JP2007059810A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 コンデンサに対する充放電の際にコンデンサから発生する騒音を低減することができる電源装置を提供する。
【解決手段】 コンデンサC21,C22は、プラスチックケース56内に実装され、互いの距離が(1/2)×λ×(2n−1)となるように配置される。λは、コンデンサC21,C22から発生するキャリア騒音の波長であり、キャリア周波数fcと伝搬速度Vとに基づいてλ=V/fcの関係式を用いて算出される。すなわち、コンデンサC21,C22間の距離がキャリア騒音の半波長の奇数倍となるように、プラスチックケース56内にコンデンサC21,C22が配置される。
【選択図】 図5
【解決手段】 コンデンサC21,C22は、プラスチックケース56内に実装され、互いの距離が(1/2)×λ×(2n−1)となるように配置される。λは、コンデンサC21,C22から発生するキャリア騒音の波長であり、キャリア周波数fcと伝搬速度Vとに基づいてλ=V/fcの関係式を用いて算出される。すなわち、コンデンサC21,C22間の距離がキャリア騒音の半波長の奇数倍となるように、プラスチックケース56内にコンデンサC21,C22が配置される。
【選択図】 図5
Description
この発明は、電源装置に関し、特に、電源ラインに接続されるコンデンサモジュールに含まれるコンデンサの配置構造に関する。
近年、環境問題を背景に、電気自動車(Electric Vehicle)やハイブリッド自動車(Hybrid Vehicle)などの電動車両が注目されている。電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。また、ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
特開2005−33934号公報(特許文献1)は、このような電動車両に搭載されるインバータの直流回路部に用いられるコンデンサの接続構造を開示する。このインバータのコンデンサ接続構造では、インバータ、コンデンサおよびバッテリから構成されるインバータシステムにおいて、間隔をおいて平行に配置される導電部材20,30が備えられる。
導電部材30の一端は、コンデンサの電極端子に接続され、他端は、インバータの電極端子に接続される。導電部材20の一端は、導電部材30の一端に接続され、他端は、電源線を介してバッテリに接続される。
このインバータのコンデンサ接続構造によれば、インバータから発生するノイズ電流の中で大きな強度を持つ周波数成分がコンデンサで吸収される。その結果、電源線へのノイズ電流の流れ込みが抑制され、電源線の作るループから発生する放射性ノイズが抑制される(特許文献1参照)。
特開2005−33934号公報
特開2003−324030号公報
特開2000−232030号公報
上記の電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両においては、高い静粛性が要求される。そして、このような電動車両における騒音源の一つに、電源系に設けられるコンデンサ(直流電源ラインの電圧変動を抑制するために一般的に設けられている。)から発生する騒音がある。すなわち、インバータや直流電源とインバータとの間に設けられる昇圧コンバータなどのスイッチング動作に応じてコンデンサが充放電され、その充放電に応じてコンデンサが振動し、コンデンサから騒音が発生する。
上記の特開2005−33934号公報に開示されるコンデンサの接続構造は、バッテリに接続される電源線の作るループから発生する放射性ノイズを抑制するにすぎず、コンデンサに対する充放電の際にコンデンサから発生する騒音を低減することはできない。
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コンデンサに対する充放電の際にコンデンサから発生する騒音を低減することができる電源装置を提供することである。
この発明によれば、電源装置は、キャリア信号のキャリア周波数に応じてスイッチング素子が動作する電圧変換装置と、電圧変換装置が接続される電源線に接続され、キャリア周波数に基づいて配置された複数のコンデンサを含むコンデンサモジュールとを備える。
好ましくは、複数のコンデンサは、キャリア周波数に基づいて設定された間隔をおいて配置される。
好ましくは、複数のコンデンサは、スイッチング素子のオン/オフ動作に応じてなされる充放電の際に各々が周囲に発生する音波を隣接するコンデンサで打消し合うように配置される。
さらに好ましくは、隣接するコンデンサ間の距離は、キャリア周波数とコンデンサモジュール内における音波の伝搬速度とから算出される波長に基づいて設定される。
好ましくは、複数のコンデンサは、行列状に配置される。
好ましくは、電圧変換装置は、直流電源からの直流電圧を昇圧して電源線に供給する昇圧コンバータを含む。
好ましくは、電圧変換装置は、直流電源からの直流電圧を昇圧して電源線に供給する昇圧コンバータを含む。
また、好ましくは、電圧変換装置は、電源線の直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷へ出力するインバータを含む。
この発明による電源装置においては、電圧変換装置のスイッチング素子がオン/オフ動作すると、コンデンサモジュールに含まれる複数のコンデンサの各々において電圧変換装置のキャリア信号のキャリア周波数に応じた充放電が行なわれ、複数のコンデンサの各々からキャリア周波数に応じた音(キャリア騒音)が発生する。ここで、複数のコンデンサは、そのキャリア周波数に基づいて配置されるので、コンデンサ間の距離をキャリア周波数に基づいて適切に設定することにより、隣接するコンデンサ間でキャリア騒音を打消し得る。
したがって、この発明による電源装置によれば、コンデンサモジュール全体としてのキャリア騒音が低減される。その結果、コンデンサに対する充放電の際にコンデンサモジュールから発生する騒音を低減することができる。
また、この電源装置においては、コンデンサモジュールに含まれる複数のコンデンサは行列状に配置されるので、複数のコンデンサを一列に配置する場合に比べて、隣接するコンデンサの組合わせを多くすることができる。
したがって、この電源装置によれば、各コンデンサが発生するキャリア騒音がより多く打消され、その結果、コンデンサモジュールC2に対する充放電の際にコンデンサモジュールから発生する騒音を大幅に低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による電源装置の概略ブロック図である。図1を参照して、電源装置100は、蓄電装置Bと、昇圧コンバータ10と、インバータ20と、コンデンサモジュールC1,C2と、電源ラインPL1,PL2と、接地ラインSLと、電圧センサ42,44と、制御装置30とを備える。そして、U相ラインUL,V相ラインVLおよびW相ラインWLを介してモータジェネレータMGがインバータ20に接続され、モータジェネレータMGはこの電源装置100から電力を受けて駆動される。
図1は、この発明の実施の形態1による電源装置の概略ブロック図である。図1を参照して、電源装置100は、蓄電装置Bと、昇圧コンバータ10と、インバータ20と、コンデンサモジュールC1,C2と、電源ラインPL1,PL2と、接地ラインSLと、電圧センサ42,44と、制御装置30とを備える。そして、U相ラインUL,V相ラインVLおよびW相ラインWLを介してモータジェネレータMGがインバータ20に接続され、モータジェネレータMGはこの電源装置100から電力を受けて駆動される。
蓄電装置Bの正極は、電源ラインPL1に接続され、蓄電装置Bの負極は、接地ラインSLに接続される。コンデンサモジュールC1は、電源ラインPL1と接地ラインSLとの間に接続される。
昇圧コンバータ10は、リアクトルLと、npn型トランジスタQ1,Q2と、ダイオードD1,D2とを含む。npn型トランジスタQ1,Q2は、電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に直列に接続される。各npn型トランジスタQ1,Q2のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードD1,D2がそれぞれ接続される。そして、リアクトルLの一端は、npn型トランジスタQ1,Q2の接続点に接続され、その他端は、電源ラインPL1に接続される。
なお、上記のnpn型トランジスタおよび以下の本明細書中のnpn型トランジスタとして、たとえば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることができ、また、npn型トランジスタに代えてパワーMOSFET(metal oxide semiconductor field-effect transistor)等の電力スイッチング素子を用いることができる。
コンデンサモジュールC2は、電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に接続される。インバータ20は、電源ラインPL2および接地ラインSLとU相ラインUL,V相ラインVLおよびW相ラインWLとの間に配設される。
蓄電装置Bは、充放電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池からなる。蓄電装置Bは、直流電力を昇圧コンバータ10へ出力する。また、蓄電装置Bは、昇圧コンバータ10によって充電される。なお、蓄電装置Bとして、大容量キャパシタや燃料電池(Fuel Cell)などを用いてもよい。
電圧センサ42は、蓄電装置Bの電圧VBを検出し、その検出した電圧VBを制御装置30へ出力する。コンデンサモジュールC1は、電源ラインPL1と接地ラインSLとの間の電圧変動を平滑化する。
コンデンサモジュールC2は、電源ラインPL2と接地ラインSLとの間の電圧変動を平滑化する。電圧センサ44は、コンデンサモジュールC2の端子間電圧、すなわち接地ラインSLに対する電源ラインPL2の電圧VHを検出し、その検出した電圧VHを制御装置30へ出力する。
昇圧コンバータ10は、制御装置30からの信号PWCに基づいて、蓄電装置Bから受ける直流電圧をリアクトルLを用いて昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインPL2へ出力する。より具体的には、昇圧コンバータ10は、制御装置30からの信号PWCに基づいて、npn型トランジスタQ2のスイッチング動作に応じて流れる電流をリアクトルLに磁場エネルギーとして蓄積することによって蓄電装置Bからの直流電圧を昇圧する。そして、昇圧コンバータ10は、その昇圧した昇圧電圧をnpn型トランジスタQ2がオフされたタイミングに同期してダイオードD1を介して電源ラインPL2へ出力する。
インバータ20は、制御装置30からの信号PWIに基づいて、電源ラインPL2から受ける直流電圧を3相交流電圧に変換し、その変換した3相交流電圧をモータジェネレータMGへ出力する。これにより、モータジェネレータMGは、指定されたトルクを発生するように駆動される。
モータジェネレータMGは、3相交流電動機であり、たとえば3相交流同期電動機から成る。モータジェネレータMGは、インバータ20から受ける3相交流電圧によって駆動トルクを発生する。
制御装置30は、モータジェネレータMGのトルク指令値TRおよびモータ回転数MRN、電圧センサ42からの電圧VB、ならびに電圧センサ44からの電圧VHに基づいて、昇圧コンバータ10を駆動するための信号PWCを生成し、その生成した信号PWCを昇圧コンバータ10へ出力する。
また、制御装置30は、電圧VHならびにモータジェネレータMGのモータ電流MCRTおよびトルク指令値TRに基づいて、インバータ20を駆動するための信号PWIを生成し、その生成した信号PWIをインバータ20へ出力する。
図2は、図1に示した制御装置30における昇圧コンバータ10の制御に関する部分の機能ブロック図である。図2を参照して、制御装置30は、インバータ入力電圧指令演算部72と、フィードバック電圧指令演算部74と、デューティー比演算部76と、PWM信号変換部78とを含む。
インバータ入力電圧指令演算部72は、モータジェネレータMGのトルク指令値TRおよびモータ回転数MRNに基づいてインバータ入力電圧の最適値(目標値)すなわち電圧指令VH_comを演算し、その演算した電圧指令VH_comをフィードバック電圧指令演算部74へ出力する。
フィードバック電圧指令演算部74は、電圧センサ44からの電圧VHと、インバータ入力電圧指令演算部72からの電圧指令VH_comとに基づいて、昇圧コンバータ10の出力電圧である電圧VHを電圧指令VH_comに制御するためのフィードバック電圧指令VH_com_fbを演算し、その演算したフィードバック電圧指令VH_com_fbをデューティー比演算部76へ出力する。
デューティー比演算部76は、電圧センサ42からの電圧VBと、フィードバック電圧指令演算部74からのフィードバック電圧指令VH_com_fbとに基づいて、電圧VHを電圧指令VH_comに制御するためのデューティー比を演算し、その演算したデューティー比をPWM信号変換部78へ出力する。
PWM信号変換部78は、デューティー比演算部76によって演算されたデューティー比に基づいて、昇圧コンバータ10のnpn型トランジスタQ1,Q2をオン/オフするためのPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、その生成したPWM信号を信号PWCとして昇圧コンバータ10のnpn型トランジスタQ1,Q2へ出力する。
なお、下アームのnpn型トランジスタQ2のオンデューティーを大きくすることによりリアクトルLにおける電力蓄積が大きくなるため、より高電圧の出力を得ることができる。一方、上アームのnpn型トランジスタQ1のオンデューティーを大きくすることにより電源ラインPL2の電圧が下がる。そこで、npn型トランジスタQ1,Q2のデューティー比を制御することで、電源ラインPL2の電圧を蓄電装置Bの電圧VB以上の任意の電圧に制御することができる。
図3は、図2に示したPWM信号変換部78による信号PWCの生成方法を説明するための波形図である。図3を参照して、三角波信号k1は、PWM信号変換部78により生成されるキャリア信号であり、キャリア周波数fc=1/Tcを有する。このキャリア周波数fcは、たとえば数kHz〜10kHz程度である。信号k2は、デューティー比演算部76から受けるデューティー比に応じて変化する信号であり、デューティー比が高いほど信号レベルが高くなる。
PWM信号変換部78は、信号k2を三角波信号k1と比較し、信号k2と三角波信号k1との大小関係に応じて電圧値が変化するパルス状の信号PWCを生成する。そして、PWM信号変換部78は、その生成した信号PWCを昇圧コンバータ10へ出力し、昇圧コンバータ10のnpn型トランジスタQ1,Q2は、その信号PWCに応じてスイッチングを行なう。
このように、昇圧コンバータ10は、キャリア信号(三角波信号k1)のキャリア周波数fcでnpn型トランジスタQ1,Q2のスイッチングを行なう。そして、npn型トランジスタQ1,Q2のスイッチングに応じてコンデンサモジュールC1,C2の充放電が行なわれる。すなわち、キャリア周波数fcでコンデンサモジュールC1,C2の充放電が行なわれる。
図4は、図1に示したコンデンサモジュールC2の詳細回路図である。図4を参照して、コンデンサモジュールC2は、2つのコンデンサC21,C22を含む。コンデンサC21,C22は、電源ラインPL2に接続される端子52と接地ライン54に接続される端子54との間に並列に接続される。
図5は、図4に示したコンデンサモジュールC2の平面実装図である。図5を参照して、コンデンサC21,C22は、たとえばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサなどから成り、プラスチックケース56内に実装される。そして、コンデンサC21,C22は、互いの距離が(1/2)×λ×(2n−1)となるようにプラスチックケース56内に配置される。
ここで、λは、コンデンサC21,C22から発生するキャリア騒音の波長、すなわち、キャリア周波数fcでコンデンサC21,C22が充放電するときにコンデンサC21,C22が発生する音波の波長であり、キャリア周波数fcとプラスチックケース56内における音波の伝搬速度Vとに基づいてλ=V/fcの関係式を用いて算出される。なお、nは自然数である。
すなわち、コンデンサC21,C22間の距離がキャリア音の半波長の奇数倍となるように、プラスチックケース56内にコンデンサC21,C22が配置される。
図6は、コンデンサC21,C22間でキャリア騒音が打消される様子を示す図である。図6を参照して、横軸は、コンデンサC21のコンデンサC22との対向面からコンデンサC22のコンデンサC21との対向面までの距離を示し、曲線k3,k4は、それぞれコンデンサC21,C22から発生するキャリア騒音の波形を示す。
図に示されるように、コンデンサC21,C22間の距離がキャリア騒音の半波長の奇数倍となるようにコンデンサC21,C22を配置することによって、コンデンサC21から発生するキャリア騒音とコンデンサC22から発生するキャリア騒音とがコンデンサC21,C22間において打消し合う。
以上のように、この実施の形態1によれば、隣接するコンデンサC21,C22間でキャリア騒音が打消されるので、コンデンサモジュールC2全体としてのキャリア騒音が低減される。その結果、コンデンサモジュールC2に対する充放電の際にコンデンサモジュールC2から発生する騒音を低減することができる。
なお、上記においては、コンデンサモジュールC2の構成について代表的に説明したが、コンデンサモジュールC1についても同様の構成とすることにより、コンデンサモジュールC1から発生するキャリア騒音も低減することができる。
[実施の形態2]
実施の形態2は、実施の形態1とコンデンサモジュールの構成が異なる。実施の形態2による電源装置の全体構成は、図1に示した電源装置100と同じである。
実施の形態2は、実施の形態1とコンデンサモジュールの構成が異なる。実施の形態2による電源装置の全体構成は、図1に示した電源装置100と同じである。
図7は、実施の形態2による電源装置におけるコンデンサモジュールC2の詳細回路図である。図7を参照して、コンデンサモジュールC2は、4つのコンデンサC21〜C24を含む。コンデンサC21〜C24は、電源ラインPL2に接続される端子52と接地ライン54に接続される端子54との間に並列に接続される。
図8は、図7に示したコンデンサモジュールC2の平面実装図である。図8を参照して、コンデンサC21〜C24は、プラスチックケース56内に行列状に配置され、かつ、隣接するコンデンサ間の距離が(1/2)×λ×(2n−1)となるように配置される。
すなわち、コンデンサC21,C22間およびコンデンサC23,C24間、ならびにコンデンサC21,C23間およびコンデンサC22,C24間の各々の距離がキャリア音の半波長の奇数倍となるように、プラスチックケース56内にコンデンサC21〜C24が行列状に配置される。
このように4つのコンデンサC21〜C24を行列状に配置することにより、コンデンサC21〜C24の各々において、隣接する2つのコンデンサとキャリア騒音を打消し合うので、コンデンサモジュールC2全体としてのキャリア音を大幅に低減することができる。
これに対し、たとえばコンデンサC21〜C24を一列に配置すると、両端のコンデンサにおいては、隣接する1つのコンデンサ間でのみしかキャリア騒音を打消し合わない。したがって、図8に示されるように、複数のコンデンサを行列状に配置する方がコンデンサモジュールC2全体としてのキャリア騒音を低減することができる。
以上のように、この実施の形態2によれば、コンデンサC21〜C24を行列状に配置することにより、コンデンサC21〜C24を一列に配置する場合に比べて、各コンデンサが発生するキャリア騒音をより多く打消すことができる。その結果、コンデンサモジュールC2に対する充放電の際にコンデンサモジュールC2から発生する騒音を大幅に低減することができる。
なお、上記においても、コンデンサモジュールC2の構成について代表的に説明したが、コンデンサモジュールC1についても同様の構成とすることにより、コンデンサモジュールC1から発生するキャリア音も大幅に低減することができる。
なお、上記の各実施の形態1,2においては、昇圧コンバータ10のキャリア周波数fcに基づいてコンデンサモジュールC1,C2に含まれるコンデンサ間の配置距離を設定するものとしたが、インバータ20のキャリア周波数fiに基づいて、コンデンサモジュールC2におけるコンデンサ間の配置距離を設定してもよい。
図9は、図1に示したインバータ20を駆動するための信号PWIの生成方法を説明するための波形図である。なお、この図9では、U相に対応する信号PWIの生成方法について代表的に示され、その他のV,W各相についても同様にして生成される。図9を参照して、三角波信号k5は、キャリア信号であり、キャリア周波数fi=1/Tiを有する。曲線k6は、U相電圧指令信号である。
制御装置30は、曲線k6を三角波信号k5と比較し、曲線k6と三角波信号k5との大小関係に応じて電圧値が変化するパルス状の信号PWIを生成する。そして、制御装置30は、その生成した信号PWIをインバータ20へ出力し、インバータ20は、その信号PWIに応じてスイッチングを行なう。
このように、インバータ20は、キャリア信号(三角波信号k5)のキャリア周波数fiに応じたスイッチング周波数でスイッチング動作を行なう。そして、インバータ20のスイッチング動作に応じてコンデンサモジュールC2の充放電が行なわれる。すなわち、キャリア周波数fiに応じてコンデンサモジュールC2の充放電が行なわれる。
そして、このインバータ20のキャリア周波数fiとプラスチックケース56内における音波の伝搬速度Vとに基づいてλ=V/fiの関係式を用いてキャリア騒音の波長を算出し、コンデンサモジュールC2内において隣接するコンデンサ間の距離を(1/2)×λ×(2n−1)に設定することにより、インバータ20のスイッチング動作に起因したキャリア騒音を低減することができる。
なお、信号PWIの周波数は、相電圧指令に応じて変化し、キャリア周波数fiに固定されるものではないが、キャリア周波数fiを中心として変化するので、少なくともキャリア周波数fi近傍の特定のキャリア騒音を低減することができる。
なお、上記の実施の形態1,2においては、それぞれコンデンサモジュールが2個および4個のコンデンサから成るものとしたが、コンデンサモジュールに含まれるコンデンサの数は、これらに限定されるものではない。そして、できるだけ多くのコンデンサと隣接するように複数のコンデンサを配置することにより、コンデンサモジュール全体としてのキャリア騒音の低減効果を大きくすることができる。
また、上記においては、複数のコンデンサは電源ラインと接地ラインとの間に並列に接続されるものとしたが、複数のコンデンサが直列に接続される場合についてもこの発明を適用し得る。
また、上記においては、隣接するコンデンサの対向面間の距離をキャリア周波数に基づいて設定するものとしたが、各コンデンサを点音源とみなして、隣接するコンデンサの中心間の距離をキャリア周波数に基づいて設定してもよい。
なお、上記において、昇圧コンバータ10またはインバータ20は、この発明における「電圧変換装置」に対応し、コンデンサC21〜C24は、この発明における「複数のコンデンサ」に対応する。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 昇圧コンバータ、20 インバータ、30 制御装置、42,44 電圧センサ、52,54 端子、72 インバータ入力電圧指令演算部、74 フィードバック電圧指令演算部、76 デューティー比演算部、78 PWM信号変換部、100 電源装置、B 蓄電装置、C1,C2 コンデンサモジュール、PL1,PL2 電源ライン、SL 接地ライン、L リアクトル、Q1,Q2 npn型トランジスタ、D1,D2 ダイオード、MG モータジェネレータ、UL U相ライン、VL V相ライン、WL W相ライン、C21〜C24 コンデンサ。
Claims (7)
- キャリア信号のキャリア周波数に応じてスイッチング素子が動作する電圧変換装置と、
前記電圧変換装置が接続される電源線に接続され、前記キャリア周波数に基づいて配置された複数のコンデンサを含むコンデンサモジュールとを備える電源装置。 - 前記複数のコンデンサは、前記キャリア周波数に基づいて設定された間隔をおいて配置される、請求項1に記載の電源装置。
- 前記複数のコンデンサは、前記スイッチング素子のオン/オフ動作に応じてなされる充放電の際に各々が周囲に発生する音波を隣接するコンデンサで打消し合うように配置される、請求項1または請求項2に記載の電源装置。
- 前記隣接するコンデンサ間の距離は、前記キャリア周波数と前記コンデンサモジュール内における前記音波の伝搬速度とから算出される波長に基づいて設定される、請求項3に記載の電源装置。
- 前記複数のコンデンサは、行列状に配置される、請求項3または請求項4に記載の電源装置。
- 前記電圧変換装置は、直流電源からの直流電圧を昇圧して前記電源線に供給する昇圧コンバータを含む、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記電圧変換装置は、前記電源線の直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷へ出力するインバータを含む、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置。
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