JP2013138552A - 負荷駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、効率的にコモンモードノイズを低減する負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置（インバータ２０）と負荷（電動機２８）とを接続する出力側電力線（２６）と、蓄電装置（直流電源１２Ａ）と電力変換装置（インバータ２０）とを接続する入力側電力線（１６）と、磁性体からなる環状フィルタ５０と、を備え、電力変換装置（インバータ２０）のスイッチング素子のスイッチングにより出力側電力線（２６）と入力側電力線（１６）に流れるコモンモード電流（Ｉａ，Ｉｂ）の進行方向が同一となるように、各前記電力線（２６，１６）を環状フィルタ（５０）内に通過させた。環状フィルタ（５０）内に発生する磁束（Ｂａ、Ｂｂ）の向きが同一となりコモンモードノイズの除去効果が増大する。
【選択図】図５

Description

この発明は、蓄電装置の電力を、スイッチング素子を含む電力変換装置により負荷へ供給して前記負荷を駆動する負荷駆動装置に関し、例えば、前記負荷を電動機とする電動車両等に適用して好適な負荷駆動装置に関する。
従来から、特許文献１に示されるように、電源から電力変換装置を通じて負荷に電力を供給する電力変換システムでは、コモンモードノイズを除去するために、前記電力変換装置の入力側電力線と入力側コモンモード還流線、及び出力側電力線と出力側コモンモード還流線を、それぞれ磁気コア（以下、単にコアともいう。）に巻回し、前記電力変換装置の入力側と出力側とでコモンモードノイズを低減する技術が開示されている。
特開２００１−２６８８９０号公報（図１、［００２０］）
スイッチング素子のスイッチングに応じて発生するコモンモード電流は、電力変換装置の入力側及び出力側のそれぞれに発生して各電力線を伝搬するので、上記技術を適用することにより電力変換装置で発生するコモンモードノイズを低減することが可能である。
しかしながら、上記従来技術においては、前記電力変換装置の入力側及び出力側の各々に、磁気コアを配置するので、大きな配置スペースが必要になり、組み付け工数も増加する。
また、電力線のコモンモードノイズを低減するための磁気コアは、磁気飽和を発生しないように相当に大型のものが必要になり、上記従来技術では、一つの電力変換装置に対して２個必要になることから高コストにもなる。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、より効率的にコモンモードノイズを低減することを可能とする簡単な構成の負荷駆動装置を提供することを目的とする。
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
この発明に係る負荷駆動装置は、蓄電装置の電力を、スイッチング素子を含む電力変換装置により負荷へ供給して前記負荷を駆動する負荷駆動装置であって、下記の特徴［１］〜［４］を備える。
［１］例えば、図５Ｂに示すように、電力変換装置（インバータ２０）と負荷（電動機２８）とを接続する出力側電力線（２６）と、前記蓄電装置（直流電源１２Ａ）と前記電力変換装置（インバータ２０）とを接続する入力側電力線（１６）と、磁性体からなる環状フィルタ（５０）と、を備え、前記電力変換装置（インバータ２０）の前記スイッチング素子のスイッチングにより前記出力側電力線（２６）と前記入力側電力線（１６）に流れるコモンモード電流（Ｉａ，Ｉｂ）の進行方向が同一となるように、各前記電力線（２６，１６）を前記環状フィルタ（５０）内に通過させたことを特徴とする。
この特徴［１］を有する発明によれば、電力変換装置の出力側電力線と入力側電力線に流れるコモンモード電流の進行方向が同一となるように、各前記電力線を環状フィルタ内に通過させる構成としたので、環状フィルタ内に発生する磁束向きが同一となりコモンモードノイズの除去効果が増大する。
よって、単一の環状フィルタからなる簡単な構成で電力変換装置の入力側と出力側に発生するコモンモードノイズを、より効率的に同時に除去することができる。
環状フィルタとしては、円環状の他、三角形環状、四角形環状等の角環状に構成してもよい。環状フィルタの軸方向に、一部分スリット状に切り欠いてエアギャップ（空隙）を設ける構成としてもよい。
［２］上記の特徴［１］を有する発明において、例えば、図９、図１０に示すように、さらに、前記蓄電装置（１２）から分岐して前記電力変換装置（インバータ２０）と並列に接続される他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）を備え、前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）は、前記負荷（電動機２８）とは異なる他の負荷（２４）に接続され、前記電力変換装置（インバータ２０）の前記入力側電力線（１６）と前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の前記出力側電力線（２２）、及び／又は前記電力変換装置（インバータ２０）の前記出力側電力線（２６）と前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の前記入力側電力線（１４）を、前記コモンモード電流（Ｉｂ等）の進行方向が同一となるように、前記環状フィルタ（５０）内を通過させたことを特徴とする。
この特徴［２］を有する発明によれば、複数の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８，インバータ２０）を備える場合において、第１に、例えば、図９に示すように、一方の前記電力変換装置（インバータ２０）の前記入力側電力線（１６）と他の前記電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の前記出力側電力線（２２）と、を前記単一の環状フィルタ（５０）内に通過させる、第２に、例えば、図１０に示すように、前記一方の電力変換装置（インバータ１８）の前記出力側電力線（２６）と前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ２０）の前記入力側電力線（１４）と、を前記単一の環状フィルタ（５０）内に通過させる、又は、図示はしないが、第３に、例えば、図９と図１０を合わせた構成、すなわち、一方の電力変換装置（インバータ２０）の入力側電力線（１６）と他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の出力側電力線（２２）とを一の環状フィルタ（５０）内に通過させる（図９）と共に、一方の前記電力変換装置（インバータ２０）の出力側電力線（２６）と他の前記電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の入力側電力線（１４）とを他の環状フィルタ（５０）内を通過させる（図１０）ように構成することで、前記各電力変換装置（インバータ２０，ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の入力側又は出力側でコモンモード電流の進行方向が同一となる組み合わせとなり、より効率的にコモンモードノイズを除去することができる。
［３］上記の特徴［１］を有する発明において、例えば、図２Ｂに示すように、さらに、前記蓄電装置（１２）から分岐して前記電力変換装置（インバータ２０）と並列に接続される他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）を備え、前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）は前記負荷（電動機２８）とは異なる他の負荷（２４）と接続され、前記電力変換装置（インバータ２０）の前記出力側電力線（２６）と前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）の出力側電力線（２２）を、前記コモンモード電流（Ｉａ，Ｉｂ）の進行方向が同一となるように、前記環状フィルタ５０内を通過させたことを特徴とする。
この特徴［３］を有する発明によれば、前記電力変換装置及び前記他の電力変換装置の各入力側及び各出力側から流れるコモンモード電流が前記環状フィルタ内を通過するとき、磁束の向きが同一となるので、コモンモードノイズを簡単な構成で効率よく低減することができる。
［４］上記の特徴［２］又は［３］を有する発明において、例えば、図８に示すように、前記電力変換装置（インバータ２０）と前記他の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８）のスイッチングタイミングを、所定期間内に１回以上同期するように制御する構成とすることで、各電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ１８，インバータ２０）のスイッチングタイミングが同一となったときに磁束密度が増加し、より一層、効率よくコモンモードノイズが低減される。
この発明によれば、電力変換装置の出力側電力線と入力側電力線に流れるコモンモード電流の進行方向が同一となるように、各前記電力線を、一つの環状フィルタ内に通過させる構成としたので、環状フィルタに発生する磁束の向きが同一となり、コモンモードノイズ低減効果が増大する結果、簡単な構成でより効率的にコモンモードノイズを低減することができる。
電力変換装置で発生し、当該電力変換装置から、当該電力変換装置の入力側と出力側に同期して流れるコモンモード電流の模式図である。 図２Ａは、電動車両に適用された第１実施例に係る負荷駆動装置の構成図である。図２Ｂは、第１実施例に係る負荷駆動装置におけるコモンモードノイズの低減動作の説明図である。 ヒステリシス損の説明に供されるＢ−Ｈカーブの説明図である。 渦電流損の説明に供される模式図である。 図５Ａは、第２実施例に係る負荷駆動装置の構成図である。図５Ｂは、第２実施例に係る負荷駆動装置におけるコモンモードノイズの低減動作の説明図である。 第３実施例に係る負荷駆動装置の構成図である。 第３実施例に係る負荷駆動装置におけるコモンモードノイズの低減動作の説明図である。 図６、図７を参照して説明した第３実施例に係る負荷駆動装置の他の動作例の説明図である。 第４実施例に係る負荷駆動装置の構成とコモンモードノイズの低減動作の説明に供される説明図である。 第５実施例に係る負荷駆動装置の構成とコモンモードノイズの低減動作の説明に供される説明図である。 図１１Ａは、電動車両に適用された比較例の負荷駆動装置の構成図である。図１１Ｂは、比較例の負荷駆動装置でのコモンモードノイズの低減動作の説明図である。
以下、この発明の実施形態に係る負荷駆動装置について図面を参照して説明するが、この発明の実施形態に係る負荷駆動装置の構成及び動作をより明確にするために、まず、上記した従来技術が適用された比較例について説明する。
図１１Ａは、電動車両に適用された比較例に係る負荷駆動装置１００の構成図である。図１１Ｂは、比較例に係る負荷駆動装置１００でのコモンモードノイズの低減動作の説明図である。
負荷駆動装置１００は、基本的には、高圧蓄電装置１１２と、この高圧蓄電装置１１２に入力側電力線１１４、１１６を通じてそれぞれ入力側が接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１１８とインバータ１２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力側電力線１２２を通じて接続される負荷１２４と、インバータ１２０の出力側電力線１２６を通じて接続される主負荷として３相の電動機（モータ）１２８と、を備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１８とインバータ１２０とはそれぞれが電力変換装置であり、それぞれ浮遊容量１３０、１３２を通じて接地されている。
また、負荷１２４には、並列に平滑コンデンサ１３４と低圧蓄電装置１３６とが接続されている。
さらに、電動機１２８と接地との間には浮遊容量１３８が接続され、出力側電力線１２６の各電力線と接地との間には、浮遊容量１４０が接続されている。
さらに、インバータ１２０の入力側電力線１１６が内部を通過するように環状フィルタ１５０が配され、インバータ１２０の出力側電力線１２６が内部を通過するように環状フィルタ１５２が配されている。
図１１Ａの負荷駆動装置１００において、図１１Ｂに示すように、インバータ１２０を構成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子のスイッチングによりインバータ１２０の入力側電力線１１６側に進行する太い実線で示すコモンモード電流Ｉａ（理解の便宜のために、コモンモードノイズともいう。）と、インバータ１２０の出力側電力線１２６側に進行する太い破線で示すコモンモード電流Ｉｂが同時に発生し、入力側電力線１１６を逆側から進行するコモンモード電流Ｉａは、環状フィルタ１５０、入力側電力線１１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１８、出力側電力線１２２を通じて、並列接続された平滑コンデンサ１３４、負荷１２４、及び低圧蓄電装置１３６を通じて接地に流れ、浮遊容量１３２の接地側からインバータ１２０に戻る。このとき、コモンモード電流Ｉａの一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１８の浮遊容量１３０を通じ、浮遊容量１３２を通じてインバータ１２０に戻る。
一方、インバータ１２０の出力側電力線１２６を進行するコモンモード電流Ｉｂは、環状フィルタ１５２、出力側電力線１２６、及び並列的に接続された浮遊容量１３８、１４０を通じて接地に流れ、浮遊容量１３２の接地側からインバータ１２０に戻る。
このとき、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂにより環状フィルタ１５０、１５２に発生する磁束Ｂａ、Ｂｂの密度は、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの大きさに依存する。なお、一般に、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの大きさ（波高値）は異なる。
図１に、模式的な例として示すようにコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの流れるタイミングは、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの発生源（図１１Ｂ例では、インバータ１２０）が同一であるため、同一になる。すなわち、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの正のパルスが流れるタイミング（期間）Ｔｐと、負のパルスが流れるタイミングＴｎと、が同一であり同期しているので、環状フィルタ１５０、１５２に発生する磁束Ｂａ、Ｂｂの発生タイミングも同一であることに留意する。
図１１Ｂの負荷駆動装置１００においては、タイミング（期間）Ｔｐにおいて正のパルスが、インバータ１２０の入力側及び出力側から流れ出すコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂを描いているが、次のタイミング（期間）Ｔｎにおいて負のパルスがインバータ１２０の入力側及び出力側に流れ込むコモンモード電流が発生する。以降の説明においては、煩雑さを回避し、理解の便宜のために、基本的には、正のパルスが電力変換装置の入力側及び出力側から流れ出すコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂに着目して説明する。
なお、図１１Ａ、図１１Ｂの比較例では、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂを原因とするコモンモードノイズを低減するために、発生源（図１１Ｂ例では、インバータ１２０）の両側にそれぞれ環状フィルタ１５０、１５２を必要としているので、レイアウトの自由度が制限され、製作工数が多くなり、コストも高い。
［第１実施例］
図２Ａは、電動車両に適用されたこの発明の第１実施例に係る負荷駆動装置１０の構成図である。図２Ｂは、第１実施例に係る負荷駆動装置１０におけるコモンモードノイズの低減動作の説明図である。
図２Ａ、図２Ｂにおいて、負荷駆動装置１０は、基本的には、リチウムイオン２次電池、キャパシタ等のエネルギストレージである高圧蓄電装置１２と、この高圧蓄電装置１２に入力側電力線１４、１６を通じてそれぞれ入力側が接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１８（電力変換装置）とインバータ２０（電力変換装置）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２を通じて接続される負荷２４（補機負荷）と、インバータ２０の出力側電力線２６を通じて接続される主負荷として３相の電動機（モータ）２８とを備える。
電動機２８の出力軸は図示しないトランスミッションを通じて駆動車輪に係合している。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とインバータ２０とは、それぞれ浮遊容量３０、３２を通じて接地されている。
また、負荷２４には、並列に平滑コンデンサ３４と鉛バッテリ等の２次電池であるエネルギストレージとしての低圧蓄電装置３６とが接続されている。
さらに、電動機２８と接地との間には浮遊容量３８が接続され、出力側電力線２６の各電力線と接地との間には、浮遊容量４０が接続されている。
さらに、インバータ２０の入力側電力線１６と接地との間にも、浮遊容量４２が接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２とインバータ２０の出力側電力線２６とが内部を通過するように磁性体の共通の環状フィルタ５０が配されている。
図２Ａの負荷駆動装置１０において、図２Ｂに示すように、インバータ２０を構成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等スイッチング素子のスイッチングによりインバータ２０の入力側電力線１６側に進行するコモンモード電流Ｉａと、インバータ２０の出力側電力線２６側に進行するコモンモード電流Ｉｂが同時に同期して発生する（図１も参照）。
インバータ２０の入力側電力線１６を逆側（高圧蓄電装置１２から流れでて、インバータ２０の入力に流入する、いわゆるノーマルモード電流の進行方向とは逆の意）から進行するコモンモード電流Ｉａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の入力側電力線１４、及びＤＣ／ＤＣコンバータ１８を通過し、環状フィルタ５０、及び出力側電力線２２を通じて、並列接続された平滑コンデンサ３４、負荷２４、低圧蓄電装置３６のそれぞれを通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、コモンモード電流Ｉａの一部のコモンモード電流Ｉａ´は、入力側電力線１６の浮遊容量４２を通じて、及びＤＣ／ＤＣコンバータ１８の浮遊容量３０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。なお、一般には、浮遊容量３０、４２の当該コモンモード電流Ｉａ´の対象周波数（図１のパルス周波数）でのインピーダンスは、コモンモード電流Ｉａが流れる経路のインピーダンスより高いので、Ｉａ´＜＜Ｉａの関係になっている。
一方、インバータ２０の出力側電力線２６を進行するコモンモード電流Ｉｂは、環状フィルタ５０、出力側電力線２６、及び並列的に接続された電動機２８、浮遊容量３８及び浮遊容量４０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、環状フィルタ５０に発生するコモンモード電流Ｉａによる磁束Ｂａの密度とコモンモード電流Ｉｂによる磁束Ｂｂの密度は、それぞれコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの大きさに依存する。
図１に示したように、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの流れるタイミングは、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの発生源、ここではインバータ２０が同一であるため、同一になる。すなわち、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの正のパルスが流れるタイミング（期間）Ｔｐと、負のパルスが流れるタイミングＴｎと、が同一であり同期しているので、図２Ｂに示す環状フィルタ５０の周方向に流れる磁束Ｂａ、Ｂｂの発生タイミングも同一になる。
この第１実施例に係る負荷駆動装置１０では、高圧蓄電装置１２から分岐して電力変換装置であるインバータ２０と並列に接続される他の電力変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータ１８を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８には電動機２８とは異なる他の負荷である負荷２４が接続され、インバータ２０の出力側電力線２６とＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２を、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの進行方向が同一となるように、一つの環状フィルタ５０内を通過させている。
図２Ｂに示すように、インバータ２０の入力側及び出力側から流れるコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂが環状フィルタ５０内を通過するとき、磁束Ｂａ、Ｂｂの向きが同一となるので、入力側及び出力側から流れるコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂを原因とするコモンモードノイズを、単一の環状フィルタ５０からなる簡単な構成で、且つ単一の環状フィルタ５０に入力側及び出力側から流れるコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂが流れることから、効率よく低減することができる。
なお、後述するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８で発生し、当該ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から入力側電力線１４に進行するコモンモード電流も、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から出力側電力線２２に進行するコモンモード電流も、環状フィルタ５０内を進行方向が同一となるように通過するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の入力側及び出力側から流れるコモンモード電流により環状フィルタ５０に発生する各磁束（後述する磁束Ｂｃ、Ｂｄ）の向きも同一になることから、その場合には、コモンモードノイズを簡単な構成で、一層効率よく低減することができる。
なお、入力側電力線１４、１６及び出力側電力線２２、２６ともに、「電力線」と称しているが、発明の理解の便宜のためであり、この発明は、「電力線」の線径に依存しないで適用される。「電力線」は、バスバーでも、同様に、この発明を適用することができるのは言うまでもない。すなわち、電力線に限らず、電流が流れる電線であれば、この発明を適用することができる。
[コモンモードノイズの低減原理]
ここで、コモンモードノイズの低減原理について説明する。磁性体（磁性材料）の鉄損によりノイズが熱に変換されて低減する。前記鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損とからなる。
ここでヒステリシス損は、公知のように、磁性体の中を交番磁界が流れることにより前記磁性体の磁化される方向が変化するので、原子又は分子による内部摩擦がエネルギ損失となり熱として消費される。
前記ヒステリシス損は、図３のＢ−Ｈカーブに示すように、磁性体に交番磁界を加えたときの磁界の強さＨと磁束密度Ｂの座標上に描かれるカーブであるヒステリシスループ５４の面積が１周期あたりの損失を示すが、そのヒステリシス損Ｐｈは、スタインメッツの実験式である次の（１）式により与えられる。
Ｐｈ＝ｋｈ・ｆ・Ｂｍ１．６ …（１）
ここで、ｋｈは、ヒステリシス定数、ｆは、交番磁界の周波数［Ｈｚ］、Ｂｍは、最大磁束密度［Ｔ］である。
次に、渦電流損は、図４の模式図に示すように、環状フィルタ５０等の磁性体中に時間的に変化する磁束Ｂが発生すると、磁束Ｂの軸を中心として、磁束Ｂの軸の周りに渦電流ｉが流れる。渦電流損Ｐｅは、渦電流ｉが流れることにより磁性体の電気抵抗によってジュール熱を発生し、損失となる。
図４に示す電力線５６にコモンモード電流Ｉが流れると、電力線５６の周囲には、コモンモード電流Ｉに応じた磁束Ｂが右ネジの向きで発生し、磁束Ｂが磁性体内部を通過すると、磁束Ｂに応じた渦電流ｉが右ネジの方向に流れる。
渦電流損Ｐｅは、次の（２）式により与えられる。
Ｐｅ＝ｋｅ・Ｂｍ２・ｆ２ …（２）
ここで、ｋｅは、渦電流損失係数、Ｂｍは、最大磁束密度［Ｔ］、ｆは、交番磁界の周波数［Ｈｚ］である。
以上から磁性体においては、次の（３）式による鉄損Ｐｌｏｓｓ（ヒステリシス損＋渦電流損）によりノイズ低減が可能である。
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｈ＋Ｐｅ
＝ｋｈ・ｆ・Ｂｍ１．６ ＋ｋｅ・Ｂｍ２・ｆ２ …（３）
すなわち、コモンモードノイズは、コモンモード電流Ｉによる磁束Ｂが磁性体である環状フィルタ５０の中を流れることにより熱に変換されて低減される。
以上が、コモンモードノイズの低減原理の説明であり、上述した図２Ｂ例では、磁性体の環状フィルタ５０内を、同期して同方向にコモンモード電流Ｉａとコモンモード電流Ｉｂが流れるので、磁性体である環状フィルタ５０内を流れる磁束が、磁束Ｂａと磁束Ｂｂの合成磁束となり、損失（前記鉄損Ｐｌｏｓｓ）が累積して増加するので、その分、コモンモードノイズが低減する。
よって、従来技術に比較して、単一の環状フィルタ５０により、より効率的にコモンモードノイズを除去することができる。
なお、後述する第３実施例（図８参照）で、より詳細に説明するように、インバータ２０から発生するコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂと同期してＤＣ／ＤＣコンバータ１８のコモンモード電流Ｉｃ、Ｉｄ（図８参照）が発生するようにするためには、共通のクロックを分周して、インバータ２０のスイッチングクロックと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８のスイッチングクロックを生成することにより、これらのクロックの公倍数周期では、必ずインバータ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ１８のコモンモード電流が同期するので、同期した周期でコモンモードノイズをより低減することができるようになる。
また、図２Ａ、図２Ｂの負荷駆動装置１０は、種々の種類の電動車両に適用することが可能である。例えば、高圧蓄電装置１２とこの高圧蓄電装置１２を通じて駆動される電動機２８とを搭載する電気自動車、さらにエンジンを搭載するハイブリッド車両、さらにまた、充電装置を搭載するプラグインハイブリッド車両の他、燃料電池を搭載する燃料電池車両にも適用することができる。
［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。この第２実施例を含めて、以降に説明する第３から第５実施例において、上記した第１実施例に示した構成要素と同一の構成要素あるいは対応する構成要素には同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。
図５Ａは、電動車両に限ることのない、直流電源１２Ａ（蓄電装置でもよい。）からインバータ２０を通じて電動機２８を駆動する第２実施例の負荷駆動装置１０Ａの構成図である。図５Ｂは、第２実施例に係る負荷駆動装置１０Ａにおけるコモンモードノイズの低減動作の説明図である。
負荷駆動装置１０Ａは、一例として、直流電源１２Ａ（リチウムイオン２次電池等の蓄電装置）からインバータ２０を通じて駆動されるノートパソコン等の電子機器の冷却用ファン用の電動機２８、又は燃料電池（直流電源１２Ａということもできる。）で圧縮空気を燃料電池スタックに送給するための電動コンプレッサ用の電動機２８を駆動する装置として適用可能である。
図５Ａ、図５Ｂにおいて、負荷駆動装置１０Ａは、基本的には、インバータ２０（電力変換装置）と、このインバータ２０の入力側に一端側が接続される入力側電力線１６と、この入力側電力線１６の他端側に接続される直流電源１２Ａと、前記インバータ２０の出力側に一端側が接続される３相の出力側電力線２６と、この出力側電力線２６の他端側に接続される負荷としての電動機２８と、前記インバータ２０のスイッチング素子のスイッチングにより前記出力側電力線２６と前記入力側電力線１６に流れるコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの進行方向が同一になるように、前記出力側電力線２６と前記入力側電力線１６とが内部を通過するように配された磁性体の共通の環状フィルタ５０とを備える。
直流電源１２Ａとインバータ２０とは、それぞれ浮遊容量６０、３２を通じて接地されている。
また、電動機２８と接地との間には浮遊容量３８が接続され、出力側電力線２６の各電力線と接地との間には、浮遊容量４０が接続されている。
図５Ａの負荷駆動装置１０Ａにおいて、図５Ｂに示すように、インバータ２０のスイッチング素子のスイッチングによりインバータ２０の入力側電力線１６側に進行する太い実線で示すコモンモード電流Ｉａと、インバータ２０の出力側電力線２６側に進行する太い破線で示すコモンモード電流Ｉｂが同時に同期して発生する。
インバータ２０の入力側電力線１６を逆側から進行するコモンモード電流Ｉａは、環状フィルタ５０、直流電源１２Ａ、及び浮遊容量６０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
一方、インバータ２０の出力側電力線２６を進行するコモンモード電流Ｉｂは、環状フィルタ５０、出力側電力線２６、及び並列的に接続された電動機２８、浮遊容量３８と浮遊容量４０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、環状フィルタ５０に発生するコモンモード電流Ｉａによる磁束Ｂａ、Ｂｂの密度は、それぞれコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの大きさに依存するが、図１を参照して説明したように、磁束Ｂａ及び磁束Ｂｂが同一タイミングで発生し、且つその方向が、同一方向となるので、コモンモードノイズの除去効果が増大する。
よって、この第２実施例に係る負荷駆動装置１０Ａにおいても、単一の環状フィルタ５０からなる簡単な構成でインバータ２０の入力側と出力側に発生するコモンモードノイズを、効率的に除去することができる。
［第３実施例］
次に第３実施例について説明する。
図６は、電動車両に適用された第３実施例に係る負荷駆動装置１０Ｂの構成図である。図７は、第３実施例に係る負荷駆動装置１０Ｂにおけるコモンモードノイズの低減動作の説明図である。
図６、図７において、負荷駆動装置１０Ｂは、基本的には、高圧蓄電装置１２と、この高圧蓄電装置１２に入力側電力線１４、１６、６４、６６を通じてそれぞれ入力側が接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１８（電力変換装置）と、インバータ２０（電力変換装置）と、エアコン用インバータ（Ａ／Ｃインバータ）６８（電力変換装置）と、ジェネレータ用インバータ（ＧＥＮインバータ）７０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２を通じて接続される負荷２４（補機負荷）と、インバータ２０の出力側電力線２６を通じて接続される主負荷として前輪駆動用の３相の電動機（モータ）２８と、エアコン用インバータ６８の出力側電力線７２を通じて接続される電動コンプレッサ用の電動機７４と、ジェネレータ用インバータ７０の出力側電力線７６を通じて接続される後輪駆動用の電動機７８と、を備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、インバータ２０、エアコン用インバータ６８、及びジェネレータ用インバータ７０は、それぞれ浮遊容量３０、３２、８０、８２を通じて接地されている。
また、負荷２４には、並列に平滑コンデンサ３４と低圧蓄電装置３６とが接続されている。
さらに、電動機２８、７４、７８と接地との間には浮遊容量３８、８４、８６が接続され、出力側電力線２６、７２、７６の各電力線と接地との間には、浮遊容量４０、８８、９０が接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２と、インバータ２０の出力側電力線２６と、エアコン用インバータ６８の出力側電力線７２と、ジェネレータ用インバータ７０の出力側電力線７６と、が内部を通過するように磁性体の共通の環状フィルタ５０が配されている。
図６の負荷駆動装置１０Ｂにおいて、図７に示すように、インバータ２０のスイッチング素子のスイッチングによりインバータ２０の入力側電力線１６側に進行する太い実線で示すコモンモード電流Ｉａと、インバータ２０の出力側電力線２６側に進行する太い破線で示すコモンモード電流Ｉｂが同時に同期して発生する。
インバータ２０の入力側電力線１６を逆側から進行するコモンモード電流Ｉａは、接続点９２でコモンモード電流Ｉａ１、Ｉａ２、Ｉａ３に分岐する。
分岐したコモンモード電流Ｉａ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の入力側電力線１４、及びＤＣ／ＤＣコンバータ１８を通過し、環状フィルタ５０、及び出力側電力線２２を通じて、並列接続された平滑コンデンサ３４、負荷２４、及び低圧蓄電装置３６を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、コモンモード電流Ｉａ１の一部のコモンモード電流Ｉａ１′は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の浮遊容量３０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２を通じてインバータ２０に戻る。
また、分岐したコモンモード電流Ｉａ２は、エアコン用インバータ６８の入力側電力線６４、及びエアコン用インバータ６８を通過し、環状フィルタ５０、出力側電力線７２、及び並列的に接続された電動機７４、浮遊容量８４と浮遊容量８８を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、コモンモード電流Ｉａ２の一部のコモンモード電流Ｉａ２′は、エアコン用インバータ６８の浮遊容量８０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２を通じてインバータ２０に戻る。
さらに、分岐したコモンモード電流Ｉａ３は、ジェネレータ用インバータ７０の入力側電力線６６、及びジェネレータ用インバータ７０を通過し、環状フィルタ５０、出力側電力線７６、及び並列的に接続された電動機７８、浮遊容量８６及び浮遊容量９０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、コモンモード電流Ｉａ３の一部のコモンモード電流Ｉａ３′は、ジェネレータ用インバータ７０の浮遊容量８２を通じて接地に流れ、浮遊容量３２を通じてインバータ２０に戻る。
一方、インバータ２０の出力側電力線２６を進行するコモンモード電流Ｉｂは、環状フィルタ５０、出力側電力線２６、及び並列的に接続された電動機２８、浮遊容量３８及び浮遊容量４０を通じて接地に流れ、浮遊容量３２の接地側からインバータ２０に戻る。
このとき、環状フィルタ５０に発生する、コモンモード電流Ｉａ１、Ｉａ２、Ｉａ３による磁束Ｂａの密度と、これと同期して発生するコモンモード電流Ｉｂによる磁束Ｂｂの密度は、それぞれコモンモード電流Ｉａ１、Ｉａ２、Ｉａ３、Ｉｂの大きさに依存する。
図１に示したように、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの流れるタイミングは、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの発生源、ここではインバータ２０が同一であるため、同一になる。すなわち、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂの正のパルスが流れるタイミング（期間）Ｔｐと、負のパルスが流れるタイミングＴｎと、が同一であり同期しているので、図７に示す磁束Ｂａ、Ｂｂの発生タイミングも同一になる。
すなわち、この第３実施例に係る負荷駆動装置１０Ｂでは、高圧蓄電装置１２から分岐して電力変換装置であるインバータ２０と並列に接続される他の電力変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータ１８、エアコン用インバータ６８、及びジェネレータ用インバータ７０を備える。
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、エアコン用インバータ６８、及びジェネレータ用インバータ７０は、インバータ２０の負荷である電動機２８とは、それぞれ異なる他の負荷である負荷２４、電動機７４、７８が接続され、インバータ２０の出力側電力線２６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、エアコン用インバータ６８、及びジェネレータ用インバータ７０の出力側電力線２２、７２、７６と、を、コモンモード電流Ｉａ１、Ｉａ２、Ｉａ３、Ｉｂの進行方向が同一となるように、一つの環状フィルタ５０内を通過させている。
図７に示すように、インバータ２０の入力側及び出力側から流れるコモンモード電流Ｉａ（≒Ｉａ１＋Ｉａ２＋Ｉａ３）、Ｉｂが環状フィルタ５０内を通過するとき、磁束Ｂａ、Ｂｂの向きが同一となるので、第３実施例に係る負荷駆動装置１０Ｂにおいて、コモンモードノイズを単一の環状フィルタ５０からなる簡単な構成で効率よく低減することができる。
図８は、図６、図７を参照して説明した第３実施例に係る負荷駆動装置１０Ｂの他の動作例の説明図である。
図８において、インバータ２０から発生するコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から発生するコモンモード電流Ｉｃ、Ｉｄと、が上述したように、例えば、同一のクロックをそれぞれ異なる分周比で分周した各クロックで同期してスイッチングしている（少なくとも所定期間内に１回は同期している）ものとする。
この第３実施例に係る負荷駆動装置１０Ｂによれば、インバータ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ１８の各入力側から流れるコモンモード電流Ｉａ、Ｉｃ及び各出力側から流れるコモンモード電流Ｉｂ、Ｉｄが共通の環状フィルタ５０内を通過するとき、磁束Ｂａ（コモンモード電流Ｉａ≒Ｉａ１＋Ｉａ２＋Ｉａ３による。）及び磁束Ｂｂ（コモンモード電流Ｉｂによる。）のいずれの磁束においても向きが同一になり、又、磁束Ｂｃ（コモンモード電流Ｉｃ≒Ｉｃ１＋Ｉｃ２＋Ｉｃ３による。）、及び磁束Ｂｄ（コモンモード電流Ｉｄによる。）のいずれの磁束においても向きが同一となるので、コモンモードノイズを簡単な構成で効率よく低減することができる。
しかも、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄを一括りで共通の環状フィルタ５０内を通らせる構造であるため、コモンモード電流Ｉａ、Ｉｂと、コモンモード電流Ｉｃ、Ｉｄと、のタイミングが一致する場合、すなわち同期している場合には、さらにコモンモードノイズの低減効果を高め合うことになる。
［第４実施例］
なお、図２Ａ、図２Ｂに示した第１実施例に係る負荷駆動装置１０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２と、インバータ２０の出力側電力線２６を一括りにして環状フィルタ５０内を通過させる構造としているが、スペース等の関係上、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とインバータ２０とを離れて配置しなければならない場合がある。
この場合には、この第４実施例、及び次に説明する第５実施例のように、環状フィルタ５０を配置することで、第２実施例ほどまでではないが、従来技術に比較しては効果が高い、一定のコモンモードノイズの低減効果を得ることができる。
図９は、第４実施例に係る負荷駆動装置１０Ｃの構成とコモンモードノイズの低減動作の説明に供される説明図である。この負荷駆動装置１０Ｃでは、環状フィルタ５０内をＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側電力線２２とインバータ２０の入力側電力線１６を一括りとして通過させるように構成している。
この第４実施例によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の入出力側から流れ出るコモンモード電流Ｉｄ、Ｉｃに対しては、環状フィルタ５０内を磁束Ｂｃ、Ｂｄが同一方向に発生することになるので、従来技術に比較して効果が高い一定のコモンモードノイズの低減効果を得ることができるが、インバータ２０から発生する図示していないコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂに対しては、環状フィルタ５０内に発生する図示しない磁束の向きが逆方向になるので、インバータ２０のコモンモードノイズに対しては効果が得られない。
［第５実施例］
図１０は、第５実施例に係る負荷駆動装置１０Ｄの構成とコモンモードノイズの低減動作の説明に供される説明図である。この負荷駆動装置１０Ｄでは、環状フィルタ５０内をＤＣ／ＤＣコンバータ１８の入力側電力線１４とインバータ２０の出力側電力線２６を一括りとして通過させるように構成している。
この第５実施例によれば、インバータ２０の入出力側から流れ出るコモンモード電流Ｉａ、Ｉｂに対しては、環状フィルタ５０内を磁束Ｂａ、Ｂｂが同一方向に発生することになるので、従来技術に比較して効果が高い一定のコモンモードノイズの低減効果を得ることができるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から発生する図示していないコモンモード電流Ｉｃ、Ｉｄに対しては、環状フィルタ５０内に発生する図示しない磁束の向きが逆方向になるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８のコモンモードノイズに対しては効果が得られない。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１００…負荷駆動装置
１２、１１２…蓄電装置 １２Ａ…直流電源
１４、１６、６４、６６、１１４、１１６…入力側電力線
１８、１１８…ＤＣ／ＤＣコンバータ ２０、１２０…インバータ
２２、２６、７２、７６、１２２、１２６…出力側電力線
２４、１２４…負荷
２８、７４、７８、１２８…電動機（負荷）
５０、１５０、１５２…環状フィルタ

Claims (4)

  1. 蓄電装置の電力を、スイッチング素子を含む電力変換装置により負荷へ供給して前記負荷を駆動する負荷駆動装置であって、
    前記電力変換装置と前記負荷とを接続する出力側電力線と、
    前記蓄電装置と前記電力変換装置とを接続する入力側電力線と、
    磁性体からなる環状フィルタと、を備え、
    前記電力変換装置の前記スイッチング素子のスイッチングにより前記出力側電力線と前記入力側電力線に流れるコモンモード電流の進行方向が同一となるように、各前記電力線を前記環状フィルタ内に通過させた
    ことを特徴とする負荷駆動装置。
  2. 請求項１記載の負荷駆動装置において、
    さらに、前記蓄電装置から分岐して前記電力変換装置と並列に接続される他の電力変換装置を備え、
    前記他の電力変換装置は、前記負荷とは異なる他の負荷に接続され、
    前記電力変換装置の前記入力側電力線と前記他の電力変換装置の前記出力側電力線、及び／又は前記電力変換装置の前記出力側電力線と前記他の電力変換装置の前記入力側電力線を、前記コモンモード電流の進行方向が同一となるように、前記環状フィルタ内を通過させた
    ことを特徴とする負荷駆動装置。
  3. 請求項１記載の負荷駆動装置において、
    さらに、前記蓄電装置から分岐して前記電力変換装置と並列に接続される他の電力変換装置を備え、
    前記他の電力変換装置は前記負荷とは異なる他の負荷と接続され、
    前記電力変換装置の前記出力側電力線と前記他の電力変換装置の出力側電力線を、前記コモンモード電流の進行方向が同一となるように、前記環状フィルタ内を通過させた
    ことを特徴とする負荷駆動装置。
  4. 請求項２又は３に記載の負荷駆動装置において、
    前記電力変換装置と前記他の電力変換装置のスイッチングタイミングが、所定期間内に１回以上同期するよう制御される
    ことを特徴とする負荷駆動装置。
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