JP2020191763A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置外へのコモンモード電流の流出を抑制し、装置構成の簡易化及び小型化を図ることが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、金属製の筐体１０内に収容される回路基板５に、電力変換回路部２の少なくとも一部と、制御回路部３と、コンデンサ４１、４２を含むフィルタ回路４が搭載される。回路基板５は、筐体１０と一体の複数の基板支持部７に支持され、制御回路部３は、回路基板５の異なる領域に形成される複数の回路３１、３２に対応する複数のグランドパターンＧＰ１、ＧＰ２が、筐体グランド部ＧＮＤ１、ＧＮＤ２となる少なくとも１つの基板支持部１１とそれぞれ電気的接続されると共に、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１の筐体グランド面１２又はそれと電気的接続される接続導体部Ｍに個別に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両等に用いられる電力変換装置に関する。

電動車両において、車両搭載機器等の負荷へ電力を供給するための電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、コンバータやインバータ等の電力変換回路部を筐体内に収容した構成を有し、車両バッテリからの直流電力を負荷に適した電力に変換している。かかる電力変換装置において、スイッチング動作に伴うノイズ発生や外部からのノイズ侵入が課題となっている。一般的なノイズ対策としては、電力変換回路部の入力側又は出力側に、コンデンサやコイルを含むフィルタ回路が配置されて、ノイズによる影響を抑制している。

例えば、特許文献１に開示されるノイズフィルタは、インバータ及びコンバータを含む電力変換装置への入力電源ラインに、コモンモードチョークコイルを配置する一方、コモンモードチョークコイルと直列に接続したコンデンサを、出力電源ラインに配置した低インピーダンスのコモンモード電流抽出回路と接続してバイパス回路を形成している。さらに、スイッチング素子と冷却器との間の浮遊容量を通じてアースに流れる漏れ電流を抑制するために、接地した冷却器とバイパス路とを直接コンデンサで接続し、低インピーダンスのコモンモード電流抽出回路を通る経路へ、コモンモード電流が流れるように構成している。

特開２０１５−５３８３５号公報

特許文献１の構成では、コモンモード電流が接地電位の筐体を通り、電源側や負荷側に流れるのを抑制するために、筐体を経由しないバイパス回路を設けている。その場合には、装置各部を接続するバイパス回路に種々のフィルタ回路が追加された構成となり、部品点数が増加して、回路構成が複雑化又は装置が大型化しやすい。また、同じ回路基板上に、電力系回路と制御系回路が搭載される場合には、配線間の浮遊容量を通じて又は電界放射によって、コモンモード電流が制御系回路へ重畳される。その場合には、制御系回路の信号経路からコモンモード電流が外部へ流出するおそれがあった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、装置外へのコモンモード電流の流出を抑制し、かつ、装置構成の簡易化及び小型化を図ることが可能な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
金属製の筐体（１０）内に収容される回路基板（５）に、電力線（Ｌｐ、Ｌｎ）に接続される電力変換回路部（２）の少なくとも一部と、上記電力変換回路部の電力変換動作を制御する制御回路部（３）と、上記筐体に電気的接続されたコンデンサ（４１、４２）を含むフィルタ回路（４）とが搭載された電力変換装置（１）であって、
上記回路基板は、上記筐体と一体的に形成される複数の基板支持部（１１）に支持され、
上記制御回路部は、上記回路基板の異なる領域に形成される複数の回路（３１、３２）と、複数の上記回路にそれぞれ対応する複数のグランドパターン（ＧＰ１、ＧＰ２）を有しており、
複数の上記グランドパターンは、筐体グランド部（ＧＮＤ１、ＧＮＤ２）となる少なくとも１つの上記基板支持部とそれぞれ電気的接続されると共に、複数の上記グランドパターンに共通の筐体グランド部（ＧＮＤ１）を有し、各グランドパターンは、共通の上記筐体グランド部の筐体グランド面（１２）又は上記筐体グランド面と電気的接続される接続導体部（Ｍ）に個別に接続される、電力変換装置にある。

上記構成において、回路基板は、複数の基板支持部に支持されており、制御回路の複数の回路のグランドパターンは、それぞれ筐体グランド部を兼ねる基板支持部を介して筐体と電気的に接続される。このとき、回路基板上には、電力系回路と制御系回路が混在しており、電力変換動作に伴うコモンモードノイズが、制御回路部に重畳されるおそれがあるが、制御回路部の複数の回路を個別に筐体グランド部に接続すると共に、共通の筐体グランド部を設けて、コモンモードノイズが筐体からフィルタ回路側へ回収されるようにしている。その際、複数の回路のグランドパターンは、共通の筐体グランド面又は接続導体部まで個別に接続されるので、筐体への電流経路の共通インピーダンスを低減することができる。

これにより、コモンモード電流が筐体グランド部を介して筐体へ流れやすくなり、制御回路部の信号経路を介して、外部へ流出するのを抑制することができる。したがって、回路構成の変更や部品点数の増加を抑制しながら、コモンモードノイズが低減できるので、装置全体をコンパクトにすることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、装置外へのコモンモード電流の流出を抑制し、かつ、装置構成の簡易化及び小型化を図ることが可能な電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の概略構成を模式的に示す板厚方向の断面図。 実施形態１における、電力変換装置の主要部構成を模式的に示す板厚方向の断面図。 実施形態１における、電力変換装置の全体概略構成と回路構成を示すブロック図。 実施形態１における、電力変換装置を構成するフィルタ回路の回路図。 実施形態１における、電力変換装置の回路基板に搭載される回路と筐体グランドの配置例を示す板面方向の断面図。 実施形態１における、電力変換装置の筐体に収容される回路基板と筐体グランドの配置例を示す模式的な断面図。 実施形態１における、電力変換装置の構成における作用効果を、共通の筐体グランド部を有しない構成と比較して示す模式的な断面図。 実施形態１における、電力変換装置の回路基板に生じるコモンモード電流の流れを説明するための板面方向の断面図。 実施形態１における、電力変換装置の回路基板に生じるコモンモード電流の回収経路を説明するための板面方向の断面図。 実施形態１における、電力変換装置の回路基板の構成例と、筐体グランド部への支持構造例を示す部分拡大断面図。 実施形態２における、電力変換装置の概略構成を模式的に示す板面方向及び板厚方向の断面図。 実施形態２の変形例における、電力変換装置の概略構成を模式的に示す板厚方向の断面図。 実施形態３における、電力変換装置の概略構成を模式的に示す板面方向及び板厚方向の断面図。

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態１について、図１〜図１０を参照して説明する。
本形態の電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の電動車両に搭載される車載用電力変換装置として構成される。
図１に模式的に示すように、電力変換装置１は、金属製の筐体１０と、筐体１０内に収容される、電力変換回路部２と、制御回路部３と、フィルタ回路４と、これら回路が搭載される回路基板５とを有する。電力変換回路部２には、電力線である正極線Ｌｐ及び負極線Ｌｎが接続され、制御回路部３によって、電力変換回路部２の電力変換動作が制御される。電力変換回路部２は、その少なくとも一部の回路部２１が、回路基板５に搭載されている。フィルタ回路４は、筐体１０に電気的に接続されたコンデンサであるコモンモードコンデンサ４１、４２を含む。

回路基板５は、筐体１０と一体的に形成される複数の基板支持部１１に支持され、複数の基板支持部１１は、接地電位となる筐体１０と同電位の筐体グランド部ＧＮＤ（例えば、ＧＮＤ１〜ＧＮＤ３）を構成する。複数の基板支持部１１、すなわち、複数の筐体グランド部ＧＮＤの数や配置は、回路配置等に対応させて、任意に設定することができる。

制御回路部３は、回路基板５の異なる領域に形成される複数の回路となる外部接続回路３１及び主制御回路３２と、これら回路３１、３２にそれぞれ対応する複数のグランドパターンＧＰ（例えば、ＧＰ１、ＧＰ２）とを有する。複数のグランドパターンＧＰは、複数の基板支持部１１のうち少なくとも１つに電気的に接続される。ここでは、一例として、２つの回路３１、３２に対応する２つのグランドパターンＧＰ１、ＧＰ２を図示しているが、３つないしそれ以上の回路又はグランドパターンＧＰを含む構成であってもよく、任意に設定することができる。

ここでは、外部接続回路３１及び主制御回路３２のグランドパターンＧＰ１、ＧＰ２は、それぞれ、筐体グランド部ＧＮＤ１、ＧＮＤ２に接続されており、さらに、そのうちの１つを共通の筐体グランド部ＧＮＤ１としている。共通の筐体グランド部ＧＮＤ１には、筐体グランド面１２が設けられ、複数のグランドパターンＧＰ１、ＧＰ２が、筐体グランド面１２の面内まで、又は、筐体グランド面１２と電気的に接続される接続導体部Ｍに、個別に接続される。

図２に示すように、制御回路部３は、例えば、回路基板５の異なる表面５１、５２に、外部接続回路３１と主制御回路３２とがそれぞれ配置される構成とすることができる。このとき、回路基板５の板厚方向Ｘにおいて、外部接続回路３１の形成領域Ｒ１と主制御回路３２の形成領域Ｒ２の一部が絶縁層５Ａを介して重なる、重なり領域Ｒが形成される。
なお、図１、図２において、回路基板５の板厚方向Ｘと直交する方向、すなわち、回路基板５の板面と平行な方向を、以降、板面方向Ｙと称する。
また、電力変換装置１は、便宜的に、図２における回路基板５の筐体グランド部ＧＮＤ側を下側、その反対側を上側と称し、載置面となる表面５２を基板層の最下層と称する。

好適には、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１は、重なり領域Ｒの内側に配置されるか又は近接配置される。板厚方向Ｘにおいて、複数のグランドパターンＧＰ１、ＧＰ２は、絶縁層５Ａを介して対向する位置にあり、筐体グランド面１２に直接接続されるか、又は、絶縁層５Ａに埋設される接続導体部Ｍを介して接続される。
この構成の詳細と作用効果については、後述する。

基板支持部１１は、回路基板と平行な筐体の第１壁部である底壁１０Ａから、板厚方向Ｘに突出するように設けられる。基板支持部１１は、突出端側に筐体グランド面１２が設けられる柱状体又はブロック体であり、筐体グランド面１２に回路基板５が取り付けられて、複数のグランドパターンＧＰ１、ＧＰ２が筐体グランド面１２に電気的に接続される。

次に、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての電力変換装置１の各部構成について、詳述する。
図３に示すように、電力変換回路部２は、複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６を備えており、これらスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、電力供給のための正極線Ｌｐ又は負極線Ｌｎに、又は、出力線である正極側出力線Ｌ１又は負極側出力線Ｌ２に接続される。正極線Ｌｐ、負極線Ｌｎは、高圧バッテリＢＨの正極端子、負極端子にそれぞれ接続され、出力線Ｌ１、Ｌ２は、補機バッテリＢＬの正極端子、負極端子にそれぞれ接続される。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、スイッチングモジュールＳＭとして、筐体１０内に収容される。

電力変換装置１は、車両用の高圧バッテリＢＨ（例えば、２８８Ｖ）と、車載機器用の補機バッテリＢＬ（例えば、１４Ｖ）との間に配置されており、高圧電圧を補機用に降圧するＤＣ−ＤＣコンバータとして用いられる。
制御回路部３は、電力変換回路部２における電力変換動作を制御して、補機バッテリＢＬを所定の電圧に維持する。制御回路部３には、外部からの信号が入力する信号線Ｌｓが外部接続端子６を介して接続されており、例えば、車両側の電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）からの制御指令や、図示しない電圧センサ又は電流センサからの検出信号等が入力するようになっている。

電力変換回路部２は、一次コイルＴ１と二次コイルＴ２とからなるトランスＴと、トランスＴの一次側スイッチング回路を構成するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４と、二次側スイッチング回路を構成するスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ６とを備える。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６としては、ＭＯＳＦＥＴ（すなわち、電界効果トランジスタ）の他に、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電力用半導体スイッチング素子を用いることもできる。

一次側スイッチング回路は、相補的に動作するスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の直列接続体と、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４の直列接続体とを有し、これら２組の直列接続体は、正極線Ｌｐと負極線Ｌｎの間に、互いに並列に配置されている。２組の直列接続体は、それぞれ上アーム素子となるスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３のドレイン端子が、正極線Ｌｐに接続されると共に、下アーム素子となるスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４のソース端子が、負極線Ｌｎに接続される。

上アーム素子は、電力変換を行うメインスイッチであり、下アーム素子は、同期整流スイッチであって、交互にオンオフする。また、スイッチング素子ＳＷ１のソース端子とＳＷ２のドレイン端子との接続点が、一次コイルＴ１の一端側に接続されると共に、スイッチング素子ＳＷ３のソース端子とスイッチング素子ＳＷ４のドレイン端子との接続点が、一次コイルＴ１の他端側に接続される。

このとき、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４がオン状態（すなわち、開状態）となることにより、スイッチング素子ＳＷ１から一次コイルＴ１を経由してスイッチング素子ＳＷ４を通る電流が流れる。次いで、これらスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４がオフ状態（すなわち、閉状態）となり、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ３がオン状態（すなわち、開状態）となると、スイッチング素子ＳＷ３から一次コイルＴ１を経由してスイッチング素子ＳＷ２を通り、逆向きの電流が流れる。

二次コイルＴ２は、中間タップＴ３を有する構造で、中間タップＴ３から引き出される負極側出力線Ｌ２が、補機バッテリＢＬの負極端子に接続されている。二次側スイッチング回路は、スイッチング素子ＳＷ５が、二次コイル６２の一端側と正極側出力線Ｌ１との間に接続されると共に、スイッチング素子ＳＷ６が、二次コイル６２の他端側と正極側出力線Ｌ１との間に接続されている。正極側出力線Ｌ１には、スイッチング素子ＳＷ５とスイッチング素子ＳＷ６との接続点よりも補機バッテリＢＬ側に、リアクトルＬが配置されると共に、リアクトルＬと補機バッテリＢＬとの間において、正極側出力線Ｌ１と負極側出力線Ｌ２との間に、平滑コンデンサＣが接続される。

これにより、一次コイルＴ１を流れる一次電流の通電時には、リアクトルＬを通り、平滑コンデンサＣを介して補機バッテリＢＬへ充電される。また、一次コイルＴ１を流れる一次電流の遮断時には、一次コイルＴ１を流れる一次電流の通電によりリアクトルＬへ蓄積されたエネルギが、平滑コンデンサＣを介して補機バッテリＢＬへ放出される。その際に、一次コイルＴ１と二次コイルＴ２の巻数比を適切に設定することによって、高圧バッテリＢＨの高電圧（例えば、２８８Ｖ）が、車載補機に適した電圧に降圧されて、補機バッテリＢＬを充電する（例えば、１４Ｖ）。

図４に示すように、フィルタ回路４は、コモンモードノイズフィルタとして構成されており、コモンモードコイル４３とその両端側に配置されるコモンモードコンデンサ４１、４２とを有する。コモンモードコイル４３は、正極線Ｌｐ及び負極線Ｌｎにそれぞれ挿入された２つのコイルが図示しないコアに巻かれた構成を有し、同方向に流れるコモンモード電流に対しインダクタとして機能して、コモンモードノイズを除去する。

コモンモードコンデンサ４１、４２は、それぞれ、直列接続された複数のコンデンサ４１ａ、４２ａからなり、コモンモードコイル４１の高圧バッテリＢＨ側又は電力変換回路部２側において、正極線Ｌｐと負極線Ｌｎの間に接続される。コモンモードコンデンサ４１、４２は、それぞれ、直列接続体の中間点が接地線４４を介して筐体グランド部ＧＮＤ３へ接続され、正極線Ｌｐ又は負極線Ｌｎに侵入するコモンモードノイズを、基板支持部１１から筐体１０側へバイパスして逃がすことができる（例えば、図１参照）。
なお、コモンモードコンデンサ４１、４２を構成する複数のコンデンサ４１ａ、４２ａの数は、任意に設定することができる。

図５、図６に装置構成例を示すように、筐体１０は偏平な矩形容器状で、第１壁部となる底壁１０Ａと、第２壁部となる側壁１０Ｂと、頂壁１０Ｃからなる。筐体１０の内部には、装置構成部品が収容される密閉された収容空間が形成される。この収容空間には、底壁１０Ａと頂壁１０Ｃとの間を区画するように、回路基板５が配置されており、電力変換回路部２、制御回路部３及びフィルタ回路４を構成する配線パターンが形成されると共に、回路を構成する電子部品等（図略）が搭載されている。

図５において、筐体１０は概略長方形の外形を有し、短辺となる側壁１０Ｂには、外部の高圧バッテリＢＨ（図略）に接続される高圧ケーブル１３が取り付けられる。筐体１０の内部において、高圧ケーブル１３は、図示しない端子台等を介して、フィルタ回路４へ接続されており、高圧ケーブル１３の延長線上を板面方向Ｙに延びる正極線Ｌｐ、負極線Ｌｎから、電力変換回路部２へ高圧直流電力を供給する。

筐体１０の長辺となる側壁１０Ｂには、高圧ケーブル１３側の角部の近傍に外部接続端子６が設置され、外部のＥＣＵ（図略）に接続される信号ケーブル１４が取り付けられる。外部接続端子６から筐体１０内に延びる信号線Ｌｓは、例えば、信号ワイヤハーネスとして構成され、その延出端に配置されるコネクタとしての信号コネクタ３３が、外部接続回路３１に接続されて、主制御回路３２に入出力される信号を伝送する。

外部接続回路３１は、外部接続端子６と主制御回路３２との間に配置されて、外部から信号コネクタ３３を介して入力される信号を処理する信号処理回路として構成することができる。信号処理回路は、例えば、サージ吸収用のフィルタ回路等を備える構成とすることができ、外部接続端子６を介して信号線Ｌｓに重畳されるサージ電圧を吸収し、サージ電圧による電圧変動が主制御回路３２に入力されないようにしている。

また、主制御回路３２は、例えば、演算処理を行うＣＰＵやプログラムを格納するメモリを有するマイコン、制御用電源回路等を備えることができ、低圧バッテリＢＬが目標電圧となるように、電力変換回路部２のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６を駆動するための制御信号を生成する。

回路基板５には、信号ケーブル１４が取り付けられる長辺側の側壁１０Ｂに近接して、制御回路部３の外部接続回路３１、主制御回路３２が配置され、高圧ケーブル１３が取り付けられる短辺側の側壁１０Ｂに近い角部に、外部接続回路３１の搭載領域Ｒ１が設けられる。角部から離れた長辺側の側壁１０Ｂに沿う領域は、主制御回路３２の搭載領域Ｒ２となり、短辺側の側壁１０Ｂにおいて、外部接続回路３１に隣接する領域は、フィルタ回路４の搭載領域Ｒ３となっている。高圧ケーブル１３の延出方向において、搭載領域Ｒ３に続く領域には、電力変換回路部２の一次側又は二次側の回路部２１（例えば、図１参照）が配置される。

このように、外部接続回路３１及び信号コネクタ３３を外部接続端子６の近傍に配置されると、装置の小型化の点で有利であり、信号線Ｌｓが短くなることで、信号線Ｌｓに重畳される放射ノイズを低減できる。
このとき、外部接続回路３１の信号コネクタ３３は、回路基板５の頂壁１０Ｃ側の表面５１に載置され、外部接続回路３１は、回路基板５の底壁１０Ａ側の表面５２を、主たる搭載領域Ｒ１としている。制御回路部３の主制御回路３２、フィルタ回路４は、回路基板５の頂壁１０Ｃ側の表面５１に配置される。

図６において、回路基板５は、筐体１０の底壁１０Ａと平行に配置され、底壁１０Ａに突設された複数の基板支持部１１に、締結ボルト７を用いて支持固定される。基板支持部１１は、底壁１０Ａと一体的に設けられ、頂壁１０Ｃへ向けて板厚方向Ｘに延びる柱状体又はブロック体とすることができる。ここでは、例えば、頂壁１０Ｃ側に開口する取付穴７１を有する円柱体状としてあり、取付穴７１の内周にはネジ部が形成される。これにより、回路基板５を基板支持部１１に載置し、取付穴７１の対向位置に設けたスルーホールＴＨを介して取付穴７１に挿通された締結ボルト７を螺合させることで、回路基板５を筐体１０に固定することができる。

なお、回路部品の一部は、回路基板５と底壁１０Ａの間の空間に収容されてもよく、例えば、電力変換回路部２を構成するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、スイッチングモジュールＳＭを構成して底壁１０Ａに載置される。スイッチングモジュールＳＭは、回路基板５上に配置される電力変換回路部２の一次側又は二次側の回路部２１と、図示しない配線モジュール等により接続される（例えば、図１参照）。

筐体１０は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属製であり、図示しない車体と電気的に接触して接地電位となっている。複数の基板支持部１１は、底壁１０Ａと一体的に設けられて、筐体１０と同電位となっており、回路のグランドパターンＧＰと接続されることより、筐体グランド部ＧＮＤとして機能する。図５中には、外部接続回路３１に対応する筐体グランド部ＧＮＤ１、主制御回路３２に対応する筐体グランド部ＧＮＤ２、フィルタ回路４に対応する筐体グランド部ＧＮＤ３となる基板支持部１１の配置例を示しており、それぞれ対応する回路の搭載領域Ｒ１〜Ｒ３内に配置される。

このように、回路基板５に搭載される各回路の搭載領域Ｒ１〜Ｒ３に対して、少なくとも１つの筐体グランド部ＧＮＤ（例えば、ＧＮＤ１〜ＧＮＤ３）が配設されて、各回路と個別に接続される。さらに、制御回路部３に対応する複数の筐体グランド部ＧＮＤ１、ＧＮＤ２は、少なくとも１つが、共通の筐体グランド部ＧＮＤとなるように構成される。筐体グランド部ＧＮＤ１〜ＧＮＤ３は、例えば、側壁１０Ｂに近接して配置される。
なお、図示される筐体グランド部ＧＮＤ１〜ＧＮＤ３の配置は一例であり、適宜変更することができる。また、回路基板５の回路構成や配置等に対応させて、図示される以外の任意の位置に、基板支持部１１を設けることができる。

ここで、図７上図に示すように、外部接続回路３１は、回路基板５の下側の表面５２に主として搭載されており、回路基板５の上側の表面５１に搭載される主制御回路３２と、搭載領域Ｒ１、Ｒ２の一部が回路基板５の板厚方向Ｘにおいて重なる、重なり領域Ｒを有する配置となっている。このとき、重なり領域Ｒに配置又は近接配置される外部接続回路３１の筐体グランド部ＧＮＤ１を、さらに、外部接続回路３１のグランドパターンＧＰ１と主制御回路３２のグランドパターンＧＰ２の両方に接続し、低インピーダンスの共通の筐体グランド部ＧＮＤ１として機能させることが望ましい。

回路基板５は、外部接続回路３１が搭載される表面５２が、筐体グランド部ＧＮＤ１、ＧＮＤ２の突出端面となる筐体グランド面１２に接して配置される。このとき、外部接続回路３１のグランドパターンＧＰ１は、筐体グランド部ＧＮＤ１の筐体グランド面１２に直接接続される。一方、主制御回路３２が搭載される表面５１は、回路基板５の基体となる絶縁層５Ａを挟んで、筐体グランド面１２と対向する配置となっている。主制御回路３２のグランドパターンＧＰ２は、絶縁層５Ａを貫通して配置される接続導体部Ｍを介して、筐体グランド面１２に直接接続されるか、筐体グランド面１２に配置されるグランドパターンＧＰ１を介して、筐体グランド面１２に電気的に接続することができる。

図７下図に示すように、筐体グランド部ＧＮＤ１を共通としない構成においても、グランドパターンＧＰ１、ＧＰ２が、回路基板５上において分離され、筐体グランド部ＧＮＤ１、ＧＮＤ２にそれぞれ個別に接続されることで、互いの電圧変動の影響を抑制している。例えば、外部からの印加サージに対しては、信号線Ｌｓが接続される外部接続回路３１における電圧変動が、主制御回路３２に直接伝達されるのを抑制可能となる。ただし、電力変換回路部２のスイッチング動作に伴って発生する高周波のコモンモードノイズが、主制御回路３２に重畳し、信号コネクタ３３の近傍の重なり領域Ｒまで伝達した場合には、グランドパターンＧＰ２からコモンモードノイズが信号線Ｌｓへ伝達され、外部へ流出しやすくなる。

図８に示すように、高圧ケーブル１３から入力される高圧電力により電力変換回路部２にて電力変換を実施する際には（電流経路を実線矢印ａで示す）、スイッチング動作等に伴うコモンモードノイズが発生する。その際には、通常、高圧ケーブル１３と電力変換回路部２の間に、コモンモードコンデンサ４１、４２を有するフィルタ回路４が設置されることで（例えば、図１参照）、筐体グランド部ＧＮＤ３から回収される。ただし、回路基板５上において電力変換回路部２の回路部２１の近くに配置される制御回路部３に、高周波のコモンモードノイズが重畳されると、回路基板５から信号線Ｌｓを通って外部へ流出するおそれがあった（点線矢印ｂ）。

また、制御回路部３の構成にて、信号伝送用の外部接続端子６へ重畳するサージ電圧を吸収するために、コネクタ３３の直近に、フィルタ回路を有する外部接続回路３１を配置して、筐体グランド部ＧＮＤ１に接続している。この構成では、電圧変動が主制御回路３１へ向かわないように、筐体グランド部ＧＮＤ２との接続を避けるように構成される。その場合に、上述のコモンモードノイズが主制御回路３に重畳されると、グランドパターンＧＰ２を通って、コネクタ３３の近傍の重なり領域Ｒへ伝達される。さらに浮遊容量を介して外部接続回路３１に接続される信号線Ｌｓを通り、外部接続端子６から外部へ流出されやすくなる（点線矢印ｃ）。

そこで本形態では、図９に示すように、外部接続端子６の直近となる重なり領域Ｒの近傍に、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１を設けて、グランドパターンＧＰ２とグランドパターンＧＰ１の両方を接続する。これにより、重なり領域Ｒへ伝達されるコモンモードノイズを、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１から吸収可能となる（点線矢印ｄ）。吸収されたコモンモードノイズは、電力変換回路部２側の筐体１０から筐体グランド部ＧＮＤ３へ帰還するコモンモードノイズと同様に（実線矢印ｅ）、筐体グランド部ＧＮＤ３から回収される。
このようにして、制御回路部３へ重畳するコモンモードノイズを、筐体グランド部ＧＮＤ１からも筐体１０へ吸収することができ、外部への流出を抑制することができる。

また、主制御回路３２のグランドパターンＧＰ２と外部接続回路３１のグランドパターンＧＰ１は、筐体グランド部ＧＮＤ１の筐体グランド面１２と接触する基板最下層のパターン部のみ共通となる構成とすることで（例えば、図２参照）、共通インピーダンスを低減することができる。このとき、サージ電圧による電圧変動がグランドパターンＧＰ１に生じても、グランドパターンＧＰ２へ伝達されることなく筐体１０に吸収することができる。

このように、主制御回路３２のグランドパターンＧＰ２と外部接続回路３１のグランドパターンＧＰ１とを、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１に接続する際には、接続経路を極力短くすると共に、接続部から筐体グランド部ＧＮＤ１を介して筐体１０へ向かう経路の共通インピーダンスが極力小さくなる接続構造とすることが望ましい。

なお、筐体グランド部ＧＮＤ１への接続構造は、回路基板５の構成や、基板支持部１１への支持構造等に応じて、適宜設定することができる。
例えば、基板最下層に位置するグランドパターンＧＰ１と、接続導体部Ｍを介したグランドパターンＧＰ２との接続位置は、必ずしも筐体グランド面１２の面内でなくてもよい。すなわち、筐体グランド部ＧＮＤ１の外径よりも外側において、接続導体部ＭがグランドパターンＧＰ１に接続される構成とすることもできる。その場合には、例えば、接続位置を、筐体グランド部ＧＮＤ１と筐体グランド部ＧＮＤ２との間の距離の１／２よりも筐体グランド部ＧＮＤ１側とするとよい。

具体的には、図１０上図に示すように、回路基板５が両面基板である場合には、絶縁層５Ａを挟んで両面に形成される導電層５Ｂにて、外部接続回路３１のグランドパターンＧＰ１、主制御回路３２のグランドパターンＧＰ２が形成される。回路基板５には、筐体グランド部ＧＮＤ１に対応する位置に、スルーホールＴＨが形成されると共に、スルーホールＴＨの内周側に接続導体部Ｍとなる筒状導電体Ｍ１が嵌着される。筒状導電体Ｍ１は、スルーホールＴＨの内周面に沿う筒状部とスルーホールＴＨの両端外周縁から外方に張り出すフランジ部Ｍ２を有する形状であり、両端のフランジ部Ｍ２にて、グランドパターンＧＰ１、ＧＰ２とそれぞれ接続される。

スルーホールＴＨに連続する筐体グランド部ＧＮＤ１の取付穴１には、締結ボルト７（例えば、図６参照）が挿通されて、回路基板５が、筐体グランド面１２に固定される。このとき、グランドパターンＧＰ１は、回路基板５の表面５２側のフランジ部Ｍ２を介して、又は、図示するように、筐体グランド部ＧＮＤ１の筐体グランド面１２に直接接続される。一方、グランドパターンＧＰ２は、回路基板５の表面５１側のフランジ部Ｍ２及び筒状部Ｍ１を介して、筐体グランド部ＧＮＤ１の筐体グランド面１２に接続される。このように、グランドパターンＧＰ１、ＧＰ２が、それぞれ筐体グランド面１２に接続されることで、共通インピーダンスを低減する効果が得られる。

また、図１０下図に示すように、回路基板５が多層基板であってもよく、例えば、コアとなる絶縁層５Ａを挟んで両側に、導電層５Ｂと絶縁層５Ａが交互に配置される構成を有する。その場合にも、例えば、最表面となる表面５１又は表面５２において、接続導体部Ｍとなる筒状導電体Ｍ１のフランジ部Ｍ２と、グランドパターンＧＰ１、ＧＰ２とが、それぞれ接続される構成とすることができる。

このとき、多層基板は、筐体グランド部ＧＮＤ１側の最下層を接続部とする必要はなく、例えば、多層基板の内層に位置する導電層５Ｂ１を、グランドパターンＧＰ１として、筒状導電体Ｍ１の内層に位置するフランジ部Ｍ２１と接続される構成であってもよい。この場合も、筒状導電体Ｍ１を介して筐体グランド面１２へ接続される経路は、共通インピーダンス部ができるだけ小さくなる構成であることが望ましい。好適には、共通となる層が半数以下となるように、例えば、４層基板であれば、筐体グランド面１２側の２層以下、６層基板であれば、３層以下となるように接続されることで、同様の効果が得らえる。

以上のように、本形態の構成によれば、高圧電力が入力されるフィルタ回路４や電力変換回路部２と、信号が入力される制御回路部３が、回路基板５上に混在している構成においても、制御回路部３に重畳されるコモンモードノイズを、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１から、筐体１０に吸収することができる。したがって、回路基板５のレイアウトや装置構成を変更したり、部品点数を増加させたりすることなく、コモンモードノイズが信号線Ｌｓから外部に流出するのを抑制することができる。

（実施形態２）
電力変換装置に係る実施形態２について、図１１を参照して説明する。
上記実施形態１では、複数の基板支持部１１を、いずれも、取付穴７１を有する円柱体状に構成したが、異なる形状としてもよい。例えば、少なくとも共通の筐体グランド部ＧＮＤ１となる基板支持部１１を、角柱体状又はブロック体状として、筐体グランド面１２をより大きくした構成としてもよい。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１１に示す実施形態２では、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１を、直方体形状のブロック体にて構成し、その角部の１つに締結ボルト７が螺合される取付穴７１（図略）を配置している。締結ボルト７及び取付穴７１の位置は、上記実施形態１と同様とすることができ（例えば、図６参照）、筐体グランド面１２は、締結ボルト７の位置から信号コネクタ３３側へ延長されて、コネクタ３３の下面全体を覆う長方体形状をなしており、信号コネクタ３３は、この筐体グランド面１２上に支持される。

これにより、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１において、筐体グランド面１２の面積は、円柱体状の他の筐体グランド部ＧＮＤよりも大きくなる。回路基板５の最下層に位置するグランドパターンＧＰ１は、例えば、締結ボルト７側から信号コネクタ３３の下面側を覆って側壁１０Ｂ側へ延出するように配置されており、筐体グランド面１２と接する面積も大きくなっている。共通の筐体グランド部ＧＮＤ１以外の筐体グランド部ＧＮＤの形状や配置、回路基板５に搭載される回路構成や配置は、上記実施形態と同様とすることができ、説明を省略する。

本形態の構成によれば、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１が、面積の大きな筐体グランド面１２を有するので、回路基板５から筐体１０へ流れるコモンモードノイズの経路のインピーダンスを低減することができる。また、信号コネクタ３３から流出するコモンモードノイズの経路に近接して、筐体グランド面１２が配置されるので、浮遊容量を介して筐体１０にコモンモードノイズが流れることで、コモンモードノイズをより低減可能となる。したがって、信号コネクタ３３から信号線Ｌｓを介してコモンモードノイズが外部へ流出するのを抑制する効果を高めることができる。

このとき、図１２に変形例として示すように、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１に接するグランドパターンＧＰ１が、筐体グランド面１２において、締結ボルト７の周辺に配置され、信号コネクタ３３の下面側へ延出して形成されない構成であってもよい。その場合においても、信号コネクタ３３の下面と、筐体グランド面１２とが対向する構成となっているので、浮遊容量を介してコモンモードノイズが流れることが可能になる。

（実施形態３）
電力変換装置に係る実施形態３について、図１３を参照して説明する。
本形態では、上記実施形態２と同様に、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１となる基板支持部１１を、直方体形状のブロック体にて構成して、信号コネクタ３３から信号線Ｌｓの下側へ延長し、さらに、延長方向の側壁１０Ｂに接続される構成としている。このとき、信号線Ｌｓが接続される長辺側の側壁１０Ｂだけでなく、これに続く短辺側の側壁１０Ｂへも接続されて、これら側壁１０Ｂのなす角部と一体的に、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１を配置することができる。筐体グランド面１２は、信号コネクタ３３及び信号線Ｌｓの下面全体を覆う長方体形状をなしており、信号コネクタ３３及び信号線Ｌｓは、この筐体グランド面１２上に支持される。

本形態の構成によれば、筐体グランド面１２がより大きな面積となり、信号コネクタ３３及び信号線Ｌｓの下面全体を覆っているので、筐体１０のインピーダンスがさらに低減する。また、信号コネクタ３３から信号線Ｌｓへ流出するコモンモードノイズの経路に近接することで、信号線Ｌｓから筐体１０へコモンモードノイズが流れやすくなる。さらに、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１が側壁１０Ｂと一体的に設けられることで、共通の筐体グランド部ＧＮＤ１と側壁１０Ｂとの間の空間が減少するためことにより、空間に放射されるコモンモードノイズからの影響も少なくなる。
これにより、コモンモードノイズをより低減して、信号線Ｌｓから外部への流出を抑制する効果を高めることが可能となる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、電力変換装置１の電力変換回路部２、制御回路部３、フィルタ回路４の回路構成は、上述したものに限らず、適宜変更することができる。筐体や回路基板の形状、その他の装置構成についても同様である。
また、電力変換装置１は、降圧用ＤＣ−ＤＣコンバータに限るものではなく、直流電力を交流電力に変換するインバータ、直流電力を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータ等に適用することもできる。さらに、電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両用に限るものではなく、任意の用途に使用することができる。

１ 電力変換装置
１０ 筐体
１１ 基板支持部
１２ 筐体グランド面
２ 電力変換回路部
３ 制御回路部
４ フィルタ回路
５ 回路基板
ＧＰ グランドパターン
ＧＮＤ１〜ＧＮＤ３ 筐体グランド部

Claims (8)

1. 金属製の筐体（１０）内に収容される回路基板（５）に、電力線（Ｌｐ、Ｌｎ）に接続される電力変換回路部（２）の少なくとも一部と、上記電力変換回路部の電力変換動作を制御する制御回路部（３）と、上記筐体に電気的接続されたコンデンサ（４１、４２）を含むフィルタ回路（４）とが搭載された電力変換装置（１）であって、
   上記回路基板は、上記筐体と一体的に形成される複数の基板支持部（１１）に支持され、
   上記制御回路部は、上記回路基板の異なる領域に形成される複数の回路（３１、３２）と、複数の上記回路にそれぞれ対応する複数のグランドパターン（ＧＰ１、ＧＰ２）を有しており、
   複数の上記グランドパターンは、筐体グランド部（ＧＮＤ１、ＧＮＤ２）となる少なくとも１つの上記基板支持部とそれぞれ電気的接続されると共に、複数の上記グランドパターンに共通の筐体グランド部（ＧＮＤ１）を有し、各グランドパターンは、共通の上記筐体グランド部の筐体グランド面（１２）又は上記筐体グランド面と電気的接続される接続導体部（Ｍ）に個別に接続される、電力変換装置。
2. 上記制御回路部は、複数の上記回路が、上記回路基板の異なる表面（５１、５２）に配置され、上記回路基板の板厚方向（Ｘ）において、複数の上記回路の形成領域（Ｒ１、Ｒ２）の一部が絶縁層（５Ａ）を介して重なる重なり領域（Ｒ）を有しており、上記重なり領域内に又は上記重なり領域に近接して、共通の上記筐体グランド部が配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記板厚方向において、複数の上記グランドパターンは、上記絶縁層を介して対向する位置にあり、上記筐体グランド面に直接又は上記絶縁層に埋設される上記接続導体部を介して接続される、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記基板支持部は、上記回路基板と平行な上記筐体の第１壁部（１０Ａ）から突出し、突出端側に上記筐体グランド面を有する柱状体又はブロック体であり、上記筐体グランド面に上記回路基板が載置されることにより、複数の上記グランドパターンが上記筐体グランド面に電気的接続される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 上記電力変換回路部は、上記電力線又は出力線（Ｌ１、Ｌ２）に接続される複数のスイッチング素子（ＳＷ１〜ＳＷ６）を備えており、
   上記制御回路部は、複数の上記回路として、信号伝達用の外部接続端子（６）に接続される外部接続回路（３１）と、上記スイッチング素子の制御信号を生成する主制御回路（３２）とを備えており、
   上記外部接続回路は、上記外部接続端子が取り付けられる上記筐体の第２壁部（１０Ｂ）に近接して配置されており、共通の上記筐体グランド部は、他の上記筐体グランド部よりも上記第２壁部に近い位置にある、請求項４に記載の電力変換装置。
6. 共通の上記筐体グランド部は、上記筐体グランド面の面積が、他の上記筐体グランド部よりも大きい、請求項５に記載の電力変換装置。
7. 上記外部接続回路は、コネクタ（３３）を介して上記外部接続端子と接続されており、
   上記コネクタは、共通の上記筐体グランド部の上記筐体グランド面に支持される、請求項６に記載の電力変換装置。
8. 上記外部接続回路は、コネクタ（３３）及び信号線（Ｌｓ）を介して上記外部接続端子と接続され、共通の上記筐体グランド部は、上記第１壁部及び上記第２壁部と一体的に設けられており、
   上記コネクタ及び上記信号線は、共通の上記筐体グランド部の上記筐体グランド面に支持される、請求項６に記載の電力変換装置。

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