駆動用の三相交流電力に変換する。フィルタコンデンサおよび三相ブリッジ回路はユニット化されており、その前段にはユニットへの入力電流を平滑化するためのリアクトルが設けられている。また、ユニット内の入力側および出力側にコアを設けてノイズの低減を図っている。

特開２００４−１８７３６８号公報

製品として販売される電力変換装置には、力率改善を目的とするＤＣリアクトル、すなわち、電力変換を行う回路への入力電流を平滑化するためのリアクトルが設けられていないものを基本構成とし、接続される負荷の仕様などに応じてＤＣリアクトルを追加できるように構成されたものが存在する。このような構成では、追加でＤＣリアクトルを取り付ける場合、基板に直接取り付けるのではなく、ケーブルなどを介して取り付ける（接続する）構成となっている。また、ＤＣリアクトルが標準で取り付けられている構成の場合でも、基板や部品、筐体などを共通化する目的やＤＣリアクトルの交換を可能化する目的などにより、ケーブルなどを介してＤＣリアクトルを取り付ける構成が一般的となっている。しかし、ＤＣリアクトルをケーブル接続する構成とした場合にはケーブルがアンテナとして働き、ノイズが放射されるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、力率改善のためのＤＣリアクトルが接続されているケーブルから放射されるノイズを低減可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路の出力端に第１のケーブルを介して一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端に第２のケーブルを介して接続され、直流電圧を平滑する平滑回路と、前記平滑回路から出力された直流電圧をスイッチング制御により負荷駆動用の三相交流電圧に変換するスイッチング回路と、を備え、前記第１のケーブルおよび前記第２のケーブルを束ねて囲むようにコアを装着したことを特徴とする。

本発明によれば、リアクトルの接続ケーブルから放射されるコモンモードノイズを効率的に抑制できるとともに、機器の小型化を実現できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の電力変換装置の要部構成を示す図である。 図２は、電力変換装置の回路構成例を示す図である。 図３は、電力変換装置の全体の外観を示す図である。 図４は、コアの周波数特性の一例を示す図である。 図５は、実施の形態２の電力変換装置の要部構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の電力変換装置の要部構成を示す図である。この電力変換装置は、外部の電源から供給される三相交流電圧を変換して外部の負荷が必要とする電圧を生成するものである。図２は、電力変換装置の回路構成例を示す図であり、外部の電源（商用電源）および負荷（モータ）も併せて記載している。なお、図１および図２において、同じ構成要素には同じ符号を付している。

本実施の形態の電力変換装置は、商用電源から供給された三相交流電圧を変換して負荷に対する供給電圧を生成する電力変換回路１と、ケーブル７を介して商用電源が接続される電源入力導体２と、ケーブル８を介してモータ等の負荷が接続される電圧出力導体３と、ケーブル９を介してＤＣリアクトル５が接続されるＤＣリアクトル接続導体４ａおよび４ｂと、ＤＣリアクトル５と、ＤＣリアクトル５のケーブル９に装着された、放射ノイズを低減するためのコア６と、を備えている。コア６は、フェライトなどで構成されている。また、電力変換回路１は、商用電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１１と、整流回路１１によって変換された直流電圧を平滑する平滑回路１２と、平滑後の直流電圧をスイッチング制御により三相交流電圧に変換して負荷へ供給するスイッチング回路１３と、を備えている。

スイッチング回路１３は、複数のスイッチング素子を備えて構成されている（図２参照）。スイッチング素子は、例えばＳｉトランジスタである。また、よりバンドギャップが大きい半導体、具体的には、炭化珪素（ＳｉＣ：Silicon Carbide）や窒化ガリウム（ＧａＮ：Gallium Nitride）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いてスイッチング素子を形成してもよい。

ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また、電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

上記の各導体のうち、電源入力導体２は整流回路１１に接続されている。電圧出力導体３は、スイッチング回路１３に接続されている。ＤＣリアクトル接続導体４ａは整流回路１１の正極側（正極側出力端）に接続されている。ＤＣリアクトル接続導体４ｂは平滑コンデンサである平滑回路１２の正極側に接続されている。

図３は、電力変換装置の全体の外観を示す図であり、ＤＣリアクトル５、コア６およびケーブル７〜９の接続関係を示している。図１〜図３に示したように、本実施の形態の電力変換装置は、ＤＣリアクトル５の両端に接続されている２本のケーブル９を束ね、そこにコア６を装着している。具体的には、２本のケーブルを取り囲むようにコア６を装着している。電力変換装置が動作するとこれらの２本のケーブル９には逆方向の電流が流れるため、互いに磁束を打ち消し合うこととなる。なお、以降の説明においては、便宜上、この装着方法を「コモンモード接続」と呼ぶ。上述したように、コア６をコモンモード接続した場合には磁束を打ち消しあうように作用するので、ケーブルに対してコアを個別に装着する場合（以降、この接続方法を「ノーマルモード接続」と呼ぶ）と比較して、小型のコアを使用可能となる。すなわち、ノーマルモード接続を行う場合と比較してより小型のコアで同様のノイズ抑制効果を実現でき、機器の小型化が可能となる。

図４は、コア６の周波数特性の一例を示す図である。図示した特性のコアをコア６として使用する場合、３０ＭＨｚにおけるインピーダンスが７０Ω以上となっており、放射ノイズが問題となる３０ＭＨｚ以上の範囲において十分なインピーダンス（５０Ω以上）が確保される。この結果、放射ノイズが抑制される。

このように、本実施の形態の電力変換装置は、ＤＣリアクトルの両端に接続されているケーブルを束ね、そこにコアを装着する構成（コモンモード接続）とした。これにより、ケーブルから放射されるコモンモードノイズを抑制できる。また、ケーブルを束ねずにコアを装着した場合（ノーマルモード接続の場合）と比較して、磁気飽和を回避しつつより多くの電流を流すことが可能となる。すなわち、同様のノイズ抑制効果を実現したい場合に、ノーマルモード接続でコアを装着する場合と比較してより小体積のコアが使用可能となるので、効率的にノイズを抑制できるとともに、機器の小型化を実現できる。

なお、ＤＣリアクトルは整流回路１１および平滑回路１２の正極側に接続することとしたが、負極側に接続する構成としてもよい。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２の電力変換装置の要部構成を示す図である。図示したように、本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置に対してコア１０を追加したものである。その他の部分については実施の形態１と同様であるため説明は省略する。

ケーブル７およびケーブル８には、３本のケーブルを取り囲むようにコア１０が装着されている。コア１０は、各ケーブルに同一方向の電流が流れる通常の接続方法（上述したノーマルモード接続に相当）でケーブル７および８にそれぞれ装着されており、ケーブル７および８から放射されるノイズ（ノーマルモードノイズ）を抑制する。ケーブル７および８のいずれか一方のみにコア１０を装着するようにしてもよい。

このように、本実施の形態の電力変換装置は、ＤＣリアクトル接続用ケーブルに加えて、電源接続用ケーブルおよび負荷接続用ケーブルの少なくとも一方に対して、ノーマルモードノイズを抑制するためのコアを装着することとした。これにより、ケーブルから放射されるノーマルモードノイズについても抑制できる。

以上のように、本発明は、ＤＣリアクトルの接続ケーブルから放射されるコモンモードノイズを小型のコアを用いて抑圧可能な電力変換装置として有用である。

１ 電力変換回路
２ 電源入力導体
３ 電圧出力導体
４ａ，４ｂ ＤＣリアクトル接続導体
５ ＤＣリアクトル
６，１０ コア
７，８，９ ケーブル
１１ 整流回路
１２ 平滑回路
１３ スイッチング回路

Claims (4)

1. 三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路の出力端に第１のケーブルを介して一端が接続されたリアクトルと、
   前記リアクトルの他端に第２のケーブルを介して接続され、直流電圧を平滑する平滑回路と、
   前記平滑回路から出力された直流電圧をスイッチング制御により負荷駆動用の三相交流電圧に変換するスイッチング回路と、
   を備え、
   前記第１のケーブルおよび前記第２のケーブルを束ねて囲むようにコアを装着したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記整流回路には交流電源を接続するためのケーブル群が接続され、かつ前記スイッチング回路には負荷を接続するためのケーブル群が接続され、当該交流電源を接続するためのケーブル群および負荷を接続するためのケーブル群の少なくとも一方にコアを装着したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記スイッチング回路は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウムまたはダイヤモンドであることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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