JP5721772B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換回路を有する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置において、電力変換回路であるインバータを構成する半導体素子のスイッチング動作に起因する電磁ノイズを防止するために、交流電力線に近接して配設された接続線により、インバータのフレームとそのインバータで駆動される交流機、例えば交流電動発電機のフレームとを接続する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００７−２５９５７８号公報

しかし、上記特許文献１に開示された接続方法における実際の配線レイアウトでは、交流電力線と半導体スイッチング回路部や交流電動発電機を搭載する金属シャーシとが近接し、交流電力線と上記接続線とを近接して配設する効果が十分に得られない場合がある。また、機器の低損失化、小型化のためにＳｉＣ（Silicon Carbide）、ＧａＮ（Gallium nitride）に代表されるワイドバンドギャップデバイスを高速・高周波数でスイッチング動作させる装置にあっては、従来のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用した装置よりノイズレベルが高くなるため、コモンモードチョークコイル等のフィルタ素子が大型になるという問題がある。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、電力変換回路と負荷との接続が容易で空間への不要電磁放射を小さくできる電力変換装置を得ることを目的とするものである。

この発明による電力変換装置は、半導体スイッチング素子を収納する導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、を備え、上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記負荷ケーブルの導電部と、上記回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたものである。

この発明による電力変換装置は、導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、を備え、上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記負荷ケーブルの導電部と、上記回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたので、
電力変換回路より発生したノイズ電流は負荷ケーブルから負荷を経て負荷フレームに流れ最もインピーダンスの低いフレーム接続線を通って電力変換回路の回路フレームへ帰還することになり、負荷ケーブルとフレーム接続線によるループの面積、すなわちノイズ電流のループを小さくすることができ、空間への不要電磁放射を抑制することができる。更に、負荷ケーブルの導電部と、回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたことにより、フレーム接続線を通って電力変換回路の回路フレームへ帰還するノイズ電流の漏れが少なくなり、空間への不要電磁放射をより抑制することができる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズ電流の流れを説明する図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の他の例を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置のノイズ電流の流れを説明する図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の他の例を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による電力変換装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による電力変換装置の他の例を示す構成図である。

以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。図１において、電力変換装置は、電力変換回路である半導体スイッチング回路部１と、バッテリ装置２と、バッテリ装置２と半導体スイッチング回路部１を接続する直流電力ケーブル３の正極側電力線及び負極側電力線３ａ、３ｂと、負荷ケーブルである三相電力ケーブル４と、コモンモードインダクタであるチョークコイル５とを備えている。なお、半導体スイッチング回路部１は、一対の直流側端子である正側端子及び負側端子１ａ、１ｂと半導体スイッチング回路部１のフレームであるシャーシ１ｃを有している。また、バッテリ装置２は、筐体２ａに収容された直流電源であるバッテリ２ｂを有している。

半導体スイッチング回路部１の正側端子及び負側端子１ａ、１ｂは、直流電力ケーブル３の正極側電力線３ａ及び負極側電力線３ｂにより、バッテリ２ｂの正極及び負極にそれぞれ接続されている。そして、半導体スイッチング回路部１の負側端子１ｂと後述する交流電動発電機６のフレーム６ａとを接続するフレーム接続線である敷設ケーブル７が三相電力ケーブル４に近接して配設されており、敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をチョークコイル５がクランプしている。実施の形態１による電力変換装置は上記のように構成されている。

交流電動発電機６は、図示しない巻線と導電性のフレーム６ａを有し、巻線は三相電力ケーブル４により、半導体スイッチング回路部１の図示しない交流側端子に接続されている。なお、図１において、符号８は、半導体スイッチング回路部１とバッテリ装置２、および交流電動発電機６を搭載する金属シャーシを示し、符号９ａはバッテリ装置２と金属シャーシ８間の浮遊容量を示し、符号９ｂは半導体スイッチング回路部１と金属シャーシ８間の浮遊容量を示している。

このような電力変換装置は、例えばパラレル方式のハイブリッド自動車に用いられ、交流電動発電機６は図示しないガソリンエンジンと直結されており、力行時は主としてガソリンエンジンにより車両を駆動し、必要に応じてバッテリ２ｂから供給される直流電力を半導体スイッチング回路部１により交流電力に変換して交流電動発電機６を駆動して車両を走行させる。また、制動時は交流電動発電機６により発電し、発生した交流電力を半導体スイッチング回路部１により直流電力に変換してバッテリ２ｂを充電する。

半導体スイッチング回路部１は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体素子により構成されるインバータ回路等からなるものである。このインバータ回路のスイッチング動作により高周波の電磁ノイズが発生し、三相電力ケーブル４を経由して、交流電動発電機６に流れ込む。交流電動発電機６に流れたノイズ電流は、交流電動発電機６の巻線とフレーム６ａ間の浮遊インピーダンスにより、フレーム６ａへ流れる。そしてノイズ電流は、フレーム６ａからノイズ発生源である半導体スイッチング回路部１へ最も低インピーダンスの経路を経て還流し帰還する。

ノイズ電流が金属シャーシ８を流れて半導体スイッチング回路部１に帰還するとノイズ電流が大きなループ経路を回ることとなり、これに応じて不要電磁放射の発生量も多くなる。しかし、図１に示す電力変換装置においては、交流電動発電機６のフレーム６ａと半導体スイッチング回路部１の大地電位側の直流側端子１ｂとを接続する敷設ケーブル７が、三相電力ケーブル４に近接して配置されており、敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をチョークコイル５がクランプしている。従って、チョークコイル５のインダクタンスは金属シャーシ８を流れるノイズ電流のみに対して現れる。よって、ノイズ電流は図２に示すように、最もインピーダンスの低い敷設ケーブル７を通って半導体スイッチング回路部１に帰還し、金属シャーシ８を流れるノイズ電流は小さくなり、その結果、空間への不要電磁放射を抑制できる。

以上のように、実施の形態１の電力変換装置によれば、敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をチョークコイル５でクランプし、敷設ケーブル７を三相電力ケーブル４に近接させて敷設することにより、電力変換回路である半導体スイッチング回路部１で直流を交流に変換するときのスイッチング手段である半導体開閉素子のスイッチング動作により発生するノイズ電流は、交流電力線である三相電力ケーブル４から交流電動発電機６の巻線を経てフレーム６ａに流れ、最もインピーダンスの低い接続線である敷設ケーブル７を通って半導体スイッチング回路部１の負側端子１ｂへ帰還することになり、三相電力ケーブル４と敷設ケーブル７によるループの面積、すなわちノイズ電流のループを小さくすることができ、空間への不要電磁放射を抑制することができる。

また、チョークコイル５が無い場合は、三相電力ケーブル４と金属シャーシ８が近接すると敷設ケーブル７を流れる場合のインピーダンスと金属シャーシ８を流れる場合のインピーダンスが近くなり、敷設ケーブル７の効果が薄れる場合があるが、チョークコイル５で敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をクランプすることにより、金属シャーシ８を流れるノイズ電流のみに対してインダクタンスを加算でき、敷設ケーブ７に流すノイズ電流を増やすことが出来、その結果、空間への不要電磁放射を信頼性高く抑制できる。

また、本実施の形態の三相電力ケーブル４は、敷設ケーブル７が三相電力ケーブル４の芯線を覆いシールド層となるシールド線であっても良い。シールド線とすることにより三相電力ケーブル４の芯線とシールド層間のインピーダンスが小さくなるので、チョークコイル５が無い場合でも敷設ケーブル７を通る電流が増え、放射ノイズを低減できるが、更にチョークコイル５で敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をクランプすることで、放射ノイズ低減効果がより大きくなるため、シールド線を用いる前に比べてチョークコイル５を小形化できる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による電力変換装置について説明する。図３は、実施の形態２による電力変換装置の構成図である。図３において、実施の形態２による電力変換装置は、三相電力ケーブル４と半導体スイッチング回路部１のシャーシ１ｃとがコンデンサ１０で接続されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態１による電力変換装置では、チョークコイル５により敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をクランプしている。しかし、敷設ケーブル７と三相電力ケーブル４をチョークコイル５でクランプしても、金属シャーシ８と敷設ケーブル７のインピーダンス比で決まるノイズ電流が依然として金属シャーシ８に流れる。

そこで、図３に示すように、三相電力ケーブル４と半導体スイッチング回路部１のシャーシ１ｃとの間にコンデンサ１０を設けることにより、金属シャーシ８に流れるノイズ電流をより小さくできる。これにより、放射ノイズ低減効果は実施の形態１による電力変換装置より大きくなり、コンデンサ１０を追加する前に比べてチョークコイル５も小形化できる。

図４は、実施の形態２による電力変換装置の他の例を示し、半導体スイッチング回路部１の内部にコンデンサ１０を付加した例である。なお、図４では一相のみ表示している。このようにすれば、よりノイズループが小さくなりノイズ低減効果を大きくすることができる。

また、図３、図４に示す電力変換装置はコンデンサ１０の一端を半導体スイッチング回路部１のシャーシ１ｃに接続した構成であるが、回路が実装されるプリント基板上にある、半導体スイッチング回路部１のシャーシ１ｃと同電位の銅箔パターン等の導電部でも良い。

また、本実施の形態で示すコンデンサ１０は特定の周波数に対して低インピーダンスとなる抵抗、インダクタンス、コンデンサによって構成されたバンドパスフィルタなどでも良い。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による電力変換装置について説明する。図５は、実施の形態３による電力変換装置の構成図である。図５において、実施の形態３による電力変換装置は、直流電力ケーブル３と半導体スイッチング回路部１のシャーシ１ｃとをコンデンサ１１で接続している。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。

図６は、実施の形態３による電力変換装置のノイズ電流の流れを説明する図である。図６に示すように、半導体スイッチング回路部１のスイッチング動作によって直流電力線３にはサージ電圧が誘起され、この電位変動がバッテリ装置２からバッテリ２ｂの浮遊容量９ａを通るノイズ電流を流す原因となる。コンデンサ１１を設けることで、直流電力ケーブル４を伝播するノイズループを小さくし、空間への不要電磁放射を抑制することができる。また、コンデンサ１１は半導体スイッチング回路部１に近接した位置とすることが望ましい。

図７は、実施の形態３による電力変換装置の他の例を示し、半導体スイッチング回路部１の内部にコンデンサ１１を付加した例である。なお、図７では一相のみ表示している。このようにすれば、よりノイズループが小さくなりノイズ低減効果を大きくすることができる。

また、図６、図７に示す電力変換装置はコンデンサ１１の一端を半導体スイッチング回路部１のシャーシ１ｃに接続した構成であるが、回路が実装されるプリント基板上にある、シャーシ１ｃと同電位の銅箔パターン等の導電部でも良い。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による電力変換装置について説明する。図８は、実施の形態４による電力変換装置の構成図である。図８において、半導体スイッチング回路部１と金属シャーシ８とは、両者を固定する固定用部材としての接地線１２で接続されており、接地線１２を第２のチョークコイル１３でクランプしている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態４による電力変換装置は、金属シャーシ８から半導体スイッチング回路部１を流れるノイズ電流経路に対し、第２のチョークコイル１３が接続されているので、チョークコイル５と同様の効果がある。また、異なる部位に分散してインピーダンスを配置できるので、チョークコイル１個当たりの体積が小さくなりレイアウトが容易になる。また、同じインダクタンス値を確保するとき、コア１個で構成する場合より複数個で構成する場合の方が、表面積が増加するので放熱も容易になる。

また、上記各実施の形態では直流電源にバッテリ２ｂを用いた例を示したが、直流電源はバッテリ２ｂに限られるものではなく、燃料電池等であってもよい。また、図９に示すように、三相交流電源を整流器１４で整流するなど、交流電源と交流直流変換回路を連結した構成であっても良い。また、直流電力ケーブル３ａ、３ｂと金属シャーシ８を直接接続しない例を示したが、直流電力ケーブル３ａ、３ｂのいずれかを直接金属シャーシ８に接続するものであっても良い。さらに、電力変換装置はパラレル方式のハイブリッド自動車に用いられるものに限らず、他の方式のハイブリッド自動車や、他の用途に用いられるものであっても同様の効果を奏する。

上記各実施の形態の電力変換装置は、商用交流電源をＡＣ／ＤＣ変換してリチウムイオン電池などの高圧バッテリを充電する車載充電器などであっても良い。また、電力変換回路は双方向ＤＣ／ＡＣコンバータの例を示したが、フライバックコンバータなどのＤＣ／ＤＣコンバータでも良い。

上記各実施の形態の電力変換装置では、電力変換回路を構成するスイッチング素子については特定しなかったが、ＳｉＣ、ＧａＮ等のワイドバンドギャップデバイスを用いても良い。一般的にワイドバンドギャップデバイスを用いた場合には、高速・高周波数でスイッチング動作させることになり、ノイズレベルが高くなることを防止するためにコモンモードチョークコイル等のフィルタ素子を大型化せざるを得ないが、この発明を適用した場合には、コモンモードチョークコイル等のフィルタ素子を大型化させずとも不要電磁放射を小さくできるものである。

以上、この発明の実施の形態１〜４について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 半導体スイッチング回路部、１ａ 正極端子、１ｂ 負極端子、１ｃ シャーシ、２ バッテリ装置、２ａ 筐体、２ｂ バッテリ、３ 直流電力ケーブル、３ａ 正極側電力線、３ｂ 負極側電力線、４ 三相電力ケーブル、５ チョークコイル、６ 交流電動発電機、６ａ フレーム、７ 敷設ケーブル、８ 金属シャーシ、９ａ、９ｂ 浮遊容量、１０、１１ コンデンサ、１２ 接地線、１３ 第２のチョークコイル、１４ 整流器。

Claims (9)

1. 半導体スイッチング素子を収納する導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、
   上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、
   上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、を備え、
   上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、
   上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記負荷ケーブルの導電部と、上記回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 半導体スイッチング素子を収納する導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、
   上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、
   上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、を備え、
   上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、
   上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記負荷ケーブルの導電部と同電位で接続される上記電力変換回路の内部の導電部と、上記回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 半導体スイッチング素子を収納する導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、
   上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、
   上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、
   上記電力変換回路と電源とを接続する電源ケーブルと、を備え、
   上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、
   上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記電源ケーブルの導電部と、上記回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたことを特徴とする電力変換装置。
4. 半導体スイッチング素子を収納する導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、
   上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、
   上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、
   上記電力変換回路と電源とを接続する電源ケーブルと、を備え、
   上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、
   上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記電源ケーブルの導電部と同電位で接続される上記電力変換回路の内部の導電部と、上記回路フレームと同電位の導電部とを接続するコンデンサを備えたことを特徴とする電力変換装置。
5. 半導体スイッチング素子を収納する導電性の回路フレームを有する電力変換回路と、
   上記電力変換回路と導電性の負荷フレームを有する負荷とを接続する負荷ケーブルと、
   上記回路フレームと上記負荷フレームとを接続するフレーム接続線と、
   上記回路フレームを接地する接地線と、を備え、
   上記フレーム接続線を上記負荷ケーブルに近接して配置した電力変換装置において、
   上記負荷ケーブルと上記フレーム接続線にコモンモードインダクタを挿入すると共に、上記接地線にインダクタを挿入することを特徴とする電力変換装置。
6. 上記電力変換回路は双方向交流直流変換回路であると共に、上記負荷は回転電機であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 上記コモンモードインダクタは中空のコアにケーブルを貫通させたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 上記フレーム接続線で上記負荷ケーブルの芯線を覆うシールド層を形成し、上記負荷ケーブルをシールドケーブルとすることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 上記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップデバイスであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。