JP2012178937A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter.
インバータ装置は、バッテリ等の直流電力から交流電力を生成する装置であり、たとえば電気自動車において電気エネルギから力学的エネルギを得るためのいわゆる自動車用パワーエレクトロニクスシステムに使用されている。
インバータ装置は、筺体内にモジュール化されたパワー半導体素子からなるスイッチング素子(これをパワーモジュールと称している)と、スイッチング素子をオン、オフさせる制御信号を駆動するドライバ回路等と、平滑化コンデンサと、ドライバ回路等へ送る動作信号を生成する制御回路等を備えて構成される。
The inverter device is a device that generates AC power from DC power such as a battery, and is used in, for example, a so-called automotive power electronics system for obtaining mechanical energy from electrical energy in an electric vehicle.
The inverter device includes a switching element made of a power semiconductor element modularized in a housing (referred to as a power module), a driver circuit for driving a control signal for turning on / off the switching element, and a smoothing capacitor. And a control circuit for generating an operation signal to be sent to a driver circuit or the like.
スイッチング素子は直流電源を高速にスイッチングする際、急激な電圧・電流の変化に伴ってサージ電流・電圧が生じ、電磁ノイズの発生源となる。そこで従来技術として、特許文献1(特開平18‐224045号)には、制御回路基板とパワーモジュールとの間に、筺体と電気的に絶縁された導電性のシールド板を配設することにより、パワーモジュール内のスイッチング素子のオン、オフ動作によって発生するスイッチングノイズが制御回路基板に重畳するのを防ぐ方法が開示されている。 When switching a DC power supply at high speed, the switching element generates a surge current / voltage along with a sudden voltage / current change, and becomes a source of electromagnetic noise. Therefore, as a prior art, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 18-224045), by disposing a conductive shield plate electrically insulated from the housing between the control circuit board and the power module, A method for preventing switching noise generated by on / off operations of switching elements in a power module from being superimposed on a control circuit board is disclosed.
特許文献1(特開平18−224045号公報)では、制御回路基板とパワーモジュールとの間に、筺体と電気的に絶縁された導電性のシールド板を配設して、パワーモジュール内のスイッチング素子のオン、オフ動作によって発生するスイッチングノイズが制御回路基板に重畳し、外部への電磁放射が増大することを防ぐ手法が示されている。しかし、シールド部材が増えることにより、インバータ装置のコストが増大したり、小型化できないという課題がある。 In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 18-224045), a conductive shield plate that is electrically insulated from the housing is disposed between a control circuit board and a power module, and a switching element in the power module is provided. There is shown a technique for preventing switching noise generated by the on / off operation of the signal from being superimposed on a control circuit board and increasing electromagnetic radiation to the outside. However, there are problems that the cost of the inverter device increases and the size cannot be reduced due to an increase in the number of shield members.
本発明は上記の問題を解決するものである。また、外部機器と接続される制御配線を伝搬して装置内に混入するノイズ電流または電圧を安価且つ小型に抑制する構造を備えた電力変換装置を提供する。 The present invention solves the above problems. Moreover, the power converter device provided with the structure which suppresses the noise electric current or voltage which propagates the control wiring connected with an external apparatus and mixes in an apparatus cheaply and compactly is provided.
直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールと、当該パワーモジュールに直流電力を供給する正極及び負極配線と、当該パワー半導体素子の駆動を制御する制御信号を出力する制御回路基板と、当該制御回路基板と車両のグランドを電気的に接続する金属部材と、を備えた電力変換装置であって、前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置される電力変換装置である。 A power module having a power semiconductor element that converts DC power into AC power, a positive and negative wiring that supplies DC power to the power module, and a control circuit board that outputs a control signal that controls driving of the power semiconductor element A power conversion device comprising a metal member that electrically connects the control circuit board and the vehicle ground, wherein the metal member is disposed at a position where electromagnetic noises of the positive electrode wiring and the negative electrode wiring cancel each other. Power conversion device.
本発明によれば、電力変換装置においてパワー半導体素子のスイッチングノイズに起因するノイズを低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the noise resulting from the switching noise of a power semiconductor element can be reduced in a power converter device.
図1は、インバータ装置の内部構成を説明するための説明図である。
このインバータ装置1は、主に電気自動車における自動車用パワーエレクトロニクスシステムに搭載されている。 なお、自動車用パワーエレクトロニクスシステムは、直流電力を供給するためのバッテリと、直流を交流に変換するインバータ装置と、インバータ装置の電気的出力から回転力を得るモータとから構成されている。
このような自動車用パワーエレクトロニクスシステムにおいて、インバータ装置は、 筐体内に格納されているドライバ回路基板からの信号によりパワーモジュールのスイッチング素子をオン、オフすることで、自動車の駆動源であるモータにおいて所望の回転力を得るための交流電力を生成している。そしてモータが、このようにしてインバータ装置から出力された交流電力により電磁気的作用によって回転力を得ている。
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the internal configuration of the inverter device.
This
In such a power electronics system for automobiles, the inverter device is turned on and off by the signal from the driver circuit board stored in the housing to turn on and off the switching element of the power module, and is desired in the motor that is the driving source of the automobile. AC power is generated to obtain the rotational force. The motor obtains rotational force by an electromagnetic action by the AC power output from the inverter device in this way.
本実施例におけるインバータ装置1は、図1に示すように、筐体11内に、少なくとも一つのスイッチング素子を備えるパワーモジュール13と、それを制御するドライバ回路基板31等と、平滑用のコンデンサモジュール17と、ドライバ回路等へ送る動作信号を生成する制御回路基板41等を備えて構成される。
パワーモジュール13は、直流を交流に変換するために、通常は複数のスイッチング素子によって構成されている。スイッチング素子は、たとえば、サイリスタ、IGBT、パワートランジスタなどある。
ドライバ回路基板31は、パワーモジュール13と信号線19によって接続されている。そして、パワーモジュール13内のスイッチング素子をスイッチングするための制御信号を出力する。
As shown in FIG. 1, the
The
The
制御回路基板41は、ドライバ回路基板31と信号線33によって接続されている。そして、ドライバ回路31等へモータを制御するための動作信号を生成し、出力する。
なお、制御回路基板41はドライバ回路基板31と別基板とせずに、同一基板とし、制御回路基板ベース板32とドライバ回路基板ベース板42を共通化してもよい。
筐体11は、導電性の部材からなり、外部から伝搬するノイズ(主に電磁波ノイズ)を遮蔽する役割がある。
筐体11内においては、直流電源である図外のバッテリの正極端子(不図示)からの電力供給線21aが第1の導電部材22に接続されていて、
バッテリの負極端子(不図示)からの電力供給線21bが第2の導電部材23に接続されている。また、バッテリからインバータ装置に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール17を備えている。コンデンサモジュール17が第1の導電部材23と第2の導電部材23に接続されることで、電力供給線21とパワーモジュール13の間に接続されている。
The
The
The
In the
A power supply line 21 b from the negative terminal (not shown) of the battery is connected to the second
ドライバ回路基板31からの信号によりパワーモジュール13のスイッチング素子をオン、オフすることにより、スイッチングノイズが生じ、スイッチングノイズが第1の導体板22と第2の導体板23に流れ、第1の導体板22および第2の導体板23と、ドライバ回路ベース板32および制御回路ベース板42との寄生容量50を介して、スイッチングノイズがドライバ回路ベース板32および制御回路ベース板42に伝搬し、さらに筺体11や制御回路基板41内をノイズが伝導することにより、外部に放射する電磁ノイズが増大したり、ドライバ回路基板31や制御回路基板41の動作が誤動作する恐れがある。
When the switching element of the
図2は本発明を適用しない構造において、スイッチングノイズにより、ベース板に電位変動が生じることを示す断面構造の説明図を示している。
本実施例は第1の導体板22と第2の導体板23と、ドライバ回路基板31とが階層構造となっており、ドライバ回路基板31のグラウンドはねじ部材34により、ドライバ回路ベース板32と電気的に接続されている。なお、ねじ部材34は導電性部材である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure showing that a potential fluctuation occurs in the base plate due to switching noise in a structure to which the present invention is not applied.
In this embodiment, the
パワーモジュール13のスイッチング素子により、スイッチングノイズが生じるため、雑音の影響を受けやすい弱電系のハーネス・ケーブルや基板等から離す配置とすることが好ましい。
しかし、インバータ装置1の小型化要求により、弱電系のハーネス・ケーブルや基板等と強電系のパワーモジュール13や第1の導体板22や第2の導体板23との距離が離せない場合、スイッチングノイズが第1の導体板22と第2の導体板23に流れ、スイッチングノイズが寄生容量50を介してドライバ回路ベース板32を伝搬することにより、ドライバ回路ベース板32にノイズ電流が流れ、電位変動が生じる。
Since switching noise is generated by the switching element of the
However, if the distance between the weak electrical harness / cable or board and the high
次に、図3に、本発明を適用した構造において、スイッチングノイズにより、ベース板に生じる電位変動を抑制する方法を示す断面構造の説明図を示している。
本実施例は図2から、ドライバ回路ベース板32に対して第1の導体板22と第2の導体板23を配線途中で交差することにより、上下が交互に入れ替わるように配置した構成である。
Next, FIG. 3 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure showing a method for suppressing potential fluctuations generated in the base plate due to switching noise in the structure to which the present invention is applied.
In this embodiment, the
ここで、第1の導体板22と第2の導体板23を配線途中で交差するために、スリットを空けて導体板を組み合わせるとき、インダクタンスの増加を防ぐため、パワーモジュール13へ電流を流す方向をスリットに対して平行にすることが望ましい。
また、第1の導電部材22、第2の導電部材23の隣り合う部分に関しては、電気的に導通しない程度の開口部を開けておく必要がある。
第1の導体板22はパワーモジュール13の正極端子25に接続され、第2の導電板23はパワーモジュール13の負極端子26に接続されている。したがって、第1の導電部材22と第2の導電部材23に互いに電流が逆方向に流れるため、ドライバ回路ベース板32の下部に、第1の導体板22と第2の導体板23にスリットを空け、折り曲げて、対向するように導体板を交互に組み合わせるように配置することにより、ドライバ回路ベース板32上に誘起される電磁ノイズが打ち消しあう位置が生じる。
Here, when crossing the
Further, it is necessary to open an opening that is not electrically connected to the adjacent portions of the first
The first
このように、電磁ノイズが打ち消しあう位置にねじ部材34を配置することにより、ドライバ回路基板34のグラウンドを電位変動の小さい静かなグラウンドに接地することができるため、シールドの追加や強電系の部品との距離を離すことなく電磁ノイズの発生を抑制し、また、誤動作を防ぐことができる。
ここで、第1の導体板22と第2の導体板23による電磁ノイズを打ち消す位置を作る対象は、ドライバ回路ベース板32だけでなく、電磁ノイズを抑制する目的とするため、ドライバ回路基板31のグラウンド、制御回路基板のグラウンド41、制御回路ベース板42でもよい。
なお、第1の導体板22と第2の導体板23は回路基板上の導電部材で形成し、ビアを介して導電部材が交互に組み合わせるように配置してもよい。
Thus, by arranging the
Here, not only the driver
Note that the
図4は本発明の効果を示すため、ベース板に誘起される電位変動を3次元電磁界シミュレーションにより解析した様子を示す図である。入力を1Vとし、周波数を1MHzにして第1の導体板22と第2の導体板23を励振したときの、ドライバ回路ベース板32に誘起される電界強度を解析したものである。スイッチング素子は数kHzでスイッチングされ、数MHzという高調波成分が第1の導体板22と第2の導体板23から電磁結合により、ドライバ回路基板31や制御回路基板41等へ伝搬する。そのため、第1の導体板22と第2の導体板23が発生するノイズの周波数はドライバ回路基板31がパワーモジュール13へ出力するドライブ信号のキャリア周波数などに応じて決まる。
図5(a)は本発明を適用しない(図2参照)導体板構造と、第1の導体板22と第2の導体板23の上部にドライバ回路ベース板32を配置した際に生じる電界強度の解析結果を示す図である。また、図5(b)は本発明を適用した(図3参照)正極側の第1の導体板22と負極側の第2の導体板23を交差させ、上下が交互に入れ替わるように組み合わせた導体板の構造と、前記第1の導体板22と第2の導体板23の上部にドライバ回路ベース板32を配置した際に生じる電界強度の解析結果を示す図である。なお、図5(c)は本発明を適用した正極側の第1の導体板22と負極側の第2の導体板23が交差する回数を図5(b)より1つ増やした導体板の構造と、前記第1の導体板22と第2の導体板23の上部にドライバ回路ベース板32を配置した際に生じる電界強度の解析結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a state in which the potential fluctuation induced in the base plate is analyzed by a three-dimensional electromagnetic field simulation in order to show the effect of the present invention. This is an analysis of the electric field strength induced in the driver
FIG. 5A shows a conductor plate structure to which the present invention is not applied (see FIG. 2), and an electric field strength generated when the driver
また、図6は図5のドライバ回路ベース板32の線Bにおける電界強度のグラフである。
導体板を折り曲げて、ノイズを打ち消す点を作ることにより、図5(a)と比べて図5(b)ではピーク値は−3dB程度、ノイズが打ち消しあう点では、−20dB程度のノイズを抑える効果があることが分かる。
また、図5(c)の場合、図5(a)と比べて、ピーク値は−6dB程度低減でき、導体板を交互に組み合わせる回数を増やすことにより、ノイズ低減効果をさらに向上させることができる。
以上説明したように、シールドを用いることなく第1の導体板22と第2の導体板23によりドライバ回路誘起基板31のグランドやドライバ回路ベース32に誘起されるノイズを低減することができる。
FIG. 6 is a graph of the electric field strength at line B of the driver
By bending the conductor plate to create a point that cancels out the noise, the peak value is about -3 dB in FIG. 5B compared to FIG. 5A, and the noise of about −20 dB is suppressed at the point where the noise cancels out. It turns out that there is an effect.
In the case of FIG. 5C, the peak value can be reduced by about −6 dB as compared with FIG. 5A, and the noise reduction effect can be further improved by increasing the number of times the conductor plates are alternately combined. .
As described above, the noise induced on the ground of the driver
図7は、本発明を適用した実施例2におけるスイッチングノイズにより、基板グラウンドに生じる電位変動を抑制する方法を示す断面構造の説明図である。
本実施例は、第1の導体板22と第2の導体板23とドライバ回路基板31およびドライバ回路ベース板32を配置している。
ドライバ回路ベース板32に誘起されるノイズは第1の導体板22と第2の導体板23の中点で打ち消しあうため、導体板を加工することなく、導体板とベース板の設置位置により、ノイズを打ち消しあう点を作ることができる。
そして、ノイズが打ち消しあう点でねじ部材を設置することにより、ドライバ回路基板31は電位変動の小さい点で基板グラウンドをとることができる。
これにより、回路内のノイズによる誤動作を防ぐことができ、また、外部に放射するノイズを低減することができる。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure illustrating a method for suppressing potential fluctuations that occur in the substrate ground due to switching noise in the second embodiment to which the present invention is applied.
In this embodiment, a
The noise induced in the driver
Then, by installing the screw member at a point where noises cancel each other, the
Thereby, malfunction due to noise in the circuit can be prevented, and noise radiated to the outside can be reduced.
図8は、本発明を適用した実施例2におけるスイッチングノイズにより、制御回路基板41の誤動作を防ぐ方法を示す断面構造の説明図である。
本実施例は、第1の導体板22と第2の導体板23と制御回路基板41と、パワーモジュール13のスイッチング素子のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)44を備え、または制御回路ベース板42を配置している。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure showing a method for preventing malfunction of the
In this embodiment, the
制御回路ベース板42にノイズが誘起され、マイコンのグラウンドの電位が変動することにより、回路が誤動作を起こしたり、動作が不安定になったりする恐れがある。
そのため、マイコン44の制御回路基板41上の配置位置を第1の導体板22と第2の導体板23の中点にすることにより、マイコンの電源電圧の変動を抑えることができ、回路が誤動作することを防ぐことができる。
When noise is induced in the control
Therefore, by arranging the position of the
1 インバータ装置
11 筺体
13 パワーモジュール
17 コンデンサモジュール
19 信号線
21 電力供給線
22 第1の導体板
23 第2の導体板
24 第3の導体板
25 正極端子
26 負極端子
27 絶縁部材
31 ドライバ回路基板
32 ドライバ回路ベース板
33 信号線
34 ねじ部材
35 ベース板の電位
41 制御回路基板
42 制御回路ベース板
43 制御ハーネス
44 マイコン
50 寄生容量
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記パワーモジュールに直流電力を供給する正極配線及び負極配線と、
前記パワー半導体素子の駆動を制御する制御信号を出力するドライバ回路基板と、
前記ドライバ回路基板へ送る動作信号を生成する制御回路基板と、
前記ドライバ回路基板もしくは前記制御回路基板と車両のグラウンドを電気的に接続する金属部材と、を備えた電力変換装置であって、
前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置されることを特徴とする電力変換装置。 A power module having a power semiconductor element for converting DC power into AC power;
A positive electrode wiring and a negative electrode wiring for supplying DC power to the power module;
A driver circuit board for outputting a control signal for controlling driving of the power semiconductor element;
A control circuit board for generating an operation signal to be sent to the driver circuit board;
A power conversion device comprising the driver circuit board or the control circuit board and a metal member that electrically connects the ground of the vehicle,
The power conversion device according to claim 1, wherein the metal member is disposed at a position where electromagnetic noises of the positive electrode wiring and the negative electrode wiring cancel each other.
前記金属部材は、前記正極配線と前記負極配線から等距離の位置に配置されることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power conversion device according to claim 1, wherein the metal member is disposed at an equal distance from the positive electrode wiring and the negative electrode wiring.
前記金属部材の基板のグラウンドのねじ位置またはハーネスやケーブルを、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打ち消しあう位置に配置することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power conversion device, wherein a screw position of a ground of a substrate of the metal member or a harness or a cable is arranged at a position where electromagnetic noises of the positive electrode wiring and the negative electrode wiring cancel each other.
前記パワーモジュールに直流電力を供給する前記正極配線及び前記負極配線が絶縁体を介して対向して設置され、前記正極配線及び前記負極配線が配線途中で交差することにより、上下が入れ替わって配置されることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device in any one of Claims 1 thru | or 3,
The positive electrode wiring and the negative electrode wiring for supplying DC power to the power module are disposed opposite to each other through an insulator, and the positive electrode wiring and the negative electrode wiring intersect with each other in the middle of the wiring, so that the upper and lower sides are switched. The power converter characterized by the above-mentioned.
前記正極配線及び前記負極配線に配線途中で交差するためのスリットを備え、前記パワーモジュールへ電流を流す向きをスリットと平行にすることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4, wherein
A power conversion device comprising: a slit for intersecting the positive electrode wiring and the negative electrode wiring in the middle of the wiring, and a direction in which a current flows to the power module is parallel to the slit.
前記ドライバ回路基板または前記制御回路基板上に配置されているマイコンを、前記正極配線と前記負極配線の電磁ノイズの打消し合う位置に配置することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device in any one of Claims 1 thru | or 5,
A power conversion device, wherein a microcomputer disposed on the driver circuit board or the control circuit board is disposed at a position where electromagnetic noises of the positive electrode wiring and the negative electrode wiring cancel each other.
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