JP2016131462A

JP2016131462A - 電力変換回路

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Publication number: JP2016131462A
Application number: JP2015005012A
Authority: JP
Inventors: 高志増澤; Takashi Masuzawa; 浩志瀧; Hiroshi Taki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: JP6327158B2

Abstract

【課題】コイルと導体部との間の磁界結合を効果的に低減する電力変換回路を提供する。
【解決手段】電力変換回路は、電力変換に寄与する少なくとも一つの能動素子と、コイル３と、コイル３と共にノイズフィルタを構成するコンデンサと、一平面上にループ面を形成し、能動素子のうち少なくとも一部を含む回路部品を電気的に接続する「導体部」としての基板パターン２１とを備える。基板パターン２１は、コイル３に対し、コイル３から周囲に発生する漏れ磁束がループ面を鎖交することを回避可能な位置に配置されている。例えば、コイル３が、一本のコイル軸Ａｃの周りに導線が巻回された単軸型コイル３である場合、基板パターン２１は、コイル軸Ａｃと同一平面上に配置される。これにより、コイル３と基板パターン２１との磁界結合を効果的に低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ等の電力変換回路に関する。

従来、コイル及びコンデンサを含むノイズフィルタを備えた電力変換回路が知られている。電力変換回路において、基板パターンに接続された半導体素子等の回路部品には回路動作に応じた交流電流が流れ、それに起因して個々の部品から磁束が放射される。放射された磁束は、部品間に、磁束による相互作用である「磁界結合」を発生させる。この磁界結合は、電力変換回路のノイズ性能を悪化させる。

非特許文献１には、磁界結合を低減する方法として、二つのコンデンサ間に磁気シールドを設ける方法、基板に対する二つの巻線の向きを変更する方法等が提案されている。
ここで、非特許文献１に開示されたコイルは、回路基板上に設けられている。その他、特許文献１に開示されたコモンモードチョークコイルは、回路基板に接続される端子を有するベースプレート上に設けられている。

特開２０１３−３８９３５号公報

Shuo Wang, Fred C.Lee, Dan.Y.Chen etc / "Effects of Parasitic Parameters on EMI Filter Performance", IEEE Transactions on power electronics, Vol.19, No3, May 2004 p869-877

非特許文献１の従来技術では、複数のコイル間、複数のコンデンサ間、及び、コイルとコンデンサとの間での磁界結合を低減することができる。しかし、コイルが基板上に配置されているため、ノイズ性能に大きな影響を与えるコイルと基板パターンとの間の磁界結合を十分に低減することが困難であるという問題があった。

なお、コイルと磁界結合する相手は基板パターンに限らず、バスバー等の形態でも同様の問題が生じる。以下、本明細書では、基板パターンやバスバーを包括し、回路部品を電気的に接続する部材を「導体部」という。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイルと導体部との間の磁界結合を効果的に低減する電力変換回路を提供することにある。

本発明は、電源と負荷との間に接続され、電力を変換する電力変換回路に係る発明である。この電力変換回路は、電力変換に寄与する少なくとも一つの能動素子と、一つ以上のコイルと、コイルと共にノイズフィルタを構成するコンデンサと、一平面上にループ面を形成し、能動素子のうち少なくとも一部を含む回路部品を電気的に接続する導体部と、を備える。そして、導体部は、コイルに対し、コイルから周囲に発生する漏れ磁束がループ面を鎖交することを回避可能な位置に配置されていることを特徴とする。

本発明における導体部の配置は、コイルの態様によって具体的に特定される。
第一の態様では、コイルは、一本のコイル軸の周りに導線が巻回された単軸型コイルであり、導体部は、コイル軸と同一平面上に配置されている。第二の態様では、コイルは、周囲に発生する漏れ磁束が所定の対称軸に対して対称となるように配置された複数の独立した要素コイルを有する複合型コイルであり、導体部は、対称軸と同一平面上に配置されている。なお、「単軸型コイル」及び「複合型コイル」は、本明細書において独自に定義した用語である。

ここで、「導体部がコイル軸又は対称軸と同一平面上」とは、導体部がコイル軸又は対称軸に対し、厳密な意味で同一平面上に配置される場合に限らず、導体部とコイル軸又は対称軸との距離が、実質的に「コイルから周囲に発生する漏れ磁束がループ面を鎖交することを回避可能」な距離にある場合を含むものと解釈する。

上記構成により、本発明の電力変換回路は、従来技術では十分な低減が困難であったコイルと導体部との間の磁界結合を効果的に低減することができる。

ノイズフィルタを備える一般的な電力変換回路の構成図。本発明の第１実施形態による単軸型コイルと導体部（基板パターン）との配置を示す斜視図。基板パターンから発生する放射磁界分布のシミュレーション結果を示す図。単軸型コイルと基板パターンとの位置関係による単軸型コイルからの漏れ磁束の経路を比較する模式図。本発明の第２実施形態による複合型コイルと導体部（基板パターン）との配置を示す斜視図。図５の側面図。複合型コイルから発生する漏れ磁束の磁束線のシミュレーション結果を示す模式図。本発明の第３実施形態による単軸型コイルと導体部（バスバー）との配置を示す斜視図。従来技術によるフィルタ構成部品間の寄生磁界結合を説明する模式図。従来技術による、コンデンサ間における寄生磁界結合の低減方法を説明する模式図。

以下、本発明の複数の実施形態による電力変換回路を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
最初に、一般的な電力変換回路の概略構成について図１を参照して説明する。図１に示すように、電力変換回路１０は電源８と負荷９との間に接続され、トランジスタ６やダイオード７等の半導体素子や、それらの入力側に設けられる平滑コンデンサ５等を備える。これらの回路部品は、例えば基板に形成された基板パターンに電気的に接続される。

ここで、トランジスタ６及びダイオード７は、スイッチング素子及び整流素子として、「電力変換に寄与する能動素子」に該当する。電力変換回路１０は、これらの能動素子の動作によって、電源の電力を変換し負荷に出力する。
例えば三相インバータでは、三相の上下アームのトランジスタがブリッジ接続され、ＰＷＭ制御等の駆動制御によってトランジスタがスイッチング動作する。これにより、三相インバータは、例えばバッテリから入力された直流電力を三相交流電力に変換し、三相モータに出力する。

また、図１に示すように、電力変換回路１０の電源１側には、コイル３及びコンデンサ４を含むノイズフィルタ４０が設けられている。このような構成の電力変換回路１０において、基板パターンに接続された半導体素子等の回路部品には回路動作に応じた交流電流が流れ、それに起因して個々の部品から磁束が放射される。放射された磁束は、部品間に、磁束による相互作用である「磁界結合」を発生させる。この磁界結合は、電力変換回路のノイズ性能を悪化させる。

この問題に対し、「先行技術文献」欄に「非特許文献１」として掲載した「ＥＭＩ（電磁相互干渉）フィルタ性能における寄生パラメータの効果」というタイトルの論文には、フィルタ構成部品間の寄生磁界結合を低減するためのいくつかの方法が提案されている。
その方法の一部を、図９、図１０に示す。図９は、非特許文献１のＦｉｇ．３、図１０は、非特許文献１のＦｉｇ．１１の右図にそれぞれ対応する。

図９は、フィルタのモデルを示しており、各記号の意味は以下のとおりである。
Ｌ_p1、Ｌ_p2：評価対象とするトレースループインダクタンス
ＥＳＬ、ＥＳＲ、Ｃ：容量モデルパラメータ
ＥＰＣ、ＥＰＲ：ディファレンシャルモード誘導モデルパラメータ
Ｍ₁、Ｍ₂：Ｌ_dmとＥＳＬ₁、ＥＳＬ₂との相互インダクタンス
Ｍ₃：ＥＳＬ₁とＥＳＬ₂との相互インダクタンス
Ｍ₄、Ｍ₅：ＬｄｍとＬ_p1、Ｌ_p2との相互インダクタンス
Ｍ₆：Ｌ_p1とＬ_p2との相互インダクタンス
非特許文献１では、このモデルにおいて、Ｍ₁〜Ｍ₆の寄生磁界結合に着目し、各寄生磁界結合がフィルタ特性に与える影響について、理論及び実験の観点から言及している。

コンデンサ間の寄生磁界結合に関しては、図１０に示すように、基板Ｂに搭載された２つのコンデンサＣ₁、Ｃ₂の間に、ニッケルＮｉ及び磁気シールドＭＳを設ける方法が提案されている。
その他、コイル間の寄生磁界結合に関しては、二つのコイルの巻線方向を変更する方法が提案されている。

そこで、本発明の電力変換回路では、コイルと基板パターンその他の「導体部」との間の磁界結合を効果的に低減することを目的とする。その方法として、本発明では、コイルと導体部との位置関係に着目する。以下、コイル及び導体部に係る具体的な実施形態毎に詳細な構成を説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるコイルと導体部との配置について、図２〜図４を参照して説明する。図２〜図４では、基板２０については、電力変換回路１０全体の構成要素のうち、本発明の要旨の説明に用いる部分のみを抜き出し、「コイル３」及び「基板２０」として模式的に示す。
第１実施形態では、一本のコイル軸Ａｃの周りに導線が巻回されたコイル３が用いられる。本明細書では、このようなコイルを「単軸型コイル」と呼ぶ。コイル３の導線の一端３７及び他端３８は、例えば回路の高電位ラインに接続されている（図１参照）。

基板２０の表面には、「導体部」としての基板パターン２１がループ状に形成されている。基板パターン２１の一端２２及び他端２３は、図示しない回路の接続点につながっている。基板パターン２１は、トランジスタ６やダイオード７等の能動素子のうち少なくとも一部を含む回路部品を電気的に接続する。

また、基板パターン２１が形成する平面を「ループ面」という。すなわち、「導体部」としての基板パターン２１は、一平面上にループ面を形成している。そして、第１実施形態は、図２に示すように、ループ面を形成する基板パターン２１が単軸型コイル３のコイル軸Ａｃと同一平面上に配置されていることを特徴とする。なお、「同一平面上」の解釈については後述する。

この配置による作用効果について、図３、図４を参照して説明する。図３、図４における矢印ｍｆは磁束の流れを示す。
図３は、基板パターン２１から発生する放射磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。図３の例では、磁束は、基板パターン２１の内側において、基板２０の上側から下側に向かってループ面を貫通し、基板パターン２１の外側では、ループ面の下側から楕円経路を描いてループ面の上側に戻る。

当然ながら磁束の向きは電流の向きによって逆転する。しかし、磁束の向きがいずれの向きであっても、基板パターン２１の内側を交差する磁束が、基板パターン２１と同一平面上にある単軸型コイル３の中を通ることは理論的にあり得ない。つまり、基板パターン２１から発生した磁束が単軸型コイル３に鎖交することはない。

図４は、図３とは逆に、単軸型コイル３から周囲に発生する漏れ磁束の経路を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態を示し、図４（ｃ）は従来技術を示す。
まず、図４（ｃ）を参照すると、単軸型コイル３が基板２０上に設けられる従来技術では、コイル軸Ａｃと基板パターン２１とが離れている。ここで、コイル軸Ａｃと基板パターン２１との距離Δについて、当該技術分野の技術常識に照らし、コイル軸Ａｃと基板パターン２１とが「離れている」と認識される最小距離をαとする。図４（ｃ）に示す状態では、「Δ≧α」である。この場合、単軸型コイル３から発生した漏れ磁束は、基板パターン２１のループ面を鎖交する。

次に、図４（ａ）では、基板パターン２１がコイル軸Ａｃに対し、厳密な意味で「同一平面上」にある。すなわち、コイル軸Ａｃと基板パターン２１との距離Δが「Δ＝０」である。この場合、単軸型コイル３から発生した漏れ磁束は、現実的且つ理論的に、基板パターン２１のループ面を鎖交しない。

また、図４（ｂ）では、基板パターン２１がコイル軸Ａｃに対し、わずかにずれて配置されており、厳密な意味では「同一平面上」にない。しかし、コイル軸Ａｃと基板パターン２１との距離Δは「Δ＜α」であり、当該技術分野の技術常識に照らし、コイル軸Ａｃと基板パターン２１とは「離れている」と認識されない程度の距離である。したがって、単軸型コイル３から発生し基板パターン２１のループ面を鎖交する漏れ磁束は、たとえ理論的には存在するとしても、現実的には無視して問題ない。つまり、単軸型コイル３から発生した漏れ磁束は、現実的には基板パターン２１のループ面を鎖交しない。

よって、図４（ｂ）の状態も図４（ａ）の状態と同じく、実質的に「同一平面上」であると解釈することが合理的である。言い換えれば、漏れ磁束が基板パターン２１のループ面を現実的に鎖交するかしないかの観点に基づき、その境界値が最小距離αとして設定されることが望ましい。
要するに、本発明の特許請求の範囲に記載の「同一平面上」とは、厳密な意味でなく、漏れ磁束による影響を考慮した実質的な意味で解釈されるべきである。

以上のように、本発明の第１実施形態では、「導体部」としての基板パターン２１は、単軸型コイル３に対し、「単軸型コイル３から周囲に発生する漏れ磁束がループ面を鎖交することを回避可能な位置」に配置されている。これにより、従来技術では十分な低減が困難であった単軸型コイル３と基板パターン２１との間の磁界結合を効果的に低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるコイルと導体部との配置について、図５〜図７を参照して説明する。
第２実施形態では、複数の独立した要素コイル３１、３２を有するコイル３０が用いられる。本明細書では、このようなコイルを「複合型コイル」と呼ぶ。図５〜図７に示す具体例では、独立した導線が共通のコア３５に巻回されてなる二つの要素コイル３１、３２が、複合型コイル３０としてのコモンモードチョークコイルを構成している。

要素コイル３１、３２は、同材質の同じ断面積の導線が同じ巻数で略対称にコア３５に巻回されていると仮定し、図７に、複合型コイル３０から発生する漏れ磁束のシミュレーション結果を示す。図７に基づき、漏れ磁束の対称軸Ａｓが定義される。言い換えれば、複合型コイル３０は、周囲に発生する漏れ磁束が対称軸Ａｓに対して対称となるように、複数の独立した要素コイル３１、３２が配置されて構成されている。

ここで、３次元の方向を次のように定義する。まず、環状のコア３５の軸方向をｚ方向とする。また、対称軸Ａｓの方向をｘ方向とし、ｘ方向及びｚ方向に直交する方向をｙ方向とする。図７では、ｘｙ平面における対称軸Ａｓの位置が規定される。また、ｚ方向における対称軸Ａｓの位置は、複合型コイル３０の高さＨの中心となる（図６参照）。

続いて、第２実施形態における基板パターン２１と複合型コイル３０との位置関係について説明する。図５、図６に示すように、基板パターン２１は、対称軸Ａｓと同一平面上に配置されている。なお、図５、図６に示す基板２０及び基板パターン２１は、第１実施形態のものと実質的に同一である。
基板パターン２１をこのように配置することで、複合型コイル３０から周囲に発生する漏れ磁束がループ面を鎖交することを回避可能である。したがって、複合型コイル３０と基板パターン２１との間の磁界結合を効果的に低減することができる。

（第３実施形態）
図８に示す第３実施形態では、第１実施形態の基板パターン２１に代えて、ループ状に形成されたバスバー２６が「導体部」として設けられている。バスバー２６の一端２７及び他端２８は、図示しない回路の接続点につながっている。バスバー２６は、トランジスタ６やダイオード７等の能動素子のうち少なくとも一部を含む回路部品を電気的に接続する。

そして、バスバー２６は、単軸型コイル３のコイル軸Ａｃと同一平面上に配置されている。すなわち、バスバー２６は、単軸型コイル３に対し、「単軸型コイル３から周囲に発生する漏れ磁束がループ面を鎖交することを回避可能な位置」に配置されている。
これにより、第３実施形態は、第１実施形態と同様に、単軸型コイル３とバスバー２６との間の磁界結合を効果的に低減することができる。なお、複合型コイル３０とバスバー２６との組合せとしても同様の効果が得られる。

（他の実施形態）
（電力変換に寄与する能動素子）
電力変換回路が「電力を変換する」という基本機能を実現するものであれば、能動素子は、トランジスタやダイオードに限らずどのような素子でもよい。また、それらの能動素子は、複数の基板やバスバーに分割されて接続されてもよい。その場合、能動素子が接続された基板やバスバーのうち少なくとも一つが「導体部」として、本発明で特定するコイルとの位置関係に関する要件を満足すればよい。

（コイル）
第１、第３実施形態に対し、単軸型コイル３は、一つに限らず、コイル軸Ａｃに沿って複数が同軸に並ぶように配置されてもよい。
第２実施形態に対し、複合型コイル３０を構成する要素コイルの数は、二つに限らず、三つ以上としてもよい。
また、電力変換回路が複数の用途の複数のコイルを含む場合、そのうち着目した「一つ以上のコイル」について、本発明で特定する導体部との位置関係に関する要件を満足すればよく、着目しないコイルに関する構成は問わない。

（導体部）
導体部を構成する基板パターンやバスバーについて、導電体の材質、配線の幅や長さ、ループの形状等を問わない。例えばループの形状は、図２、図８等に示すような単純な形状に限らず、折れ曲がりや分岐を含む形状であってもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０・・・電力変換回路、
２１・・・基板パターン（導体部）、２６・・・バスバー（導体部）、
３・・・単軸型コイル（コイル）、
３０・・・複合型コイル（コイル）、３１、３２・・・要素コイル、
４・・・コンデンサ、
４０・・・ノイズフィルタ、
６・・・トランジスタ（能動素子）、
７・・・ダイオード（能動素子）、
８・・・電源、
９・・・負荷。

Claims

電源（８）と負荷（９）との間に接続され、電力を変換する電力変換回路であって、
電力変換に寄与する少なくとも一つの能動素子（７、８）と、
一つ以上のコイル（３、３０）と、
前記コイルと共にノイズフィルタ（４０）を構成するコンデンサ（４）と、
一平面上にループ面を形成し、前記能動素子のうち少なくとも一部を含む回路部品を電気的に接続する導体部（２１、２６）と、
を備え、
前記導体部は、前記コイルに対し、前記コイルから周囲に発生する漏れ磁束が前記ループ面を鎖交することを回避可能な位置に配置されていることを特徴とする電力変換回路。
前記コイルは、一本のコイル軸（Ａｃ）の周りに導線が巻回された単軸型コイル（３）であり、
前記導体部は、前記コイル軸と同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
前記コイルは、周囲に発生する漏れ磁束が所定の対称軸（Ａｓ）に対して対称となるように配置された複数の独立した要素コイル（３１、３２）を有する複合型コイル（３０）であり、
前記導体部は、前記対称軸と同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
前記導体部は、基板（２０）上に形成された基板パターン（２１）により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換回路。
前記導体部は、バスバー（２６）により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換回路。