JP5814852B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、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リアクトル、より詳細には、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、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。しかしながら、リアクトルを単にケーブル接続するのみの構成では、ケーブルがアンテナとして働き、放射ノイズが大きくな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、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、本発明に係る電力変換装置は、交流電源が供給される第１のケーブル群と、モータに電力を供給する第２のケーブル群と、リアクトルの一端および他端にそれぞれ接続される第１および第２のケーブルを有する第３のケーブル群との少なくとも３組以上のケーブル群が接続される電力変換装置であって、前記交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、前記コンバータ回路から出力された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負荷駆動用の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記コンバータ回路と前記第１のケーブルとの間を電気的に接続する第１の接続導体と、前記平滑回路と前記第２のケーブルとの間を電気的に接続する第２の接続導体と、グラウンド電位と同電位の端に接続され、前記リアクトルと前記インバータ回路とを電気的に接続する正極導体に対向して配置される金属板と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、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効果的に低減することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の要部構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る電力変換装置の要部断面を模式的に示す図である。 図４は、実施の形態２に係る電力変換装置の要部構成を示す図である。 図５は、実施の形態２に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。 図６は、コアの周波数特性の一例を示す図である。 図７は、実施の形態３に係る電力変換装置の要部構成の一例を示す平面透視図である。 図８は、図７に示す構成による要部断面を模式的に示す図である。 図９は、実施の形態３に係る電力変換装置の要部構成の他の例を示す平面透視図である。 図１０は、図９に示す構成による要部断面を模式的に示す図である。 図１１は、実施の形態４に係る電力変換装置の要部構成を示す平面透視図である。 図１２は、実施の形態４に係る電力変換装置の要部断面を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る電力変換装置について、図１〜図３の図面を参照して説明する。ここで、図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の要部構成を示す平面透視図であり、図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成例を示す図であり、図３は、実施の形態１に係る電力変換装置の要部断面を模式的に示す図である。

実施の形態１に係る電力変換装置は、例えば三相電源である交流電源２から供給された三相交流電圧を所望の三相交流電圧に変換して負荷であるモータ３に印加する電力変換回路１１、第１のケーブル群としてのケーブル群７を介して交流電源２が接続される電源入力導体１７、第２のケーブル群としてのケーブル群８を介してモータ３などの負荷が接続される電圧出力導体１８、第３のケーブル群の一方を成すケーブル９ａを介してリアクトル５の一端が接続される第１の接続導体としてのリアクトル接続導体１９ａ、第３のケーブル群の他方を成すケーブル９ｂを介してリアクトル５の他端が接続される第２の接続導体としてのリアクトル接続導体１９ｂ、正極側の直流母線と同電位に置かれる正極導体１５ならびに、ケーブル群７と電源入力導体１７との間の電気接続、ケーブル群８と電圧出力導体１８との間の電気接続、ケーブル９ａとリアクトル接続導体１９ａとの間の電気的接続および、ケーブル９ｂとリアクトル接続導体１９ｂとの間の電気的接続を得るための端子台１６を備えて構成される。

なお、図１の例では、交流電源２が三相電源であるためケーブル群７は少なくとも３本の電気配線を有して構成されるが、入力電源の種別等に応じて所定数の電気配線が用いられる。また、図１の例では、モータ３が三相モータであるためケーブル群８は少なくとも３本の電気配線を有して構成されるが、モータの種別等に応じて所定数の電気配線が用いられる。

また、電力変換回路１１は、交流電源２から供給された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路１２、コンバータ回路１２によって変換された直流電圧を平滑する平滑回路１３および、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インバータ回路１４を主回路として備えると共に、放射ノイズを低減するための第１、第２のコンデンサであるコンデンサ２１，２２を更に備えて構成される。なお、コンバータ回路１２は、単なる整流回路であっても構わない。

電力変換装置に設けられた端子台１６には、一対の締結部材を有する端子部３６が複数組（図１では９組を例示）設けられている。端子部３６の一方側の締結部材には、電源入力導体１７、電圧出力導体１８およびリアクトル接続導体１９ａ，１９ｂなどが締結されると共に、端子部３６の他方側の締結部材には、ケーブル群７，８およびケーブル９ａ，９ｂが締結される。これらの接続により、導体にて構成される端子台１６を通じて、交流電源２とコンバータ回路１２との間の電気的接続、インバータ回路１４とモータ３との間の電気的接続および、リアクトル５を介するコンバータ回路１２と平滑回路１３との間の電気的接続が得られる。

コンバータ回路１２と平滑回路１３との間の電気的接続は、上述のようにケーブル９ａ，９ｂおよびリアクトル接続導体１９ａ，１９ｂによって得られる。図１および図２を参照してより詳細に説明すると、リアクトル接続導体１９ａはコンバータ回路１２の正極側（正極側出力端）に接続され、リアクトル接続導体１９ｂは平滑回路１３の正極側に接続される。なお、この接続における正極を負極に変更しても構わない。すなわち、リアクトル接続導体１９ａをコンバータ回路１２の負極側（負極側出力端）に接続し、リアクトル接続導体１９ｂを平滑回路１３の負極側に接続しても構わない。

インバータ回路１４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。

上述したように、コンデンサ２１，２２は、放射ノイズを抑制（低減）するための容量素子である。コンデンサ２１はコンバータ回路１２側に設けられ、コンデンサ２２は平滑回路１３側に設けられる。

コンデンサ２１は、リアクトル５を電気的に接続する一方の導体であるリアクトル接続導体１９ａとグラウンド電位２３との間に接続される（図１参照）。より詳細に説明すると、リアクトル接続導体１９ａは、電力変換装置の限られたスペースを有効に活用できるようにクランク形状に曲げられ、クランク形状に曲げられた部位の一端（始端部）を利用して接続されている。

コンデンサ２２は、リアクトル５を電気的に接続する他方の導体であるリアクトル接続導体１９ｂとグラウンド電位２３との間に接続される（図１参照）。より詳細に説明すると、リアクトル接続導体１９ｂは、電力変換装置の限られたスペースを有効に活用できるようにクランク形状に曲げられ、クランク形状に曲げられた部位の一端（終端部）を利用して接続されている。

コンデンサ２１，２２の接続イメージを模式的な断面図で表したものが図３である。図３において、図示の半導体素子２６がコンバータ回路１２に搭載されるスイッチング素子（整流回路の場合には整流素子）である場合、正極導体１５と放熱フィン２５との間に接続される図示のコンデンサ２８は、図１および図２に示したコンデンサ２２に対応する。また、半導体素子２６がインバータ回路１４に搭載されるスイッチング素子である場合、正極導体１５と放熱フィン２５との間に接続される図示のコンデンサ２８は、図１および図２に示したコンデンサ２１に対応する。

放熱フィン２５は、図３に示すように接地されているため、コンデンサ２８の一端を放熱フィン２５に電気的に接続することで、コンデンサ２８（２１，２２）の当該一端はグラウンド電位とされる。これにより、コンデンサ２８（２１，２２）は、ライン・バイパス・コンデンサ（いわゆる「Ｙコンデンサ」）として動作し、ノイズ源であるインバータ回路１４から外部に放射されようとする放射ノイズの低減が可能となる。

また、これら２本のケーブル９ａ，９ｂには、大きさが同じで方向が逆向きの往復電流が流れるため、リアクトル５から見た電力変換回路１１は対称形を成す。このため、コンデンサ２１，２２の双方を設けることにより回路の対称形が維持され、ノイズの抑制効果が高まることが期待される。

また、コンデンサ２１，２２の双方を設ける構成により、コンデンサ２１では抑制できずにリアクトル５を通過したノイズ成分をコンデンサ２２にて抑制することができるという効果も期待できる。

以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、一端がリアクトル接続導体に接続され、他端がグラウンド電位とされる第１のコンデンサと、一端がリアクトル接続導体１９ｂに接続され、他端がグラウンド電位とされる第２のコンデンサとを備えることとしたので、力率改善のための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効果的に低減することが可能となる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る電力変換装置の要部構成を示す平面透視図であり、図５は、実施の形態２に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。実施の形態２に係る電力変換装置の実施の形態１との相違点は、リアクトル５とリアクトル接続導体１９ａ，１９ｂとの間を電気的に接続するための２本のケーブル９を束ねて囲むように装着されるコア６を追加した点にある。その他の構成については、実施の形態１と同一または同等であり、同一の符号を付して重複する説明は省略する。なお、コア６は、例えばフェライトなどを素材として形成することができる。

電力変換装置が動作すると、これら２本のケーブル９には往復電流が流れるため、互いに磁束を打ち消し合うこととなる。なお、この装着手法をここでは「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（この装着手法をここでは「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６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。したがって、コア６を更に装着した場合、放射ノイズの抑制効果が増大する。

このように、実施の形態２の電力変換装置では、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。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る電力変換装置の要部構成の一例を示す平面透視図であり、図８は、図７に示す構成による要部断面を模式的に示す図である。実施の形態３に係る電力変換装置の実施の形態１との相違点は、Ｙコンデンサとして動作するコンデンサに代えて、グラウンド電位と同電位の端に接続された金属板３０を正極導体１５の下部に設けて正極導体１５に対向させたことにある。その他の構成については、実施の形態１と同一または同等であり、同一の符号を付して重複する説明は省略する。なお、実施の形態２のようにケーブル９にコア６を装着する構成としてもよい。

図８において、金属板３０はＬ字形状に曲げられて放熱フィン２５に接続されているため、Ｌ字形状の水平部分と正極導体１５とは互いの平面部が並行して対峙する。このような正極導体１５と金属板３０とが対向する構成により、正極導体１５と金属板３０との間の結合が高まり、ノイズ源であるインバータ回路１４から端子台１６およびケーブル９ａ，９ｂを経由して外部に放射されようとする放射ノイズをグラウンド側に向かわせることができ、放射ノイズの抑制効果を高めることが可能となる。

なお、図７および図８では、正極導体１５を挟んでリアクトル接続導体１９ｂの反対側の位置にリアクトル接続導体１９ｂの長手方向に直交する幅と同程度の幅を有する金属板３０を設ける構成について例示したが、図９および図１０に示すように、正極導体１５を挟んでリアクトル接続導体１９ａの反対側の位置にリアクトル接続導体１９ａの長手方向に直交する幅と同程度の幅を有する金属板３２を設けるように構成してもよい。なお、搭載スペースが許容されるのであれば、これら金属板３０，３２を一体化して構成してもよい。

このように、実施の形態３の電力変換装置によれば、グラウンド電位と同電位の端に接続される金属板をリアクトルとインバータ回路とを電気的に接続する正極導体に対向して配置することとしたので、実施の形態１と同様に、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の効果的低減が可能となる。

実施の形態４．
図１１は、実施の形態４に係る電力変換装置の要部構成を示す平面透視図であり、図１２は、実施の形態４に係る電力変換装置の要部断面を模式的に示す図である。実施の形態４に係る電力変換装置の実施の形態３との相違点は、ノイズ抑制効果を有する金属板の配置位置にある。より詳細に説明すると、実施の形態３では、正極導体１５を挟んでリアクトル接続導体１９ｂの反対側の位置もしくはリアクトル接続導体１９ａの反対側の位置にそれぞれ金属板３０，３２を設ける構成を例示したが、実施の形態４では、端子台１６とリアクトル５とを電気的に接続するケーブル９ａ，９ｂの下部に金属板３４を設ける構成を例示している。なお、その他の構成については、実施の形態１と同一または同等であり、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図１１において、金属板３４はリアクトル５と端子台１６との間にケーブル９に沿うように配置され、金属板３４とケーブル９とが並行して対峙する。この構成により、ノイズの放射源であるケーブル９と金属板３４との間の結合が高まり、ケーブル９から外部に放射されようとする放射ノイズを端子台１６側に向かわせることができ、放射ノイズの抑制効果を高めることが可能となる。

このように、実施の形態４の電力変換装置によれば、端子台とリアクトルとを電気的に接続する第１および第２のケーブルの下部に、これらの第１および第２のケーブルに対向して配置される金属板を設けることとしたので、実施の形態１，３と同様に、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の効果的低減が可能となる。

以上のように、本発明は、リアクトルが接続されているケーブルからの放射ノイズを効果的に抑制することができる電力変換装置として有用である。また、ワイドバンドギャップ半導体（炭化珪素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド）は、従来のシリコンに比べて高速でスイッチングするため、発生ノイズが大きく、本発明の効果が高く有用である。

２ 交流電源
３ モータ
５ リアクトル
６ コア
７ 第１のケーブル群
８ 第２のケーブル群
９ａ ケーブル（第３のケーブル群の第１のケーブル）
９ｂ ケーブル（第３のケーブル群の第２のケーブル）
１１ 電力変換回路
１２ コンバータ回路
１３ 平滑回路
１４ インバータ回路
１５ 正極導体
１６ 端子台
１７ 電源入力導体
１８ 電圧出力導体
１９ａ リアクトル接続導体（第１の接続導体）
１９ｂ リアクトル接続導体（第２の接続導体）
２１ コンデンサ（第１のコンデンサ）
２２ コンデンサ（第２のコンデンサ）
２８ コンデンサ
２３ グラウンド電位
２５ 放熱フィン
２６ 半導体素子
３０，３２，３４ 金属板
３６ 端子部

Claims (8)

1. 交流電源が供給される第１のケーブル群と、モータに電力を供給する第２のケーブル群と、リアクトルの一端および他端にそれぞれ接続される第１および第２のケーブルを有する第３のケーブル群との少なくとも３組以上のケーブル群が接続される電力変換装置であって、
   前記交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路から出力された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負荷駆動用の交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記コンバータ回路と前記第１のケーブルとの間を電気的に接続する第１の接続導体と、
   前記平滑回路と前記第２のケーブルとの間を電気的に接続する第２の接続導体と、
   グラウンド電位と同電位の端に接続され、前記リアクトルと前記インバータ回路とを電気的に接続する正極導体に対向して配置される金属板と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記金属板は、前記正極導体を挟んで前記第２の接続導体の反対側の位置に当該第２の接続導体の長手方向に直交する幅と同程度の幅を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記金属板は、前記正極導体を挟んで前記第１の接続導体の反対側の位置に当該第１の接続導体の長手方向に直交する幅と同程度の幅を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 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装着されるコアを有して構成されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 交流電源が供給される第１のケーブル群と、モータに電力を供給する第２のケーブル群と、リアクトルの一端および他端にそれぞれ接続される第１および第２のケーブルを有する第３のケーブル群との少なくとも３組以上のケーブル群が接続される電力変換装置であって、
   前記交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路から出力された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負荷駆動用の交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記コンバータ回路と前記第１のケーブルとの間を電気的に接続する第１の接続導体と、
   前記平滑回路と前記第２のケーブルとの間を電気的に接続する第２の接続導体と、
   前記第１および第２のケーブルの下部に、これらの第１および第２のケーブルに対向して配置される金属板と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
6. 前記電力変換装置には、複数の端子部を有して構成される端子台が設けられ、
   前記第１のケーブルと前記第１の接続導体との間の電気的接続および前記第２のケーブルと前記第２の接続導体との間の電気的接続は、前記端子台を用いて行われることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記インバータ回路は、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用いて構成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電力変換装置。
8. 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７に記載の電力変換装置。

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