JP2019004590A - パワーコントロールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】共通のコンデンサモジュールから異なる周波数でそれぞれ動作する複数のスイッチング回路に平滑化された電力を適切に供給する。【解決手段】インバータ３とＤＣＤＣコンバータ５とに供給する高電圧バッテリの高電圧の直流電力を平滑化するコンデンサモジュール７に、静電容量の異なる大容量、中容量、低容量の各コンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓを、静電容量毎にまとめてそれぞれ複数設けてバスバ７ａ，７ｂに並列接続した。そして、大容量のコンデンサＣｌがまとめて並列接続されたバスバ７ａ，７ｂの一端側をインバータ３に接続し、小容量のコンデンサＣｓがまとめて並列接続されたバスバ７ａ，７ｂの他端側をＤＣＤＣコンバータ５に接続した。よって、インバータ３が低周波で動作する際には大容量のコンデンサＣｌが専ら充放電され、ＤＣＤＣコンバータ５が高周波で動作する際には自己共振周波数が高い小容量のコンデンサＣｓが専ら充放電される。【選択図】図２

Description

本発明は、異なる周波数で動作する複数のスイッチング回路に平滑化された電力を供給するパワーコントロールユニットに関する。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）等の電動車両に搭載されるパワーコントロールユニットとして、コンデンサモジュールをインバータとＤＣＤＣコンバータとに接続したものが知られている。このコンデンサモジュールはバッテリにも接続されており、バッテリからの電力を平滑化してインバータやＤＣＤＣコンバータに供給する（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−１１２２３７号公報

インバータは、ＤＣＤＣコンバータに比べて低い周波数でスイッチング回路のオンオフを行う。このため、インバータに接続する平滑化コンデンサには、ＤＣＤＣコンバータに接続する平滑化コンデンサに比べて容量が大きいコンデンサが用いられる。そこで、上述したパワーコントロールユニットのコンデンサモジュールには、インバータの仕様に合わせた大容量のコンデンサを用いることが考えられる。

ところで、コンデンサには、容量成分の他に抵抗や寄生インダクタンスが存在する。このため、コンデンサの特性は、コンデンサと寄生インダクタンスとの自己共振周波数よりも低周波の容量性領域ではＣ性となり、自己共振周波数よりも高周波の誘導性領域ではＬ性となる。また、自己共振周波数は、コンデンサの容量が大きいほど低くなる。

したがって、大容量のコンデンサをコンデンサモジュールに用いると、インバータよりも高周波で動作するＤＣＤＣコンバータに接続した場合にＬ性となる高周波の誘導性領域でコンデンサを使うことになる。しかし、誘導性領域ではコンデンサがバッテリからの電力を平滑化する機能を果たすことができない。

そこで、大容量のコンデンサをコンデンサモジュールに用い、これに合わせて、ＤＣＤＣコンバータをインバータ並みに低周波で動作させることが考えられる。そうすれば、Ｃ性となる低周波の容量性領域でコンデンサを使うことになるので、バッテリからの電力をコンデンサで平滑化してＤＣＤＣコンバータに供給することができる。その代わり、スイッチング回路のオンオフ間隔が長くなって電流不足が生じることから、ＤＣＤＣコンバータの出力に良好な負荷過渡応答が得られなくなる恐れがある。

一方、インバータよりも高周波で動作するＤＣＤＣコンバータに合わせて、コンデンサモジュールに小容量のコンデンサを用いると、バッテリからの電力を平滑化してインバータに供給する際に、コンデンサの容量不足で電力を十分に平滑化することができなくなる。

この種の問題は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）等の電動車両に搭載されたインバータ及びＤＣＤＣコンバータへの電力供給の場合に限るものではない。即ち、異なる周波数で動作する複数のスイッチング回路に共通のコンデンサモジュールから平滑化された電力を供給する場合にも、上述した問題は起こり得る。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、共通のコンデンサモジュールから異なる周波数でそれぞれ動作する複数のスイッチング回路に平滑化された電力を適切に供給することができるパワーコントロールユニットを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によるパワーコントロールユニットは、
第１スイッチング回路と、
前記第１スイッチング回路よりも高周波で動作する第２スイッチング回路と、
コンデンサと寄生インダクタンスとの自己共振周波数が異なる複数種類のコンデンサ素子を有し、前記第１スイッチング回路及び前記第２スイッチング回路に接続されたコンデンサモジュールと、
を備える。

本発明によれば、共通のコンデンサモジュールから異なる周波数でそれぞれ動作する複数のスイッチング回路に平滑化された電力を適切に供給することができる。

本発明の一実施形態に係るパワーコントロールユニットの要部を示す説明図である。 図１のコンデンサモジュールの構成を概念的に示す説明図である。 一般的なコンデンサのインピーダンスの周波数特性を示すもので、（ａ）はコンデンサの静電容量が相対的に大きい場合を示すグラフ、（ｂ）はコンデンサの静電容量が相対的に小さい場合を示すグラフである。 一般的なＬＬＣ方式のＤＣＤＣコンバータの回路図である。 ＤＣＤＣコンバータの構成要素の基板上におけるレイアウト例を示すもので、（ａ）は一般的なＤＣＤＣコンバータのレイアウト例を示す説明図、（ｂ）は図１のパワーコントロールユニットのＤＣＤＣコンバータのレイアウト例を示す説明図、（ｃ）は（ａ），（ｂ）の各レイアウトによるスイッチング回路及びゲート駆動回路間の路線抵抗及びインダクタンスの等価回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係るパワーコントロールユニットの要部を示す説明図である。図１に示す本実施形態のパワーコントロールユニット１は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）等の電動車両に搭載される。

本実施形態のパワーコントロールユニット１は、インバータ３（請求項中の第１スイッチング回路に相当）及びＤＣＤＣコンバータ５（請求項中の第２スイッチング回路に相当）と、これらに平滑化された電力を供給するコンデンサモジュール７とを備えている。

インバータ３は、不図示の高電圧バッテリからコンデンサモジュール７を介して供給される高電圧の直流電力を、三相交流電力に変換して不図示の推進用モータに出力する。そのために、インバータ３は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を上アームと下アームとにそれぞれ用いたＵ，Ｖ，Ｗの３相のスイッチング回路のスイッチングにより、直流から交流への電力変換を行う。

ＤＣＤＣコンバータ５は、コンデンサモジュール７を介して供給される高電圧バッテリからの高電圧の直流電力を、低電圧の直流電力に変換して不図示の低電圧バッテリに出力する。ＤＣＤＣコンバータ５は、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を用いたスイッチング回路のスイッチングにより、高電圧から低電圧への直流電力の変圧を行う。

なお、スイッチング回路のスイッチングは、インバータ３（例えば１０ＫＨｚ程度）に比べてＤＣＤＣコンバータ５（例えば１００ＫＨｚ程度）の方が高周波で行われる。

コンデンサモジュール７は、高電圧バッテリからの高電圧の直流電力を平滑化してインバータ３やＤＣＤＣコンバータ５に供給する他、不図示の急速充電器からの高電圧の直流電力を平滑化して高電圧バッテリに出力する。

図２の説明図に概念的に示すように、コンデンサモジュール７は、Ｐ（＋）側のバスバ７ａとＮ（−）側のバスバ７ｂとの間に並列に接続された複数のコンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓを有している。

一般的に、コンデンサには、容量成分の他に抵抗や寄生インダクタンスが存在する。そして、コンデンサの特性は、図３（ａ）のグラフに示すように、コンデンサと寄生インダクタンスとの自己共振周波数よりも低周波の容量性領域ではＣ性となり、自己共振周波数よりも高周波の誘導性領域ではＬ性となる。

なお、自己共振周波数は、図３（ａ）のグラフに示す静電容量が相対的に大きいコンデンサの方が、図３（ｂ）のグラフに示す静電容量が相対的に小さいコンデンサよりも、低い周波数となる。また、自己共振周波数は、コンデンサの容量が大きいほど低くなる。

そこで、本実施形態のコンデンサモジュール７では、図２に示すように、静電容量が互いに異なる大容量のコンデンサＣｌ（請求項中の第１コンデンサ素子に相当）、中容量のコンデンサＣｍ（請求項中の第１コンデンサ素子に相当）、小容量のコンデンサＣｓ（請求項中の第２コンデンサ素子に相当）を、容量毎に分けてバスバ７ａ，７ｂに並列に接続している。

そして、大容量のコンデンサＣｌがまとめて並列接続されたバスバ７ａ，７ｂの一端側をインバータ３に接続し、小容量のコンデンサＣｓがまとめて並列接続されたバスバ７ａ，７ｂの他端側をＤＣＤＣコンバータ５に接続している。

なお、不図示の高電圧バッテリは、コンデンサモジュール７の各バスバ７ａ，７ｂの中点付近に接続される。

このように構成されたコンデンサモジュール７では、インバータ３のスイッチング回路がＤＣＤＣコンバータ５よりも低周波でスイッチング動作した際に、コンデンサモジュール７のバスバ７ａ，７ｂのうち、高電圧バッテリが接続された中点付近からインバータ３に接続された一端側までの間を、高電圧バッテリの放電電流が流れる。

このため、インバータ３が低周波で動作している間は、コンデンサモジュール７のコンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓが、インバータ３が接続されたバスバ７ａ，７ｂの一端側にまとめて接続されている大容量のコンデンサＣｌから先に、高電圧バッテリの放電電流によって充放電される。

ここで、大容量のコンデンサＣｌは、自己共振周波数よりも低い周波数で充放電される。したがって、大容量のコンデンサＣｌは、Ｃ性となる容量性領域で使われることになる。よって、高電圧バッテリからの高電圧の直流電力は、十分な静電容量を持った大容量のコンデンサＣｌにより十分に平滑化されてインバータ３に供給される。

一方、ＤＣＤＣコンバータ５のスイッチング回路がインバータ３よりも高周波でスイッチング動作した際には、コンデンサモジュール７のバスバ７ａ，７ｂのうち、高電圧バッテリが接続された中点付近からＤＣＤＣコンバータ５に接続された他端側までの間を、高電圧バッテリの放電電流が流れる。

このため、ＤＣＤＣコンバータ５が高周波で動作している間は、コンデンサモジュール７のコンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓが、ＤＣＤＣコンバータ５が接続されたバスバ７ａ，７ｂの他端側にまとめて接続されている小容量のコンデンサＣｓから先に、高電圧バッテリの放電電流によって充放電される。

ここで、小容量のコンデンサＣｓは、大容量のコンデンサＣｌよりも高周波で充放電される。仮に、この充放電が小容量のコンデンサＣｓの自己共振周波数よりも高い周波数で行われると、小容量のコンデンサＣｓがＬ性となる誘導性領域で使われて、高電圧バッテリからの高電圧の直流電力が平滑化されずにＤＣＤＣコンバータ５に供給される可能性がある。

しかし、小容量のコンデンサＣｓは大容量のコンデンサＣｌよりも自己共振周波数が高いので、高電圧バッテリの放電電流によって高周波で充放電される際に、小容量のコンデンサＣｓは、Ｃ性となる容量性領域で使われる。

しかも、小容量のコンデンサＣｓはＤＣＤＣコンバータ５の動作に合わせて高周波で充放電されるので、大容量のコンデンサＣｌよりも静電容量が小さい小容量のコンデンサＣｓでも、高電圧バッテリからＤＣＤＣコンバータ５に供給される高電圧の直流電力を平滑化するには十分な静電容量を有している。

よって、高電圧バッテリからの高電圧の直流電力は、小容量のコンデンサＣｓにより十分に平滑化されてＤＣＤＣコンバータ５に供給される。

このように、高電圧バッテリからインバータ３やＤＣＤＣコンバータ５に供給される電力を、いずれもコンデンサモジュール７によって十分に平滑化できると、インバータ３やＤＣＤＣコンバータ５に入力側の平滑コンデンサを個別に持たせる必要がなくなる。

例えば、一般的なＬＬＣ方式のＤＣＤＣコンバータでは、図４の回路図に示すように、トランスＴの一次側に、入力側の平滑コンデンサＣ１、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子Ｑ１，Ｑ２（請求項中のスイッチ素子に相当）を用いたスイッチング回路Ｑ（請求項中のスイッチ回路部に相当）、共振コイル（共振Ｌ）Ｌ１、整流用ダイオードＤ１，Ｄ２等を含むＬＬＣ回路を設ける。そして、スイッチング回路Ｑをスイッチングさせることで、入力側の平滑コンデンサＣ１で平滑化された直流電力を交流に変換する。

一方、トランスＴの二次側では、トランスＴにより電圧変換した交流電力を整流用ダイオードＤ３，Ｄ４で直流に変換し、出力側の平滑コンデンサＣ２で平滑化した後に負荷等に出力する。

このＬＬＣ方式のＤＣＤＣコンバータでは、図５（ａ）の説明図に示すように、基板上のスイッチング回路Ｑの隣りに前段の入力側の平滑コンデンサＣ１を配置しなければならない。このため、半導体素子Ｑ１，Ｑ２のゲート（ベース）駆動回路Ｇ（請求項中の駆動回路部に相当）をスイッチング回路Ｑの隣りに配置できず、平滑コンデンサＣ１を跨いでゲート駆動回路Ｇをスイッチング回路Ｑに接続する必要がある。

この配置では、図５（ｃ）の等価回路図に配線抵抗Ｒ１と共に示す、ゲート駆動回路Ｇとスイッチング回路Ｑとの配線長に応じたインダクタンスＬ２により、半導体素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチングを繰り返す振動状態を起こす可能性がある。

一方、本実施形態のコンデンサモジュール７を、パワーコントロールユニット１のＤＣＤＣコンバータ５として用いると、図４の回路図に示す入力側の平滑コンデンサＣ１を、インバータ３の入力側の平滑コンデンサ（図示せず）と兼用にして省略することができる。

すると、図５（ｂ）の説明図に示すように、スイッチング回路Ｑとゲート駆動回路Ｇとを基板上に隣り合わせで配置することができる。この配置により、ゲート駆動回路Ｇとスイッチング回路Ｑとの配線長を短縮して図５（ｃ）のインダクタンスＬ２を減らし、半導体素子Ｑ１，Ｑ２が振動状態を起こしにくいようにすることができる。

以上に説明した本実施形態のパワーコントロールユニット１によれば、インバータ３とＤＣＤＣコンバータ５とに供給する高電圧バッテリの高電圧の直流電力を平滑化するコンデンサモジュール７に、静電容量の異なる大容量、中容量、低容量の各コンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓを、静電容量毎にまとめてそれぞれ複数設けてバスバ７ａ，７ｂに並列接続した。

そして、大容量のコンデンサＣｌがまとめて並列接続されたバスバ７ａ，７ｂの一端側をインバータ３に接続して、インバータ３がＤＣＤＣコンバータ５よりも低周波で動作する際には、コンデンサモジュール７における静電容量が大きい大容量のコンデンサＣｌが専ら、高電圧バッテリの放電電流により充放電されるようにした。

また、小容量のコンデンサＣｓがまとめて並列接続されたバスバ７ａ，７ｂの他端側をＤＣＤＣコンバータ５に接続して、ＤＣＤＣコンバータ５がインバータ３よりも高周波で動作する際には、コンデンサモジュール７における自己共振周波数が高い小容量のコンデンサＣｓが専ら、高電圧バッテリの放電電流により充放電されるようにした。

このため、インバータ３の動作時とＤＣＤＣコンバータ５の動作時とに、それぞれのスイッチング周波数に応じた静電容量を有し容量性領域で使われるコンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓが優先して充放電されるようにして、共通のコンデンサモジュール７からインバータ３とＤＣＤＣコンバータ５とにそれぞれ平滑化された電力を適切に供給することができる。

なお、ＤＣＤＣコンバータ５の各構成要素の基板上におけるレイアウトは、図５（ｂ）の説明図に示す例のレイアウトに限定されない。また、コンデンサモジュール７に設ける静電容量違いのコンデンサは、同数ずつであってもよく、静電容量毎に設ける数が異なっていてもよい。

さらに、本実施形態では、コンデンサモジュール７に大容量、中容量、小容量の３種類のコンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓを設けたが、コンデンサモジュール７に設ける静電容量違いのコンデンサは２種類でも４種類以上であってもよい。また、コンデンサモジュール７の各コンデンサＣｌ，Ｃｍ，Ｃｓの並列接続にはバスバ７ａ，７ｂ以外の結線部品を用いてもよい。

さらに、大容量のコンデンサＣｌはインバータ３の近くに配置しなくてもよく、小容量のコンデンサＣｓは、ＤＣＤＣコンバータ５の近くに配置しなくてもよい。その場合、インバータ３の動作時に専ら大容量のコンデンサＣｌが充放電され、かつ、ＤＣＤＣコンバータ５の動作時に専ら小容量のコンデンサＣｓが充放電される回路構成とすれば、共通のコンデンサモジュール７からインバータ３やＤＣＤＣコンバータ５への平滑化された電力の適切な供給を、より効率的に実現することができる。

そして、上述した実施形態では、インバータ３とＤＣＤＣコンバータ５とを有するパワーコントロールユニット１に本発明を適用したが、本発明は、互いに異なる周波数で動作する複数のスイッチング回路を有するパワーコントロールユニットに広く適用可能である。

本発明は、異なる周波数で動作する複数のスイッチング回路に平滑化された電力を供給するパワーコントロールユニットにおいて利用することができる。

１ パワーコントロールユニット
３ インバータ（第１スイッチング回路）
５ ＤＣＤＣコンバータ（第２スイッチング回路）
７ コンデンサモジュール
７ａ，７ｂ バスバ
Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｃｌ 大容量のコンデンサ（第１コンデンサ素子）
Ｃｍ 中容量のコンデンサ（第１コンデンサ素子）
Ｃｓ 小容量のコンデンサ（第２コンデンサ素子）
Ｄ１〜Ｄ４ 整流用ダイオード
Ｇ ゲート駆動回路（駆動回路部）
Ｌ２ インダクタンス
Ｑ スイッチング回路（スイッチ回路部）
Ｑ１，Ｑ２ 半導体素子（スイッチ素子）
Ｒ１ 配線抵抗
Ｔ トランス

Claims (5)

1. 第１スイッチング回路（３）と、
   前記第１スイッチング回路（３）よりも高周波で動作する第２スイッチング回路（５）と、
   コンデンサと寄生インダクタンスとの自己共振周波数が異なる複数種類のコンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ，Ｃｓ）を有し、前記第１スイッチング回路（３）及び前記第２スイッチング回路（５）に接続されたコンデンサモジュール（７）と、
   を備えるパワーコントロールユニット（１）。
2. 前記複数種類のコンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ，Ｃｓ）は、バスバ（７ａ，７ｂ）によって並列接続されている請求項１記載のパワーコントロールユニット（１）。
3. 前記複数種類のコンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ，Ｃｓ）は、第１コンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ）と、該第１コンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ）よりも静電容量が小さく前記自己共振周波数が高い第２コンデンサ素子（Ｃｓ）とを含み、該第２コンデンサ素子（Ｃｓ）は前記第１コンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ）よりも、前記コンデンサモジュール（７）における前記第２スイッチング回路（５）に近い箇所に配置されている請求項１又は２記載のパワーコントロールユニット（１）。
4. 前記第１スイッチング回路（３）はインバータであり、前記第２スイッチング回路（５）はＤＣＤＣコンバータである請求項１、２又は３記載のパワーコントロールユニット（１）。
5. 前記第１スイッチング回路（３）はインバータであり、前記第２スイッチング回路（５）はＤＣＤＣコンバータであり、該ＤＣＤＣコンバータ（５）は、スイッチ素子（Ｑ１，Ｑ２）を有するスイッチ回路部（Ｑ）と、前記スイッチ素子（Ｑ１，Ｑ２）に制御信号を出力する駆動回路部（Ｇ）とを有し、前記複数種類のコンデンサ素子（Ｃｌ，Ｃｍ，Ｃｓ）が並列接続されたバスバ（７ａ，７ｂ）の前記第２コンデンサ素子（Ｃｓ）が接続された箇所が前記スイッチ素子（Ｑ１，Ｑ２）に接続され、前記駆動回路部（Ｇ）が前記スイッチ回路部（Ｑ）に隣接して配置されている請求項３記載のパワーコントロールユニット（１）。

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