JP5840669B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換回路と、コンデンサとを備える電力変換装置に関する。
例えば直流電圧を昇圧したり降圧したりする電力変換装置として、ノイズ電流を除去するためのフィルタ回路を備えるものがある（下記特許文献１参照）。フィルタ回路は、電力変換装置のケース内に設けられ、入力端子や出力端子に電気接続している。上記電力変換装置では、フィルタ回路を用いることにより、外部機器から装置内へ伝わるノイズ電流を除去したり、装置内から発生し外部機器へ伝わるノイズ電流を除去したりする。フィルタ回路は、コンデンサと、コイルと、これらを繋ぐ配線とから構成されている。
特開２０１２−１３５１７５号公報
しかしながら、上記電力変換装置は、フィルタ回路を構成する配線やコンデンサから、新たにノイズ電流が発生することがある。すなわち、電力変換装置内には交流電流が流れる部位があり、この部位の周囲に交流磁界が発生する。交流磁界が配線等に鎖交すると、新たにノイズ電流（誘導ノイズ電流）が誘起され、これが上記入力端子や出力端子等の外部端子に混入して、外部機器に伝わってしまう場合がある。そのため、装置内で交流磁界が生じても、大きな誘導ノイズ電流が外部端子に混入しにくい電力変換装置が望まれている。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、大きな誘導ノイズ電流が外部端子に混入しにくい電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、電力変換回路と、
該電力変換回路を構成する電子部品を収容し、グランドに接続された金属製のケースと、
上記電力変換回路を外部機器に電気接続するための外部端子と、
上記ケースと上記外部端子との間の電流経路上に設けられた複数のコンデンサとを備え、
上記外部端子と上記ケースと上記複数のコンデンサとによって、交流電流が流れるループを形成してあり、
該ループ内には、上記電力変換回路の一部から発生した交流磁界の磁束がそれぞれ貫く、第１領域と第２領域との２つの領域があり、
上記磁束が、上記２つの領域のうち一方の上記領域を、上記ループよりも上記交流磁界の発生源に近い側である近傍側から、上記ループよりも上記発生源から遠い側である遠方側へ貫き、他方の上記領域を上記遠方側から上記近傍側へ貫くよう構成され、
上記ループ内に、上記磁束を部分的に遮蔽し、上記第１領域と上記第２領域とをそれぞれ貫く上記磁束の量の差を低減させる磁束遮蔽部を設けてあることを特徴とする電力変換装置。
上記電力変換装置においては、外部端子とケースと複数のコンデンサとによって、交流電流が流れるループを形成してある。そして、交流磁界の磁束が、ループ内の上記２つの領域のうち、一方の領域を上記近傍側から上記遠方側へ貫き、他方の領域を上記遠方側から上記近傍側へ貫くよう構成してある。つまり、磁束が、２つの領域をそれぞれ逆向きに貫くよう構成してある。
磁束がループ内の上記一方の領域を貫くと、ループに誘導ノイズ電流が発生し、磁束が上記他方の領域を貫くと、ループに別の誘導ノイズ電流が発生する。磁束は、２つの領域をそれぞれ逆向きに貫くため、上記２つの誘導ノイズ電流は、ループを互いに逆向きに流れる。そのため、これら２つの誘導ノイズ電流は互いに打ち消し合い、弱め合う。したがって、外部端子に大きな誘導ノイズ電流が混入することを抑制できる。
また、上記電力変換装置においては、ループ内に上記磁束遮蔽部を設けてある。この磁束遮蔽部によって、第１領域と第２領域とをそれぞれ貫く磁束の量の差を低減させている。したがって、第１領域を貫く磁束によって発生した誘導ノイズ電流の強さと、第２領域を貫く磁束によって発生した誘導ノイズ電流の強さとを、殆ど等しくすることができる。そのため、打ち消し合わせた後に残る誘導ノイズ電流の強さを小さくすることができ、外部端子に大きな誘導ノイズ電流が混入することを効果的に抑制することができる。
以上のごとく、本例によれば、大きな誘導ノイズ電流が外部端子に混入しにくい電力変換装置を提供することができる。
実施例１における、電力変換装置の平面図。 図１の要部拡大図。 図２のIII-III断面図。 実施例１における、交流磁界と誘導ノイズ電流との関係を説明するための図。 図２のV-V断面図。 実施例１における、ケース及びダイオードモジュールの平面図。 図５のVII-VII断面図。 図５のVIII-VIII断面図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例１における、磁束遮蔽部を別部材にした電力変換装置の断面図。 実施例２における、電力変換装置の断面図。 図１１のXII-XII断面図。 比較例における、電力変換装置の断面図。
上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車両用電力変換装置とすることができる。
（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図９を用いて説明する。図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、電力変換回路１０と、金属製のケース４と、外部端子２と、複数のコンデンサ３（３ａ，３ｂ）とを備える。ケース４は、電力変換回路１０を構成する電子部品を収容しており、グランドに接続されている。外部端子２は、電力変換回路１０を外部機器に電気接続するために設けられている。また、コンデンサ３は、ケース４と外部端子２との間の電流経路上に設けられている。
図３に示すごとく、本例では、外部端子２とケース４と複数のコンデンサ３とによって、交流電流が流れるループＬを形成してある。また、電力変換回路１０の一部（発生部７）から交流磁界が発生している。ループＬ内には、交流磁界の磁束Φがそれぞれ貫く、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との２つの領域がある。
図４に示すごとく、磁束Φが、２つの領域Ｓ１，Ｓ２のうち一方の領域を、ループＬよりも交流磁界の発生源７に近い側である近傍側ＩＮから、ループＬよりも発生源７から遠い側である遠方側ＯＵＴへ貫き、他方の領域を遠方側ＯＵＴから近傍側ＩＮへ貫くよう構成されている。
また、本例では図３に示すごとく、ループＬ内に磁束遮蔽部５を設けてある。磁束遮蔽部５は、ループＬ内において磁束Φを部分的に遮蔽し、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とをそれぞれ貫く磁束Φの量の差を低減している。
本例の電力変換装置１は、ハイブリッド車や電気自動車等に搭載するための、車両用電力変換装置である。また、本例の電力変換回路１０は降圧回路（図９参照）である。この降圧回路を用いて、高圧直流電源８の直流電圧を降圧し、低圧直流電源８０を充電するよう構成してある。
図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、外部端子２として、出力端子２ａと、入力端子２ｂとを備える。本例では、これら２つの外部端子２（２ａ，２ｂ）のうちの、出力端子２ａにコンデンサ３ａ，３ｂを接続し、ループＬを構成してある。
図１、図３に示すごとく、本例ではコンデンサ３を、プリント基板１４に固定している。そして、ケース４の底面４８から突出する２本の支柱４１，４２によって、プリント基板１４を支持している。プリント基板１４は、ボルト８によって支柱４１，４２に固定されている。また、外部端子２は、プリント基板１４上に載置されている。
図２に示すごとく、コンデンサ３ａ，３ｂの一方の電極３１は、配線６を介して、外部端子２に接続している。配線６は、プリント基板１４の表面にパターン形成したものである。また、コンデンサ３の他方の電極３２は、配線６と、ボルト８とを介して、支柱４１，４２に電気接続している。配線６は直線状に延びている。２個のコンデンサ３ａ，３ｂと、配線６と、外部端子２と、ボルト８と、支柱４１，４２と、ケース４とによって、上記ループＬが形成されている。
本例では、コンデンサ３ａ，３ｂとフィルタコイル１８とによって、フィルタ回路１１を構成してある。このフィルタ回路１１によって、電力変換回路１０内において発生した伝導ノイズ電流を除去し、出力端子２ａに伝導ノイズ電流が混入しないようにしている。
なお、上記フィルタコイル１８は、軟磁性体からなるフィルタ用コア１８０によって、外部端子２ａの一部を取り囲むことによって構成してある。
図２に示すごとく、フィルタ回路１１の近傍には、交流磁界Ｈの発生源７が存在している。本例では、後述するダイオードモジュール１５の出力端子１５１から、交流磁界Ｈが発生している。
図３に示すごとく、ダイオードモジュール１５の出力端子１５１には、交流電流ｉが、ケース４の底面４８の法線方向（Ｚ方向）に流れている。図２に示すごとく、交流磁界Ｈは、Ｚ方向に流れる交流電流ｉを中心とした円筒状になる。
上述したように、磁束Φは、２つの領域Ｓ１，Ｓ２（図４参照）のうち一方の領域を、上記近傍側ＩＮから上記遠方側ＯＵＴへ貫く。また、磁束Φは、他方の領域を、上記遠方側ＯＵＴから上記近傍側ＩＮへ貫く。つまり、磁束Φは常に、２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ互いに逆向きに貫く。そのため、ループＬに発生する第１誘導ノイズ電流Ｉ１と第２誘導ノイズ電流Ｉ２とは、互いに向きが逆になる。
ある瞬間において、磁束Φは図４に示すようにループＬを貫く。第１領域Ｓ１を貫く磁束Φ１のＸ方向（外部端子２の突出方向）成分Φｘ１は、上記遠方側ＯＵＴから上記近傍側ＩＮに向かっている。この成分Φｘ１の時間的変化を妨げるように、ループＬに第１誘導ノイズ電流Ｉ１が発生する。
また、第２領域Ｓ２を貫く磁束Φ２のＸ方向成分Φｘ２は、上記近傍側ＩＮから上記遠方側ＯＵＴへ向かっている。この成分Φｘ２の時間的変化を妨げるように、ループＬに第２誘導ノイズ電流Ｉ２が発生する。
交流磁界Ｈは交互に向きが変わるが、このように向きが変わっても、磁束Φ１のＸ方向成分Φｘ１と、磁束Φ２のＸ方向成分Φｘ２とは、常に互いに反対側を向く。そのため、上記２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２は、常に互いに逆向きに流れる。したがって、この２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２は互いに打ち消し合う。
図２に示すごとく、本例の導線６は、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する方向（Ｙ方向）に直線状に延びている。また、Ｚ方向から見たときに、交流磁界の発生源７から一方のボルト８ａまでの距離ｒ１は、発生源７から他方のボルト８ｂまでの距離ｒ２よりも短い。
そのため、仮に上記磁束遮蔽部５（図３参照）を設けなかったとすると、図１３に示すごとく、第２領域Ｓ２の方が第１領域Ｓ１よりも面積が大きくなる。したがって、第２領域Ｓ２を貫く磁束Φの方が、第１領域Ｓ１を貫く磁束Φよりも多くなる。その結果、上記第１誘導ノイズ電流Ｉ１よりも第２誘導ノイズ電流Ｉ２の方が多く流れることになる。そのため、第２誘導ノイズ電流Ｉ２が第１誘導ノイズ電流Ｉ１によって完全に打ち消されなくなり、外部端子９２に誘導ノイズ電流が混入しやすくなる。
このような問題を抑制するため、本例では図３、図６に示すごとく、ループＬ内に磁束遮蔽部５を設けている。これにより、ループＬ内における磁束Φを部分的に遮蔽し、各領域Ｓ１，Ｓ２を貫く磁束Φの量の差を少なくしている。すなわち、２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ貫く磁束Φの量を均等化している。そのため、２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２の大きさが略等しくなり、打ち消し合って殆ど誘導ノイズ電流が残らなくなる。したがって、外部端子２に誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２が混入しにくくなる。
なお、本例では、磁束遮蔽部５を金属によって構成してある。磁束遮蔽部５は、ケース４と一体的に形成されている。ケース４及び磁束遮蔽部５はアルミニウム製であり、ダイカストによって製造したものである。ケース４をダイカストによって製造するときに、磁束遮蔽部５も同時に形成される。また、磁束遮蔽部５は、図６に示すごとく、板状に形成されている。
一方、図９に示すごとく、本例の電力変換回路１０は、ＭＯＳモジュール１６と、トランス１３と、ダイオードモジュール１５と、チョークコイル１２と、平滑コンデンサ１７と、プリント基板１４（制御回路）とを備える。ＭＯＳモジュール１６は高圧直流電源８に接続している。ＭＯＳモジュール１６は４個のＭＯＳ素子１６０を内蔵している。これら４個のＭＯＳ素子１６０によって、Ｈブリッジ回路を構成してある。
ＭＯＳモジュール１６の出力端子はトランス１３の一次コイル１３０ａに接続している。このトランス１３によって、高圧直流電源８の電圧を降圧している。トランス１３の二次コイル１３０ｂの出力端子１３８は、ダイオードモジュール１５に接続している。また、トランス１３のセンタータップ１３９はケース４、すなわちグランドに接続してある。
ダイオードモジュール１５には２個のダイオード１５０が設けられている。この２個のダイオード１５０を使って、トランス１３の出力電圧を整流している。ダイオードモジュール１５の出力端子１５１は、チョークコイル１２に接続している。また、チョークコイル１２の出力端子１２６は、平滑コンデンサ１７及びフィルタコイル１８に接続している。上記チョークコイル１２と平滑コンデンサ１７は、上記ダイオードモジュール１５によって整流した波形を平滑化するために設けられている。
上述したように、本例では、フィルタコイル１８と２個のコンデンサ３ａ，３ｂとによってフィルタ回路１１を構成してある。コンデンサ３ａ，３ｂの一方の電極３１は外部端子２（出力端子２ａ）に接続し、他方の電極３２はケース４に接続している。電力変換回路１０ではＭＯＳ素子１６０をスイッチング動作させているため、この動作に伴って、電力変換回路１０内に伝導ノイズ電流が発生する。この伝導ノイズ電流が出力端子２ａを通って外部に出ないように、フィルタ回路１１を使って除去している。
一方、図５、図７に示すごとく、本例では、ケース４の底面４８にダイオードモジュール１５を載置し、このダイオードモジュール１５上にチョークコイル１２を載置してある。チョークコイル１２は、軟磁性体からなるコア１２１と、該コア１２１内に配された巻線部１２０とからなる。チョークコイル１２の入力端子１２５は、図７に示すごとく、巻線部１２０からＸ方向に突出し、その先端部１２５ａがＺ方向に折り曲げられている。
また、図６、図７に示すごとく、ダイオードモジュール１５の出力端子１５１は、封止部１５９からＸ方向に突出し、その先端部１５１ａがＺ方向に折り曲げられている。図７に示すごとく、ダイオードモジュール１５の出力端子１５１の先端部１５１ａと、チョークコイル１２の入力端子１２５の先端部１２５ａとを重ね合わせ、溶接してある。
このように、ダイオードモジュール１５の出力端子１５１はＺ方向に延びているため、ダイオードモジュール１５の出力電流（交流電流ｉ）はＺ方向に流れる。この出力端子１５１の周囲に、交流磁界Ｈが発生する。
また、図５、図８に示すごとく、チョークコイル１２の出力端子１２６は、巻線部１２０からＸ方向に延出している。この出力端子１２６に、外部端子２ａを重ね合わせて溶接してある。
本例の作用効果について説明する。図２、図３に示すごとく、本例においては、外部端子２とケース４と複数のコンデンサ３ａ，３ｂとによって、交流電流が流れるループＬを形成してある。そして、交流磁界の磁束Φが、ループＬ内の２つの領域Ｓ１，Ｓ２のうち、一方の領域を近傍側ＩＮから遠方側ＯＵＴへ貫き、他方の領域を遠方側ＯＵＴから近傍側ＩＮへ貫くよう構成してある。つまり、磁束Φが、２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ逆向きに貫くよう構成してある。
磁束Φが第１領域Ｓ１を貫くと、ループＬに誘導ノイズ電流Ｉ１が発生し、磁束Φが第２領域Ｓ２を貫くと、ループＬに誘導ノイズ電流Ｉ２が発生する。磁束Φは、２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ逆向きに貫くため、２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２は、ループＬを互いに逆向きに流れる。そのため、これら２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２は互いに打ち消し合い、弱め合う。したがって、外部端子２に大きな誘導ノイズ電流が混入することを抑制できる。
また、本例では、ループＬ内に磁束遮蔽部５を設けてある。この磁束遮蔽部５によって、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とをそれぞれ貫く磁束の量の差を低減させている。したがって、２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２の強さを殆ど等しくすることができる。そのため、打消し合わせた後に残る誘導ノイズ電流の強さを小さくすることができ、外部端子２に大きな誘導ノイズ電流が混入することを効果的に抑制することができる。
仮に磁束遮蔽部５を設けなかったとすると、図１３に示すごとく、２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ貫く磁束Φの量が互いに異なるため、２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２の強さが大きく異なることになる。そのため、外部端子９２に大きな誘導ノイズ電流が混入しやすくなる。磁束遮蔽部５を設けることなく、この問題を解決しようとすると、例えば支柱４１，４２の位置を変更する必要が生じる。そのため、電力変換装置１の、レイアウトの設計自由度が低下しやすくなる。これに対して、本例のように磁束遮蔽部５を形成すれば、支柱４１，４２の位置を変更する必要がなくなる。そのため、レイアウトの設計自由度を高めることができる。
また、本例では、磁束遮蔽部５をケース４と一体化している。そのため、磁束遮蔽部５を別部品にする必要がなくなり、部品点数を減らすことが可能になる。したがって、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。
また、本例では、出力端子２ａにループＬを設けている。出力端子２ａは、ノイズ電流の混入を特に抑制することが望まれている。そのため、本例のように、出力端子２ａにループＬを設け、出力端子２ａに誘導ノイズ電流が混入しにくくした場合の効果は大きい。
また、図３に示すごとく、本例では、交流磁界Ｈの発生源となる交流電流ｉは、ケース４の底面４８の法線方向（Ｚ方向）に流れている。そして、底面４８からＺ方向に２本の支柱４１，４２が突出し、２本の支柱４１，４２がループＬの一部をなしている。
そのため、ループＬに誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２が、互いに反対向きに流れるように２つ発生しやすくなる。すなわち、上記構成にすると、ループＬを含む平面Ｐ（図４参照）が、Ｚ方向に平行になる。また、交流磁界Ｈは、Ｚ方向に流れる交流電流ｉを中心として円筒状になる。そのため、この円筒状の交流磁界Ｈの磁束Φが、ループＬ内の２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ貫きやすくなる。したがってループＬに、互いに反対向きに流れる２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２を発生させやすくなり、これら２つの誘導ノイズ電流Ｉ１，Ｉ２を互いに打消し合わせて弱めることができる。
また、本例では図２、図３に示すごとく、プリント基板１４にコンデンサ３ａ，３ｂを固定している。そのため、コンデンサ３ａ，３ｂをしっかり固定できると共に、プリント基板１４にパターン形成した配線６を使って、コンデンサ３ａ，３ｂを外部端子２やケース４に容易に電気接続することができる。
また、本例では、支柱４１，４２を使ってプリント基板１４を支持しており、かつ、この支柱４１，４２自体が、ループＬの一部をなしている。つまり、プリント基板１４を支持する支柱と、ループＬを構成する支柱とが別々になっていない。そのため、電力変換装置１の構造を簡素にすることができる。また、支柱４１，４２を用いると、プリント基板１４を底面４８から離れた位置に固定できる。そのため、ループＬの面積を大きくすることができ、磁束Φが、ループＬ内の２つの領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ貫きやすくなる。
以上のごとく、本例によれば、大きな誘導ノイズ電流が外部端子に混入しにくい電力変換装置を提供することができる。
なお、本例では、上述したように、磁束遮蔽部５をケース４と一体化しているが、本例はこれに限るものではない。例えば図１０に示すごとく、磁束遮蔽部５を、ケース４とは別部材にしてもよい。そして、ボルト５０を用いて、磁束遮蔽部５をケース４に締結するようにしてもよい。
また、本例では、２つの外部端子２（出力端子２ａおよび入力端子２ｂ）のうち、出力端子２ａのみにコンデンサ３を接続し、ループＬを形成したが、本例はこれに限るものではない。例えば、入力端子２ｂにループＬを形成してもよく、また、入力端子２ｂと出力端子２ａとの双方にループＬを形成してもよい。
また、上述したように、本例のケース４はグランドに接続されている。ここで「グランドに接続されている」には、基準電位としての大地に接続する場合だけでなく、基準電位となる他の部材、例えば車両のボディ等に接続する場合が含まれる。
（実施例２）
本例は、磁束遮蔽部５の形状を変更した例である。図１１、図１２に示すごとく、本例では、磁束遮蔽部５が支柱４２と連結している。また、実施例１と同様に、本例では、ケース４をダイカストによって製造している。
このようにすると、磁束遮蔽部５と支柱４２とが連結しているため、ダイカストを行ってケース４を製造するときに、金型内の空間における、磁束遮蔽部５及び支柱４２を形成するための部分を、溶融金属が流れやすくなる。そのため、磁束遮蔽部５及び支柱４２を容易に形成することができる。
その他は、実施例１と同様である。また、本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
１ 電力変換装置
１０ 電力変換回路
２ 外部端子
３ コンデンサ
４ ケース
５ 磁束遮蔽部
Ｌ ループ
Ｓ１ 第１領域
Ｓ２ 第２領域
Φ 磁束

Claims (2)

  1. 電力変換回路（１０）と、
    該電力変換回路（１０）を構成する電子部品を収容し、グランドに接続された金属製のケース（４）と、
    上記電力変換回路（１０）を外部機器に電気接続するための外部端子（２）と、
    上記ケース（４）と上記外部端子（２）との間の電流経路上に設けられた複数のコンデンサ（３）とを備え、
    上記外部端子（２）と上記ケース（４）と上記複数のコンデンサ（３）とによって、交流電流が流れるループ（Ｌ）を形成してあり、
    該ループ（Ｌ）内には、上記電力変換回路（１０）の一部から発生した交流磁界の磁束（Φ）がそれぞれ貫く、第１領域（Ｓ１）と第２領域（Ｓ２）との２つの領域があり、
    上記磁束（Φ）が、上記２つの領域（Ｓ１，Ｓ２）のうち一方の上記領域を、上記ループ（Ｌ）よりも上記交流磁界の発生源（７）に近い側である近傍側から、上記ループ（Ｌ）よりも上記発生源（７）から遠い側である遠方側へ貫き、他方の上記領域を上記遠方側から上記近傍側へ貫くよう構成され、
    上記ループ（Ｌ）内に、上記磁束（Φ）を部分的に遮蔽し、上記第１領域（Ｓ１）と上記第２領域（Ｓ２）とをそれぞれ貫く上記磁束（Φ）の量の差を低減させる磁束遮蔽部（５）を設けてあることを特徴とする電力変換装置（１）。
  2. 上記磁束遮蔽部（５）は、上記ケース（４）と一体化し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（１）。
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