DE112022001531T5

DE112022001531T5 - Schaltnetzteilvorrichtung

Info

Publication number: DE112022001531T5
Application number: DE112022001531.4T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki TAKATSUJI; Tatsuya Hosotani; Yuki Ishikura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-12-28
Also published as: JPWO2023276797A1; WO2023276797A1; JP7563599B2

Abstract

Eine Schaltnetzteilvorrichtung (101) weist eine Rauschreduzierschaltung auf und ist in einem mobilen Objekt (301) montiert, das eine Rahmen-Masse (1) aufweist, die von der Erdungsmasse (G) elektrisch isoliert ist. Die Schaltnetzteilvorrichtung (101) weist ein Metallgehäuse (2), das mit der Rahmen-Masse (1) elektrisch durchgängig ist, einen Gleichstromwandler, der einen Stromeingang zu den Eingangsteilen (Pin1 und Pin2) einer Eingangsstromversorgung (PS), die von der Rahmen-Masse (1) elektrisch isoliert ist, in einen Stromausgang zu dem Ausgangsteil (Pout) umwandelt, sowie die Rauschreduzierschaltung auf. Die Rauschreduzierschaltung weist einen X-Kondensator (Cx), Y-Kondensatoren (Cy1 und Cy2), eine erste Gleichtakt-Drosselspule (CMCC1) und eine Drosselspule (CC) auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltnetzteilvorrichtung zum Einbau in ein mobiles Objekt, das von der Erdungsmasse elektrisch isoliert ist.
Technischer Hintergrund
Patentdokument 1 zeigt eine Schaltnetzteilvorrichtung, die eine Platine, einen Schaltkreis, einen Trenntransformator, einen Gleichrichterteil und ein Filterteil aufweist.
Liste der Bezugnahmen
Patentdokument
Patentdokument 1: nicht geprüfte, japanische Patentanmeldung mit Veröffentlichungs-Nr. 2014-212623
Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Im Allgemeinen wird in einem Gleichstromwandler, der einen Trenntransformator aufweist, aufgrund einer parasitären Kapazität, die zwischen einem Primärwicklungsdraht und einem Sekundärwicklungsdraht des Trenntransformators entsteht, eine steile Spannungsänderung erzeugt, wenn eine Schaltvorrichtung eingeschaltet oder ausgeschaltet wird, und ein Gleichtakt-Rauschstrom fließt zu einer Ausgangsleitung für Gleichstromspannung oder dergleichen. In einigen Fällen kann dieser Rauschstrom eine Niederspannungsbatterie erreichen, die mit einem Ausgangsteil oder dergleichen verbunden ist, und dies kann ein Problem mit elektromagnetischen Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung verursachen, das mit dieser Niederspannungsbatterie verbunden ist.
Darüber hinaus fließt der vorgenannte Rauschstrom in einem Metallgehäuse und einer Rahmen-Masse über eine negative Elektrode oder eine positive Elektrode des Ausgangsteils. Außerdem wird aufgrund einer Streukapazität zwischen der Schaltvorrichtung und dem Metallgehäuse oder ähnlichem eine steile Spannungsänderung erzeugt, wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet oder ausgeschaltet wird, und ein Gleichtaktrauschstrom fließt in das Metallgehäuse und die Rahmen-Masse. In einigen Fällen können diese Rauschströme eine Hochspannungsbatterie erreichen, die über die Streukapazität, die zwischen der Rahmen-Masse und einem Kabelbaum oder dergleichen gebildet wird, mit einem Eingangsteil oder dergleichen verbunden ist, und dies kann ein Problem der elektromagnetischen Störung in einer anderen elektronischen Vorrichtung verursachen, die mit dieser Hochspannungsbatterie verbunden ist.
In der Schaltnetzteilvorrichtung aus Patentdokument 1 ist in einer Gleichstrom-Eingangsleitung eine Gleichtakt-Drosselspule als Gegenmaßnahme für die elektromagnetischen Interferenzen auf der Seite des Eingangsteils bereitgestellt, und in einer Gleichstrom-Ausgangsleitung ist eine aus einer Drosselspule und einem Kondensator gebildete Filterschaltung als Gegenmaßnahme für die elektromagnetischen Interferenzen auf der Seite des Ausgangsteils bereitgestellt.
Um die Induktivitäten oder Impedanzen der Gleichtakt-Drosselspule und der Drosselspule in einem Rauschfrequenzband zu erhöhen, ist es hingegen notwendig, die Anzahl der Windungen in der Spule zu erhöhen. Dies erhöht jedoch die Verlustleistung aufgrund von Kupferverlusten, die durch die Verdrahtungsleitung der Spule verursacht werden, und führt zu einer Verringerung der Stromwandlungseffizienz.
Außerdem ist die in Patentdokument 1 beschriebene Schaltnetzteilvorrichtung keine Netzteilvorrichtung, die in einem mobilen Objekt montiert bzw. eingebaut ist, sondern wird in einer Vorrichtung vom Einbautyp oder einer elektrischen Vorrichtung oder in einer nicht-mobilen Vorrichtung verwendet. Wenn die in Patentdokument 1 beschriebene Schaltnetzteilvorrichtung in einem mobilen Objekt montiert ist, das von der Erdungsmasse elektrisch isoliert ist, kann elektromagnetisches Rauschen, das durch den Rauschstrom erzeugt wird, von der Rahmen-Masse des mobilen Objekts nach außerhalb desselben abgestrahlt werden. Diese Strahlung kann ein Problem der elektromagnetischen Interferenz in einer externen elektronischen Vorrichtung und dergleichen verursachen, das in einem sich bewegenden Bereich des mobilen Objekts vorhanden ist, und wenn sich der sich bewegende Bereich des mobilen Objekts ausweitet, weitet sich auch der Bereich aus, der von diesem Problem der elektromagnetischen Interferenz betroffen ist.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltnetzteilvorrichtung bereitzustellen, die in einem mobilen Objekt montiert wird, das von der Erdungsmasse elektrisch isoliert ist, wobei die Schaltnetzteilvorrichtung das Problem der elektromagnetischen Interferenz in einer anderen elektronischen Vorrichtung, die in dem mobilen Objekt montiert ist, unterdrückt und außerdem die Abstrahlung von elektromagnetischem Rauschen nach außerhalb des mobilen Objekts unterdrückt.
Lösung des Problems
Bei einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist eine Schaltnetzteilvorrichtung eine Schaltnetzteilvorrichtung, die eine Rauschreduzierschaltung aufweist und in einem mobilen Objekt mit einer Rahmen-Masse, die von der Erdungsmasse elektrisch isoliert ist, montiert ist, wobei die Schaltnetzteilvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aufweist: ein Metallgehäuse, das elektrisch mit der Rahmen-Masse verbunden ist; ein Eingangsteil einer Gleichstrom-Eingangsstromversorgung, die von der Rahmen-Masse elektrisch isoliert ist; ein Ausgangsteil für einen Verbraucher, der mit der Rahmen-Masse elektrisch verbunden ist; und einen Gleichstromwandler, der Strom von dem Eingangsteil zu dem Ausgangsteil umwandelt, wobei der Gleichstromwandler einen Eingangskondensator, eine Schaltvorrichtung, einen Trenntransformator, eine Gleichrichtervorrichtung und einen Ausgangsglättungskondensator aufweist, die Rauschreduzierschaltung einen ersten Kondensator, der zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode des Eingangsteils zwischen dem Eingangsteil und dem Eingangskondensator geschaltet ist, zweite Kondensatoren, die zwischen die positive Elektrode des Eingangsteils und das Metallgehäuse bzw. zwischen die negative Elektrode des Eingangsteils und das Metallgehäuse zwischen dem ersten Kondensator und dem Eingangskondensator geschaltet sind, eine erste Gleichtakt-Drosselspule, die zwischen den ersten Kondensator und die zweiten Kondensatoren geschaltet ist und in einen Strompfad zwischen den Eingangsteil und den Eingangskondensator geschaltet ist, und eine Drosselspule, die in einem Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator und dem Ausgangsteil vorgesehen ist, die Rauschreduzierschaltung und die Rahmen-Masse bilden eine Rauschausgleichsschaltung, und diese Rauschausgleichsschaltung unterdrückt die Rauscherzeugung, indem sie das durch den Schaltvorgang der Schaltvorrichtung erzeugte Gleichtaktrauschen aufhebt (d.h., das erzeugte Rauschen, das von der Erdungsmasse aus gesehen wird, wird an einer Rauscherzeugungsquelle unterdrückt).
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Erfindungsgemäß wird es durch Bilden der rauschabgeglichenen Schaltung aus der Rauschreduzierschaltung und der Rahmen-Masse und Aufheben des Gleichtaktrauschens, das durch den Schaltvorgang der Schaltvorrichtung erzeugt wird, um einen abgeglichenen Zustand zu erreichen, möglich, die Schaltnetzteilvorrichtung zu erhalten, die das Problem der elektromagnetischen Interferenz in einer anderen elektronischen Vorrichtung, die in dem mobilen Objekt montiert ist, unterdrückt und ferner die Abstrahlung von elektromagnetischem Rauschen nach außerhalb des mobilen Objekts unterdrückt. Darüber hinaus wird durch das Erreichen des Gleichgewichtszustandes durch Aufheben des erzeugten Gleichtaktrauschens das Auftreten von Jouleschen Verlusten, d.h. Leistungsverlusten, die durch das erzeugte Rauschen verursacht werden, reduziert, und ein hoher Wirkungsgrad der Schaltnetzteilvorrichtung kann ermöglicht werden. Daher können gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad und ein geringes Rauschen erzielt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 101 gemäß einer ersten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 301, das die Schaltnetzteilvorrichtung 101 beinhaltet.
2 ist eine Darstellung, das einen Pfad eines Rauschstroms zeigt, der in einem Schaltkreis der Schaltnetzteilvorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform und dem mobilen Objekt 301, das die Schaltnetzteilvorrichtung 101 beinhaltet, fließt.
3 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 102 gemäß einer zweiten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 302, das die Schaltnetzteilvorrichtung 102 beinhaltet.
4 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 103A gemäß einer dritten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 303A, das die Schaltnetzteilvorrichtung 103A beinhaltet.
5 ist ein Schaltplan einer anderen Schaltnetzteilvorrichtung 103B gemäß der dritten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 303B, das die Schaltnetzteilvorrichtung 103B beinhaltet.
6 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines Rauschstroms zeigt, der in einem Schaltkreis einer Schaltnetzteilvorrichtung fließt, die als Vergleichsbeispiel dient, sowie eines mobilen Objekts, das diese Schaltnetzteilvorrichtung aufweist.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand einiger konkreter Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile in den Zeichnungen. Zur Veranschaulichung und zur Erleichterung des Verständnisses wird der Einfachheit halber eine Vielzahl von Ausführungsformen beschrieben. Die in den verschiedenen Ausführungsformen dargestellten Bestandteile können jedoch teilweise ersetzt oder kombiniert werden. In der Beschreibung der zweiten Ausführungsform und der nachfolgenden Ausführungsformen werden Beschreibungen von Sachverhalten, die der ersten Ausführungsform gemeinsam sind, nicht wiederholt, und es werden nur Punkte beschrieben, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden. Insbesondere werden ähnliche Aktionen und Wirkungen ähnlicher Bestandteile nicht in jeder Ausführungsform wiederholt.
«Erste Ausführungsform»
1 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 301, das die Schaltnetzteilvorrichtung 101 beinhaltet.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 101 ist eine Stromversorgungseinrichtung, die in das mobile Objekt 301 eingebaut ist und eine Rahmen-Masse 1 aufweist, die von der Erdungsmasse G elektrisch isoliert ist. Diese Schaltnetzteilvorrichtung 101 verfügt über eine Rauschreduzierschaltung, die später beschrieben wird.
Das mobile Objekt 301 ist ein Elektrofahrzeug, wie zum Beispiel ein HV (Hybridfahrzeug), ein EV (Elektrofahrzeug), ein PHV (Plug-in-Hybridfahrzeug), ein FCV (Brennstoffzellenfahrzeug) oder Ähnliches. Die Rahmen-Masse ist ein Chassis des Elektrofahrzeugs. Die Rahmen-Masse 1 des mobilen Objekts 301 ist durch Gummireifen von der Erdungsmasse (Erde) G elektrisch isoliert.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 101 weist ein Metallgehäuse 2, das elektrisch durchgängig mit der Rahmen-Masse 1 ist, Eingangsteile Pin1 und Pin2 einer Eingangsstromversorgung PS, die von der Rahmen-Masse 1 elektrisch isoliert ist, ein Ausgangsteil Pout für einen Verbraucher Lo, der mit der Rahmen-Masse 1 elektrisch verbunden ist, und einen Gleichstromwandler, der einen in die Eingangsteile Pin1 und Pin2 eigespeisten Strom in eine an das Ausgangsteil Pout abzugebenden Strom umwandelt.
Der vorgenannte Gleichstromwandler weist einen Eingangskondensator Ci, die Schaltvorrichtungen Q1 und Q2, einen Trenntransformator TR, die Dioden D1 und D2 und einen Ausgangsglättungskondensator Co auf.
Es wird angemerkt, dass eine Streuinduktivität des Trenntransformators TR in Reihe zum sekundären Wicklungsdraht geschaltet ist, so dass diese Streuinduktivität und der Ausgangsglättungskondensator Co einen Glättungskreis bilden. Die Welligkeit der Ausgangsspannung wird durch diese Glättungsschaltung geglättet.
Die vorstehende Rauschreduzierschaltung weist einen X-Kondensator Cx, Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2, eine erste Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 und eine Drosselspule CC auf. Der X-Kondensator Cx ist zwischen die Eingangsteile Pin1 und Pin2 und den Eingangskondensator Ci geschaltet. Die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 sind zwischen den X-Kondensator Cx und den Eingangskondensator Ci geschaltet und mit dem Metallgehäuse 2 und der Rahmen-Masse 1 elektrisch verbunden. Die erste Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 ist zwischen den X-Kondensator Cx und die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 geschaltet und in einen Strompfad zwischen den Eingangsteilen Pin1 und Pin2 und dem Eingangskondensator Ci geschaltet. Die Drosselspule CC ist in einem Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator Co und dem Ausgangsteil Pout vorgesehen. Der X-Kondensator Cx entspricht einem ersten erfindungsgemäßen Kondensator, und die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 entsprechen einem zweiten erfindungsgemäßen Kondensator.
Die Drosselspule CC ist aus der Induktivität eines Drahtes, der im Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator Co und dem Ausgangsteil Pout gebildet ist, aufgebaut. Daher ist es nicht erforderlich, ein Bauteil wie die Drosselspule CC zu installieren, was die Verringerung der Größe und des Gewichts der Schaltnetzteilvorrichtung 101 erleichtert. Selbstverständlich kann als Drosselspule CC alternativ auch ein Drosselspulenbauteil in den Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator Co und dem Ausgangsteil Pout geschaltet werden.
Wie weiter unten beschrieben wird, bilden ferner die vorgenannte Rauschreduzierschaltung, das Metallgehäuse 2 und die Rahmen-Masse 1 eine rauschabgeglichene Schaltung. Wie im Folgenden beschrieben wird, ist die rauschabgeglichene Schaltung ein geschlossener Kreis für einen Rauschstrom aus Rauschen (Gleichtaktrauschen), das durch den Schaltvorgang der Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 erzeugt wird. Das durch den Schaltvorgang der Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 erzeugte Gleichtaktrauschen wird durch diese rauschabgeglichene Schaltung aufgehoben (unterdrückt).
Als nächstes wird der Betrieb der Schaltnetzteilvorrichtung 101 dargestellt. Die Eingangsstromversorgung PS ist zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie und ist zum Beispiel eine Hochspannungsbatterie mit einer Spannung von mehreren hundert Volt (etwa 200 V bis 600 V). Die Gleichspannungen der Eingangsstromversorgung PS werden an den Eingangsteilen Pin1 und Pin2 eingespeist. Es wird angemerkt, dass die Hochspannung nicht auf eine Spannung von mehreren hundert Volt beschränkt ist und eine relativ hohe Spannung für zum Beispiel einen Motor o. ä. eines mobilen Objekts darstellt, der nicht von der Spannung des Verbrauchers Lo angetrieben werden kann. In diesem Fall ist die Schaltnetzteilvorrichtung 101 in das mobile Objekt eingebaut.
Die Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 werden durch Steuersignale von einem Schaltsteuerkreis so gesteuert, dass die Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Ausgangsspannung des aus diesen Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 gebildeten Schaltkreises wird an den Primärwicklungsdraht des Trenntransformators TR angelegt, und der Ausgangsstrom dieses Schaltkreises fließt in dem Primärwicklungsdraht des Trenntransformators TR. Die Dioden D1 und D2 gleichrichten den Ausgangsstrom des sekundären Wicklungsdrahtes des Trenntransformators Tr. Die Dioden D1 und D2 sind jeweils ein Beispiel für eine Gleichrichtereinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung. Der Ausgangsglättungskondensator Co glättet die von den Dioden D1 und D2 erzeugte gleichgerichtete Spannung. Die Drosselspule CC glättet einen Strom, der zwischen dem Ausgangsglättungskondensator Co und dem Ausgangsteil Pout fließt.
Der Verbraucher Lo ist zum Beispiel ein Bleiakkumulator und ist zum Beispiel eine Niederspannungsbatterie von ca. 12 V. Es wird angemerkt, dass die Niederspannung nicht auf eine Spannung von ca. 12 V beschränkt ist und eine relativ niedrige Spannung ist, zum Beispiel für ein Autonavigationssystem oder ähnliches eines mobilen Objekts, für das die Spannung der Eingangsstromversorgung PS nach dem Stand der Dinge nicht verwendet werden kann. Dabei ist die Schaltnetzteilvorrichtung 101 in dieses mobile Objekt eingebaut.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Gleichrichtereinrichtung, die den Ausgang des Trenntransformators TR gleichrichtet, aus den Dioden D1 und D2 aufgebaut. Alternativ kann diese Gleichrichtereinrichtung aus einer Synchrongleichrichtereinrichtung aufgebaut sein, die synchron zu den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 schaltet. Auf diese Weise können die Verluste an der Gleichrichtereinrichtung reduziert werden. Wenn es sich bei dem mobilen Objekt 301 beispielsweise um ein Elektrofahrzeug handelt und die Schaltnetzteilvorrichtung 101 ein im Elektrofahrzeug eingebauter Gleichstromwandler ist, können die Verluste im Gleichstromwandler reduziert werden.
Anschließend wird die Funktionsweise der Rauschreduzierschaltung beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines Rauschstroms veranschaulicht, der in einer Schaltung der Schaltnetzteilvorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform fließt, sowie das mobile Objekt 301, das die Schaltnetzteilvorrichtung 101 beinhaltet. 6 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines Rauschstroms zeigt, der in einer Schaltung einer Schaltnetzteilvorrichtung fließt, die als Vergleichsbeispiel dient, sowie eines mobilen Objekts, das diese Schaltnetzteilvorrichtung aufweist.
Sowohl in den in 2 als auch in 6 dargestellten Schaltungen ist die Eingangsstromversorgung PS an eine andere elektronischen Vorrichtung 201 ausgeschlossen, die von der Eingangsstromversorgung PS mit Strom versorgt wird. Diese andere elektronische Vorrichtung 201 ist zum Beispiel ein Wechselrichter oder ein Motor, der mit der oben genannten Hochspannung betrieben wird. Ferner ist in diesem Beispiel der Verbraucher bzw. die Last Lo eine Niederspannungsbatterie und mit einer anderen elektronischen Vorrichtung 202 verbunden, die von dieser Niederspannungsbatterie oder der Schaltnetzteilvorrichtung 101 mit Strom versorgt wird. Bei dieser anderen elektronischen Vorrichtung 202 handelt es sich beispielsweise um ein Kfz-Navigationssystem oder eine Drahtloskommunikationsvorrichtung, die mit der oben genannten Niederspannung betrieben wird.
Eine parasitäre Kapazität Cs1 ist zwischen einer anderen elektronischen Vorrichtung 201 und der Rahmen-Masse 1 gebildet, eine parasitäre Kapazität Cs2 ist zwischen den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 und dem Metallgehäuse 2 gebildet, und eine parasitäre Kapazität Cs3 ist zwischen dem Primärwicklungsdraht und dem Sekundärwicklungsdraht des Trenntransformators TR gebildet.
Wie oben beschrieben, ist eine andere elektronische Vorrichtung 201 ein Wechselrichter oder ein Motor und ist mit der Rahmen-Masse 1 mit einer dazwischen liegenden Isolierfolie ausgestattet, die von der Rahmen-Masse 1 elektrisch isoliert und mit dieser thermisch leitfähig ist. Die parasitäre Kapazität Cs1 wird an dem Teil gebildet, an dem diese Isolierfolie zwischengeschaltet ist.
Die Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 sind thermisch mit dem Metallgehäuse 2 gekoppelt, wobei eine Isolierfolie zwischengeschaltet ist, um die erzeugte Wärme an das Metallgehäuse 2 und die Rahmen-Masse 1 freizusetzen. Die parasitäre Kapazität Cs2 wird an dem Teil gebildet, an dem diese Isolierfolie zwischengeschaltet ist.
In dem in 6 dargestellten Vergleichsbeispiel fließt ein Gleichtakt-Rauschstrom von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2, die Rauschquellen sind, über die parasitäre Kapazität Cs3 zu einer anderen elektronischen Vorrichtung 202. Dies verursacht elektromagnetische Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung 202. Ferner fließt der Gleichtakt-Rauschstrom von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 über die parasitären Kapazitäten Cs3 und Cs1 und die Rahmen-Masse 1 zu einer anderen elektronischen Vorrichtung 201. Ferner fließt der Gleichtakt-Rauschstrom von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 über die parasitären Kapazitäten Cs2 und Cs1 und die Rahmen-Masse 1 zu einer anderen elektronischen Vorrichtung 201. Dies verursacht elektromagnetische Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung 201. Ferner wird durch den in der Rahmen-Masse fließenden Gleichtaktrauschstrom ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, und elektromagnetisches Rauschen wird vom mobilen Objekt 301 nach außerhalb desselben abgestrahlt. Dies verursacht elektromagnetische Interferenzen in einem externen mobilen Objekt oder einer externen elektronischen Vorrichtung.
Außerdem kommt es im Pfad des Gleichtaktrauschstroms zu Jouleschen Verlusten durch den Fluss des Gleichtaktrauschstroms. Daher sinkt auch der Wirkungsgrad der Stromwandlung aufgrund dieses Verlustes entsprechend.
Hingegen ist, wie in 2 dargestellt, in der Schaltnetzteilvorrichtung 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem mobilen Objekt 301 die Drosselspule CC in einem Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator Co und dem Ausgangsteil Pout bereitgestellt. Die Impedanz des Strompfades, der durch diese Drosselspule CC verläuft, ist hoch. Daher ist es für den Gleichtaktrauschstrom schwierig, diesen Strompfad zu durchlaufen, und der Rauschstrom, der die positive Elektrode des Ausgangsteils Pout erreicht, wird unterdrückt. Dies verhindert elektromagnetische Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung 202.
Die Eigenresonanzfrequenz der Drosselspule CC ist zum Beispiel eine Frequenz höher gleich 0,53 MHz und niedriger gleich 108 MHz. Daher ist die Impedanz des Strompfades für den Gleichtakt-Rauschstrom in einem Frequenzband der vorgenannten Eigenresonanzfrequenz besonders hoch, so dass es möglich ist, den Rauschstrom, der die positive Elektrode des Ausgangsteils Pout erreicht, wirksam zu unterdrücken.
Ferner fließt, wie in 2 dargestellt, ein Gleichtakt-Rauschstrom von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2, die die Rauschquellen sind, über die parasitäre Kapazität Cs3, die Rahmen-Masse 1 und die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 zurück. Außerdem fließen die Gleichtakt-Rauschströme von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 über die parasitäre Kapazität Cs2, das Metallgehäuse 2 und die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 zurück. Dadurch wird verhindert, dass die Rauschströme die Eingangsteile Pin1 und Pin2 erreichen, und elektromagnetische Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung 201 können verhindert werden.
Es wird angemerkt, dass die Drosselspule CC keine Vorrichtung ist, die dazu dient, das Gleichtaktrauschen zu beseitigen, sondern lediglich dazu, zu verhindern, dass der Rauschstrom in den Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator Co und dem Ausgangsteil Pout fließt. Selbst wenn die Drosselspule CC eine niedrige Impedanz hat, gibt es also einen Effekt. Dadurch kann die Anzahl der Windungen in der Spule verringert (und muss nicht erhöht) werden, und somit kann auch der Leistungsverlust aufgrund des Kupferverlusts durch den Wicklungsdraht der Spule unterdrückt werden. Daher kann die Abnahme des Wirkungsgrads der Stromwandlung unterdrückt werden.
Da andererseits der Gesamtbetrag des Gleichtaktrauschstroms nahezu gleich bleibt, steigt der Gleichtaktrauschstrom, der auf der negativen Elektrodenseite des Ausgangsteils Pout fließt, der ein Pfad mit niedriger Impedanz ist, an. Daher ist es bevorzugt, keinen Kondensator zur Glättung zwischen der Drosselspule CC und dem Verbraucher Lo vorzusehen. Denn wenn der Glättungskondensator vorhanden ist, werden die Rauschströme in der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Ausgangsteils Pout geglättet, was den zur positiven Elektrode des Ausgangsteils fließenden Rauschstrom erhöht.
Die erste Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 ist zwischen dem X-Kondensator Cx und den Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 bereitgestellt, so dass der zu den Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 zurückfließende Gleichtaktrauschstrom nicht über die erste Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 zur Seite der Eingangsteile Pin1 und Pin2 fließt. Die Eigenresonanzfrequenz der ersten Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 ist beispielsweise eine Frequenz höher gleich 0,53 MHz und niedriger gleich 108 MHz. Daher ist die Impedanz für den Gleichtaktrauschstrom in einem Frequenzband der vorgenannten Eigenresonanzfrequenz besonders hoch, und daher kehrt der Gleichtaktrauschstrom in diesem Frequenzband insbesondere nicht über die erste Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 zu den Eingangsteilen Pin1 und Pin2 zurück.
Wie oben beschrieben, ermöglichen die Drosselspule CC, die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 und die erste Gleichtakt-Drosselspule CMCC1, dass der durch das Metallgehäuse 2 fließende Gleichtaktrauschstrom auf dem kürzesten Weg zu den Schaltvorrichtungen Q1 und Q2, welche die Störquellen sind, zurückkehrt. Das bedeutet, dass die Rauschreduzierschaltung, das Metallgehäuse 2 und die Rahmen-Masse 1 eine abgeglichene Schaltung für Rauschen bilden und der Gleichtaktrauschstrom innerhalb des mobilen Objekts abgeglichen ist. Dadurch werden die Weglängen der Gleichtaktrauschströme, die im Metallgehäuse 2 und in der Rahmen-Masse 1 fließen, sehr kurz, und die elektromagnetische Rauschstrahlung nach außerhalb des mobilen Objekts 301 wird unterdrückt. Das bedeutet, dass der Gleichtakt-Rauschstrom innerhalb des mobilen Objekts 301 abgeglichen wird und die elektromagnetische Rauschabstrahlung nach außerhalb des mobilen Objekts 301 wirksam unterdrückt wird. Da der Gleichtakt-Rauschstrom über den vorgenannten kurzen Weg zurückkehrt, wird der durch den Fluss des Gleichtakt-Rauschstroms verursachte Joulesche Verlust ausreichend unterdrückt. Daher kann auch eine Verringerung der Stromwandlungseffizienz des Gleichstromwandlers unterdrückt werden.
«Zweite Ausführungsform»
In der zweiten Ausführungsform sind Beispiele für eine Schaltnetzteilvorrichtung und ein mobiles Objekt, das die Schaltnetzteilvorrichtung beinhaltet, dargestellt, die sich von den in der ersten Ausführungsform dargestellten Beispielen bezüglich der Konfiguration zwischen der Gleichrichtervorrichtung auf der Sekundärseite des Trenntransformators und dem Ausgangsteil unterscheiden.
3 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 102 gemäß der zweiten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 302, das die Schaltnetzteilvorrichtung 102 beinhaltet.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 102 ist eine Netzteil, das in das mobile Objekt 302 eingebaut ist und eine Rahmen-Masse 1 hat, die von der Erdungsmasse G elektrisch isoliert ist.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 102 weist ein Metallgehäuse 2, das mit der Rahmen-Masse 1 elektrisch durchgängig ist, Eingangsteile Pin1 und Pin2 einer Eingangsstromversorgung PS, die von der Rahmen-Masse 1 elektrisch isoliert ist, ein Ausgangsteil Pout für einen Verbraucher Lo, der mit der Rahmen-Masse 1 elektrisch verbunden ist, sowie einen Gleichstromwandler auf, der einen in die Eingangsteile Pin1 und Pin2 eingespeisten Strom in einen an das Ausgangsteil Pout auszugebenden Strom umwandelt.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Schaltnetzteilvorrichtung 101 durch eine Glättungsspule SC, die zwischen den Dioden D1 und D2 und dem Ausgangsglättungskondensator Co bereitgestellt ist. Diese Glättungsspule SC glättet die Welligkeit der Ausgangsspannung mit dem Ausgangsglättungskondensator Co.
Die Streuinduktivität des Trenntransformators TR ist mit dem sekundären Wicklungsdraht in Reihe geschaltet und somit ist diese Streuinduktivität mit der Glättungsspule SC in Reihe geschaltet. Daher kann selbst in Fällen, in denen die Streuinduktivität klein ist, durch die Glättungsspule SC und den Ausgangsglättungskondensator Co eine vorgegebene Glättungskennlinie erzielt werden.
<<Dritte Ausführungsform>>
In der dritten Ausführungsform sind Beispiele für eine Schaltnetzteilvorrichtung und ein mobiles Objekt, das die Schaltnetzteilvorrichtung beinhaltet, dargestellt, die sich von den in der ersten Ausführungsform dargestellten Beispielen durch die Konfiguration zwischen dem Eingangsteil und dem Schaltkreis unterscheiden.
4 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 103A gemäß der dritten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 303A, das die Schaltnetzteilvorrichtung 103A beinhaltet.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 103A ist eine im mobilen Objekt 303A eingebaute Stromversorgungsvorrichtung mit einer Rahmen-Masse 1, die von der Erdungsmasse G elektrisch isoliert ist.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 103A weist ein Metallgehäuse 2, das elektrisch durchgängig mit der Rahmen-Masse 1 ist, Eingangsteile Pin1 und Pin2 einer Eingangsstromversorgung PS, die elektrisch von der Rahmen-Masse 1 isoliert ist, ein Ausgangsteil Pout für einen Verbraucher Lo, der mit der Rahmen-Masse 1 elektrisch verbunden ist, und einen Gleichstromwandler auf, der einen in die Eingangsteile Pin1 und Pin2 eingespeisten Strom in einen an das Ausgangsteil Pout auszugebenden Strom umwandelt.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 103A unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Schaltnetzteilvorrichtung 101 dadurch, dass zwischen den Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 und dem Eingangskondensator Ci eine zweite Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 enthalten ist. Diese zweite Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 ist Teil der Rauschreduzierschaltung.
Zum Beispiel ist die Eigenresonanzfrequenz der ersten Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 oder der zweiten Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 höher gleich 0,53 MHz und niedriger gleich 1,8 MHz, und die Eigenresonanzfrequenz der anderen der ersten Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 und der zweiten Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 ist höher gleich 76 MHz und niedriger gleich 108 MHz. Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration wird es in einem AM-Rundfunkfrequenzband (0,53 MHz bis 1,8 MHz) und einem FM-Rundfunkfrequenzband (76 MHz bis 108 MHz) möglich, elektromagnetische Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung 201 zu reduzieren, indem die Ausbreitung des Rauschstroms zu einer anderen elektronischen Vorrichtung 201, die mit der Eingangsstromversorgung PS verbunden ist, wirksam unterdrückt wird.
5 ist ein Schaltplan einer anderen Schaltnetzteilvorrichtung 103B gemäß der dritten Ausführungsform und eines mobilen Objekts 303B, das die Schaltnetzteilvorrichtung 103B beinhaltet.
Wie im Fall der in 4 dargestellten Schaltnetzteilvorrichtung 103A beinhaltet auch die Schaltnetzteilvorrichtung 103B den X-Kondensator Cx und die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2. Dabei ist der X-Kondensator Cx zwischen die positive Elektrode und die negative Elektrode der Eingangsteile Pin1 und Pin2 zwischen den Eingangsteilen Pin1 und Pin2 und dem Eingangskondensator Ci geschaltet. Außerdem sind die Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 zwischen die positive Elektrode der Eingangsteile Pin1 und Pin2 und das Metallgehäuse 2 und die Rahmen-Masse 1 bzw. zwischen die negative Elektrode der Eingangsteile Pin1 und Pin2 und das Metallgehäuse 2 und die Rahmen-Masse 1 zwischen dem X-Kondensator Cx und dem Eingangskondensator Ci geschaltet.
Die in 5 dargestellte Schaltnetzteilvorrichtung 103B beinhaltet die zweite Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 zwischen den Y-Kondensatoren Cy1 und Cy2 und der ersten Gleichtakt-Drosselspule CMCC1. Zum Beispiel ist die Eigenresonanzfrequenz der ersten Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 oder der zweiten Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 höher gleich 0,53 MHz und niedriger gleich 1,8 MHz, und die Eigenresonanzfrequenz der anderen der ersten Gleichtakt-Drosselspule CMCC1 und der zweiten Gleichtakt-Drosselspule CMCC2 ist höher gleich 76 MHz und niedriger gleich 108 MHz. Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration wird es auch möglich, elektromagnetische Interferenzen in einer anderen elektronischen Vorrichtung 201 zu reduzieren, indem die Ausbreitung des Rauschstroms zu einer anderen elektronischen Vorrichtung 201, die mit der Eingangsstromversorgung PS verbunden ist, wirksam unterdrückt wird.
Schließlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Für den Fachmann sind Modifikationen und Abwandlungen denkbar, wenn sie angemessen sind. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche und nicht durch die vorstehenden Ausführungsformen beschrieben. Darüber hinaus sind Modifizierungen und Abänderungen der Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der Ansprüche und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

CC: Drosselspule
Ci: Eingangskondensator
CMCC1: Erste Gleichtakt-Drosselspule
CMCC2: Zweite Gleichtakt-Drosselspule
Co: Ausgangsglättungskondensator
Cs1, Cs2, Cs3: Parasitäre Kapazität
Cx: X-Kondensator (erster Kondensator)
Cy1, Cy2: Y-Kondensator (zweiter Kondensator)
D1, D2: Diode
G: Erdungsmasse
Lo: Verbraucher bzw. Last
Pin1, Pin2: Eingangsteil
Pout: Ausgangsteil
PS: Eingangsstromversorgung
Q1, Q2: Schaltvorrichtung
SC: Glättungsspule
TR: Trenntransformator
1: Rahmen-Masse
2: Metallgehäuse
101, 102, 103A, 103B: Schaltnetzteilvorrichtung
201, 202: Elektronische Vorrichtung
301, 302, 303A, 303B: Mobiles Objekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014212623 [0003]

Claims

Schaltnetzteilvorrichtung zur Montage in einem mobilen Objekt, das eine Rahmen-Masse aufweist, die von der Erdungsmasse elektrisch isoliert ist, wobei die Schaltnetzteilvorrichtung aufweist: eine Rauschreduzierschaltung; ein Metallgehäuse, das mit der Rahmen-Masse elektrisch verbunden ist; ein Eingangsteil einer Gleichstrom-Eingangsstromversorgung, die von der Rahmen-Masse elektrisch isoliert ist; ein Ausgangsteil für einen Verbraucher, der mit der Rahmen-Masse elektrisch verbunden ist; und einen Gleichstromwandler, der Strom von dem Eingangsteil zu dem Ausgangsteil umwandelt, wobei der Gleichstromwandler einen Eingangskondensator, eine Schaltvorrichtung und einen Ausgangsglättungskondensator aufweist, die Rauschreduzierschaltung aufweist einen ersten Kondensator, der zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode des Eingangsteils zwischen dem Eingangsteil und dem Eingangskondensator geschaltet ist, zweite Kondensatoren, die zwischen die positive Elektrode des Eingangsteils und das Metallgehäuse sowie zwischen die negative Elektrode des Eingangsteils und das Metallgehäuse zwischen dem ersten Kondensator und dem Eingangskondensator geschaltet sind, eine erste Gleichtakt-Drosselspule, die zwischen den ersten Kondensator und die zweiten Kondensatoren geschaltet ist und in einen Strompfad zwischen dem Eingangsteil und dem Eingangskondensator geschaltet ist, und eine Drosselspule, die in einem Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator und dem Ausgangsteil vorgesehen ist, und eine Rauschausgleichsschaltung für Rauschen, das durch den Schaltvorgang der Schaltvorrichtung erzeugt wird, aus einem geschlossenen Kreis eines Rauschstroms, der die Rauschreduzierschaltung und die Rahmen-Masse aufweist, aufgebaut ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rauschausgleichsschaltung die Erzeugung von Rauschen unterdrückt, indem sie durch den Schaltvorgang der Schaltvorrichtung erzeugtes Gleichtaktrauschen aufhebt.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine an das Eingangsteil anzuschließende Stromversorgung eine Hochspannungsbatterie ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verbraucher, der an das Ausgangsteil angeschlossen werden soll, eine Niederspannungsbatterie ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichstromwandler ein Gleichrichterelement aufweist und das Gleichrichterelement eine Diode ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichstromwandler ein Gleichrichterelement aufweist und das Gleichrichterelement eine Schaltvorrichtung ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gleichstromwandler ein Gleichstromwandler vom Isolationstyp ist, der den Eingangskondensator, die Schaltvorrichtung, einen Trenntransformator, eine Gleichrichtervorrichtung und den Ausgangsglättungskondensator aufweist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Eigenresonanzfrequenz der ersten Gleichtakt-Drosselspule eine Frequenz höher als oder gleich 0,53 MHz und niedriger als oder gleich 108 MHz ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Eigenresonanzfrequenz der Drosselspule eine Frequenz höher als oder gleich 0,53 MHz und niedriger als oder gleich 108 MHz ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Drosselspule vermittels einer Induktivität eines Drahtes gebildet wird, der in dem Strompfad zwischen dem Ausgangsglättungskondensator und dem Ausgangsteil gebildet ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend: eine Glättungsspule, die zwischen der Gleichrichtereinrichtung und dem Ausgangsglättungskondensator geschaltet ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner aufweisend: eine zweite Gleichtakt-Drosselspule, die zwischen den zweiten Kondensatoren und dem Eingangskondensator vorgesehen ist, wobei eine Eigenresonanzfrequenz der ersten Gleichtakt-Drosselspule oder der zweiten Gleichtakt-Drosselspule höher als oder gleich 0,53 MHz und niedriger als oder gleich 1,8 MHz ist, und eine Eigenresonanzfrequenz einer anderen der ersten Gleichtakt-Drosselspule und der zweiten Gleichtakt-Drosselspule höher als oder gleich 76 MHz und niedriger als oder gleich 108 MHz ist.
Schaltnetzteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner aufweisend: eine zweite Gleichtakt-Drosselspule, die zwischen den zweiten Kondensatoren und der ersten Gleichtakt-Drosselspule vorgesehen ist, wobei eine Eigenresonanzfrequenz der ersten Gleichtakt-Drosselspule oder der zweiten Gleichtakt-Drosselspule höher als oder gleich 0,53 MHz und niedriger als oder gleich 1,8 MHz ist, und eine Eigenresonanzfrequenz einer anderen der ersten Gleichtakt-Drosselspule und der zweiten Gleichtakt-Drosselspule höher als oder gleich 76 MHz und niedriger als oder gleich 108 MHz ist.