JP2009071982A

JP2009071982A - サージ電圧抑制回路

Info

Publication number: JP2009071982A
Application number: JP2007238024A
Authority: JP
Inventors: 芳光 ▲高▼橋; Yoshimitsu Takahashi; Toru Wakimoto; 亨脇本; Yuya Nakamoto; 雄也中本; Keiji Takizawa; 敬次滝澤
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】大型化を招かず、かつ、低コストでサージ電圧の抑制効果の高いサージ電圧抑制回路を実現する。
【解決手段】サージ電圧抑制回路３は、インバータ１の出力によりモータ２を駆動する際にインバータ１とモータ２との間の電力供給線に発生するサージ電圧を抑制する。このサージ電圧抑制回路３は、インバータ１とモータ２との間の電力供給線に直列に接続されたコイル３１−１〜３１−３と、コイル３１−１〜３１−３に並列接続されたコンデンサ３２−１〜３２−３と、を含み、その並列共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］がサージ電圧の変動周波数ｆｓ［Ｈｚ］と同じ周波数に設定されたＬＣ並列共振回路を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータの出力によりモータを駆動する際にインバータとモータとの間の電力供給線に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制回路に関する。

電気自動車やハイブリッドカー等の車両では、搭載された電源からの直流出力をインバータにより交流出力（例えば３相交流）に変換してモータに供給している。このインバータからの出力には立ち上がりの急峻な電圧が含まれる。このような立ち上がりの急峻な電圧はモータとインバータとの間の寄生成分に起因するインピーダンス不整合によってインバータとモータとの間で何度も反射を繰り返す。その結果として、モータ巻線（とくにロータ側の巻線）には、インバータとモータとの間の寄生成分で決まる周波数（以下これを「変動周波数」と呼ぶ）の過大なサージ電圧がかかってしまう。

このようなサージ電圧は、モータ巻線の絶縁耐圧を超えてしまうと、モータ巻線を消耗させ、その寿命を縮めてしまい、また場合によっては破壊にもつながるため好ましいものではない。従来、このようなサージ電圧に対しては、インバータとモータとの間の電力供給線にコイルを直列に接続し、サージ電圧の変動周波数帯にてそのコイルがハイインピーダンスとなることを利用する構成が提案されている（特許文献１〜３）。また、電力供給線に発生するノイズ（３相交流の周波数よりも高い周波数のノイズ）を抑制する構成としては、電力供給線にフィルタを設ける構成も提案されている（特許文献４）。

特開２００４−３４３８３２号公報特開２００１−２０４１３６号公報特開平１１−２６２２４７号公報特開２００５−３１８６８３号公報

一般的に、コイルのインピーダンスは、その断面積や巻数の二乗に比例する。このため特許文献１〜３の構成でサージ電圧の抑制効果を高めるためには、コイルの大型化及び高コスト化が避けられない。また、特許文献４のようなフィルタによる構成でサージ電圧を抑制する場合はフィルタの段数を増やさなければならない。このような構成を、例えば、車両などに搭載する場合は、その搭載スペースが限られており、また、低コスト化の要望もあり、何らかの対策が必要である。本発明の目的は、上記課題を解決することであり、大型化を招かず、かつ、低コストでサージ電圧の抑制効果の高いサージ電圧抑制回路を実現することにある。

本発明は、インバータの出力によりモータを駆動する際にインバータとモータとの間の電力供給線に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制回路であって、前記インバータとモータとの間の電力供給線に直列に接続されたコイルと、前記コイルに並列接続されたコンデンサと、を含み、その並列共振周波数が前記サージ電圧の変動周波数と同じ周波数に設定されたＬＣ並列共振回路を備えることを特徴とする。

また、本発明では、前記ＬＣ並列共振回路は、前記コンデンサに直列接続された抵抗を有することが望ましい。

また、本発明では、前記共振周波数は、前記インバータとモータとの間の寄生インダクタンス及び前記コイルの合成インダクタンスに基づいて設定されていることが望ましい。

また、本発明では、前記共振周波数は、前記インバータとモータとの間の寄生キャパシタンス及び前記コンデンサの合成キャパシタンスに基づいて設定されていることが望ましい。

また、本発明では、前記コイルは、前記モータのステータコアに巻きつけられていることが望ましい。

本発明によれば、大型化を招かず、かつ、低コストでサージ電圧の抑制効果の高いサージ電圧抑制回路を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るサージ電圧抑制回路３の構成を示す図である。なお、本実施形態に示すサージ電圧抑制回路３は、電気自動車やハイブリッドカー等の車両に搭載されているものとする。以下、構成について詳細に説明する。

インバータ１は、車両に搭載された電源（図示せず）からの直流出力を３相交流出力に変換する装置である。なお、インバータ１は、ＰＷＭ波形を出力するものでもよいが、正弦波形を出力するものでもよい。モータ２は、Ｙ字結線の３相モータ（図示せず）であり、電力供給線によりインバータ１と接続されており、インバータ１から出力された３相交流出力により駆動する装置である。なお、インバータ１及びモータ２は３相交流以外のものであってもよい。

サージ電圧抑制回路３は、インバータ１とモータ２との間の電力供給線に直列に接続されており、コイル３１−１〜３１−３と、コンデンサ３２−１〜３２−３と、を含んでいる。ここで、コイル３１−１はインバータ１とモータ２との間の電力供給線に直列に接続されており、コンデンサ３２−１はコイル３１−１に並列に接続されている。すなわち、コイル３１−１と、コンデンサ３２−１と、はＬＣ並列共振回路を形成している。同様に、コイル３１−２とコンデンサ３２−２、コイル３１−３とコンデンサ３２−３もＬＣ並列共振回路を形成している。

このようなＬＣ並列共振回路は、固有の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］を有している。本実施形態に示すサージ電圧抑制回路３は、このＬＣ並列共振回路の固有の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］をサージ電圧の変動周波数ｆｓ［Ｈｚ］と同じ周波数に設定することにより、インバータ１とモータ２との間の電力供給線に発生するサージ電圧を抑制している（なお、後述するように、ここで言う「同じ周波数」とは、サージ電圧の主要成分の周波数と共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］とが同じ周波数であるという意味である）。

これを、図２を用いて説明する。図２は、サージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路の周波数対インピーダンス特性であり、横軸が周波数［Ｈｚ］で縦軸がインピーダンス［Ω］である。ＬＣ並列共振回路は、共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］で、入出力インピーダンスが∞［Ω］となる。前述したように、ＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］は、サージ電圧の変動周波数ｆｓ［Ｈｚ］と同じ周波数に設定されている。このため電力供給線に発生するサージ電圧は、サージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路がハイインピーダンス（∞［Ω］）となることにより抑制される。

なお、サージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］は、コイル３１−１（〜３１−３）のインダクタンス値をＬ［Ｈ］とし、コンデンサ３２−１（〜３２−３）のキャパシタンス値をＣ［Ｆ］とすると、

により設定することができる。

なお、サージ電圧の変動周波数ｆｓ［Ｈｚ］は、設計値等から得られる寄生成分に基づくシミュレーションにより求めてもよいし、実測によって求めてもよいし、それらの併用であってもよい。あるいは、サージ電圧の周波数スペクトラムをスペクトラムアナライザで解析して、これにサージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］を合わせてもよい。これにより、よりサージ電圧の抑制効果の高いサージ電圧抑制回路３を実現することができる。

インバータ１及びモータ２の間に印加される電圧について図３を用いて説明する。図３の（ａ）は、サージ電圧抑制回路３をインバータ１及びモータ２の間の電力供給線に接続していないときの特性であり、横軸が時間ｔ［μｓ］で縦軸が電圧ｖ［Ｖ］である。図３の（ａ）に示すように、インバータ１からの出力によってモータ２の入力端電圧が印加されることにより、モータ２の巻線間には変動周期Ｔ［μｓ］のサージ電圧が印加される。このようなサージ電圧は、前述したように、モータ巻線の絶縁耐圧を超えてしまうと、モータ巻線を消耗させ、その寿命を縮めてしまい、また場合によっては破壊にもつながるため好ましいものではない。

図３の（ｂ）は、サージ電圧抑制回路３をインバータ１及びモータ２の間の電力供給線に接続しているときの特性であり、横軸が時間ｔ［μｓ］で縦軸が電圧ｖ［Ｖ］である。図３の（ｂ）に示すように、モータ２の入力端電圧が印加された際のモータ２の巻線間に発生するサージ電圧は、サージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］がサージ電圧の変動周波数ｆｓ［Ｈｚ］と同じ周波数に設定されていることにより、そのピークレベルが抑制される。

このように、本実施形態に係るサージ電圧抑制回路は、インバータとモータとの間の電力供給線に直列に接続されたコイルと、コイルに並列接続されたコンデンサと、を含み、その並列共振周波数がサージ電圧の変動周波数と同じ周波数に設定されたＬＣ並列共振回路を備えることにより、大型化を招かず、かつ、低コストでサージ電圧の抑制効果の高いサージ電圧抑制回路を実現することができる（なお、特許文献１〜４に記載されたような構成は、それをハイインピーダンス（∞［Ω］）とするには、コイルそのものがハイインピーダンスの構成であるか、あるいは、フィルタを多数（∞個）接続しなければならず、本願のような大型化を招かず、かつ、低コストでサージ電圧の抑制効果の高いサージ電圧抑制回路を実現することはできない）。

また、モータ２の巻線間に発生するサージ電圧は、図３の（ａ）にも示すように、複数の周波数成分を有している。このような複数の周波数成分を含むサージ電圧を抑制するために、図４に示すように、サージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路のコンデンサ３２−１〜３２−３の各々に抵抗３３−１〜３３−３を直列に接続して、共振の鋭さＱを低減してもよい。これにより、サージ電圧の波形に合わせたサージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］の設定がしやすくなる。

なお、コンデンサ３２−１〜３２−３の各々に抵抗３３−１〜３３−３を直列に接続した際の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］は、

により設定することができる。

なお、サージ電圧抑制回路３のＬＣ並列共振回路の共振の鋭さＱを低減するために、コイル３１−１〜３１−３の各々に抵抗を直列に接続する構成にしてもよいし、他の部位に抵抗を接続してもよい。

また、共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］は、インバータ１とモータ２との間の寄生インダクタンス及びコイル３１−１〜３１−３の合成インダクタンスに基づいて設定してもよいし、インバータ１とモータ２との間の寄生キャパシタンス及びコンデンサ３２−１〜３２−３の合成キャパシタンスに基づいて設定してもよい。これにより、サージ電圧の波形に合わせたサージ電圧抑制回路３の共振周波数ｆｃ［Ｈｚ］をよりサージ電圧の変動周波数ｆｓ［Ｈｚ］と同じ周波数に設定しやすくなる。また、コイル３１−１〜３１−３は、モータ２のステータコアに巻きつけられてもよい。これにより、サージ電圧抑制回路３は、モータでの反射を抑え、サージ電圧が反射に伴い大きくなるのを押さえ込むことができる。

本実施形態に係るサージ電圧抑制回路の構成を示す図である。本実施形態に係るサージ電圧抑制回路のＬＣ並列共振回路の周波数対インピーダンス特性である。本実施形態に係るサージ電圧抑制回路を電力供給線に取り付けたときと取り付けていないときのインバータ１及びモータ２の間に印加される電圧の特性である。本実施形態に係るサージ電圧抑制回路の別の構成を示す図である。

符号の説明

１インバータ、２モータ、３サージ電圧抑制回路、３１−１〜３１−３コイル、３２−１〜３２−３コンデンサ、３３−１〜３３−３抵抗。

Claims

インバータの出力によりモータを駆動する際にインバータとモータとの間の電力供給線に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制回路であって、
前記インバータとモータとの間の電力供給線に直列に接続されたコイルと、前記コイルに並列接続されたコンデンサと、を含み、その並列共振周波数が前記サージ電圧の変動周波数と同じ周波数に設定されたＬＣ並列共振回路を備えることを特徴とするサージ電圧抑制回路。
請求項１記載のサージ電圧抑制回路であって、
前記ＬＣ並列共振回路は、前記コンデンサに直列接続された抵抗を有することを特徴とするサージ電圧抑制回路。
請求項１又は２に記載のサージ電圧抑制回路であって、
前記共振周波数は、前記インバータとモータとの間の寄生インダクタンス及び前記コイルの合成インダクタンスに基づいて設定されていることを特徴とするサージ電圧抑制回路。
請求項１から３のいずれかに記載のサージ電圧抑制回路であって、
前記共振周波数は、前記インバータとモータとの間の寄生キャパシタンス及び前記コンデンサの合成キャパシタンスに基づいて設定されていることを特徴とするサージ電圧抑制回路。
請求項１から４のいずれかに記載のサージ電圧抑制回路であって、
前記コイルは、前記モータのステータコアに巻きつけられていることを特徴とするサージ電圧抑制回路。