JP6672605B2

JP6672605B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6672605B2
Application number: JP2015070474A
Authority: JP
Inventors: 道雄玉手; 達見子浅野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016192837A

Description

本発明は、電力変換装置本体のスイッチング動作に伴って発生する高周波ノイズの入力電源系統への外部流出を低減するノイズフィルタ回路と、故障時に溶断して前記電力変換装置本体を入力電源系統から切り離すヒューズとを搭載したフィルタ回路基板を備えた電力変換装置に関する。

ＩＧＢＴやＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子により入力電力を高速にスイッチングして所定の出力電圧の電力を得る電力変換装置は，高効率・小型化・軽量化等の利点を有し、近年、その普及が目覚ましい。しかし前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生する高周波電圧・電流成分は電磁ノイズの発生の原因となり，周辺機器に対する電磁ノイズ障害が大きな課題となっている。

この電磁ノイズ障害を防止する為に前記電力変換装置には，例えばその電力変換装置本体の電力入力部の前段に、該電力変換装置本体からの入力電源系統側への電磁ノイズ（高周波ノイズ）の流出を低減する為のノイズフィルタ回路が設けられる。特に最近では前記入力電源系統側に流出する前記電磁ノイズに対する法規制が世界的に広がってきており，規制対象となる伝導ノイズ（雑音端子電圧）と放射ノイズ（放射電界強度）は，各種の環境において低減すべきレベルが明確になっている。

ところで前記ノイズフィルタ回路の設計は，専ら、経験やノウハウに頼りながら試行錯誤的に開発されている。その理由はノイズフィルタ回路を構成する各種部品を単体で組み合わせたときよりも，該ノイズフィルタ回路を電力変換装置に組み込んだとき、前記ノイズフィルタ回路や前記電力変換装置本体間において不本意な電磁結合（静電結合・電磁結合）が生じ、電磁ノイズの低減効果が大幅に悪化することに起因する。特に金属筐体内に前記電力変換装置本体と共に前記ノイズフィルタ回路を収納したとき、前記電磁ノイズの十分な低減効果が得られ難い。

さて不本意な電磁結合によるフィルタ特性の悪化要因の１つに，例えば図６に示すように前記ノイズフィルタ回路１から装置外部へ引き出す電力線２を横切る鎖交磁束Ａが挙げられる。この電力線２間を横切る鎖交磁束Ａによって該電力線２に誘導電流Ｂが流れる。するとこの誘導電流Ｂが前記電力線２を介してそのまま装置外部へ流出するので、前記電力変換装置から入力電源系統側に流出するノイズレベルが増大する要因となる。

そこで前記電力線２を短くすることで該電力線２を横切る鎖交磁束Ａをできる限り小さくし、これによって前記鎖交磁束Ａに起因するノイズの低減を図ることが考えられている。また特許文献１に記載されるように、例えば図８（ａ）（ｂ）に示すように前記電力線２を前記電力変換装置における金属筐体１０の外部に引き出す端子台４の直近にバイパスコンデンサ３を追加する。そしてこのバイパスコンデンサ３を介して前記電力線２に誘起される誘導電流Ｂを装置内部で還流させ、これによって装置の外部に流出するノイズを低減することも提唱されている。

しかしながら前記端子台４の直近に前記バイパスコンデンサ３を設ける場合、例えば図８（ａ）（ｂ）に前記バイパスコンデンサ３の実装例をそれぞれ示すように電力変換装置の電力入力部を構築せざるを得ない。ちなみに図８(ａ)は、電力変換装置の端子台４にバイパスコンデンサ３を接続した例を示している。また図８(ｂ)は前記端子台４の直近に前記バイパスコンデンサ３を実装した回路基板５を設け、この回路基板５を介して前記電力線２を前記端子台４に接続した例を示している。尚、図８（ａ）（ｂ）において６は、コンデンサＣ_Ｘ,Ｃ_Ｙ１,Ｃ_Ｙ２とリアクトルＬとからなるノイズフィルタ回路１を搭載したフィルタ回路基板を示している。

このようにして前記端子台４の直近に前記バイパスコンデンサ３を設ける場合、該バイパスコンデンサ３の実装コストが嵩むことが否めない。これ故、従来では専ら、前記バイパスコンデンサ３を実装することに代えて、前記電力線２を出来るだけ短くして前記鎖交磁束Ａの影響を軽減することが多い。

ところで前記電力変換装置には、一般的に、例えば図９に示すように故障発生時に溶断して該電力変換装置を前記入力電源系統から切り離す為のヒューズ７が設けられる。具体的には、例えば図１０に示すように金属筐体１０の外部から引き込まれた電力線２が接続される前記フィルタ回路基板６の端子台４の直近に前記ヒューズ７を配置する。そして前記ヒューズ７に次いで線間コンデンサＣ_Ｘ１、リアクトルＬおよび線間コンデンサＣ_Ｘ２の順でフィルタ部品を一列に配置して前記フィルタ回路基板６が構成される。

ここで前記ヒューズ７は、前記電力変換装置を保護すると共に、前記ノイズフィルタ回路１における前記線間コンデンサＣ_Ｘ１に蓄積された電荷による感電を防止する役割を担う。尚、前記ヒューズ７は、通常、前記ノイズフィルタ回路１を搭載したフィルタ回路基板６に予め形成した導体パターン８にはんだ付けする等して該フィルタ回路基板６に実装される。

しかしこのようにして前記フィルタ回路基板６の電力入力側に前記ヒューズ７を設けると、前記鎖交磁束Ａが前記ヒューズ７を横切ることとなり、前記ヒューズ７が鎖交磁束面積の増大の要因となる。このような不具合を解消する為に、例えば特許文献２には前記ヒューズ７が介装される前記導体パターン８と対をなす電力線（導電パターン）２にインダクタを設け、これによってコモンモードノイズ成分を低減することが開示されている。

特開２００９−２４００３７号公報特開２０１２−２９４０４号公報

しかしながら特許文献２に開示されるように前記ヒューズ７が介装される導体パターン８と対をなす電力線（導電パターン）２にインダクタを設けると、前記フィルタ基板が大型化すると共に該フィルタ回路基板６に搭載する実装部品点数が増加する。しかもコンデンサ等に比較して前記インダクタは高価であり、ノイズフィルタ回路１、ひいては電力変換装置のコストの増大を招来する。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電力変換装置本体の電力入力側に設けられるフィルタ回路基板にヒューズを実装する場合であっても、前記ヒューズを横切る鎖交磁束に起因する誘導電流の装置外部への流出を効果的に低減することのできるノイズフィルタ回路を備えた電力変換装置を提供することにある。

本発明に係る電力変換装置は、基本的には半導体スイッチング素子を介して入力電力をスイッチングして所定電圧の出力電力を生成する電力変換装置本体と、この電力変換装置本体の電力入力側に設けられて該電力変換装置本体のスイッチング動作に伴って発生する高周波ノイズの入力電源系統への外部流出を低減するノイズフィルタ回路とを備えて構成される。

また本発明に係る電力変換装置における前記ノイズフィルタ回路は、故障時に溶断して前記電力変換装置本体を前記入力電源系統から切り離すヒューズと共に１枚のフィルタ回路基板に搭載して構成される。特に前記フィルタ回路基板は、前記入力電源系統の電源線が接続される前記フィルタ回路基板の端子台側から、入力電力線間に介装されて前記ノイズフィルタ回路の一部を構成する線間コンデンサ、この線間コンデンサに対する放電抵抗、前記ヒューズ、および前記線間コンデンサを除く前記ノイズフィルタ回路の残り部分を構成するフィルタ構成部品を、この順に並べて配列したことを特徴としている。
また、前記線間コンデンサを前記入力電源系統の電源線が接続される前記フィルタ回路基板の端子台の直近に実装するとよい。

前記フィルタ回路基板を前記電力変換装置の金属筐体の壁面近傍に、該壁面に沿って設け、前記フィルタ回路基板の接地ラインの配線パターンを、前記金属筐体に接続するとともに、前記フィルタ回路基板の電力線の正極および負極の配線パターンが前記金属筐体の側面と前記接地ラインの配線パターンとの間に位置付けされるように設けるとよい。
好ましくは前記ヒューズは、該ヒューズの近傍に設けられた遮蔽部材により、前記フィルタ回路基板に形成された配線パターンをなす導電層から遮蔽して前記フィルタ回路基板に実装される。この際、前記ヒューズと並列に誘導電流バイパス用の回路素子、例えばコンデンサまたはサージ吸収用バリスタを接続することも好ましい。

上記構成のフィルタ回路基板を備えた電力変換装置によれば、鎖交磁束に起因して前記ヒューズに誘起された誘導電流は、前記フィルタ回路基板の端子台側に設けた前記線間コンデンサを介して該フィルタ回路基板内において還流する。従って前記ヒューズに誘起された誘導電流が前記フィルタ回路基板の端子台を介して装置外部に流れ出ることを効果的に防止することができる。

しかも前記フィルタ回路基板における前記線間コンデンサと前記ヒューズとの間に前記線間コンデンサに対する前記放電抵抗が実装されるので、前記ヒューズが溶断した際、前記放電抵抗を介して前記線間コンデンサに蓄積された電荷を速やかに放電することができる。この結果、線間コンデンサに蓄積された電荷による感電を確実に防ぐことができる。従って本発明に係る電力変換装置によれば、前記フィルタ回路基板に搭載される構成部品を上述した配列順序とするだけで鎖交磁束に起因した装置外部に流れ出るノイズを効果的に低減し、また前記ヒューズの溶断時における感電を確実に防止できる。従ってその実用的利点が多大である。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置に設けられるフィルタ回路基板の部品実装形態と、ノイズフィルタ回路の構成例を示す図。本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置に設けられるフィルタ回路基板の部品実装形態と、ノイズフィルタ回路の構成例を示す図。本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置に設けられるフィルタ回路基板の部品実装形態を示す図。本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置に設けられるノイズフィルタ回路の構成例を示す図。図４に示す誘導電流バイパス用の回路素子の例を示す図。不本意な電磁結合によるフィルタ特性の悪化要因を説明する為の示す図。鎖交磁束に起因するノイズのバイパスコンデンサによる低減作用を説明する為の図。端子台の直近へのバイパスコンデンサの実装例を示す図。ヒューズを設けたノイズフィルタ回路の例を示す図。ヒューズを備えたフィルタ回路基板の従来一般的な部品実装例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電力変換装置について説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置において特徴的な構成を有するノイズフィルタ回路を示すもので、(ａ)はノイズフィルタ回路１とヒューズ７とを搭載したフィルタ回路基板６における部品実装形態を示す図であり、(ｂ)はその回路構成を示す図である。尚、ここでは図８〜図１０に示した従来の回路構成部品と同一部分には同一符号を付して説明する。

この実施形態に係るフィルタ回路基板６は、図１（ａ）（ｂ）に示すように金属筐体１０の外部から電力線２が接続される前記フィルタ回路基板６の端子台４側から順に、前記ノイズフィルタ回路１の一部を構成する線間コンデンサＣ_Ｘ１、この線間コンデンサＣ_Ｘ１に対する放電抵抗Ｒ_Ｘ１、前記ヒューズ７、および前記線間コンデンサＣ_Ｘ１を除く前記ノイズフィルタ回路１の残り部分を構成するフィルタ構成部品を一方向に並べて配列したことを特徴としている。前記線間コンデンサＣ_Ｘ１を除く前記ノイズフィルタ回路１の残り部分を構成するフィルタ構成部品は、具体的にはリアクトルＬおよび線間コンデンサＣ_Ｘ２からなる。

ちなみに前記線間コンデンサＣ_Ｘ１は前記端子台４の直近に実装され、これによって該端子台４と前記線間コンデンサＣ_Ｘ１との間の電力線２の長さが極力短く設定される。またここでは前記フィルタ回路基板６を前記電力変換装置の金属筐体１０の壁面近傍に、該壁面に沿って設けるようにしている。そして前記ヒューズ７が介装される電力線２の、例えば正極Ｐ１,Ｐ２側の配線パターンを前記金属筐体１０の壁面に近接する前記フィルタ回路基板６の一側辺部に沿って設けている。

ちなみに前記電力線２の負極Ｎ１,Ｎ２側の配線パターンは、前記フィルタ回路基板６の中央部に形成される。また前記電力線２の接地ラインＥの配線パターンは、前記負極Ｎ１,Ｎ２側の配線パターンを間にして前記フィルタ回路基板６の他側辺部に沿って形成される。その上で前記接地ラインＥの配線パターンを前記金属筐体１０に接続して、該金属筐体１０と前記フィルタ回路基板６の接地電位を等しくしている。

このようなフィルタ回路基板６の部品配列構成によれば、前記ヒューズ７への鎖交磁束Ａにより生じる誘導電流Ｂを前記線間コンデンサＣ_Ｘ１にてバイパスして、該フィルタ回路基板６の内部で還流させることができる。従って鎖交磁束Ａに起因する誘導電流Ｂの装置外部への流出を効果的に低減し、装置外部に流出するノイズレベルを低減することができる。しかも前記ヒューズ７が溶断した場合、前記線間コンデンサＣ_Ｘ１に蓄積された電荷が前記放電抵抗Ｒ_Ｘ１を介して放電されるので、該線間コンデンサＣ_Ｘ１に蓄積された電荷による感電を確実に防ぐことができる。

また前記フィルタ回路基板６の構成によれば、前記金属筐体１０の壁面と前記接地ラインＥの配線パターンとの間に、前記ヒューズ７が介装される前記正極Ｐ１,Ｐ２側の配線パターンと前記負極Ｎ１,Ｎ２側の配線パターンを位置付けることができる。この結果、同一電位に設置された前記金属筐体１０の壁面と前記接地ラインＥの配線パターンとにより、前記正極Ｐ１,Ｐ２側の配線パターンと前記負極Ｎ１,Ｎ２側の配線パターンが形成する電力線２を横切る鎖交磁束Ａを低減することができる。従ってこの点でも装置外部に流出するノイズレベルを低減することが可能となる。

尚、図２（ａ）（ｂ）に本発明の第２の実施形態を示すように、前記ノイズフィルタ回路１を構成する前記線間コンデンサＣ_Ｘ１を、例えば２つの線間コンデンサＣ_Ｘ１,Ｃ_Ｘ３に分け、一方の線間コンデンサＣ_Ｘ３を前記ヒューズ７と前記リアクトルＬとの間に設けるようにしても良い。このようにすれば前記端子台４の直近に設ける前記線間コンデンサＣ_Ｘ１の容量を小さくすることができる。従って前記ヒューズ７の溶断時に、前記線間コンデンサＣ_Ｘ１に蓄積された電荷の前記放電抵抗Ｒ_Ｘ１による放電を逸早く行わせることができる。従って前記線間コンデンサＣ_Ｘ１に蓄積された電荷による感電を、より確実に防止することが可能となる。

また図３に本発明の第３の実施形態を示すように、前記フィルタ回路基板６に実装された前記ヒューズ７を覆って、例えばメッシュ状の金属体からなる遮蔽体１２を設けることも有用である。この遮蔽体１２は、前記ヒューズ７を前記鎖交磁束Ａから電磁シールドする役割を担う。ちなみに前記遮蔽体１２については、必ずしも前記金属筐体１０に接続して接地する必要はないが、該遮蔽体１２の支持法を考慮した場合、前記金属筐体１０に固定することが望ましい。具体的には前記フィルタ回路基板６を前記金属筐体１０にねじ止め固定する際、該フィルタ回路基板６と共に前記遮蔽体１２を一括して前記金属筐体１０に装着するようにしておけば良い。

かくして前記遮蔽体１２により前記ヒューズ７を磁気シールドした構成のフィルタ回路基板６によれば、前述した各実施形態以上に装置外部へのノイズの流出を低減することができる。しかも簡易にして効果的に外部に流出するノイズレベルを大幅に低減することができる。従ってその実用的利点が多大である。

尚、前述した各実施形態の構成に加えて、図４に示すように前記ヒューズ７に電流バイパス素子（Ｚ１）１３を並列接続しておくことも有用である。そして前記電流バイパス素子１３を介して前記鎖交磁束Ａにより前記ヒューズ７に誘起された誘導電流Ｂを装置内部で還流させるようにする。ちなみに前記電流バイパス素子１３としては、例えば図５(ａ)に示すようなコンデンサや、サージ抑制素子である図５(ｂ)に示すようなバリスタが用いられる。

ちなみに前記電流バイパス素子１３としてのコンデンサは、前述した線間コンデンサＣ_Ｘ１と同様に前記誘導電流Ｂに対するバイパス経路として機能する。しかしこのコンデンサについては、前記ヒューズ７の溶断時のサージ電流により破損する虞がある。この点、前記電流バイパス素子１３として前記バリスタを用いれば、該バリスタは通常動作時にはコンデンサとして機能し、前記ヒューズ７の溶断時にはサージ電流を吸収する。従って前記バリスタは、ノイズ電流を装置内部で還流させると共に、サージ耐量を高める素子として有効に機能する。故に、前述した各実施形態以上の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えばノイズフィルタ回路１について従来より種々提唱されている方式の回路を適宜採用可能である。またここでは単相交流に対する電磁ノイズの低減効果を例に説明したが、三相交流に対しても同様な効果が奏せられることは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能なことは勿論のことである。

１ノイズフィルタ回路
２電力線
３バイパスコンデンサ
４端子台
５回路基板
６フィルタ回路基板
７ヒューズ
８導体パターン
１０金属筐体
１２遮蔽体
１３電流バイパス素子

Claims

半導体スイッチング素子を介して入力電力をスイッチングして所定電圧の出力電力を生成する電力変換装置本体と、この電力変換装置本体の入力側に設けられて該電力変換装置本体のスイッチング動作に伴って発生する高周波ノイズの入力電源系統への外部流出を低減するノイズフィルタ回路とを備えた電力変換装置であって、
前記ノイズフィルタ回路は、故障時に溶断して前記電力変換装置本体を前記入力電源系統から切り離すヒューズと共にフィルタ回路基板に搭載して構成され、
前記フィルタ回路基板は、前記入力電源系統の電源線が接続される前記フィルタ回路基板の端子台側から、入力電力線間に介装されて前記ノイズフィルタ回路の一部を構成する線間コンデンサ、この線間コンデンサに対する放電抵抗、前記ヒューズ、および前記線間コンデンサを除く前記ノイズフィルタ回路の残り部分を構成するフィルタ構成部品を、この順に並べて配列したことを特徴とする電力変換装置。
前記線間コンデンサを前記入力電源系統の電源線が接続される前記フィルタ回路基板の端子台の直近に実装する請求項１に記載の電力変換装置。
前記フィルタ回路基板を前記電力変換装置の金属筐体の壁面近傍に、該壁面に沿って設け、
前記フィルタ回路基板の接地ラインの配線パターンを、前記金属筐体に接続するとともに、前記フィルタ回路基板の電力線の正極および負極の配線パターンが前記金属筐体の側面と前記接地ラインの配線パターンとの間に位置付けされるように設ける請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記ヒューズは、該ヒューズの近傍に設けられた遮蔽部材により、前記フィルタ回路基板に形成された配線パターンをなす導電層から遮蔽して前記フィルタ回路基板に実装される請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記ヒューズは、該ヒューズと並列に誘導電流バイパス用の回路素子を接続して前記フィルタ回路基板に搭載されている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記誘導電流バイパス用の回路素子は、コンデンサまたはサージ吸収用のバリスタからなる請求項５に記載の電力変換装置。