DE102004049104A1

DE102004049104A1 - Leistungswandler und ein denselben verwendendes System

Info

Publication number: DE102004049104A1
Application number: DE102004049104A
Authority: DE
Inventors: Nobuyoshi Hino Mutoh
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2005-06-09
Also published as: JP4479990B2; US20050174820A1; JP2005117862A; US6999330B2

Abstract

Eine zweite Leitungsführungs-Schicht 362 einer mehrschichtigen Leiterplatte, die einen Leistungswandler bildet, ist mit einer ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p ausgestattet, die die Gleichstrom-Sammelleitung 300p bilden. Die erste positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und die zweite positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p sowie eine negative Seite der Gleichstrom-Leitungsführung sind mit einer gehobenen Struktur versehen, um eine Übertragungspfad-Länge an einer Seite in einer Gleichstrom-Übertragungsrichtung kürzer auszuführen als eine Übertragungspfad-Länge an deren anderen Seite. Die Leitungsbreiten der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p werden auf eine Breite eingestellt, die gleich oder größer ist als eine Breite, durch die ein Dämpfungsfaktor eines Störungsstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung im Wesentlichen ein konstanter Wert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungswandler zum Ausführen einer Steuerung durch einen Schaltvorgang und ein denselben verwendendes System.
Ein durch einen Schaltvorgang gesteuerter Leistungswandler wird in verschiedenen Vorrichtungen einer Motorantriebs-Vorrichtung oder dergleichen verwendet, wobei eine dafür geforderte Funktion schwierig wird. Um die Bedürfnisse zu erfüllen, werden die Schalteigenschaften eines Energiebauteils, das einen Leistungswandler bildet, verbessert, wobei eine Schaltdauer auf 10 ns bis 100 ns erheblich beschleunigt wird. Daher wird eine Frequenz einer EMI-Störung (EMI – electromagnetic interference – elektromagnetische Störung), die von einem den Leistungswandler verwendenden System erzeugt wird, erhöht und ist für das Übergreifen auf eine andere elektronische Vorrichtung, eine Informations-Kommunikationsvorrichtung und dergleichen verantwortlich, während eine Gleichtaktstörung über eine Streukapazität und eine elektromagnetische Gefährdung erzeugt werden können.
Ein Gleichtaktstrom (Fehlerstrom), der in einem Motor-Antriebssystem fließt, soll über eine Streukapazität fließen, die im System in verschiedenen Zuständen verteilt ist. Um den Gleichtaktstrom einzuschränken, wird ein Schaltungsmodell, das das Verhalten der Gleichtaktstörung (Spannung, Strom) des Antriebssystems aufgreift und dieses Verhalten widerspiegelt, unerlässlich.
11 ist ein Schaltbild, das einen skizzenhaften Aufbau eines Motor-Antriebssystems zeigt, das ein Beispiel eines Systems ist, das einen durch einen Schaltvorgang gesteuerten Leistungswandler verwendet. Das Motor-Antriebssystem von 11 enthält eine Wechselstrom-Energiequelle 1, eine Wechselstrom-Drosselspule 2, einen Leistungswandler 3 und einen Motor 4. Ferner sind Erdungsleitungen (nicht dargestellt) der Wechselstrom-Drosselspule 2, ein Rahmen (nicht dargestellt) des Motors 4 und der Leistungswandler 3 mit einer Erde 5 verbunden. Des Weiteren kennzeichnet hier ein Rahmen ein Bauelement, das eine Vorrichtung lagert, die mit der gesamten Vorrichtung durch einen Leiter in einem Zustand geschützt wird, in dem sie vom leitenden Teil einer Vorrichtung elektrisch isoliert ist.
Der Leistungswandler 3 wird mit Energie von der Wechselstrom-Energiequelle 1 über die Wechselstrom-Drosselspule 2 gespeist, um in eine Energiequelle mit einer beliebigen Frequenz und einer beliebigen Spannung umgewandelt zu werden. Der Leistungswandler 3 bildet die Grundbestandteile durch einen Wandler (Durchlass-Wandler) 31, um die eingegebene Wechselstrom-Energie in eine Gleichspannung umzuwandeln, einen Glättungskondensator 32, um die vom Wandler 31 ausgegebene Gleichspannung zu glätten und einen Wechselrichter (Rückwandler), um die geglättete Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln, wobei die Bauteile auf einer Leiterplatte 30 montiert sind und der Wandler 31 und der Rückwandler 33 über Gleichstrom-Hauptschaltungsleiter (Gleichstrom-Sammelleitungen) 300n, 300p verbunden sind, die auf der Leiterplatte 30 ausgebildet sind. Ferner ist ein Bauteilgehäuse oder dergleichen, das den Wandler 31 und den Rückwandler 33 bildet, mit Kühlrippen 34 verbunden. Die Kühlrippen 34 sollen den Temperaturanstieg der Bauteile oder dergleichen einschränken und sind elektrisch mit einer Erde (in 11 nicht dargestellt) der Leiterplatte 30 verbunden.
Es gibt zwei Arten von EMI-Störungen in einem solchen System. Eine davon ist eine Gegentaktstörung (Differential-Taktstörung), die durch eine Differentialspannung vom Gleichstrom-Hauptschaltungsleiter 300n, 300p zwischen dem Wandler 31 und dem Rückwandler 33 erzeugt wird, und die andere ist eine Gleichtaktstörung, die durch den Gleichtaktstrom erzeugt wird, der über parasitäre Kapazitäten fließt, die im Motor-Antriebssystem verteilt sind. Die Gegentaktstörung verursacht die Gleichtaktstörung, wobei es wichtig ist, die Gegentaktstörung zu steuern, um die EMI-Störung zu reduzieren.
Gemäß 11 sind drei Arten des Gleichtaktstroms vorhanden, ein Strom I_C2, der vom Bauteilgehäuse oder dergleichen des Leistungswandlers 3 über die Kühlrippen 34 zur Erde abgeleitet wird, ein Strom I_C3, der über den Rahmen der Wechselstrom-Drosselspule 2 zur Erde abgeleitet wird, und ein Strom I_C1, der über den Motorrahmen abgeleitet wird. Gemäß 11 soll der Gleichtaktstrom über die Streukapazität fließen, wobei daher ein Störungsbestandteil mit einer hohen Frequenz erzeugt wird, der als Ableitungsstrom fließt. Des Weiteren wird in 11 eine Darstellung hinsichtlich Streukapazität unterlassen.
Die Erfinder haben eine Technologie vorgeschlagen, die den Gleichtaktstrom reduziert, der über eine im Inneren eines Systems verteilte Streukapazität fließt (mit Verweis auf den Nichtpatent-Bezug 1, Patent-Bezug 1). Entsprechend dem System werden Dämpfungs-Impedanzen zwischen einem einzelnen oder einer Vielzahl von Bauteilen in Bauteile geschaltet, die das System und die Erde bilden.
Die Gegentaktstörung kann durch Zwischenschalten eines Störungsfilters in einer Gleichstrom-Leitungsführung zwischen einem Wandler und einem Rückwandler eingeschränkt werden. Es gibt jedoch die Möglichkeit, erneut einen Strompfad zu bilden, der über eine Vorrichtung, die als Gegenmaßnahme dagegen hinzugefügt wurde, die Gleichtaktstörung verursacht, wobei es vorzuziehen ist, einen zusätzlichen Stromkreis zum Reduzieren der Gegentaktstörung so weit wie möglich zu verhindern.
Die Erfinder haben außerdem eine Technologie vorgeschlagen, die die Gegentaktstörung verhindert (mit Verweis auf den Nichtpatent-Bezug 1, Patent-Bezug 1). Gemäß der Technologie werden Gleichstrom-Hauptschaltungsleiter zwischen einem Wandler und einem Rückwandler an Leitungsführungs-Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet, die sich von einander an symmetrischen Positionen durch Zwischenschalten von Isolierschichten unterscheiden.
12 zeigt einen skizzenhaften Aufbau eines Beispiels der Leiterplatte 30, die in dem in 11 gezeigten Leistungswandler 3 eingesetzt wird (auch ähnlich dem im Nichtpatent-Bezug 1 gezeigten Leistungswandler 3). Die Leiterplatte 30 enthält 4 Leitungsführungs-Schichten von einer ersten Leitungsführungs-Schicht (nicht dargestellt) bis zu einer vierten Leitungsführungs-Schichten 264, wobei Isolationsschichten 372 bis 374 zwischen den jeweiligen Leitungsführungs-Schichten und Flächen der ersten Leitungsführungs-Schicht und der vierten Leitungsführungs-Schicht 364 angeordnet sind (die Veranschaulichung der Isolationsschichten an der Fläche der ersten Leitungsführungs-Schicht und zwischen der ersten Leitungsführungs-Schicht und der zweiten Leitungsführungs-Schicht 362 wird weggelassen).
Die erste Leitungsführungs-Schicht (nicht dargestellt) ist eine Schicht, die hauptsächlich mit einer Gate-Schaltung des Leistungswandlers 3, den Leitungsführungen für einen Spannungsdetektor, einem Stromdetektor, eine Leitungsführung zum Übertragen der Einspeisung einer Energiequelle und dergleichen ausgestattet ist. Die zweite Leitungsführungs-Schicht 362 ist mit einer ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p und einer zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p versehen, die die Gleichstrom-Sammelleitung 300p bilden. Die dritte Leitungsführungs-Schicht 363 ist mit einer negativen Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301n ausgestattet und bildet die Gleichstrom-Sammelleitung 300n. Des Weiteren sind die erste positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p und die zweite positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p über ein elektromagnetisches Relais 35 verbunden. Wenn es nicht notwendig ist, die Verbindung zwischen dem Wandler 31 und dem Rückwandler 33 zu unterbrechen, kann das elektromagnetische Relais 35 weggelassen werden, indem eine Einzelleitungsführung durch Verbinden der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p gebildet wird. Ferner ist die vierte Leitungsführungs-Schicht 364 eine Leitungsführungs-Schicht, die mit einer Erdungsleitung 304 ausgebildet ist, die eine Erdseite des Leistungswandlers 3 bildet. Des Weiteren werden in der Leiterplatte 30 in 12 nur Teile der Leiterplatte 30 in der Nähe von Leitungsführungen gezeigt, die die Gleichstrompfade 300p, 300n bilden.
Die durch IMP gebildeten Wandler 31 und Rückwandler 33 sind jeweils in einem Wandler-Anordnungsbereich 31S und einem Rückwandler-Anordnungsbereich 33S angeordnet. Ferner ist ein Ausgangsanschluss des Wandlers 31 mit einem Ende der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p und einem Ende der negativen Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301n verbunden, wobei ein Eingangsanschluss des Rückwandlers 33 mit einem Ende der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p und dem anderen Ende der negativen Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301n verbunden ist. Außerdem ist der Glättungskondensator 32 mit einem Mittelpunkt der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p und einem Mittelpunkt der negativen Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301n in Übereinstimmung damit verbunden.
Eine Gegentaktspannung ΔV zwischen den Gleichstrompfaden 300p, 300n wird ΔV = (L_s1 + L_s2 – 2M) di1/dt = L_effdi1/dt, wenn eine Selbstinduktivität der Gleichstrom-Sammelleitung 300p durch die Bezeichnungsweise L_s1 gekennzeichnet wird, eine Selbstinduktivität der Gleichstrom-Sammelleitung 300n durch die Bezeichnungsweise L_s2 gekennzeichnet wird, deren gegenseitige Induktivität durch die Bezeichnungsweise M gekennzeichnet wird, deren Wirkinduktivität durch die Bezeichnungsweise L_eff gekennzeichnet wird und ein Strom, der in der Gleichstrom-Sammelleitung fließt, durch die Bezeichnungsweise i1 gekennzeichnet wird. Die Spannung ΔV wird durch Reduzieren der Wirkinduktivität L_eff, das heißt, durch Erhöhen der gegenseitigen Induktivität M, reduziert.
Gemäß der Leiterplatte 30 in 12 sind die erste positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p und die zweite positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p und die negative Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301n, die die Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n bilden, mit Strukturen ausgestattet, die durch das Zwischenschalten der Isolationsschicht 372 symmetrisch sind, wobei demgemäß die gegenseitige Induktivität M erhöht ist und die Gegentaktspannung ΔV reduziert werden kann. Folglich wird der Gegentaktstrom reduziert, wobei der auf diese Weise begleitende Gleichtaktstrom ebenfalls reduziert werden kann.
Ein Strom an einer Frequenz-Strombrücke jedoch, der gleich oder höher ist als mehrere den Störungsstrom bildende MHz wird an einer Oberfläche des Leiters durch einen Skin-Effekt gestreut und ausgebreitet, wobei daher, im Fall eines Hochfrequenzstroms, der durch den Schaltvorgang des Leistungswandlers in den Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n fließt, nicht nur eine leitende EMI-Störung, sondern auch eine ausstrahlende EMI-Störung ein Problem aufwerfen. Ferner werden die Bauteile, die den Leistungswandler bilden, durch dreidimensionale Strukturen gebildet, wobei deshalb eine solche ausstrahlende Störung leicht über die Streukapazitäten unter den jeweiligen Bauteilen ausgebreitet werden kann, wobei eine Gegenmaßnahme dagegen schwierig wird. Ein konzentrierter, konstanter Filter nach dem Stand der Technik kann eine EMI-Störung, die auf einer Oberfläche einer Energie-Übertragungsleitung gestreut wird, nicht steuern.

(Nichtpatent-Bezug 1)

Nobuyoshi Mutoh, Mitsukatsu Ogata, Kayhan Gulez und Fumio Harashima „New methods to Suppress EMI Noises in the Motor Drive System", ausgeteilt bei der "9^th European Conference on Power Electronics and Applications", abgehalten in Gratz, Österreich, vom 27. bis 29. August 2001, in der Form einer CD-ROM (ISBN: 90-75815-06-9)
(Patent-Bezug 1)
Japanische Patentveröffentlichung Nr. 3 432 505

Die Erfindung wird angesichts der oben beschriebenen Situation ausgeführt und hat die Aufgabe, eine EMI-Störung zu reduzieren, die von einem Leistungswandler erzeugt wird, der durch einen Schaltvorgang in einem einfachen Aufbau gesteuert wird.

Die Erfindung ist ein Leistungswandler zum Ausführen einer Steuerung durch einen Schaltvorgang, wobei der Leistungswandler einen Wandler zum Umwandeln eines Wechselstroms in Gleichstrom, einen Rückwandler zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom, Gleichstrom-Sammelleitungen, um einen Ausgangsanschluss des Wandlers und einen Eingangsanschluss des Rückwandlers zu verbinden, eine mit den Gleichstrom-Sammelleitungen ausgebildete, mehrschichtige Leiterplatte und einen Glättungskondensator enthält, der zwischen den Gleichstrom-Sammelleitungen geschaltet ist, wobei eine positive Sammelleitung und eine negative Sammelleitung der Gleichstrom-Sammelleitung an Positionen angeordnet sind, an denen die Leitungsführungs-Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte aneinander angrenzen oder sich im Wesentlichen überlappen, wobei die Gleichstrom-Sammelleitung mit einer gebogenen Struktur zum Herstellen einer Übertragungspfad-Länge an einer Seite in einer Gleichstrom-Übertragungsrichtung angeordnet ist, die kürzer ist als eine Übertragungspfad-Länge einer anderen Seite davon, wobei eine Leitungsbreite der Gleichstrom-Sammelleitung durch eine Breite gebildet wird, die gleich oder größer ist als eine Breite, durch die ein Dämpfungsfaktor eines Hochfrequenz-Stroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung wenigstens hinsichtlich eines Teils in einem vorgegebenen Bereich vom Ausgangsanschluss des Wandlers und eines Teils in einem vorgegebenen Bereich vom Eingangsanschluss des Rückwandlers im Wesentlichen ein konstanter Wert wird, wobei die gebogene Struktur der Gleichstrom-Sammelleitung den Hochfrequenz-Strom, der durch den Schaltvorgang erzeugt wurde, zu einer Seite der Gleichstrom-Sammelleitung hin streut.

Entsprechend der Erfindung können nicht nur eine leitende EMI-Störung, sondern auch eine ausstrahlende EMI-Störung gleichzeitig eingeschränkt werden. Ferner ist eine einschränkende Wirkung der EMI-Störung mit der Ausführungsstufe eines Produkts eng verbunden, wobei damit ein besonderes Teil zur Störungs-Gegenmaßnahme überflüssig ist und selbst in einer Reihe von Produkten eine gleichmäßige, störungseinschränkende Wirkung für alle Produkte erreicht werden kann.

Ein Leistungswandler der Erfindung beinhaltet einen Leistungswandler, bei dem eine Dicke einer Isolationsschicht der mehrschichtigen Leiterplatte, die durch die mit der positiven Seite der Sammelleitung ausgebildeten Leitungsführungs-Schicht und die mit der negativen Seite der Sammelleitung ausgebildeten Leitungsführungs-Schicht zwischengeschaltet wird, eine Dicke ist, die gleich oder kleiner ist als eine Dicke, durch die die Hochfrequenz, die durch den Schaltvorgang erzeugt wurde, zu den Seiten der positiven Seite der Sammelleitung und der negativen Seite der Sammelleitung gestreut wird, die einander gegenüberliegen.

Entsprechend der Erfindung wird ein System bereitgestellt, in dem die mehrschichtige Leiterplatte eine Vorrichtung enthält, die die Leitungsführungs-Schicht erdet, wobei eine Dämpfungs-Impedanz zwischen einem oder einer Vielzahl von Bauteilen geschaltet wird, die ein System und eine Erde bilden.

Entsprechend der Erfindung kann eine Kenngröße korrigiert werden, so dass sie angemessen leicht gewartet wird, wobei daher die gleichförmige, störungseinschränkende Wirkung bis zur äußersten Standzeit des Produkts erreicht wird. Da ferner nur die Impedanz dazwischen geschaltet wird, kann man sich auch bei einem vorhandenen System leicht damit befassen, ohne dass es durch einen Bauzustand oder eine Baubedingung beeinflusst wird.

Das System der Erfindung beinhaltet ein System, in dem die Dämpfungs-Impedanz mit einem Wert in der Nähe bereitgestellt wird, die eine Einschränkungswirkung eines Resonanzstroms, der zwischen den Bauteilen und der Erde fließt, rasch reduziert.

Entsprechend der Erfindung kann ein Potentialanstieg eines Bauteils, das das System bildet (zum Beispiel ein Rahmen oder dergleichen), vermieden werden, wobei folglich die EMI-Störung eingeschränkt werden kann, während ein elektrischer Schlag verhindert wird.

Es zeigen:
1 eine Ansicht, die den skizzenhaften Aufbau eines wesentlichen Teils eines Leistungswandlers entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2A bis 2D Ansichten zum Erläutern der Begrenzungs-Wirkung eines Störungsstroms;
3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Breite einer Leiterplatte und der Dämpfung eines Hochfrequenzstroms zeigt;
4 eine Ansicht, die einen wesentlichen Teil, einen Strommesspunkt und einen Magnetfeld-Messpunkt, einer Leiterplatte schematisch zeigt;
5 ein Diagramm, das eine Intensität eines nahe liegenden Magnetfelds über einer zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung zeigt;
6 ein Diagramm, das die Ströme an einer Vielzahl von Punkten einer ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung zeigt;
7 ein Diagramm, das die Ströme an einer Vielzahl von Punkten einer zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung zeigt;
8 eine Ansicht, die einen skizzenhaften Aufbau eines wesentlichen Teils eines Leistungswandlers entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
9 eine Ansicht, die einen skizzenhaften Aufbau eines Systems zum Einschränken einer EMI-Störung durch eine Dämpfungs-Impedanz zeigt;
10 ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem Wert des zwischen einem Rahmen eines Motors und der Erde geschalteten Dämpfungs-Widerstands und einem Spitzenwert eines Gleichtaktstroms zeigt, der über den Rahmen fließt;
11 eine Ansicht, die einen skizzenhaften Aufbau eines Motor-Antriebssystems zeigt;
12 eine Ansicht, die einen skizzenhaften Aufbau eines Beispiels einer Leiterplatte zeigt, die für einen Leistungswandler verwendet wird.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, wie folgt, erläutert. 1 ist eine Ansicht, die einen skizzenhaften Aufbau eines wesentlichen Teils eines Leistungswandlers entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und einen skizzenhaften Aufbau der zweiten Leitungsführungs-Schicht 362 der mehrschichtigen Leiterplatte zeigt, die den Leistungswandler bildet. Die zweite Leitungsführungs-Schicht 362 ist mit der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p ausgestattet, die die Gleichstrom-Sammelleitung 300p bilden. Ein Ende der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p wird zum Ausgangsanschluss des Wandlers 31 (in 1 nicht dargestellt) ausgegeben, der in dem Wandler-Anordnungsbereich 31S angeordnet ist, wobei ein Ende der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p zum Eingangsanschluss des Rückwandlers 33 (in 1 nicht dargestellt) ausgegeben wird, der in dem Rückwandler-Anordnungsbereich 33S angeordnet ist. Die anderen Enden der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p sind durch ein elektromagnetisches Relais 35 (in 1 nicht dargestellt) verbunden. Ferner wird der Glättungskondensator 32 (in 1 nicht dargestellt) in einem Kondensator-Anordnungsbereich 32S angeordnet.
Der Leistungswandler enthält eine dritte Leitungsführungs-Schicht, die der in 12 gezeigten ähnlich ist, wobei die dritte Leitungsführungs-Schicht mit der negativen Seite der Gleichstrom-Leitungsführung an Positionen versehen ist, die die erste positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und die zweite positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p im Wesentlichen überlappen. Die anderen Bestandteile sind im Grunde den in 12 gezeigten ähnlich, wobei daher deren Erläuterung unterlassen wird.
Die erste positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und die zweite positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p sowie die nicht dargestellte negative Seite der Gleichstrom-Leitungsführung (nachfolgend gibt es auch einen Fall, in dem die positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung und die negative Seite der Gleichstrom-Leitungsführung einfach als Gleichstrom-Leitungsführungen beschrieben werden) sind mit einer gebogenen Struktur ausgestattet, damit die Übertragungspfad-Länge an einer Seite in einer Gleichstrom-Übertragungsrichtung kürzer wird als eine Übertragungspfad-Länge an deren anderen Seite. Das heißt, ein Übertragungspfad auf einer rechten Seite der Darstellung der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p wird kürzer als ein Übertragungspfad auf einer linken Seite, wobei ein Übertragungspfad auf einer linken Seite der Darstellung der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p kürzer wird als ein Übertragungspfad auf einer rechten Seite. Folglich wird die Übertragungspfad-Länge auf einer Seite in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung kürzer als die Übertragungspfad-Länge auf der anderen Seite, wobei eine Differenz zwischen einem Widerstandswert auf einer Seite und einem Widerstandswert auf der anderen Seite verursacht wird. Folglich wird ein Hochfrequenzstrom (nachfolgend gibt es auch einen Fall, in dem der Hochfrequenzstrom als Störungsstrom beschrieben wird), der durch den Schaltvorgang des Wandlers 31 oder des Rückwandler 33 erzeugt wurde, zu einer Seite der Gleichstrom-Sammelleitung gestreut. Das heißt, an der Innenseite der Leitungsführungs-Schicht der Gleichstrom-Leitungsführung wird ein Störungsstrom in einer parallel mit der Leitungsführungs-Schicht liegenden Richtung (nachfolgend gibt es auch einen Fall, in dem die Richtung als eine horizontale Richtung beschrieben wird) zu einer Seite hin begrenzt.
Ferner werden die Leitungsbreiten der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p auf eine Breite eingestellt, die gleich oder größer ist als eine Breite, durch die der Dämpfungsfaktor des Störungsstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung im Wesentlichen ein konstanter Wert wird. Obwohl, wie später beschrieben wird, der Dämpfungsfaktor des Störungsstroms, der sich in der Leitungsführung der Leiterplatte ausbreitet, umso größer wird, je größer die Leitungsbreite der Leitungsführung der Leiterplatte ist, wenn die Leitungsbreite auf ein bestimmtes Maß erhöht wird, ändert sich der Dämpfungsfaktor kaum. Entsprechend der Erfindung werden die Leitungsbreiten der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p so angefertigt, dass sie wenigstens in Hinsicht auf Teile in einem vorgegebenen Bereich vom Ausgangsanschluss des Wandlers 31 und in einem vorgegebenen Bereich vom Eingangsanschluss des Rückwandlers 33 gleich oder größer sind als eine solche Leitungsbreite. Ferner zeigt die „Breite, durch die der Dämpfungsfaktor im Wesentlichen konstant wird" nicht strikt die Leitungsbreite an, die eine Nähe einer Änderungsrate von „0" bildet, sondern beinhaltet auch eine Leitungsbreite, die mehr oder weniger schmaler ist als die Leitungsbreite, die eine Nähe einer Änderungsrate von „0" bildet. Die Leitungsbreite wird zum Dämpfen des Störungsstroms erhöht, wenn sich die Leitungsbreite der Leitungsbreite nähert, durch die der Dämpfungsfaktor im Wesentlichen konstant wird, wobei sich der Dämpfungsfaktor dem maximalen Dämpfungsfaktor nähert, der durch das Erhöhen der Leitungsbreite bereitgestellt wird, wobei eine solche Leitungsbreite damit zu einer Reduzierung der EMI-Störung beträgt, selbst wenn eine Leitungsbreite gebildet wird, die schmaler ist als die oben beschriebene Leitungsbreite. Hinsichtlich der negativen Seite der Gleichstrom-Leitungsführung wird auch eine ähnliche Leitungsbreite gebildet, da die negative Seite der Gleichstrom-Leitungsführung mit einer Form versehen ist, die die erste positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 311p und die zweite positive Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 312p im Wesentlichen überlappt.
Als Nächstes werden die gebogene Struktur der Leitungsführung der Leiterplatte und die Begrenzung des Störungsstroms erläutert. 2 veranschaulicht Ansichten zum Erläutern einer Wirkung, die den Störungsstrom begrenzt, wobei eine Verteilung des Hochfrequenzstroms (von 15 MHz in diesem Beispiel) gezeigt wird, wenn eine Impulsspannung an ein Leitungsende mit den in 2A bis 2C gezeigten Formen angelegt wird. 2D zeigt ein Verhältnis des Hochfrequenzstroms im Vergleich zu dem Verhältnis der Pfadlängen der Übertragungspfade, das heißt, das Verhältnis der Impedanzen. Obwohl, wenn gemäß 2A ein Verhältnis der Pfadlängen (das Verhältnis einer Abmessung auf einer Seite des Übertragungspfads zu der Abmessung auf dessen anderen Seite) gleich 1 ist, ist auch das Stromverhältnis 1, wenn eine gebogene Struktur gemäß 2B gebildet wird, eine Pfadlänge auf der unteren Seite kürzer wird, werden eine Pfadlänge auf der oberen Seite der Darstellung und das Pfadlängenverhältnis erhöht. In diesem Fall wird der Hochfrequenzstrom zu einer Seite einer kurzen Pfadlänge hin gestreut, wobei daher das Stromverhältnis erhöht wird. Das heißt, der Hochfrequenzstrom in der horizontalen Richtung ist zu einer Seite des Übertragungspfads hin begrenzt. Wenn ferner das Pfadlängenverhältnis durch Bilden einer Form gemäß 2C erhöht wird, kann das Stromverhältnis erhöht werden.
Auf diese Weise wird der Hochfrequenzstrom, der die EMI-Störung bildet, begrenzt, wobei folglich nicht nur die leitende EMI-Störung, sondern auch die ausstrahlende EMI-Störung gleichzeitig eingeschränkt werden können. Um die Begrenzungswirkung zu erhöhen, ist es vorzuziehen, das Pfadlängenverhältnis so groß wie möglich zu gestalten.
Als Nächstes wird die Begrenzung des Störungsstroms in einer vertikalen Richtung (einer Richtung rechtwinkelig zur Leitungsfläche) erläutert. Obwohl der Hochfrequenzstrom, der den Störungsstrom bildet, an der Oberfläche der Leitungsführung gestreut wird, sind entsprechend der Erfindung die Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n durch Zwischenschalten der Isolationsschicht (dielektrische Schicht) 372 symmetrisch angeordnet, wobei demgemäß der Hochfrequenzstrom zu einer Seite der Isolationsschicht 372 gestreut wird. Das heißt, der Hochfrequenzstrom wird zur Seite der Isolationsschicht 372 hin begrenzt. Folglich kann die ausstrahlende Störung durch den gestreuten Hochfrequenzstrom reduziert werden. Die Begrenzung des Hochfrequenzstroms zur Isolationsschicht 372 wird entsprechend einer Intensität der Kapazitätskopplung der Gleichstrom-Sammelleitungen 300p und 300n erhöht, wobei es deshalb vorzuziehen ist, die Isolationsschicht so dünn wie möglich anzufertigen. Wenn ferner die Kapazitätskopplung der Gleichstrom-Sammelleitungen 300p und 300n erhöht wird, ist der Dämpfungsfaktor des Hochfrequenzstroms in der später erwähnten Gleichstrom-Übertragungsrichtung erhöht, wobei die ausstrahlende Störung weiter reduziert werden kann.
Es werden nacheinander die Leitungsbreiten der Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n erläutert. Wie oben beschrieben, trägt die Kapazitätskopplung der Gleichstrom-Sammelleitungen 300p und 300n zu einer Reduzierung der ausstrahlenden Störung bei, wenn die Kapazitätskopplung groß ist, wobei es deswegen vorzuziehen ist, die Kapazitätskopplung durch Erhöhen der Leitungsbreiten zu steigern. Ferner trägt die Streuung des Störungsstroms der Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n in der Gleichstromübertragungsrichtung dazu bei, die ausstrahlende Störung zu reduzieren, wenn die Streuung klein ist.
3 zeigt eine Beziehung zwischen der Breite der Leitungsführung der Leiterplatte und der Dämpfung des Hochfrequenzstroms. 3 zeigt, auf was für ein Maß der Hochfrequenzstrom von 15 MHz an einer Position, die 85 mm entfernt ist, gedämpft wird. Die Hochfrequenz wird rasch gedämpft bis die Leitungsbreite im Wesentlichen 20 mm erreicht und wird weiter bis 30 mm gedämpft, wobei der Dämpfungsfaktor jedoch im Wesentlichen konstant wird, wenn die Leitungsbreite gleich oder größer als 30 mm wird. Das liegt daran, dass eine Streukomponente in der horizontalen Richtung durch Erhöhen der Streuung in der vertikalen Richtung in der Nähe einer Hochfrequenzquelle reduziert wird. Das heißt, dass die Kapazitätskopplung durch Erhöhen der Leitungsbreite in der Nähe der Hochfrequenzquelle erhöht wird. Im Fall des Hochfrequenzstroms von 15 MHz wird der maximale Dämpfungsfaktor im Wesentlichen durch die Leitungsbreite von etwa 20 mm bereitgestellt, wobei daher, wenn die Störung einer solchen Frequenz angenommen wird, durch das Anfertigen der Leitungsbreite der Leitungsführung der Leiterplatte gleich oder größer als 20 mm, die EMI-Störung reduziert werden kann. Ferner wird, wie aus 3 deutlich wird, der Dämpfungsfaktor des Hochfrequenzstroms rasch reduziert bis die Leitungsbreite 20 mm erreicht, wobei, selbst wenn die Leitungsbreite bis zu einem gewissen Grad schmaler als 20 mm ist, der große Dämpfungsfaktor gebildet wird. Folglich wird, selbst wenn die Leitungsbreite der Leitungsführung der Leiterplatte schmaler ist als 20 mm, in diesem Beispiel etwa 20 mm, eine Dämpfung gleich oder größer als 10 dB bereitgestellt, wobei damit eine ausreichende Wirkung beim Reduzieren der EMI-Störung erwartet werden kann. Das heißt, die Leitungsbreite, die gleich oder größer ist als die Leitungsbreite, durch die der Dämpfungsfaktor des Hochfrequenzstroms im Wesentlichen der konstante Wert wird, enthält auch eine Leitungsbreite, die schmaler ist als die Leitungsbreite der Nähe der Leitungsbreite, durch die der Dämpfungsfaktor des Hochfrequenzstroms im Wesentlichen der konstante Wert wird, und eine Leitungsbreite, durch die der Dämpfungsfaktor auf ein gewisses Maß erhöht wird.
Wie oben beschrieben wurde, kann durch sachdienliches Entwerfen der Formen und der Breiten der Leitungsführungen, die die Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n bilden, ein Bereich der Streuung des Störungsstroms und der Grad der Streuung des Störungsstroms von der Oberfläche reduziert werden, wobei daher nicht nur die leitende EMI-Störung, sondern auch die ausstrahlende EMI-Störung reduziert werden kann.
Es werden die Formen und die Breiten der Leitungsführungen, die die Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n bilden, und eine Größenordnung der EMI-Störung mit Bezug auf 4 bis 7 erläutert. 4 ist eine Ansicht, die schematisch einen wesentlichen Teil, Strommesspunkte und Magnetfeldmesspunkte der Leiterplatte von 12, zeigt.
Die Punkte a bis f sind Strommesspunkte der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p, wobei die Punkte D bis F Punkte sind, die 3 cm über der Leiterplatte 30 zum Messen eines nahe liegenden Magnetfelds liegen.
5 ist ein Diagramm, das eine Intensität eines nahe liegenden Magnetfelds 3 cm über der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p mit der Leitungsführungsbreite zeigt, die gleich oder größer ist als 30 mm. Wie aus dem Diagramm deutlich wird, erkennt man, dass in einem Hochfrequenzbereich einschließlich einer Resonanzfrequenz (17 MHz), die auf einem Schalten des Wandlers 31 beruht, das Magnetfeld erheblich gedämpft wird, wenn es von einem Punkt entfernt ist, der mit dem Rückwandler 33 verbunden ist, der die Störungsquelle bildet.
6 ist ein Diagramm, das Ströme an einer Vielzahl von Punkten der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 301p mit der Breite zeigt, die gleich oder kleiner ist als 20 mm von dem Punkt, der mit dem die Störungsquelle bildenden Wandler 31 verbunden ist. Wie aus dem Diagramm deutlich wird, wird der Hochfrequenzstrom nicht gedämpft, selbst wenn der Punkt von dem mit dem Wandler 31 verbundenen Punkt entfernt angeordnet wird.
7 ist ein Diagramm, das Ströme an einer Vielzahl von Punkten der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 302p mit einer Breite zeigt, die gleich oder größer ist als 30 mm von dem Punkt, der mit dem die Störungsquelle bildenden Rückwandler 33 verbundenen ist. Wie aus dem Diagramm deutlich wird, erkennt man, dass der Hochfrequenzstrom erheblich gedämpft wird, wenn er von dem mit dem Wandler 31 verbundenen Punkt entfernt ist.
Wie aus den oben beschriebenen Versuchsergebnissen deutlich wird, kann durch Auswählen der Formen und der Breite der Leitungen, die die Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n bilden, nicht nur die leitende EMI-Störung, sondern auch die ausstrahlende EMI-Störung reduziert werden.
Ferner kann, obwohl entsprechend der in 1 gezeigten Gleichstrom-Leitungsführung die Leitungsbreite der gesamten Leitungsführung durch die Breite gebildet wird, die gleich oder größer ist als die Breite, durch die Dämpfungsfaktor des Störungsstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung im Wesentlichen der konstante Wert wird, hinsichtlich eines Teils, der einen vorgegebenen Bereich des Ausgangsanschlusses des Wandlers 31 überschreitet, und eines Teils, der einen vorgegebenen Bereich des Eingangsanschlusses des Rückwandlers 33 überschreitet, eine solche Leitungsbreite nicht gebildet werden. Das heißt, an den Positionen, die von dem Wandler 31 und dem Rückwandler 33, die die Störungsquellen in den vorgegebenen Bereichen bilden, entfernt sind, wird der Störungsstrom ausreichend gedämpft, wobei daher der Einfluss hinsichtlich der EMI-Störung unerheblich ist, selbst wenn die Leitungsbreite der Leitungsführung schmaler ist.
8 zeigt einen skizzenhaften Aufbau eines wesentlichen Teils eines Leistungswandlers entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es wird ein skizzenhafter Aufbau der zweiten Leitungsführungs-Schicht 362 der mehrschichtigen Leiterplatte, die den Leistungswandler bildet, ähnlich wie in 1 gezeigt, wobei die gleichen Bauteile mit den gleichen Zahlen versehen sind. Gemäß einer ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 321p wird die Leitungsbreite hinsichtlich eines vorgegebenen Bereiches vom Ausgangsanschluss des Wandlers 31 auf eine Breite eingestellt, die gleich oder größer ist als die Breite, durch die der Dämpfungsfaktor des Störungsstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung im Wesentlichen der konstante Wert wird, wobei die Leitungsbreite hinsichtlich des Teils, der den Bereich überschreitet, auf eine Leitungsbreite eingestellt wird, die schmaler ist als die oben beschriebene Leitungsbreite. Ähnlich dazu wird auch eine Leitungsbreite der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 322p auf eine Breite eingestellt, die gleich oder größer ist als eine Breite, durch die der Dämpfungsfaktor des Störungsstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung hinsichtlich eines vorgegebenen Bereichs vom Ausgangsanschluss des Wandlers 33 im Wesentlichen ein konstanter Wert wird, und wird auf eine Leitungsbreite eingestellt, die schmaler ist als die oben beschriebene Leitungsbreite hinsichtlich eines Teils, der den Bereich überschreitet. Wenn eine solche Form und Breite der Leitung gebildet werden, kann die EMI-Störung reduziert werden, wobei weiterhin ein Spielraum für einen Anschlussraum der Leiterplatte 30 gebildet werden kann, wobei die Leitungsausführung erleichtert wird.
Der vorgegebene Einstell-Bereich der Gleichstrom-Leitungsführung auf die Breite, die gleich oder größer ist als die Breite, durch die der Dämpfungsfaktor des Störungsstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung im Wesentlichen ein konstanter Wert wird, wird ausreichend durch einen Bereich gebildet, durch den der Dämpfungsfaktor des Störungsstroms im Wesentlichen der konstante Wert wird. Obwohl in 8, da die Leitungsbreiten der ersten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 321p und der zweiten positiven Seite der Gleichstrom-Leitungsführung 322p durch das elektromagnetische Relais 35 verbunden sind, deren Lei tungsbreiten an den Teilen erweitert sind, wenn das elektromagnetische Relais 35 weggelassen wird, können auch die Leitungsbreiten der Teile schmaler werden.
Ein Teil des Hochfrequenzstroms, der durch Auswählen der Formen und Breiten der Leitungen, die die Gleichstrom-Sammelleitungen 300p, 300n bilden, begrenzt ist, ist so geschaffen, dass er über die an der vierten Leitungsführungs-Schicht 364 der Leiterplatte 30 ausgebildeten Erdungsleitung 304 zur Erde des Leistungswandlers 3 fließt. Ferner fließen auch Ströme über Wechselstrom-Leitungen zum Motor 4 und zur Wechselstrom-Drosselspule 2. Die Ströme werden durch ein Verfahren, das im Patent-Bezug 1 gezeigt wird, beschränkt. Das heißt, gemäß 9 werden Dämpfungs-Impedanzen 6, 7, 8 zwischen dem Rahmen der Wechselstrom-Drosselspule 2, den Kühlrippen 34 des Leistungswandlers 3 und dem Rahmen des Motors 4 und der Erde zwischengeschaltet. Es werden jedoch nicht unbedingt alle Dämpfungs-Impedanzen 6, 7, 8 benötigt, sondern es brauchen nur die Dämpfungs-Impedanz 6 oder die Dämpfungs-Impedanzen 6 und 7 zwischengeschaltet werden.
Als Nächstes wird ein Wert der zwischenzuschaltenden Dämpfungs-Impedanz beschrieben. 10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Wert der Dämpfungs-Impedanz 6, die zwischen dem Rahmen (nicht dargestellt) des Motors 4 und der Erde 5 zwischengeschaltet ist, und einem Spitzenwert des Gleichtaktstroms zeigt, der über den Rahmen fließt. In 10 zeigt eine kreisförmige Markierung einen gemessenen Wert und eine dreieckige Markierung einen Simulationswert an. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, wird bei Ansteigen des Widerstandswertes der Gleichtaktstrom rasch reduziert und wird später allmählich reduziert. Die Dämpfungs-Impedanz schränkt den zwischen dem Rahmen und der Erde fließenden Resonanzstrom ein. Es ist vorzuziehen, den Wert der Dämpfungs-Impedanz auf einen Wert in einer Nähe des raschen Reduzierens einer resonanzeinschränkenden Wirkung einzustellen, einer Nähe von 200 Ω gemäß dem Beispiel von 10. Durch Auswählen eines Minimalwertes des Wertes mit der resonanzeinschränkenden Wirkung wird vermieden, dass ein Potential eines Bauteils, das mit der Dämpfungs-Impedanz verbunden ist, wie dem Rahmen des Motors und dergleichen, unnötig ansteigt, wobei die Sicherheit der Vorrichtung gefördert werden kann.
Wie anhand der oben beschriebenen Erläuterung deutlich wird, kann entsprechend der Erfindung die vom Leistungswandler erzeugte EMI-Störung, die durch den Schaltvorgang gesteuert wird, durch einen einfachen Aufbau reduziert werden.

Claims

Leistungswandler zum Ausführen einer Steuerung durch einen Schaltvorgang mit: einem Wandler zum Umwandeln eines Wechselstroms in einen Gleichstrom; einem Rückwandler zum Umwandeln des Gleichstroms in einen Wechselstrom; Gleichstrom-Sammelleitungen zum Verbinden eines Ausgangsanschlusses des Wandlers mit einem Eingangsanschluss des Rückwandlers; eine mit Gleichstrom-Sammelleitungen ausgebildete, mehrschichtige Leiterplatte; und einen zwischen den Gleichstrom-Sammelleitungen geschalteten Glättungskondensator, wobei eine positive Seite der Sammelleitung und eine negative Seite der Sammelleitung der Gleichstrom-Sammelleitung an Positionen angeordnet sind, an denen die aneinander grenzenden Leitungsführungs-Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte sich im Wesentlichen überlappen; die Gleichstrom-Sammelleitung eine gebogene Struktur zum Herstellen einer Übertragungspfad-Länge an einer Seite in einer Gleichstrom-Übertragungsrichtung hat, die kürzer ist als die Übertragungspfad-Länge an deren anderen Seite; eine Leitungsbreite der Gleichstrom-Sammelleitung durch eine Breite gebildet wird, die gleich oder größer ist als eine Breite, durch die ein Dämpfungsfaktor ei nes Hochfrequenzstroms in der Gleichstrom-Übertragungsrichtung, zumindest hinsichtlich eines Teils in einem vorgegebenen Bereich vom Ausgangsanschluss des Wandlers und eines Teils in einem vorgegebenen Bereich vom Eingangsanschluss des Rückwandlers, im Wesentlichen ein konstanter Wert wird; und die gebogene Struktur der Gleichstrom-Sammelleitung den durch den Schaltvorgang erzeugten Hochfrequenzstrom zu der einen Seite der Gleichstrom-Sammelleitung hin streut.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei eine Dicke einer Isolationsschicht der mehrschichtigen Leiterplatte, die zwischen der Leitungsführungs-Schicht, die mit der positiven Seite der Sammelleitung ausgebildet ist, und der Leitungsführungs-Schicht, die mit der der negativen Seite der Sammelleitung ausgebildet ist, eine Dicke ist, die gleich oder kleiner ist als eine Dicke, durch die die durch den Schaltvorgang erzeugte Hochfrequenz zu den Seiten der positiven Seite der Sammelleitung und der negativen Seite der Sammelleitung hin gestreut wird, die einander gegenüberliegen.
System, das den Leistungswandler nach Anspruch 1 verwendet, wobei die mehrschichtige Leiterplatte eine Vorrichtung enthält, die die Leitungsführungs-Schicht erdet, und eine Dämpfungs-Impedanz zwischen einem oder einer Vielzahl von Bauteilen geschaltet ist, die das System und Erde bilden.
System nach Anspruch 3, wobei die Dämpfungs-Impedanz auf einen Wert in einer Nähe der raschen Reduzierung einer Einschränkungswirkung eines Resonanzstroms bereitgestellt wird, der zwischen den Bauteilen und der Erde fließt.