JP2017225293A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ノイズを抑制する電力変換装置を提供する。【解決手段】本発明は、直流電源に接続された一対の配線と、一対の配線間に接続され、直流電源から電力を変換するスイッチング回路と、一対の配線間に接続され、直流電源からの電力を平滑する第１コンデンサと、一対の配線間に接続され、スイッチング回路を保護する第２コンデンサと、第１コンデンサと第２コンデンサとの間に設けられる第１コイルとを備え、一対の配線は、第１コンデンサとスイッチング回路を接続する第１配線と、第２コンデンサとスイッチング回路を接続する第２配線を含み、第１配線に存在する寄生インダクタンスは、第２配線に存在する寄生インダクタンスより大きく、第１コイルは、第１配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

直流電流が入力される第１トランスの一次巻線と、第１トランスの一次巻線に直列に接続されるスイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続され、互いに直列に接続されるキャパシタ及び第２トランスの一次巻線と、第１トランスの一次巻線に結合される第１トランスの二次巻線と、第１トランスの二次巻線に接続され、直流電力を出力する一対の出力端子と、第２トランスの一次巻線に結合されるとともに、一対の出力端子の間にそれぞれ接続され、互いに出力電流の向きが逆向きになるように接続される一対の第２トランスの二次巻線とを含むＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている（特許文献１）。このＤＣ−ＤＣコンバータは、トランス、スイッチング素子、ダイオード、平滑用キャパシタ、及びスナバ回路を含んでおり、スナバ回路のキャパシタは、スイッチング素子のドレイン・ソース間に並列に接続されている。

特開２０１２−１４７６１０号公報

しかしながら、従来技術では、スナバ回路のキャパシタと平滑用キャパシタ間の配線に存在する寄生インダクタンス及びスナバ回路のキャパシタにより形成される共振回路の振動電流が電磁ノイズを発生させるという問題があった。

本発明は、電磁ノイズを抑制する電力変換装置を提供することである。

本発明は、直流電源に接続された一対の配線と、一対の配線間に接続され、直流電源からの電力を変換するスイッチング回路と、一対の配線間に接続され、直流電源からの電力を平滑する第１コンデンサと、一対の配線間に接続され、スイッチング回路を保護する第２コンデンサと、第１コンデンサと第２コンデンサとの間に設けられる第１コイルとを備え、一対の配線は、第１コンデンサとスイッチング回路を接続する第１配線と、第２コンデンサとスイッチング回路を接続する第２配線を含み、第１配線に存在する寄生インダクタンスは、第２配線に存在する寄生インダクタンスより大きく、第１コイルは、第１配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させることで上記課題を解決する。

本発明は、電磁ノイズを抑制する電力変換装置を提供することができる。

図１は第１実施形態に係る電力変換装置を用いた電力変換システムの概要図である。 図２は図１に示す電力変換装置の平面図である。 図３は第２実施形態に係る電力変換装置を用いた電力変換システムの概要図である。 図４は第３実施形態に係る電力変換装置を用いた電力変換システムの概要図である。 図５は第４実施形態に係る電力変換装置を用いた電力変換システムの概要図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１０を用いた電力変換システム１００の概要図である。電力変換システム１００は、本実施形態に係る電力変換装置１０と周辺回路１６とを備える。図１では、周辺回路１６は一点鎖線で囲まれた範囲の回路を示しており、電力変換装置１０は周辺回路１６を除いて点線で囲まれた範囲の回路を示している。

電力変換装置１０は、高電圧電源１と、配線２と、スイッチング回路３と、平滑コンデンサ４と、スナバコンデンサ５と、コイル６とを備えている。図１では、スイッチング回路３は点線で囲まれた範囲の回路を示している。

高電圧電源１は直流電源である。例えば、電力変換システム１００が電動車両に搭載される場合に、高電圧電源１にはバッテリとしてリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。高電圧電源１は配線２を介してスイッチング回路３と接続されている。

配線２は、高電圧電源１に接続されており、高電圧電源１からの電力を供給する１対の配線である。配線２は、高電圧電源１の正極に接続される配線２Ａと高電圧電源１の負極に接続される配線２Ｂとを有している。配線２には、銅又はアルミニウムの板状の導体が用いられる。例えば、配線２には、バスバーが用いられる。

スイッチング回路３は、配線２Ａ，２Ｂの間に接続されている。スイッチング回路３は、複数の電圧型駆動素子及び複数の整流素子を有している。図１では、複数の電圧型駆動素子はトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２であって、複数の整流素子はダイオードＤ１，Ｄ２である。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２とダイオードＤ１，Ｄ２とはそれぞれ並列に接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の電流方向とは逆方向に電流が流れる向きに、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２に接続されている。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は同一のトランジスタが用いられ、例えば、シリコン（Ｓｉ）製の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が用いられる。

本実施形態では、スイッチング回路３は、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２の直列回路で構成されている。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２はゲート，ソース，ドレインの各端子を有している。トランジスタＴｒ１のドレイン端子は配線２Ａと接続され、トランジスタＴｒ２のソース端子は配線２Ｂと接続されている。つまり、トランジスタＴｒ１は、高電圧電源１の正極側と電気的に接続されており、トランジスタＴｒ２は高電圧電源１の負極側と電気的に接続されている。トランジスタＴｒ１のソース端子とトランジスタＴｒ２のドレイン端子は接続されている。スイッチング回路３は、当該接続された地点（出力端子）から電圧を出力する。

トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２はスイッチング素子として動作する。スイッチング回路３は、トランジスタＴｒ１又はＴｒ２のスイッチング動作により高電圧電源１からの直流電力を変換して出力する。スイッチング回路３は変換された電圧を出力端子に出力する。トランジスタＴｒ１又はトランジスタＴｒ２のスイッチング動作は、トランジスタＴｒ１又はトランジスタＴｒ２がオン又はオフすることである。トランジスタＴｒ１は駆動回路１２を介して制御回路１５により制御され、トランジスタＴｒ２は駆動回路１３を介して制御回路１５により制御される。

本実施形態では、スイッチング回路３は単相インバータ回路として動作する。トランジスタＴｒ１がオン及びトランジスタＴｒ２がオフしている状態では、スイッチング回路３は配線２Ａの電圧を出力する。上述した状態では、配線２Ａとスイッチング回路３の出力端子は導通している。また、トランジスタＴｒ１がオフ及びトランジスタＴｒ２がオンしている状態では、スイッチング回路３は配線２Ｂの電圧を出力する。当該状態では、配線２Ｂとスイッチング回路３の出力端子は導通している。例えば、高電圧電源１の正極が１０Ｖ，負極が０Ｖである場合に、スイッチング回路３は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のスイッチング動作に応じて、１０Ｖ又は０Ｖを出力端子から出力する。

平滑コンデンサ４は、配線２Ａ，２Ｂの間に接続されており、高電圧電源１と並列に接続されている。平滑コンデンサ４は高電圧電源１から供給される直流電力を平滑化するために設けられている。平滑コンデンサ４の正極は配線２Ａを介してスイッチング回路３と接続されており、平滑コンデンサ４の負極は配線２Ｂを介してスイッチング回路３と接続されている。平滑コンデンサ４により平滑化された高電圧電源１の電力はスイッチング回路３へ供給される。平滑コンデンサ４の容量値は、高電圧電源１が供給できる電力に応じて決められる。本実施形態では、平滑コンデンサ４の容量はスナバコンデンサ５の容量よりも大きいものとする。

スナバコンデンサ５は、配線２Ａ，２Ｂの間に接続されている。スナバコンデンサ５は、平滑コンデンサ４とスイッチング回路３との間に設けられている。スナバコンデンサ５は、スイッチング回路３の出力電圧について、急峻な立ち上がり電圧又は急峻な立下り電圧を抑制するために設けられている。スイッチング回路３から発生する急峻な立ち上がり電圧又は急峻な立下り電圧については、後述する。スナバコンデンサ５の容量値は、スイッチング回路３のトランジスタの特性、スナバコンデンサ５とスイッチング回路３の配置、又は、スナバコンデンサ５とスイッチング回路３の距離等に応じて決められる。本実施形態では、スナバコンデンサ５の容量は平滑コンデンサ４より小さいものとする。

コイル６は平滑コンデンサ４とスナバコンデンサ５の間に設けられている。コイル６は整流器１１と接続されている。図１では、コイル６は、配線２Ａに流れる電流の変化により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させるために設けられている。コイル６で発生する誘導起電力については後述する。

寄生インダクタンス７は、平滑コンデンサ４とスナバコンデンサ５を接続する配線２に存在する寄生インダクタンスである。図１では、寄生インダクタンス７は、配線２Ａに存在する寄生インダクタンスと配線２Ｂに存在する寄生インダクタンスの相互インダクタンスを考慮した寄生インダクタンスを等価的に示している。

周辺回路１６は、整流器１１、駆動回路１２、駆動回路１３、低電圧電源１４、及び制御回路１５を備えている。

整流器１１はコイル６で発生した誘導起電力による電流を一方向だけに流す（整流する）ために設けられている。整流器１１はコイル６で発生した電流を入力として整流して駆動回路１２へ電力供給する。

駆動回路１２はスイッチング回路３のトランジスタＴｒ１に対してゲート信号を出力し、トランジスタＴｒ１を駆動させる。駆動回路１２は、トランジスタＴｒ１のゲート端子と電気的に接続されている。駆動回路１２は、高電圧電源１の出力電圧よりも低い電圧で動作し、整流器１１から出力される電力を電源として動作する。これにより、駆動回路１２を動作させる電源を別途用意することなく、部品点数を少なくすることができる。なお、整流器１１からの電力が少ない場合に備えて、駆動回路１２のための低電圧電源を設けてもよい。この場合、駆動回路１２は整流器１１からの電力を補助電源として動作する。

駆動回路１３はスイッチング回路３のトランジスタＴｒ２に対してゲート信号を出力し、トランジスタＴｒ２を駆動させる。駆動回路１３は、トランジスタＴｒ２のゲート端子と電気的に接続されている。駆動回路１３は、高電圧電源１の出力電圧よりも低い電圧で動作し、低電圧電源１４から供給される電力を電源として動作する。

制御回路１５は、駆動回路１２及び駆動回路１３を介してトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を制御する。例えば、制御回路１５はＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、当該信号を制御信号として駆動回路１２及び駆動回路１３に出力する。駆動回路１２及び駆動回路１３は、当該パルス幅変調信号に基づき、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を所定のタイミングでオン及びオフさせる。これにより、電力変換装置１０は高電圧電源１の電力を変換して出力する動作を行う。

次に、スナバコンデンサ５の役割について説明する。まず、トランジスタＴｒ１がオンした直後又はトランジスタＴｒ２がオフした直後において、スイッチング回路３の動作を説明する。

上述したように、トランジスタＴｒ１がオンすると、トランジスタＴｒ１のドレイン端子と配線２Ａは導通する。トランジスタＴｒ１には配線２Ａからの電流が流れ込む。つまり、スイッチング回路３の出力端子に急激な電流変化が発生する。そして、トランジスタＴｒ１の自己インダクタンスによって、電流変化を妨げる方向に起電力が生じ、出力端子の電圧は急上昇する。そして、トランジスタＴｒ１における電流変化が少なくなると、つまり、定常状態になると、出力端子の電圧は配線２Ａの電圧になる。また、トランジスタＴｒ２がオンした直後においても、スイッチング回路３の出力端子には、急激な電流変化が生じる。そして、トランジスタＴｒ２の自己インダクタンスによって、電流変化を妨げる方向に起電力が生じ、出力端子の電圧は急降下する。そして、トランジスタＴｒ２における電流変化が少なくなると、つまり、定常状態になると、出力端子の電圧は配線２Ｂの電圧になる。以上のように、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のスイッチング動作により、スイッチング回路３は瞬間的にスパイク状の電圧を出力する。スパイク状の出力電圧は、トランジスタ又は周辺の電子部品へ負荷をかける。

スナバコンデンサ５は、スイッチング回路３を保護するために設けられている。スナバコンデンサ５は、トランジスタＴｒ１又はＴｒ２における電流変化に対して、電荷を放出又は充電する。これにより、トランジスタＴｒ１又はＴｒ２における急激な電流変化を抑制することができる。そのため、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の自己インダクタンスによる起電力が抑制される。つまり、スナバコンデンサ５によりスイッチング回路３はスパイク状の出力電圧を抑制することができる。その結果、スナバコンデンサ５は、スパイク状の出力電圧によるトランジスタ又は周辺の電子部品への負荷を抑制することができる。また、スナバコンデンサ５はスパイク状の出力電圧による電磁ノイズを抑制することができる。スナバコンデンサ５をスイッチング回路３の近傍に設けることにより、上述した抑制効果は顕著になる。

次に、上述したスナバコンデンサ５の役割を踏まえて、電力変換装置１０を構成する各部品の配置について説明する。図２は図１に示す電力変換装置１０の平面図である。図２では、図１の電力変換装置１０のうち、配線２、スイッチング回路３、スナバコンデンサ５、コイル６、整流器１１、駆動回路１２を示している。

平滑コンデンサ４はスイッチング回路３に対して所定の距離を空けて設けられている。平滑コンデンサ４は配線２を介してスイッチング回路３と接続されている。図２では、平滑コンデンサ４の正極と配線２Ａの一端が接続され、平滑コンデンサ４の負極と配線２Ｂの一端が接続されていることを示している。高電圧電源１の出力電圧を平滑にするため、平滑コンデンサ４はスナバコンデンサ５に比べて大きいコンデンサで形成されている。

平滑コンデンサ４は配線２Ａ，２Ｂの一端と接続されている。配線２Ａ、２Ｂの他端は、トランジスタＴｒ１のドレイン端子及びトランジスタＴｒ２のソース端子の直上に位置する。スナバコンデンサ５は端子電極を左右の端部にそれぞれ有している。両端子電極はトランジスタＴｒ１のドレイン端子及びトランジスタＴｒ２のソース端子の直上に位置する。図２に示すように、スナバコンデンサ５の一方の端子電極は配線２Ａの他端と接続されており、スナバコンデンサ５の他方の端子電極は配線２Ｂの他端と接続されている。例えば、スナバコンデンサ５の両端子電極と配線２Ａの他端及び配線２Ｂの他端は、半田等の導電性接着材で接着されている。配線２Ａの他端はトランジスタＴｒ１のドレイン端子と電気的に接続されており、配線２Ｂの他端はトランジスタＴｒ２のソース端子と電気的に接続されている。これにより、スナバコンデンサ５をスイッチング回路３の近傍に設けることができる。スイッチング回路３の近傍に設けることにより、スイッチング動作時におけるスイッチング回路３のスパイク状の出力電圧をより効果的に抑制することができる。また、スナバコンデンサ５をスイッチング回路３の近傍に設けるため、スナバコンデンサ５とスイッチング回路３を接続する配線２の長さは、スナバコンデンサ５と平滑コンデンサ４を接続する配線２の長さよりも短くなる。

上述したように、スナバコンデンサ５はスイッチング回路３の近傍に設けることが好ましい。そのため、スナバコンデンサ５の体積は小さいことが好ましい。本実施形態では、スナバコンデンサ５には、平滑コンデンサ４よりも小さい容量のコンデンサが用いられる。

コイル６はスイッチング回路３の近傍に設けられている。コイル６は配線２Ａ，２Ｂの間に設けられている。コイル６で発生した誘導起電力は、整流器１１を介して駆動回路１２へ供給される。駆動回路１２はスイッチング回路３の近傍に設けられている。これにより、コイル６で発生した誘導起電力は電圧降下することなく駆動回路１２へ供給することができる。

次に、配線２に存在する寄生インダクタンスについて説明する。配線２は、平滑コンデンサ４とスイッチング回路３とが距離を開けて設けられているため、所定の長さを有する。一方、スナバコンデンサ５はスイッチング回路３の近傍に設けられている。そのため、配線２のうち、スナバコンデンサ５とスイッチング回路３を接続する配線は、平滑コンデンサ４とスイッチング回路３を接続する配線よりも短い。以降の説明では、平滑コンデンサ４とスイッチング回路３を接続する配線を主配線と、スナバコンデンサ５とスイッチング回路３を接続する配線を副配線と称して説明する。なお、副配線が主配線の一部となっていてもよい。

配線２は、主配線と副配線を含んでいる。主配線は副配線よりも長いため、主配線に存在する寄生インダクタンスは副配線に存在する寄生インダクタンスよりも大きい。

次に、図１を用いてスイッチング回路３のスイッチング動作時に発生する振動電流について説明する。まず、寄生インダクタンスとスナバコンデンサで形成されるＬＣ共振回路について説明する。

図１の例では、主配線に存在する寄生インダクタンスは、寄生インダクタンス７で示されている。図１では、寄生インダクタンス７とスナバコンデンサ５により、ＬＣ共振回路が形成されている。次に、当該ＬＣ共振回路により発生する振動電流について説明する。

スナバコンデンサ５に蓄えられた電荷に変化が生じると、振動電流は発生する。図１の例では、振動電流は主配線に発生する。例えば、スイッチング回路３のスイッチング動作によるスパイク状の出力電圧を抑制するために、スナバコンデンサ５から電荷が放出される場合を考える。この場合に、放出された電荷はスイッチング回路３へ供給される。放出された電荷を補うために、電荷は平滑コンデンサ４からスナバコンデンサ５に供給される。つまり、電流が平滑コンデンサ４から寄生インダクタンス７を介してスナバコンデンサ５へ流れる。寄生インダクタンス７では電流の変化が生じ、寄生インダクタンス７は、平滑コンデンサ４からスナバコンデンサ５への電流の方向を妨げる向きの電力、すなわち、逆起電力を発生させる。逆起電力により、寄生インダクタンス７では逆方向の電流の変化が生じ、寄生インダクタンス７は再び逆起電力を発生させる。電流の向きが異なるような逆起電力が繰り返し発生することにより、ＬＣ共振回路による共振は発生する。

ＬＣ共振回路の共振により、主配線では交流が発生する。当該交流は振動電流として主配線に流れる。振動電流が主配線に流れると、振動電流による電磁ノイズが配線２から放出される。以上のように、スイッチング回路３のスイッチング動作により寄生インダクタンス７で電流変化が発生し、振動電流は主配線に流れる。その結果、電力変換装置１０は電磁ノイズを放出する。

また、振動電流はＬＣ共振回路を形成するインダクタンス及びコンデンサにより決まる共振周波数で振動する交流である。図１の例では、共振周波数は、寄生インダクタンス７とスナバコンデンサ５により決められる。そのため、例えば、配線２の形状又はスナバコンデンサ５の容量値を変更することで、共振周波数を変えることができる。これにより、電力変換装置１０の周囲に存在する電子部品等への影響を抑制させることができる。

さらに、振動電流の最大電流値は、スイッチング回路３のスイッチング速度に応じて変化する。すなわち、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のスイッチング速度が速ければ、振動電流の最大電流は大きくなる。そのため、スイッチング速度が速い場合に発生する振動電流の最大電流値は、スイッチング速度が遅い場合に発生する振動電流の最大電流値よりも大きくなる。その結果、電磁ノイズの放出量は、スイッチング速度が速くなるとともに増加する。

次に、振動電流により発生する磁界について説明する。振動電流が主配線で流れると、主配線の周囲には磁界が発生する。図１を用いて説明すると、平滑コンデンサ４、スナバコンデンサ５、及び寄生インダクタンス７で形成される閉回路の内側及び外側に磁界が発生する。閉回路の内側の磁界は閉回路の外側の磁界よりも強くなる。

次に、コイル６で発生する誘導起電力について説明する。上述したように、スイッチング回路３のスイッチング動作により、振動電流が主配線で発生する。そして、振動電流により、磁界が主配線の周囲に発生する。コイル６は主配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる。発生した誘導起電力は、整流器１１で整流されて駆動回路１２に供給される。これにより、駆動回路１２を動作させるために、低電圧電源を設ける必要がなくなる。

また、本実施形態では、コイル６は一対の主配線の間に設けられている。言い換えると、上述した閉回路の内側に設けられている。これにより、コイル６は閉回路の内側の磁界を受けて誘導起電力を発生させることができる。誘導起電力が発生すると、コイル６には電流が流れる。コイル６は当該電流により振動電流を打ち消すような方向に磁界を発生させる。そのため、振動電流を減衰させることができ、その結果、電磁ノイズを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、平滑コンデンサ４の容量はスナバコンデンサ５の容量より大きい。また、図２に示すようなスイッチング回路３、平滑コンデンサ４、及びスナバコンデンサ５の配置をすることにより、主配線に存在する寄生インダクタンスは副配線に存在する寄生インダクタンスよりも大きくなる。そのため、ＬＣ共振回路による振動電流は主に主配線で発生する。本実施形態では、コイル６は主配線間に設けられている。そのため、コイル６は振動電流の大部分を誘導起電力として発生させることができる。その結果、より大きな誘導起電力を駆動回路１２に供給することができる。

また、本実施形態では、コイル６と寄生インダクタンス７の結合係数が高いことが好ましい。これにより、振動電流に対して高効率な誘導起電力を発生させることができる。

さらに、本実施形態では、制御回路１５の制御により振動電流の抑制効果を高めることができる。制御回路１５は振動電流発生時における駆動回路１２の消費電力を多くするように制御する。これにより、制御回路１５は、コイル６で発生した誘導起電力を消費することができる。そのため、コイル６では誘導起電力を発生しようと電流が流れ、当該電流は振動電流を打ち消すような方向に磁界を発生させる。その結果、振動電流の抑制効果を高めることができる。

以上のように、本実施形態において、電力変換装置１０は、高電圧電源１に接続された配線２と、一対の配線２間に接続され、高電圧電源１からの電力を変換するスイッチング回路３と、一対の配線２間に接続され、高電圧電源１からの電力を平滑する平滑コンデンサ４と、一対の配線２間に接続され、スイッチング回路３を保護するスナバコンデンサ５と、平滑コンデンサ４とスナバコンデンサ５との間に設けられるコイル６とを備えている。一対の配線２は、平滑コンデンサ４とスイッチング回路３を接続する主配線と、スナバコンデンサ５とスイッチング回路３を接続する副配線を含んでいる。主配線に存在する寄生インダクタンスは、副配線に存在する寄生インダクタンスより大きい。コイル６は、主配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる。これにより、電力変換装置１０は、主配線に流れる振動電流を打ち消すように磁界を発生させることができる。そのため、振動電流を抑制することができ、その結果、電磁ノイズを抑制することができる。

また、本実施形態において、コイル６は、一対の配線２に存在する寄生インダクタンス７及びスナバコンデンサ５による振動電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる。これにより、寄生インダクタンス７及びスナバコンデンサ５に応じてコイル６のインダクタンス値を設定することができる。そのため、コイル６による振動電流の抑制レベルを予め見積もることができる。振動電流を抑制することができ、その結果、電磁ノイズを抑制することができる。

さらに、本実施形態において、コイル６は、一対の配線２の間に設けられている。これにより、平滑コンデンサ４、寄生インダクタンス７、及びスナバコンデンサ５で形成される閉回路の内側における磁界を受けて誘導起電力を発生させることができる。つまり、閉回路の外側よりも強い磁界を受けてより大きな誘導起電力を発生させることができる。そのため、コイル６を閉回路の外側に設けた場合に比べて強い磁界、かつ、振動電流を打ち消す磁界を発生させることができる。その結果、振動電流の抑制効果を高め、電磁ノイズの抑制効果を高めることができる。

また、本実施形態において、スイッチング回路３は、スイッチング動作により高電圧電源１からの電力を変換し、主配線には、スイッチング動作により振動電流が流れる。コイル６は、主配線で流れる振動電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる。つまり、スイッチング回路３のスイッチング速度又はスイッチング回数に応じて、振動電流の最大電流値又は振動電流の発生頻度は変化する。そのため、スイッチング回路３の制御により、振動電流を抑制することができる。その結果、電磁ノイズを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、制御回路１５の制御により振動電流の抑制効果を高めることができる。制御回路１５は振動電流発生時における駆動回路１２の消費電力を多くするように制御する。これにより、駆動回路１２は、コイル６で発生した誘導起電力を消費することができる。そのため、コイル６では誘導起電力を発生しようと電流が流れ、当該電流は振動電流を打ち消すような方向に磁界を発生させる。その結果、振動電流の抑制効果を高めることができる。

また、本実施形態では、駆動回路１２の消費電力は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のスイッチング動作の回数が多いほど増加する。そのため、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のスイッチング動作の回数が増加すると、振動電流が発生する回数も増加し、誘導起電力がコイル６で発生する回数も増加する。これにより、駆動回路１２はコイル６からより多くの電力を得ることができる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る電力変換装置１０を用いた電力変換システム２００について説明する。図３は、第２実施形態に係る電力変換装置１０を用いた電力変換システム２００の概要図である。本実施形態では、第１実施形態に係る電力変換装置１０と同様の構成を有し、以下に説明する動作以外は、第１実施形態と同様に動作する。図３では、周辺回路２６は一点鎖線で囲まれた範囲の回路を示している。

コイル６は、配線２Ａに流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させるために設けられている。コイル６で発生した誘導起電力は、整流器１１を介して駆動回路１２へ供給される。配線２Ａに流れる電流は、第１実施形態と同じ電流であるため、説明は省略する。

周辺回路２６は、第１実施形態に係る周辺回路１６と比べて、コイル２１、整流器２２を備えている以外は同様の構成を備えているため、説明は省略する。

コイル２１は整流器２２と接続されている。コイル２１は、配線２Ｂに流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させるために設けられている。コイル２１で発生した誘導起電力は、整流器２２を介して駆動回路１３へ供給される。配線２Ｂに流れる電流は、第１実施形態と同じ電流であるため、説明は省略する。

整流器２２はコイル２１で発生した誘導起電力による電流を整流するために設けられている。整流器２２はコイル２１で発生した電流を入力として整流して駆動回路１３へ電力供給する。

駆動回路１３は、高電圧電源１の出力電圧よりも低い電圧で動作し、整流器２２から出力される電力を電源として動作する。これにより、本実施形態では、駆動回路１３の動作に必要な低電圧電源を設ける必要がなく、駆動回路１３を動作させることができる。その結果、コストを抑制することができる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る電力変換装置１０を用いた電力変換システム３００について説明する。図４は、第３実施形態に係る電力変換装置１０を用いた電力変換システム３００の概要図である。本実施形態では、第１実施形態に係る電力変換装置１０と同様の構成を有し、以下に説明する動作以外は、第１実施形態と同様に動作する。図４では、周辺回路３６は一点鎖線で囲まれた範囲の回路を示している。

周辺回路３６は、第１実施形態に係る周辺回路１６と比べて、整流器３１を備えている以外は同様の構成を備えているため、説明は省略する。

整流器３１はコイル６と接続されている。整流器３１はコイル６で発生した誘導起電力による電流を整流するために設けられている。整流器３１はコイル６で発生した電流を入力として整流して駆動回路１３へ電力供給する。駆動回路１３は、整流器３１から出力される電力を電源として動作する。これにより、本実施形態では、駆動回路１３の動作に必要な低電圧電源を設ける必要がないとともに、駆動回路１３用のコイルを設ける必要もなく、駆動回路１３を動作させることができる。その結果、コストを抑制することができる。

≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係る電力変換装置２０を用いた電力変換システム４００について説明する。図５は、第４実施形態に係る電力変換装置２０を用いた電力変換システム４００の概要図である。第４実施形態に係る電力変換装置２０は、第１実施形態に係る電力変換装置１０と比べて、コイル４１，４２を備えている以外は同様の構成であるため、コイル４１，４２以外の説明は省略する。また、周辺回路２６は、第２実施形態に係る周辺回路２６と同様の構成であるため、説明は省略する。

コイル４１は、高電圧電源１と平滑コンデンサ４の間に設けられている。コイル４１は整流器１１と接続されている。コイル４１は配線２Ａのうち、高電圧電源１の正極と平滑コンデンサ４の正極とを接続する配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させるために設けられている。

コイル４２は、高電圧電源１と平滑コンデンサ４の間に設けられている。コイル４２は整流器２２と接続されている。コイル４２は配線２Ｂのうち、高電圧電源１の負極と平滑コンデンサ４の負極とを接続する配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させるために設けられている。

コイル４１，４２で発生する誘導起電力について説明する。まず、平滑コンデンサ４のプリチャージによる磁界について説明する。電力変換システム４００の起動時において、高電圧電源１から平滑コンデンサ４への電流がプリチャージ電流として流れる。すなわち、電力変換システム４００の起動により、平滑コンデンサ４へのプリチャージが開始される。例えば、高電圧電源１と平滑コンデンサ４の間にリレー素子（図示しない）が接続されているとする。電力変換システム４００の起動時において、リレー素子がオフからオンへと切り替わり、高電圧電源１から平滑コンデンサ４へのプリチャージが開始される。プリチャージが開始されると、高電圧電源１と平滑コンデンサ４で形成される閉回路にプリチャージ電流が流れている状態になる。そのため、閉回路の外側及び内側には、磁界が発生する。

コイル４１，４２は、配線２Ａ，２Ｂの間に設けられている。上記閉回路の内側に発生している磁界は、コイル４１及びコイル４２を貫く。プリチャージ電流は、平滑コンデンサ４に蓄えられた電荷量に応じて変化する。すなわち、リレー素子がオンした直後において、高電圧電源１から平滑コンデンサ４に電流が流れ込むため、プリチャージ電流は急激に増加するが、平滑コンデンサ４に電荷が蓄積されていくにつれて、プリチャージ電流は減少していく。そのため、プリチャージ電流の変化量に応じて閉回路の内側の磁界も変化する。コイル４１、４２は当該磁界の変化に応じて誘導起電力を発生させる。コイル４１で発生した誘導起電力は、整流器１１を介して駆動回路１２へ供給され、コイル４２で発生した誘導起電力は、整流器２２を介して駆動回路１３へ供給される。上述したような現象により、電力変換システム４００の起動時において発生するプリチャージ電流から電力を得ることができる。

以上のように、本実施形態では、電力変換装置２０は、高電圧電源１と平滑コンデンサ４との間に設けられるコイル４１，４２をさらに備えている。コイル４１，４２は高電圧電源１から平滑コンデンサ４に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる。これにより、電力変換システム４００の起動時において、高電圧電源１から平滑コンデンサ４へと流れるプリチャージ電流から電力を得ることができる。そのため、電力変換システム４００の起動直後において、誘導起電力を駆動回路１２，１３に供給することができる。

また、本実施形態では、コイル４１，４２は一対の配線２の間に設けられている。これにより、コイル４１，４２は高電圧電源１と平滑コンデンサ４で形成される閉回路の内側における磁界を受けて誘導起電力を発生させることができる。つまり、閉回路の外側よりも強い磁界を受けてより大きな誘導起電力を発生させることができる。そのため、コイル４１，４２を閉回路の外側に設けた場合に比べて大きい誘導起電力を発生させることができる。

なお、上述した実施形態では、主配線は副配線よりも長く形成されているが、これに限られない。例えば、主配線に存在する寄生インダクタンスが副配線に存在するインダクタンスよりも大きくなるように、主配線の断面積又は形状を変えて形成してもよい。

また、上述した実施形態では、スイッチング回路３はスイッチング素子を直列に接続した直列回路、つまり、単相インバータ回路で構成されているが、これに限られない。２組の当該直列回路を並列接続させた２相インバータ回路、又は、３組の当該直列回路を並列に接続させた３相インバータ回路で構成してもよい。また、上述した実施形態では、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２の接続点の電圧をスイッチング回路３の出力電圧としているが、これに限られない。トランジスタＴｒ１のドレイン端子側、つまり、トランジスタＴｒ１と高電圧電源１の正極との接続点の電圧を出力電圧としてもよい。さらに、トランジスタＴｒ２のソース端子側、つまり、トランジスタＴｒ２と高電圧電源１の負極との接続点の電圧を出力電圧としてもよい。

さらに、上述した実施形態では、スイッチング回路３を構成しているスイッチング素子は、電圧型駆動素子で構成されているが、電流型駆動素子で構成してもよい。また、スイッチング素子はシリコン製のトランジスタで形成されているが、これに限られない。例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）又はガリウムナイトライド（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップ半導体の電圧型駆動又は電流型駆動のトランジスタで形成してもよい。キャリア速度について、ＳｉＣ又はＧａＮはＳｉに比べて早く、スイッチング回路３のスイッチング動作を高速に動作させることができる。さらに、トランジスタはＭＯＳＦＥＴに限られない。例えば、ＭＯＳＦＥＴより大きな電流を流すことができる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で形成してもよい。

また、上述した実施形態では、スナバコンデンサ５は平滑コンデンサ４とスイッチング回路３の間に設けられているが、これに限られない。例えば、スイッチング回路３が平滑コンデンサ４とスナバコンデンサ５の間に配置されるように、スナバコンデンサ５を設けてもよい。

さらに、上述した実施形態では、コイル６又はコイル４１で発生した誘導起電力は駆動回路１２に供給され、コイル２１又はコイル４２で発生した誘導起電力は駆動回路１３に供給されるが、これに限られない。例えば、高電圧電源１にリチウムイオン電池などのバッテリが用いられる場合に、各コイルで発生した誘導起電力を当該バッテリに供給してもよい。

上述した実施形態に係る高電圧電源１は直流電源に、一対の配線２は一対の配線に、平滑コンデンサ４は第１コンデンサに、スナバコンデンサ５は第２コンデンサに、コイル６又はコイル２１は第１コイルに、主配線は第１配線に、副配線は第２配線に、トランジスタＴｒ１又はＴｒ２は半導体スイッチング素子に、コイル４１又はコイル４２は第２コイルにそれぞれ相当する。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上述した実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…高電圧電源
２…配線
２Ａ…配線
２Ｂ…配線
３…スイッチング回路
Ｔｒ１…トランジスタ
Ｔｒ２…トランジスタ
Ｄ１…ダイオード
Ｄ２…ダイオード
４…平滑コンデンサ
５…スナバコンデンサ
６…コイル
７…寄生インダクタンス
１０…電力変換装置
１１…整流器
１２…駆動回路
１３…駆動回路
１４…低電圧電源
１５…制御回路

Claims (11)

1. 直流電源に接続された一対の配線と、
   前記一対の配線間に接続され、前記直流電源からの電力を変換するスイッチング回路と、
   前記一対の配線間に接続され、前記直流電源からの電力を平滑する第１コンデンサと、
   前記一対の配線間に接続され、前記スイッチング回路を保護する第２コンデンサと、
   前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に設けられる第１コイルとを備え、
   前記一対の配線は、前記第１コンデンサと前記スイッチング回路を接続する第１配線と、前記第２コンデンサと前記スイッチング回路を接続する第２配線を含み、
   前記第１配線に存在する寄生インダクタンスは、前記第２配線に存在する寄生インダクタンスより大きく、
   前記第１コイルは、前記第１配線に流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第１コイルは、前記第１配線に存在する寄生インダクタンス及び前記第２コンデンサによる振動電流により発生する前記磁界を受けて前記誘導起電力を発生させる電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、
   前記第１コンデンサの容量は前記第２コンデンサの容量より大きい電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記第２コンデンサは前記第１コンデンサと前記スイッチング回路との間に設けられる電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記第１コイルは前記一対の配線の間に設けられる電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチング回路は、スイッチング動作により前記直流電源からの電力を変換し、
   前記第１配線には、前記スイッチング動作により前記電流が流れる電力変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記第１配線は前記第２配線より長い電力変換装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチング回路は半導体スイッチング素子を含む電力変換装置。
9. 請求項８に記載の電力変換装置であって、
   前記スイッチング回路は、前記半導体スイッチング素子を直列に接続した直列回路を有する電力変換装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
    前記直流電源と前記第１コンデンサとの間に設けられる第２コイルをさらに備え、
    前記第２コイルは、前記直流電源から前記第１コイルに流れる電流により発生する磁界を受けて誘導起電力を発生させる電力変換装置。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置であって、
    前記第２コイルは前記一対の配線の間に設けられる電力変換装置。

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