JP2014023307A - 車載用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を内蔵している電力変換回路６と電源を接続している電力用導電体２４ａ，２４ｂの通電電流が断続的にオン・オフされるので、スイッチング素子の状態を切換える制御線２０ａ，２０ｂにノイズが生じ、電力変換回路６を誤作動させる可能性がある。
【解決手段】電力用導電体２４ａ，２４ｂの少なくとも一部をシールド用導電体４０で包囲する。シールド用導電体４０の一方の端部は、筐体４に接続する。シールド用導電体４０の他方の端部は、電力変換回路６が接地されているアース用導電体８に接続する。筐体４とアース用導電体８の間に、コンデンサ４６を設ける。制御線２０ａ，２０ｂにノイズが生じることを防止できる。
【選択図】図１

Description

本明細書では、車載して用いる電力変換装置を開示する。特に、電流をスイッチングすることによって発生する伝導性ノイズに起因して誤作動が発生するのを防止する技術を開示する。

電流をスイッチングして電圧を変換するコンバータ、あるいは電流をスイッチングして直流を交流に変換するインバータなどの電力変換装置を車載する場合、電源と電力変換装置とボデーを一巡する閉ループが形成されることから、伝導性ノイズが発生し、その伝導性ノイズが誤作動を引き起こすことがある。

特許文献１に、スイッチングされた電流が流れる２本の導電体を平行に配置するのではなく、２本の導電体が直交するように配置することで、一方の導電体に通電したときに発生する磁束が他方の導電体に及ぼす影響を低減する技術が開示されている

特開２００４−２１５３３７号公報

スイッチングされた電流が流れる導電体が伸びる方向を調整することによって伝導性ノイズの影響を低減することが可能となるが、そのためには導電体が伸びる方向に自由度を必要とする。導電体が伸びる方向が規制されている場合には、採用することができない。

本明細書では、時間に対して変動する電力用電流（信号電流に比して大きな電流であってノイズの原因となり得る）が流れる導電体（電力用導電体）の伸びる方向が規制されているような場合でも、電力用電流が時間に対して変化することで生じる伝導性ノイズの影響を低減することができる技術を開示する。

本明細書では、伝導性ノイズの影響を低減することができる車載用電力変換装置を提案する。その電力変換装置は、電力変換回路と、電力変換回路に接続されている電力用導電体と、電力変換回路を接地しているアース用導電体と、電力用導電体の少なくとも一部を包囲しているシールド用導電体と、電力変換回路とアース用導電体を収容しているともにボデーに接続されている筐体を備えている。シールド用導電体の一方の端部は筐体に接続されており、シールド用導電体の他方の端部はアース用導電体に接続されている。筐体とアース用導電体の間に、静電容量提供体が用意されている。

電力変換回路は、例えば、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ等であり、動作すると、電力変換回路に接続されている電力用導電体の通電電流が時間に対して変化する。シールド用導電体は、例えば、電力用導電体となる芯線の回りに配置されている金属細線を編んだ層（シールド層）であってもよいし、剛体で形成されていてもよい。静電容量提供体には、コンデンサが例示されるが、コンデンサとして完成している部品には限られず、アース用導電体と筐体間の静電容量を、両者を直接に接触させる場合に得られる静電容量よりも増大させるものであればよい。

上記の電力変換装置の場合、電力変換回路が動作すると電力用導電体の通電電流が変化し、伝導性ノイズが発生する。電力用導電体はシールド用導電体によって包囲されていることから、シールド用導電体の外部に放射されるノイズが抑制されるけれども、その抑制の程度は、シールド用導電体をどのように接続しておくかによって変化する。
本明細書で開示する電力変換装置の場合、シールド用導電体の一方の端部は筐体（その筐体はボデーに接続されている）に接続されており、シールド用導電体の他方の端部はアース用導電体に接続されており、そのアース用導電体は静電容量を介して筐体に接続されている。そのために、電力用導電体の通電電流が変化する周波数に係らず、電力用導電体とシールド用導電体にノーマルモードの電流が流れ、シールド用導電体の外側に放出されるノイズの強度が低減される。

電力変換回路がスイッチング素子を備えており、電力変換回路にスイッチング素子の状態を切換える制御線が接続されている場合、直流電源と電力変換回路を接続する電力用導電体を流れる電流に起因して発生するノイズが制御線に影響しやすい。
そこで、制御線に近接して伸びている範囲の電力用導電体（直流電源と電力変換回路を接続している）をシールド用導体で包囲することが好ましい。この場合、アース用導電体は、直流電源の接地極に接続されている電力用導電体に接続しておく。
筐体内では、電力用導電体と制御線が近接して伸びている範囲が存在し、その近接範囲でノイズが問題となりやすい。上記によって、スイッチング素子を制御する制御線にノイズが重畳してスイッチング素子が誤作動することを防止できる。

筐体に収容されている電力変換装置の構成を示す。 電力用導電体２４ａ，２４ｂの通電電流が低周波で変化する場合に生じる伝導性ノイズとシールド用導電体に生成される電流の関係を示す。 電力用導電体２４ａ，２４ｂの通電電流が高周波で変化する場合に生じる伝導性ノイズとシールド用導電体に生成される電流の関係を示す。 アース用導電体と筐体の間の静電容量を増大させる実施例を示す。 アース用導電体と筐体の間の静電容量を調整する実施例を示す。

下記に示す実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）筐体の内部に、コンバータとインバータが収容されている。
（特徴２）筐体の内部を、コンバータに内蔵されているスイッチング素子の導通・非導通を切換える制御線が伸びている。
（特徴３）筐体の内部を、バッテリとコンバータを接続する電力用導電体が伸びている。
（特徴４）制御線と電力用導電体が近接して伸びている部分がある。
（特徴５）近接して伸びている範囲の電力用導電体をシールド用導電体が包囲している。
（特徴６）シールド用導電体は、導電性の筒である。
（特徴７）アース用導電体は、コンバータを介して、バッテリの負極に導通している。
（特徴８）アース用導電体は、誘電体を介して筐体に固定されている。
（特徴９）アース用導電体の面積が、必要な静電容量を実現する面積に調整されている。

図１は、第１実施例の電力変換装置２を示しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、昇圧回路１０と、第１インバータ１２と、第２インバータ１４と、それらを収容している筐体４を備えている。筐体４は金属製であり、導電性を備えており、導電体１６でボデー１８に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電力用導電体２４ａ，２２ａを介して、図示しない直流電源（車載バッテリ）の正極に接続されており、電力用導電体２４ｂ，２２ｂを介して、車載バッテリの接地極に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６からは出力電力用正導電体３６が伸びており、出力電力用正導電体３６に低電圧で動作する自動車用補機類（図示されていない）が接続されている。自動車用補機類のプラス端子は出力電力用正導電体３６に接続されており、マイナス端子はボデー１８に接地されている。車載バッテリの接地極もボデーに接地されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６と自動車用補機類の間は、出力電力用正導電体３６で接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、車載バッテリの電圧を降圧し、降圧された直流電力を自動車用補機類に供給する。

昇圧回路１０は、電力用導電体２６ａ，２２ａを介して、図示しない直流電源（車載バッテリ）の正極に接続されており、電力用導電体２６ｂ，２２ｂを介して、車載バッテリの接地極に接続されている。昇圧回路１０は、出力電力用導電体３０ａ，３０ｂを介して第１インバータ１２に接続されており、出力電力用導電体２８ａ，２８ｂを介して第２インバータ１４に接続されている。第１インバータ１２は、出力電力用導電体３２ａ，３２ｂ，３２ｃを介して第１モータ（図示されていない）に接続されている。第２インバータ１４は、出力電力用導電体３４ａ，３４ｂ，３４ｃを介して第２モータ（図示されていない）に接続されている。

昇圧回路１０は、車載バッテリの電圧を昇圧し、昇圧した直流電力を、第１インバータ１２と第２インバータ１４に供給する。第１インバータ１２は、昇圧した直流電力を３相交流に変換し、変換した３相交流を第１モータに供給して第１モータを回転させる。第２インバータ１４は、昇圧した直流電力を３相交流に変換し、変換した３相交流を第２モータに供給して第２モータを回転させる。
第１モータは発電機として作動することがあり、この場合には第１インバータ１２に３相交流を送る。その場合、第１インバータ１２で直流に変換し、昇圧回路１０で降圧し、車載バッテリを充電する。第２モータと第２インバータ１４についても同様である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、変圧器を利用しないチョッパ式であり，スイッチング素子とコイルとコンデンサとダイオードを備えている。スイッチング素子を導通状態にするか非導通状態にするかを制御するために、制御線２０ａ，２０ｂが接続されている。制御線２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が備えているスイッチング素子の数に等しい本数を持っている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング素子を断続的にオン・オフすると、電力用導電体２４ａ，２４ｂ，２２ａ，２２ｂの通電電流が断続的にオン・オフされる。電力用導電体２４ａ，２４ｂ，２２ａ，２２ｂの通電電流が断続的にオン・オフされると、周囲に伝導性ノイズが放射される。
電力用導電体２４ａ，２４ｂは、制御線２０ａ，２０ｂに近接して配置されている。電力用導電体２４ａ，２４ｂから伝導性ノイズが放射されると、そのノイズが制御線２０ａ，２０ｂによって受信され、受信したノイズによって制御線２０ａ，２０ｂの電圧が意図したものから変化する可能性がある。制御線２０ａ，２０ｂの電圧が意図したものから変化するとスイッチング素子が誤作動し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が誤作動する可能性がある。

伝導性ノイズの影響を低減するために、制御線２０ａ，２０ｂに近接する範囲を伸びている電力用導電体２４ａ，２４ｂの周囲に、シールド用導電体４０が配置されている。シールド用導電体４０は、導電性を持ち、筒状に形成されている。シールド用導電体４０は電力用導電体２４ａ，２４ｂを包囲している。

筒状のシールド用導電体４０の一端は、ボルト４２によって筐体４に接続されている。図示４ａは筐体４の内部に伸びている内壁であり、筐体４の一部である。内壁４ａも導電性である。
筒状のシールド用導電体４０の他端は、ボルト４４によってアース用導電体８に接続されている。
アース用導電体８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６内の導体であって、電力用導電体２４ｂ，２２ｂを介して車載バッテリの接地極に接続されている導体に接続されている。車載バッテリの接地極は、ボデー１８に接地されている。アース用導電体８もボデー１８に接地されている。アース用導電体８は、コンデンサ４６を介して筐体４に接続されている。
上記のように接続されているシールド用導電体４０は、電力用導電体２４ａ，２４ｂの通電電流がオン・オフする際に、伝導性ノイズが制御線２０ａ，２０ｂに重畳することを抑制し、スイッチング素子が誤作動するのを抑制し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が誤作動するのを抑制する。

図２は、電力用導電体２４ａ，２４ｂの通電電流が断続的にオン・オフされる際の周波数が低周波である場合を示す。低周波電流に対しては、コンデンサ４６のインピーダンスが高い。この場合、矢印５０に示すように、電力用導電体２４ａ，２４ｂに伝導性ノイズが伝播する。伝導性ノイズは、電力用導電体２２ａ，２２ｂを介してボデー１８に流れ、電力用導電体２６ａ，２６ｂ、昇圧回路１０、電力用導電体３０ａ，３０ｂ、第１インバータ１２、電力用導電体３２ａ，３２ｂ，３２ｃを介してボデー１８に流れ、電力用導電体２６ａ，２６ｂ、昇圧回路１０、電力用導電体２８ａ，２８ｂ、第２インバータ１４、電力用導電体３４ａ，３４ｂ，３４ｃを介してボデー１８に流れる。ボデー１８と筐体４は導電体１６で接続されており、ボデー１８に流れえた伝導性ノイズは、ボデー１８から導電体１６を介して筐体４に流れる。筐体４に流れた電流は、矢印５４に示すように筐体４を流れ、矢印５６に示すようにシールド用導電体４０を流れ、矢印５８に示すようにアース用導電体８を流れる。伝導性ノイズが低周波であると、コンデンサ４６のインピーダンスが高く、コンデンサ４６を流れる電流は小さい。

電力用導電体２４ａ，２４ｂを流れる伝導性ノイズと、シールド用導電体４０を流れる電流は逆位相であり、ノーマルモードである。また、電力用導電体２４ａ，２４ｂを流れる伝導性ノイズと、シールド用導電体４０を流れる電流の大きさは等しい。
このために、電力用導電体２４ａ，２４ｂを流れる伝導性ノイズによって生じる電磁ノイズは、シールド用導電体４０を流れる電流によって打ち消され、シールド用導電体４０の外側に漏れ出る電磁ノイズの強度が非常に弱いレベルに抑えられる。電磁ノイズが制御線２０ａ，２０ｂに重畳する影響を抑制することができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が誤作動するのを抑制することができる。

図３は、電力用導電体２４ａ，２４ｂの通電電流が断続的にオン・オフされる際の周波数が高周波である場合を示す。高周波電流に対しては、コンデンサ４６のインピーダンスが低い。この場合、矢印６０に示すように、電力用導電体２４ａ，２４ｂに伝導性ノイズが伝播すると、コンデンサの４６のインピーダンスが低いために、矢印６２，６４，６６で示す閉ループを循環する電流が誘導される。
電力用導電体２４ａ，２４ｂを流れる伝導性ノイズ５０と、シールド用導電体４０に誘導される電流６２は逆位相であり、ノーマルモードである。このために、電力用導電体２４ａ，２４ｂを流れる伝導性ノイズ６０によって生じる電磁ノイズは、シールド用導電体４０に誘導される電流６２によって打ち消され、シールド用導電体４０の外側に漏れ出る電磁ノイズの強度が非常に弱いレベルに抑えられる。電磁ノイズが制御線２０ａ，２０ｂに重畳する影響を抑制することができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が誤作動するのを抑制することができる。

上記のように接続されたシールド用導電体４０で、制御線２０ａ，２０ｂの近傍に配置されている電力用導電体２４ａ，２４ｂを包囲しておくと、電力用導電体２４ａ，２４ｂに流れる電流の周波数によらないで、制御線２０ａ，２０ｂにノイズが影響することを抑制でき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が誤作動するのを抑制することができる。

アース用導電体８を筐体４に直接的に接続する場合、すなわちコンデンサ４６を用いないでアース用導電体８と筐体４を接続する場合、電力用導電体２４ａ，２４ｂのオン・オフ周波数に係らず、図３の現象が得られ、伝導性ノイズの影響が抑制されるように思われる。しかしながら、低周波の場合にまで図３の現象が得られると、低周波の場合にはシールド用導電体４０に誘起される電流が不十分となり、伝導性ノイズの影響を防止しきれない。低周波の場合には、図３の閉ループが閉じないようにしておく必要がある。図３の閉ループが閉じなければ、図２のループに電流が誘起され、図２の現象が得られれば、伝導性ノイズの影響を抑制できる大きさの電流が誘起される。低周波の場合には高インピーダンスとなるコンデンサ４６を用いることが有用である。

図４は、筐体４の内壁４ａとアース用導電体８を、間に誘電体シート７０を挟んで向かい合わせることによって、筐体４とアース用導電体８の間の静電容量を増加させた構造を示す。内壁４ａとアース用導電体８を部品としてコンデンサを構成することができる。

図５は、アース用導電体８に開口８ａ等を形成することによって、内壁４ａと対向するアース用導電体８の面積を調整する技術を示している。内壁４ａと対向するアース用導電体８の面積を調整することによって、静電容量を適値に調整することができる。

上記では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６に対してシールド用導電体４０を適用している。昇圧回路１０にも図示されていない制御線が接続されており、第１インバータ１２にも図示されていない制御線が接続されており、第２インバータ１４にも図示されていない制御線が接続されている。それらの制御線にノイズが影響するのを防止するために、本技術を適用することもできる。例えば、昇圧回路１０の制御線にノイズがのる場合には、制御線に近接する範囲の電力用導体２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂを包囲するシールド用導電体に本技術を適用すればよい。第１インバータ１２の制御線にノイズがのる場合には、制御線に近接する範囲の電力用導体３０ａ，３０ｂ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃを包囲するシールド用導電体に本技術を適用すればよい。第２インバータ１４の制御線にノイズがのる場合には、制御線に近接する範囲の電力用導体２８ａ，２８ｂ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃを包囲するシールド用導電体に本技術を適用すればよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
４：筐体
６：電力変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
８：アース用導電体
１０：電力変換回路（昇圧回路）
１２，１４：電力変換回路（インバータ）
１６：筐体とボデーを接続する導電体
１８：ボデー
２０ａ，２０ｂ：制御線
２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ：直流電源と電力変換回路を接続する電力用導電体
２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ：電力変換回路を接続する電力用導電体
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ：インバータと負荷を接続する電力用導電体
３６：ＤＣ／ＤＣコンバータと負荷を接続する電力用導電体
４０：シールド用導電体
４２，４４：ボルト
４６：コンデンサ
５０：伝導性ノイズ
５２，５４，５６、５８：伝導性ノイズを打ち消す電流
６０：伝導性ノイズ
６２，６４，６６：伝導性ノイズを打ち消す電流
７０：誘電体

Claims (2)

1. 車載用電力変換装置であり、
   電力変換回路と、
   電力変換回路に接続されている電力用導電体と、
   電力変換回路を接地しているアース用導電体と、
   電力用導電体の少なくとも一部を包囲しているシールド用導電体と、
   電力変換回路とアース用導電体を収容しているともにボデーに接続されている筐体と、
   アース用導電体と筐体を接続している静電容量提供体を備えており、
   シールド用導電体の一方の端部が筐体に接続されており、シールド用導電体の他方の端部がアース用導電体に接続されていることを特徴とする車載用電力変換装置。
2. 電力変換回路は、スイッチング素子を備えており、
   電力変換回路に、スイッチング素子の状態を切換える制御線が接続されており、
   電力用導電体は、直流電源と電力変換回路を接続するとともに筐体内部を伸びる部分を備えており、
   アース用導電体は、直流電源の接地極に接続されている電力用導電体に接続されており、
   シールド用導体は、制御線に近接して伸びている範囲の電力用導電体を包囲していることを特徴とする請求項１に記載の車載用電力変換装置。

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