JP5353522B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

スイッチングモジュールのスイッチング制御により直流を交流に変換して外部抵抗に電力を供給する電力変換装置において、電流容量が大きい場合にスイッチングモジュールを直流電源に対して並列に接続し、各スイッチングモジュールに加わる負荷を低減する手法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−５０６９８

この特許文献１に記載される従来技術では、並列に接続された各スイッチングモジュールの間に同一静電容量のコンデンサを配置してリプル電流を発生させ、電流の脈動を低減する構成としている。

上記構成において、この電流の脈動を低減させるために必要な静電容量を確保するために複数のコンデンサを並列に接続する場合を考える。

この場合、スイッチング位相が同一に制御される各スイッチングモジュールとコンデンサとで構成される複数の各閉ループ回路に通流する電流量が電流通流方向毎に異なると、コンデンサを通流する電流量により定まるコンデンサに発生する電位差は、コンデンサ毎に異なることになる。すると、この電位差によりコンデンサ間で構成される閉ループ回路における電流の授受により循環電流が発生する。そして、このコンデンサ間で構成される閉ループ回路の持つ共振周波数に基づいて電流が共振する。そして、この電流の共振によりノイズが生じる。

本件は、上記に鑑み発明されたもので、コンデンサ間で構成される閉ループ回路で授受される循環電流を抑制することでこの電流に起因するノイズの抑制を図る電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、スイッチング動作により電流の通流可否および通流方向を切り替える複数のスイッチングモジュールと、この複数のスイッチングモジュールのスイッチング動作の位相を制御するスイッチング制御手段と、スイッチング動作によって通流する電流の高周波振動を抑制するそれぞれ略同一の静電容量を有する複数のコンデンサと、抵抗および自己インダクタンスが全長にわたって略同一となって外部直流電源と接続される正極側導電体および負極側導電体とを有する。そして、正極側導電体および負極側導電体との間で複数のスイッチングモジュールと複数のコンデンサとを並列に接続すると共に、複数のスイッチングモジュールのそれぞれが外部抵抗に接続する。また、スイッチング制御手段は、複数のスイッチングモジュールのうち少なくとも２つのスイッチングモジュールのスイッチング位相を同一に制御することで、外部直流電源からの直流電流を交流電流に変換して外部抵抗に供給する。

この電力変換装置は、正極側導電体および負極側導電体は環状であるとともに、それぞれ前記外部電源と接続される電源接続点を有し、複数のスイッチングモジュールを接続する複数のスイッチングモジュール接続点を、正極側導電体上および負極側導電体上にそれぞれ等間隔に配する。また、各スイッチングモジュール接続点間のそれぞれに同一数ずつ等間隔に複数のコンデンサを接続する複数のコンデンサ接続点を配する。さらに、スイッチング位相を同一に制御する前記少なくとも２つのスイッチングモジュールが接続された前記スイッチングモジュール接続点は、それぞれ等間隔であることにその特徴がある。

上記構成では、本電力変換装置に構成されるスイッチング制御手段により少なくとも２のスイッチングモジュールが同一位相でスイッチング位相制御される。さらに、上記構成により、これらスイッチングモジュールのそれぞれがコンデンサ側に供給する電流が通流する回路の合成コンデンサ容量および正極側・負極側導電体の抵抗および自己インダクタンスが略同一となる。そのため、これらスイッチングモジュールのそれぞれがコンデンサ側に供給する電流が通流する回路インピーダンスが略同一となるため、電流量は電流通流方向毎に略同一となる。したがって、少なくとも２のスイッチングモジュールが供給する電流によりコンデンサに発生する電位差の差を略０とすることができ、並列に接続されているコンデンサ間で構成される閉ループ回路を通流する循環電流を略０とすることができる。その結果、この循環電流に起因して生じるノイズを抑制することができる。

第一の実施形態の３相交流同期モータ全体を示す図 第一の実施形態の３相交流同期モータのロータ部を示す図 第一の実施形態の３相交流同期モータのステータ部を示す図 第一の実施形態の３相交流同期モータのＡ−Ａ断面を示す図 第一の実施形態のインバータ回路構成図 第一の実施形態のインバータ回路の効果説明図１ 第一の実施形態のインバータ回路の効果説明図２

−第一の実施形態−
図１は、本実施の形態におけるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相で出力が制御される交流同期モータとしての３相交流同期モータ１０を示す図である。この３相交流同期モータ１０は、電気自動車の駆動方式の一つとして提案されているインホイールモータとして用いられるものである。

この３相交流同期モータ１０は、ロータ部１１とステータ部１２を有し、ステータ部１２は、３相交流同期モータ１０を制御する電力変換装置としてのインバータと一体になっている。インバータは、ステータ部１１に有する電磁要素である外部抵抗としてのコイルをＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相で制御する。このコイル２２とロータ部１２に有する永久磁石とを対峙させて配置し、これらコイル２２とロータ部１２の相互作用により、ロータ１２に回転力を発生させる。

図２は、図１に示す３相交流同期モータ１０のロータ部１１を説明する図である。ロータ部１１は、回転力を出力するモータ回転軸１３と、このモータ回転軸１３と一体となっている円板状のマグネットホルダー１４とを有し、マグネットホルダー１４の外周側で円周方向に永久磁石１５が等間隔に２４個保持されている。永久磁石１５は、円周方向に隣り合う永久磁石１５同士でマグネットホルダー１４の径方向の磁極が互いに異なるように配置される。

図３は、図１に示す３相交流同期モータ１０のステータ部１２を説明する図である。ステータ部１２には、モータ回転軸方向端面にスイッチングモジュール２が放射状に配置される。このスイッチングモジュール２は、３相交流同期モータ１０を制御するインバータの構成要素であり、Ｕ相でスイッチング位相制御されるスイッチングモジュール，Ｖ相でスイッチング位相制御されるスイッチングモジュール，Ｗ相でスイッチング位相制御されるスイッチングモジュールの各相５個ずつ合計１５個配置される。このスイッチングモジュール２をＵ相→Ｖ相→Ｗ相の配列順序を冷却器１６の円周方向に繰り返して放射状に配置されている。

各スイッチングモジュール２は、一対のスイッチング素子を直列に接続することにより構成される。この各スイッチングモジュール２の一対のスイッチング素子同士の接続部には、ＡＣ端子２１が接続されている。このＡＣ端子２１は、３相交流同期モータ１０の電磁要素である外部抵抗としてのコイル２２の一方端と接続される。このコイル２２は、Ｕ相→Ｖ相→Ｗ相の配列順序をモータ円周方向に繰り返すことで各位相５個ずつ合計１５個配置されている。また、コイル２２の他端は、３相交流同期モータ１０の中性点で互いに接続されている。

正極側導電体としての正極側電極部材１８および負極側導電体としての負極側電極部材１９は、円周方向に等間隔に配置されたスイッチングモジュール接続点としてのスイッチングモジュール接続端子１８ａおよび１９ａおよびコンデンサ接続点としてのコンデンサ接続端子１８ｂ（不図示）および１９ｂ（不図示）をそれぞれ有し、この各接続端子は、各スイッチングモジュール２あるいは各コンデンサ３と各々接続する。

各スイッチングモジュール２の一方端部は正極側電極部材１８のスイッチングモジュール接続端子１８ａと、他端部は負極側電極部材１９のスイッチングモジュール接続端子１９ａと、それぞれ接続されている。また、隣り合うスイッチングモジュール２の各間にはコンデンサ３を２個ずつ配し、一方端部を正極側電極部材１８のコンデンサ接続端子１８ｂと接続し、負極側接続部間においても、他端部を負極側電極部材１９のコンデンサ接続端子１９ｂと接続する。正極側電極部材１８と負極側電極部材１９は各々電源接続点としての電源接続部１８ｃおよび１９ｃで外部直流電源８の正極，負極と接続される。

また、３相交流同期モータ１０の外部には、スイッチング制御手段としてのスイッチングモジュール駆動用の駆動基板が配置されている。同じ位相のコイル２２に接続されるスイッチングモジュール２は、このスイッチングモジュール駆動用の駆動基板の指令に基づき、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相毎に同期してスイッチング動作する。

図４は、図３のＡ−Ａ部の断面を示したものである。スイッチングモジュール２の上面には、円環状の正極側電極部材１８と絶縁層を介してモータ回転軸方向から見て円環状の負極側導電体としての負極側電極部材１９とが積層されて配置され、さらにその上面に同一静電容量のコンデンサ３がモータ円周方向に放射状に３０個配置されている。このコンデンサ３は電流の脈動を低減するリプルコンデンサである。このコンデンサ３は絶縁体を介して複数の積層セラミックコンデンサを積層している。

このインホイールモータとともに用いられるインバータのリプルコンデンサは、このインバータに要求される大きな電流容量のために、その通流電流に応じて発生する電流の脈動を抑えるために大きな静電容量であることが求められる。

また、冷却器１６内部には冷媒が流れ、スイッチングモジュール２を冷却する。

本実施形態におけるインバータ３０の回路構成を図５を用いて説明する。図５において、外部直流電源８から、インバータ３０を介して３相交流同期モータ１０内部のコイル２２に電力が供給される。尚、図３の説明において不図示であった正極側電極部材１８のコンデンサ接続端子１８ｂおよび負極側電極部材１９のコンデンサ接続端子１９ｂを図５にて示している。

本実施形態の構成によりインバータ３０で発生する放射ノイズの発生を低減できる。以下に、その理由を図６及び図７の一般的な回路図を用いて説明する。

図６は、直流電源４６と接続した正極側電極部材４４および負極側電極部材４５間に接続した２個の同一静電容量のコンデンサ４１，４２間に並列に１個のスイッチングモジュール４３を接続した回路４０を示している。尚、本回路に構成されるコンデンサは同一の静電容量を有する。スイッチングモジュール４３から出力されて正極側電極部材４４に供給される電流は、図６で示す矢印ＩａおよびＩｂの互いに異なる方向に通流し、回路を通流後、スイッチングモジュール４３に戻る。

このとき、電流ＩａおよびＩｂの大きさは、下記式で算出できる。
（数１）Ｉａ＝Ｖ／Ｚａ
（数２）Ｉｂ＝Ｖ／Ｚｂ
Ｖ：スイッチング素子６供給電圧 Ｚａ：スイッチングモジュール４３からみた電流Ｉａが通流する回路の総インピーダンス Ｚｂ：スイッチングモジュール４３からみた電流Ｉｂが通流する回路の総インピーダンス

また、コンデンサで発生する電位差Ｖは、下記式で算出できる。
（数３）Ｖ＝Ｉｔ／Ｃ
Ｉ：コンデンサ電流 ｔ：時間 Ｃ：コンデンサ静電容量

数３より、コンデンサ静電容量が同じ場合には、コンデンサに発生する電位差は、コンデンサ電流の大きさに比例することがわかる。したがって、ここでＩａ＜Ｉｂとなる場合、コンデンサ４１に発生する電位差がコンデンサ４２に発生する電位差に対して大きくなる。この２個のコンデンサにおける電位差の違いに起因して、コンデンサ４１とコンデンサ４２間での電流の授受が生じる。コンデンサ４１およびコンデンサ４２間で構成される閉ループ回路のインダクタンスＬおよびコンデンサ静電容量Ｃにより、下記式であらわされる共振周波数で電流の授受がなされる。
（数４）ｆ＝１／(２π（ＬＣ）^{^1/2})
この共振電流により放射ノイズが生じる。

したがって、この共振電流を生じさせないためには、Ｉａ＝Ｉｂの関係とする必要がある。そのためには、数１および数２より、Ｚａ＝Ｚｂの関係とする必要がある。

図７は、図６で示した回路４０の構成に対して、構成要素を追加した回路５０を示している。コンデンサ４２のスイッチングモジュール４３の反対側にスイッチングモジュール４３と同一位相でスイッチング制御されるスイッチングモジュール５１を配置し、正極側電極部材４４および負極側電極部材４５間で並列に接続する。また、コンデンサ４１のスイッチングモジュール４３の反対側からＩａと同じ大きさの電流Ｉｚが供給されている。尚、図６で説明した内容と重複する内容については、説明を省略する。

スイッチングモジュール５１から出力された電流は、矢印Ｉｅ方向に通流し、コンデンサ４２を経由して再度スイッチングモジュール５１に戻る。

ここでコンデンサ４１に通流する電流Ｉ_４１の大きさよび、コンデンサ４２に通流する電流Ｉ_４２の大きさは、下記式で算出できる。
（数５）Ｉ_４１＝Ｉｂ＋Ｉｚ＝２＊Ｉａ
（Ｉｂ＝ＩａおよびＩｚ＝Ｉａであるため。）
（数６）Ｉ_４２＝Ｉａ＋Ｉｅ
したがって、Ｉａ＜Ｉｅとなる場合、Ｉ_４１に対してＩ_４２が大きくなるため、数３より、コンデンサ４１に発生する電位差に対してコンデンサ４２に発生する電位差が大きくなることがわかる。このコンデンサ間の電位差の違いにより、コンデンサ４１とコンデンサ４２間での共振電流の授受が生じる。

したがって、この共振電流を生じさせないためには、Ｉａ＝Ｉｅの関係とする必要がある。そのためには、スイッチングモジュール４３からみた電流Ｉａが通流する回路の総インピーダンス：Ｚａ＝スイッチングモジュール５１からみた電流Ｉｅが通流する回路の総インピーダンス：Ｚｅの関係とする必要がある。

以上より、同一のスイッチング位相で制御される複数のスイッチングモジュールから供給される電流の通流方向ごとの回路インピーダンスは、同一のスイッチング位相で制御される各スイッチングモジュールから見て同一であれば、コンデンサ間で授受される電流を低減することができる。そのため、この電流に起因した放射ノイズの発生を低減することができる。

ところで、回路のインピーダンスＺは、
（数７）Ｚ＝(Ｒ²＋（ωＬ）²)^{^1/2}
Ｒ：回路抵抗[Ω] ω：スイッチングモジュールスイッチング周波数［Ｈｚ］ Ｌ：回路インダクタンス［Ω］
で算出される。

ここで、図５で示した本実施形態におけるインバータ３０の回路構成に着目する。インバータ３０の回路の同一位相で制御される各スイッチングモジュールからみて、各スイッチングモジュールと接続される複数のコンデンサとの回路による結合関係は、各スイッチングモジュールが供給する電流通流方向ごとに同一である。したがって、各スイッチングモジュールが供給した電流が通流する方向毎の回路の合成抵抗Ｒおよび合成自己インダクタンスＬが同一であるため、この回路のインピーダンスは、数７より同一値をとることが分かる。そのため、同一位相間での電流干渉に起因したコンデンサ間での電流のやりとりがなくなり、この電流のやりとりに起因して生じる放射ノイズの発生を抑制することで、コンデンサ間で授受される電流共振による放射ノイズの発生を低減できる。

上記構成により、本電力変換装置に構成されるスイッチング制御手段により同一位相でスイッチング位相が制御される各スイッチングモジュールが供給するコンデンサに通流する電流通流方向毎の回路の合成抵抗Ｒおよび合成自己インダクタンスＬを同一として、方向毎の回路インピーダンスを同じとした。インピーダンスを同一としたことで、同一位相でスイッチング位相が制御される各スイッチングモジュールが供給する電流による干渉に起因したコンデンサ３間での電流のやりとりがなくなる。そのため、この電流のやりとりに起因して生じる放射ノイズの発生を抑制できる。

さらに、本実施形態により、スイッチングモジュール２は、モータ１０の円周方向にＵ相→Ｖ相→Ｗ相の順序を繰り返して正極側電極部材１８および負極側電極部材１９に等間隔に接続した。さらに、各スイッチングモジュール２間で正極側電極部材１８および負極側電極部材１９のモータ１０円周方向に等間隔で同一の静電容量のコンデンサ３を２個ずつ接続した。そのため、同一位相に制御されるスイッチングモジュールから見た互いに異なる方向の回路のインピーダンスは同一となる。そのため、この電流のやりとりに起因して生じる放射ノイズの発生を抑制することで、コンデンサ間で授受される電流共振による放射ノイズの発生を低減できる。

さらに、本実施の形態により、インバータ３０の構成要素であるコンデンサ３を３相交流同期モータ１０と一体とし、ステータ１２端面に配置した。そのため、発生するノイズを低減させつつ、インバータ３０の構成要素であるコンデンサ３と３相交流同期モータ１０とを一体とした小型なモータを提供することができる。

尚、インバータ３０の構成要素であるコンデンサ３をステータ１２端部に配置しているため、コンデンサ３の冷却効率を向上させることができることも、付随的な効果である。

さらに、本実施の形態により、スイッチングモジュール２を３相交流同期モータ１０と一体とし、ステータ１２端面に配置した。そのため、発生するノイズを低減させつつ、３相交流同期モータ１０とインバータ３０の構成要素であるスイッチングモジュール２とを一体とした小型なモータを提供することができる。

尚、インバータ３０の構成要素であるスイッチングモジュール２をステータ１２端部に配置しているため、スイッチングモジュール２の冷却効率を向上させることができることも、付随的な効果である。

尚、図６および図７において説明したように、各スイッチングモジュールが供給した電流が通流する方向毎の回路インピーダンスが同一であれば上記記載の効果を奏する。したがって、インバータ３０に構成されるコンデンサの数やスイッチングモジュールの数は、図６に記載の数に限定されることなく同様の効果を奏する。

また、本実施形態において正極側電極部材１８および負極側電極部材１９は、円環状であるものとして説明したが、必ずしも円形状に限定されるものではなく、他の形状であっても環状のものであれば同様の効果を奏する。

また、本実施形態では、スイッチングモジュールの数がコンデンサの数に対して少ない電力変換装置について述べたが、スイッチングモジュールの数がコンデンサの数に対して多い場合にも同様の効果を奏する。

さらに、この電力変換装置は、インホイールモータとともに用いられるものに限定されず、あらゆる用途の電力変換装置において同様の効果を奏する。また、この電力変換装置の位相数は必ずしも３相に限定されず、あらゆる位相数の電力変換装置においても同様の効果を奏する。

２，４３，５１…スイッチングモジュール
３，４１，４２…コンデンサ
７…スイッチング制御手段
８…外部直流電源
１８，４４…正極側電極部材（正極側導電体）
１９，４５…負極側電極部材（負極側導電体）
１８ａ…正極側電極部材のスイッチングモジュール接続部（スイッチングモジュール接続点）
１８ｂ…正極側電極部材のコンデンサ接続部（コンデンサ接続点）
１８ｃ…正極側電極部材（正極側導電体）の電源接続部（電源接続点）
１９ａ…負極側電極部材のスイッチングモジュール接続部（スイッチングモジュール接続点）
１９ｂ…負極側電極部材のコンデンサ接続部（コンデンサ接続点）
１９ｃ…負極側電極部材（負極側導電体）の電源接続部（電源接続点）
２２…コイル（外部抵抗）
３０…インバータ（電力変換装置）

Claims (1)

1. スイッチング動作により電流の通流可否および通流方向を制御する複数のスイッチングモジュールと、
   当該複数のスイッチングモジュールのスイッチング動作の位相を制御するスイッチング制御手段と、
   スイッチング動作によって通流する電流の高周波振動を抑制するそれぞれ略同一の静電容量を有する複数のコンデンサと、
   抵抗および自己インダクタンスが全長にわたって略同一となり、外部直流電源と接続される正極側導電体および負極側導電体と、を有し、
   前記正極側導電体および前記負極側導電体との間で前記複数のスイッチングモジュールと前記複数のコンデンサとを並列に接続すると共に、前記複数のスイッチングモジュールのそれぞれが外部抵抗に接続し、
   前記スイッチング制御手段は、前記複数のスイッチングモジュールのうち少なくとも２つのスイッチングモジュールのスイッチング位相を同一に制御することで、外部直流電源からの直流電流を交流電流に変換して前記外部抵抗に供給する電力変換装置において、
   前記正極側導電体および前記負極側導電体は環状であるとともに、それぞれ前記外部電源と接続される電源接続点を有し、
   前記複数のスイッチングモジュールを接続する複数のスイッチングモジュール接続点を、前記正極側導電体上および前記負極側導電体上にそれぞれ等間隔に配し、
   さらに各前記スイッチングモジュール接続点間のそれぞれに同一数ずつ等間隔に前記複数のコンデンサを接続する複数のコンデンサ接続点を配し、
   スイッチング位相を同一に制御する前記少なくとも２つのスイッチングモジュールが接続された前記スイッチングモジュール接続点は、それぞれ等間隔である、
   電力変換装置。