JP2012231593A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置１は、電源配線１０と、平滑コンデンサ１１と、インバータ回路１２と、制御回路１３とを備えている。平滑コンデンサ１１は、コンデンサ１１０、１１１を並列接続用配線１１２、１１３によって並列接続して構成されている。並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１及びコンデンサ１１０、１１１がループ状に接続され、ＬＣ共振回路が構成される。ＬＣ共振回路の共振周波数が、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるようにインダクタンスＬｓ１、コンデンサ１１０、１１１の容量の少なくともいずれかが調整されている。これにより、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置に関する。

従来、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置として、例えば特許文献１に開示されている電力変換装置がある。

この電力変換装置は、直流電源ラインと、直流中間コンデンサと、インバータとを備えている。直流電源ラインは、直流電圧を出力するコンバータの出力端子に接続されている。直流中間コンデンサは、コンバータの出力する直流電圧を平滑化して安定させる素子である。直流中間コンデンサは、直流電源ラインに接続されている。インバータは、直流中間コンデンサによって平滑化された直流電圧を３相交流電圧に変換する回路である。インバータは、直流電源ラインに接続されている。さらに、この電力変換装置は、直流電源ラインに並列接続されるコンデンサを備えている。コンデンサと、直流電源ラインのインダクタンスによってＬＣ共振回路が構成される。このＬＣ共振回路によって、インバータのスイッチングに伴って発生するスイッチングサージを抑えることができる。

特開２０１０−０４１７９０号公報

しかし、前述した電力変換装置では、スイッチングサージを抑えるために別途コンデンサを設けなければならない。しかも、体格の大きなコンデンサを用いなければならない。そのため、装置が大型化してしまうとともに、コストアップしてしまうという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、電力変換装置の構成要素である平滑コンデンサと、配線のインダクタンスを利用することで、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えられることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の電力変換装置は、直流電源に接続される電源配線と、電源配線に接続され、直流電源の出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、電源配線に接続され、平滑コンデンサによって平滑化された直流電圧をスイッチングして異なる電圧に変換する電力変換回路と、を備えた電力変換装置において、平滑コンデンサは、第１コンデンサと第２コンデンサを並列接続用配線によって並列接続して構成され、並列接続用配線のインダクタンス、第１コンデンサ及び第２コンデンサによって構成される共振回路の共振周波数が、電力変換回路のスイッチングに伴って発生するサージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする周波数になるように並列接続用配線のインダクタンス、第１コンデンサの容量及び第２コンデンサの容量の少なくともいずれかが調整されていることを特徴とする。なお、第１及び第２コンデンサは、コンデンサを区別するために便宜的に導入したものである。

この構成によれば、電力変換装置の構成要素である平滑コンデンサは、第１コンデンサと第２コンデンサを並列接続して構成される。その結果、並列接続用配線のインダクタンス、第１コンデンサ及び第２コンデンサによって、共振回路を構成することができる。そのため、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる。

請求項２に記載の電力変換装置は、並列接続用配線の長さを調整することで、並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする。この構成によれば、並列接続用配線のインダクタンスを確実に調整することができる。

請求項３に記載の電力変換装置は、電源配線のいずれかの部分が並列接続用配線として用いられていることを特徴とする。この構成によれば、電源配線の一部分を並列接続用配線として共用する。そのため、並列接続用配線の量を抑えることができる。従って、装置を小型化できるとともに、コストを抑えることができる。

請求項４に記載の電力変換装置は、電源配線のうち、並列接続用配線として用いられている部分の長さを調整することで、並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする。この構成によれば、並列接続用配線のインダクタンスを確実に調整することができる。

請求項５に記載の電力変換装置は、第１コンデンサ及び第２コンデンサの少なくともいずれかは、複数のコンデンサを並列接続して構成されていることを特徴とする。この構成によれば、容量を適切に調整することができる。そのため、共振周波数が抑制しようとする周波数になるように確実に調整することができる。

請求項６に記載の電力変換装置は、直流電源の出力する直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給することを特徴とする。この構成によれば、スイッチングサージを抑えることにより、モータの巻線間に加わる最大電圧を抑えることができる。そのため、モータの巻線の絶縁破壊を抑えることができる。

第１実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。 図１における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。 ＬＣ共振回路のインピーダンス特性を示すグラフである。 ＬＣ共振回路の有無による電圧の違いを説明するためのグラフである。 第２実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。 図５における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、車両に搭載され、車両駆動用モータを制御するモータ制御装置に適用した例を示す。

（第１実施形態）
まず、図１及び図２を参照して第１実施形態のモータ制御装置の構成について説明する。ここで、図１は、第１実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。図２は、図１における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。なお、図２における前後方向及び左右方向は、方向を区別するために便宜的に導入したものである。

図１に示すモータ制御装置１（電力変換装置）は、高電圧バッテリＢ１（直流電源）の出力する直流高電圧を３相交流電圧に変換して車両駆動用モータＭ１に供給し、車両駆動用モータＭ１を制御する装置である。モータ制御装置１は、電源配線１０と、平滑コンデンサ１１と、インバータ回路１２（電力変換回路）と、制御回路１３とを備えている。

電源配線１０は、高電圧バッテリＢ１の出力する直流高電圧を供給するための部材である。電源配線１０は、正電源配線１００と、負電源配線１０１とを備えている。正電源配線１００の一端は、高電圧バッテリＢ１の正極端子に接続されている。また、負電源配線１０１の一端は、高電圧バッテリＢ１の負極端子に接続されている。

平滑コンデンサ１１は、電源配線１０に接続され、高電圧バッテリＢ１の出力する直流高電圧を平滑化するための素子である。平滑コンデンサ１１は、コンデンサ１１０（第１コンデンサ）、１１１（第２コンデンサ）を並列接続用配線１１２、１１３によって並列接続して構成されている。

コンデンサ１１０は、コンデンサ１１１より容量が大きくなるように設定されている。並列接続用配線１１３は、インダクタンスＬｓ１を有するように配線の長さが調整されている。コンデンサ１１１の一端は正電源配線１００に、他端は負電源配線１０１にそれぞれ接続されている。コンデンサ１１０の一端は、並列接続用配線１１２によってコンデンサ１１１の一端に接続されている。また、コンデンサ１１０の他端は、並列接続用配線１１３によってコンデンサ１１１の他端に接続されている。

図２に示すように、コンデンサ１１０、１１１は、直方体状の素子である。コンデンサ１１０の一端は上面の右後方に、他端は上面の右前方にそれぞれ形成されている。コンデンサ１１１の一端は上面の後方に、他端は上面の前方にそれぞれ形成されている。

正電源配線１００及び負電源配線１０１は、帯状の金属板からなるバスバーである。並列接続用配線１１２は、帯状の金属板からなるバスバーである。並列接続用配線１１３は、インダクタンスＬｓ１を有するように帯状の金属板をＵ字状に屈曲成形して構成されたバスバーである。

コンデンサ１１１の一端は正電源配線１００に、他端は負電源配線１０１にそれぞれ接続されている。コンデンサ１１０の一端は、左右方向に延在する並列接続用配線１１２によってコンデンサ１１１の一端に接続されている。また、コンデンサ１１０の他端は、左右方向に延在するＵ字状に屈曲成形された並列接続用配線１１３によってコンデンサ１１１の他端に接続されている。

これにより、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１及びコンデンサ１１０、１１１がループ状に接続され、ＬＣ共振回路が構成される。

図１に示すインバータ回路１２は、電源配線１０に接続され、平滑コンデンサ１０によって平滑化された直流電圧をスイッチングして３相交流電圧に変換し、車両駆動用モータＭ１に供給する装置である。インバータ回路１２は、ＩＧＢＴ１２０〜１２５を備えている。

ＩＧＢＴ１２０〜１２５は、ゲートの電圧を制御することで駆動され、スイッチングすることで平滑コンデンサ１０に平滑化された直流電圧を３相交流電圧に変換するためのスイッチング素子である。ＩＧＢＴ１２０、１２３、ＩＧＢＴ１２１、１２４及びＩＧＢＴ１２２、１２５はそれぞれ直列接続されている。具体的には、ＩＧＢＴ１２０〜１２２のエミッタが、ＩＧＢＴ１２３〜１２５のコレクタにそれぞれ接続されている。直列接続された３組のＩＧＢＴ１２０、１２３、ＩＧＢＴ１２１、１２４及びＩＧＢＴ１２２、１２５は並列接続されている。ＩＧＢＴ１２０〜１２２のコレクタは正電源配線１００に、ＩＧＢＴ１２３〜１２５のエミッタは負電源配線１０１にそれぞれ接続されている。また、ＩＧＢＴ１２０〜１２５のゲートとエミッタは、制御回路１３にそれぞれ接続されている。さらに、直列接続されたＩＧＢＴ１２０、１２３、ＩＧＢＴ１２１、１２４及びＩＧＢＴ１２２、１２５の直列接続点は、車両駆動用モータＭ１にそれぞれ接続されている。

制御回路１３は、ＩＧＢＴ１２０〜１２５を制御する装置である。制御回路１３は、ＩＧＢＴ１２０〜１２５のゲートとエミッタにそれぞれ接続されている。

ところで、インバータ回路１２を構成するＩＧＢＴ１２０〜１２５がスイッチングすると、それに伴ってサージ電圧が発生する。並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１及びコンデンサ１１０、１１１によって構成されるＬＣ共振回路の共振周波数が、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１、コンデンサ１１０、１１１の容量が調整されている。

次に、図１、図３及び図４を参照してモータ制御装置の動作について説明する。ここで、図３は、ＬＣ共振回路のインピーダンス特性を示すグラフである。図４は、ＬＣ共振回路の有無による電圧の違いを説明するためのグラフである。

車両のイグニッションスイッチ（図略）がオンすると、図１に示すモータ制御装置１が動作を開始する。高電圧バッテリＢ１の直流高電圧は、平滑コンデンサ１０によって平滑化される。制御回路１３は、外部から入力される指令に基づいて、インバータ回路１２を構成するＩＧＢＴ１２０〜１２５を制御する。具体的には、ＩＧＢＴ１２０〜１２５を所定周期でスイッチングする。インバータ回路１２は、平滑コンデンサ１０によって平滑化された直流高電圧を３相交流電圧に変換して車両駆動用モータＭ１に供給する。このようにして、モータ制御装置１が車両駆動用モータＭ１を制御する。

インバータ回路１２を構成するＩＧＢＴ１２０〜１２５がスイッチングすると、それに伴ってサージ電圧が発生する。しかし、正電源配線１００と負電源配線１０の間に、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１及びコンデンサ１１０、１１１によって構成されるＬＣ共振回路が設けられている。しかも、ＬＣ共振回路の共振周波数は、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるように調整されている。そのため、図３に示すように、抑制しようとする所定周波数において、ＬＣ共振回路のインピーダンスを大きくすることができる。その結果、スイッチングサージを抑えることができる。これにより、サージ電圧が低下し、図４に示すように、ＬＣ共振回路がない場合に比べ、車両用動用モータＭ１の巻線間電圧の最大値を抑えることができる。従って、車両駆動用モータＭ１の巻線の絶縁破壊を抑えることができる。

次に、効果について説明する。第１実施形態によれば、平滑コンデンサ１１は、コンデンサ１１０、１１１を並列接続して構成される。その結果、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１及びコンデンサ１１０、１１１によって、ＬＣ共振回路を構成することができる。そのため、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる。

また、第１実施形態によれば、並列接続用配線１１３の長さを調整することでインダクタンスＬｓ１を調整する。そのため、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１を確実に調整することができる。

さらに、第１実施形態によれば、スイッチングサージを抑えることにより、車両用動用モータＭ１の巻線間に加わる最大電圧を抑えることができる。そのため、車両駆動用モータＭ１の巻線の絶縁破壊を抑えることができる。

なお、第１実施形態では、平滑コンデンサ１１が、２つのコンデンサ１１０、１１１を並列接続して構成される例を挙げているが、これに限られるものではない。コンデンサ１１０、１１１の少なくともいずれかが、複数のコンデンサを並列接続して構成されていてもよい。容量を適切に調整することができる。そのため、ＬＣ回路の共振周波数が抑制しようとする周波数になるように確実に調整することができる。

また、第１実施形態では、ＬＣ共振回路の共振周波数が、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１、コンデンサ１１０、１１１の容量がともに調整されている例を挙げているが、これに限られるものではない。共振周波数が、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線１１３のインダクタンスＬｓ１、コンデンサ１１０、１１１の容量の少なくともいずれかが調整されていればよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態のモータ制御装置について説明する。第２実施形態のモータ制御装置は、第１実施形態のモータ制御装置が、平滑コンデンサを構成する２つのコンデンサを独立した並列接続用配線によって並列接続するのに対して、電源配線の一部分を並列接続用配線として共用して並列接続するようにしたものである。第２実施形態のモータ制御装置は、２つのコンデンサの並列接続の構成を除いて第１実施形態のモータ制御装置と同一構成である。

まず、図５及び図６を参照して平滑コンデンサの構成について説明する。ここで、図５は、第２実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。図６は、図５における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。なお、図６における前後方向及び左右方向は、方向を区別するために便宜的に導入したものである。

図５に示すモータ制御装置２は、電源配線２０と、平滑コンデンサ２１と、インバータ回路２２（電力変換回路）と、制御回路２３とを備えている。電源配線２０、インバータ回路２２及び制御回路２３は、第１実施形態の電源配線１０、インバータ回路１２及び制御回路１３と同一構成である。

平滑コンデンサ２１は、コンデンサ２１０（第１コンデンサ）、２１１（第２コンデンサ）を並列接続用配線２１２、２１３によって並列接続して構成されている。

コンデンサ２１１の一端は正電源配線２００に、他端は負電源配線２０１にそれぞれ接続されている。コンデンサ２１０の一端は、並列接続用配線２１２によってコンデンサ２１１の一端に接続されている。また、コンデンサ２１０の他端は、負電源配線２０１に接続され、負電源配線２０１の一部分を並列接続用配線２１３として用い、コンデンサ２１１の他端に接続されている。並列接続用配線２１３は、インダクタンスＬｓ２を有するように配線の長さが調整されている。

図６に示すように、コンデンサ２１０の一端は上面の右後方に、他端は上面の左前方にそれぞれ形成されている。コンデンサ２１１の一端は上面の後方に、他端は上面の前方にそれぞれ形成されている。

コンデンサ２１１の一端は正電源配線２００に、他端は負電源配線２０１にそれぞれ接続されている。コンデンサ２１０の一端は、左右方向に延在する並列接続用配線２１２によってコンデンサ２１１の一端に接続されている。また、コンデンサ２１０の他端は、負電源配線２０１に接続され、負電源配線２０１の一部分を並列接続用配線２１３として用い、コンデンサ２１１の他端に接続されている。並列接続用配線２１３は、インダクタンスＬｓ２を有するように、コンデンサ２１０の他端との接続点とコンデンサ２１１の他端との接続点との間の距離、つまり配線の長さが調整されている。

これにより、並列接続用配線２１３のインダクタンスＬｓ２及びコンデンサ２１０、２１１がループ状に接続され、ＬＣ共振回路が構成される。また、ＬＣ共振回路の共振周波数が、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線２１３のインダクタンスＬｓ２、コンデンサ２１０、２１１の容量が調整されている。

動作については、第１実施形態のモータ制御装置と同一であるため、説明を省略する。

次に、効果について説明する。第２実施形態によれば、負電源配線２０１の一部分を並列接続用配線２１３として共用する。そのため、並列接続用配線の量を抑えることができる。従って、装置を小型化できるとともに、コストを抑えることができる。

また、第２実施形態によれば、コンデンサ２１０の他端の接続点とコンデンサ２１１の他端の接続点の間の距離、つまり並列接続用配線２１３の配線の長さを調整することで、インダクタンスＬｓ２を調整する。そのため、並列接続用配線２１３のインダクタンスＬｓ２を確実に調整することができる。

１、２・・・モータ制御装置（電力変換回路）、１０、２０・・・電源配線、１００、２００・・・正電源配線、１０１、２０１・・・負電源配線、１１、２１・・・平滑コンデンサ、１１０、１１１、２１０、２１１・・・コンデンサ（第１コンデンサ、第２コンデンサ）、１１２、１１３、２１２、２１３・・・並列接続用配線、１２、２２・・・インバータ回路（電力変換回路）、１２０〜１２５、２２０〜２２５・・・ＩＧＢＴ、１３、２３・・・制御回路、Ｂ１、Ｂ２・・・高電圧バッテリ（直流電源）、Ｍ１、Ｍ２・・・モータ

Claims (6)

1. 直流電源に接続される電源配線と、
   前記電源配線に接続され、前記直流電源の出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記電源配線に接続され、前記平滑コンデンサによって平滑化された直流電圧をスイッチングして異なる電圧に変換する電力変換回路と、
   を備えた電力変換装置において、
   前記平滑コンデンサは、第１コンデンサと第２コンデンサを並列接続用配線によって並列接続して構成され、
   前記並列接続用配線のインダクタンス、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサによって構成される共振回路の共振周波数が、前記電力変換回路のスイッチングに伴って発生するサージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする周波数になるように前記並列接続用配線のインダクタンス、前記第１コンデンサの容量、及び、前記第２コンデンサの容量の少なくともいずれかが調整されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記並列接続用配線の長さを調整することで、前記並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電源配線のいずれかの部分が前記並列接続用配線として用いられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記電源配線のうち、前記並列接続用配線として用いられている部分の長さを調整することで、前記並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの少なくともいずれかは、複数のコンデンサを並列接続して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記直流電源の出力する直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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