JP2021005691A - フィルタユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】ノイズに対する減衰特性の低下を抑制すること。【解決手段】フィルタユニット30は、基板31と、基板31に実装されたコンデンサCと、2つのインダクタL1,L2と、を備える。インダクタL1,L2は、配線36と、コア50と、を備える。コア50は、2つのコア本体81,82を備える。コア本体81,82は、環状であり、配線孔83を備える。2つのコア本体81,82同士の間に各コンデンサCは位置している。対向部65は、2つのコア本体81,82のそれぞれからコンデンサCに向かい合う位置まで延びている。対向部65は、複数のコンデンサCの全てに向かい合っている。【選択図】図2

Description

本発明は、フィルタユニットに関する。
電子機器は、ノイズを減衰させるためのフィルタを備える。特許文献1に記載のフィルタは、インダクタと、コンデンサと、を備える。インダクタは、配線と、配線を囲むコアと、を備える。
特開2015−167154号公報
フィルタを小型化する場合、コンデンサがコアの近くに配置される。配線に電流が流れると、コアにはノイズに基づく磁界が生じる。コンデンサがその磁界の影響を受けると、フィルタの減衰特性が低下し得る。
本発明の目的は、ノイズに対する減衰特性の低下を抑制できるフィルタユニットを提供することにある。
上記課題を解決するフィルタユニットは、コンデンサと、配線とコアとを有するインダクタと、を備え、前記コアは、前記配線が通される環状のコア本体と、前記コア本体から前記コンデンサに向かい合う位置まで延びる対向部と、を備える。
コンデンサに向かい合うように対向部を設けることで、対向部を設けない場合に比べてコンデンサが設けられる位置の磁界の強さが弱くなるように磁界を誘導することができる。磁界によるコンデンサへの影響を抑制することで、フィルタユニットの減衰特性が低下することを抑制できる。
上記フィルタユニットについて、前記コンデンサが実装された基板を備え、前記対向部は、前記基板の厚み方向に前記コンデンサと向かい合っていてもよい。
上記フィルタユニットについて、前記基板は、前記コンデンサが接続されるパターンを備え、前記基板の厚み方向から見て、前記配線と、前記パターンとは交差していてもよい。
基板の厚み方向から見て、配線とパターンとを交差するように配置できるため、フィルタユニットの小型化が図られる。
上記フィルタユニットについて、前記コア本体を2つ備え、2つの前記コア本体同士の間に前記コンデンサが配置されていてもよい。
2つのコア本体同士の間を、コンデンサを配置するために用いることができる。従って、フィルタの小型化を図ることができる。
上記フィルタユニットについて、前記対向部は、2つの前記コア本体同士を連結していてもよい。
コンデンサが設けられる位置の磁界の強さが弱くなるように磁界を誘導しやすい。
本発明によれば、ノイズに対する減衰特性の低下を抑制できる。
車両に搭載された電力変換装置の概略構成図。 フィルタユニットの斜視図。 フィルタユニットの一部を破断して示す図2の3−3線断面図。 フィルタユニットの一部を破断して示す断面図。 コアの分解斜視図。 フィルタユニットを示す図2の6−6線断面図。 比較例のフィルタユニットの斜視図。 比較例のフィルタユニットの磁界分布のシミュレーション結果を示す模式図。 実施形態のフィルタユニットの磁界分布のシミュレーション結果を示す模式図。 実施形態のフィルタユニットの減衰特性と、比較例のフィルタユニットの減衰特性とを示す図。
以下、フィルタユニットの一実施形態について説明する。
図1に示すように、車両10は、バッテリ11と、電力変換装置12と、を備える。電力変換装置12は、DC/DCコンバータ13と、フィルタ20と、フィルタユニット30と、を備える。車両10は、電動機を駆動源とする電動車両や、ハイブリッド車両である。バッテリ11は、車両10に搭載される電動機の電力源として用いられる。バッテリ11としては、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素蓄電池等の充放電可能な蓄電装置が用いられる。電力変換装置12は、家庭内の負荷19に電気的に接続される。電力変換装置12は、家庭内の負荷19に電力を供給する。
DC/DCコンバータ13は、ブリッジ回路14と、トランス15と、整流回路16と、を備える。トランス15の1次側に設けられたブリッジ回路14は、4つのスイッチング素子Q1〜Q4を備える。2つのスイッチング素子Q1,Q2は互いに直列接続されている。2つのスイッチング素子Q3,Q4は互いに直列接続されている。
トランス15の2次側に設けられた整流回路16は、4つのダイオードD1〜D4を備える。2つのダイオードD1,D2は、互いに直列接続されている。2つのダイオードD3,D4は、互いに直列接続されている。
トランス15は1次側巻線17と、2次側巻線18と、を備える。1次側巻線17は、2つのスイッチング素子Q1,Q2同士の接続点と、2つのスイッチング素子Q3,Q4同士の接続点とに接続されている。2次側巻線18は、2つのダイオードD1,D2同士の接続点と、2つのダイオードD3,D4同士の接続点とに接続されている。
DC/DCコンバータ13では、スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング動作により、バッテリ11から入力された直流電力が降圧される。本実施形態において、スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数は、150kHz〜200kHzである。DC/DCコンバータ13は、降圧した直流電力をフィルタ20に出力する。なお、本実施形態では、フルブリッジ方式のDC/DCコンバータ13を用いているが、ハーフブリッジ方式等、どのような方式のDC/DCコンバータを用いてもよい。
フィルタ20は、平滑コイル21と、平滑コンデンサ22と、を備える。フィルタ20は、平滑コイル21と平滑コンデンサ22によって構成されるLCフィルタである。フィルタ20は、所望の周波数帯域のノイズを減衰させる。平滑コイル21は、整流回路16で整流されたリップルを含む出力電力を平滑する。
図1及び図2に示すように、フィルタユニット30は、基板31と、基板31に実装されたコンデンサCと、2つのインダクタL1,L2と、を備える。図示は省略するが、基板31には、DC/DCコンバータ13及びフィルタ20も実装されている。
図2及び図3に示すように、インダクタL1,L2は、電力ラインとなる配線36と、コア50と、を備える。基板31は、絶縁層32と、コンデンサCが接続されたパターン35と、パターン35と配線36とを接続するビア37と、を備える。絶縁層32の厚み方向の両面のうちの一方を第1面33、第1面33とは異なる面を第2面34とする。パターン35は、第1面33に設けられている。配線36は、第2面34に設けられている。基板31の厚み方向から見て、パターン35と配線36とは交差している。パターン35としては、例えば、銅箔が用いられる。配線36としては、バスバーが用いられている。コンデンサCは、半田等の接合材によってパターン35に接続されている。
図4に示すように、絶縁層32は、基板31の厚み方向に貫通する4つの孔41〜44を備える。基板31の厚み方向から見た場合に、基板31において、パターン35と配線36とが交差する位置を交差部Xとする。絶縁層32を基板31の厚み方向から見て、交差部Xの周囲はパターン35と配線36によって4つの領域A1,A2,A3,A4に仕切られている。4つの領域A1〜A4のそれぞれに、孔41〜44は1つずつ設けられている。4つの孔41〜44は、それぞれ、パターン35を間に挟んで隣り合う孔41〜44と、配線36を間に挟んで隣り合う孔41〜44とが存在するように配置されているといえる。以下の説明において、適宜、4つの孔41〜44のうちの1つを第1孔41、配線36を挟んで第1孔41に隣り合う孔42を第2孔42、パターン35を挟んで第1孔41に隣り合う孔43を第3孔43、配線36を挟んで第3孔43に隣り合う孔44を第4孔44とする。第1孔41の中心軸と第2孔42の中心軸との離間距離は、第3孔43の中心軸と第4孔44の中心軸との離間距離と同一である。第1孔41の中心軸と第3孔43の中心軸との離間距離は、第2孔42の中心軸と第4孔44の中心軸との離間距離と同一である。
コンデンサCは、2箇所に分かれて配置されている。コンデンサCは、第1孔41と第3孔43との間、及び第2孔42と第4孔44との間に配置されている。図4に示すように、コンデンサCは複数設けられているが、図1では複数のコンデンサCの合成容量を1つのコンデンサCとして示している。
図5に示すように、コア50は、2つに分割されている。コア50としては、金属磁性粉末をバインダとともに高圧プレス成型して作製されるダストコアが用いられる。なお、コア50としては、フェライトコア等、どのようなコアを用いてもよい。コア50は、第1コア51と、第2コア71と、を備える。第1コア51は、矩形板状の台座52と、台座52の四隅のそれぞれに設けられた脚部53〜56と、を備える。脚部53〜56は、柱状である。脚部53〜56は、台座52の厚み方向に突出している。脚部53〜56は、台座52から同一方向に突出している。以下の説明において、適宜、4つの脚部53〜56のうちの1つを第1脚部53、台座52の短手方向に第1脚部53と隣り合う脚部54を第2脚部54、台座52の長手方向に第1脚部53と隣り合う脚部55を第3脚部55、台座52の短手方向に第3脚部55と隣り合う脚部56を第4脚部56とする。第1脚部53の中心軸と第2脚部54の中心軸との離間距離は、第1孔41の中心軸と第2孔42の中心軸との離間距離と同一である。第1脚部53の中心軸と第3脚部55の中心軸との離間距離は、第1孔41の中心軸と第3孔43の中心軸との離間距離と同一である。
台座52において第1脚部53と第2脚部54とを連結する部分を第1連結部61とし、台座52において第3脚部55と第4脚部56とを連結する部分を第2連結部62とする。第1連結部61は、台座52において第1脚部53に向かい合う部分、第2脚部54に向かい合う部分、及び台座52において第1脚部53と第2脚部54との間の部分を含む。第2連結部62は、台座52において第3脚部55に向かい合う部分、第4脚部56に向かい合う部分、及び台座52において第3脚部55と第4脚部56との間の部分を含む。
台座52において第1脚部53と第3脚部55とを連結する部分を第3連結部63とし、台座52において第2脚部54と第4脚部56とを連結する部分を第4連結部64とする。第3連結部63は、台座52において第1脚部53に向かい合う部分、第3脚部55に向かい合う部分、及び台座52において第1脚部53と第3脚部55との間の部分を含む。第4連結部64は、台座52において第2脚部54に向かい合う部分、第4脚部56に向かい合う部分、及び台座52において第2脚部54と第4脚部56との間の部分を含む。第3連結部63は、台座52において第1脚部53に向かい合う部分を第1連結部61と共有している。第3連結部63は、台座52において第3脚部55に向かい合う部分を第2連結部62と共有している。第4連結部64は、台座52において第2脚部54に向かい合う部分を第1連結部61と共有している。第4連結部64は、台座52において第4脚部56に向かい合う部分を第2連結部62と共有している。
台座52において、第1連結部61と第2連結部62との間の部分を対向部65とすると、対向部65は第1連結部61と第2連結部62とを連結している。対向部65の一部は、第3連結部63及び第4連結部64の一部となっている。
第2コア71は、四角板状である。第2コア71は、第1コア51と重ねたときに4つの脚部53〜56の全てが接触できる大きさであればよい。本実施形態において、第2コア71の厚み方向の面は、台座52の厚み方向の面と同一形状である。
図4及び図6に示すように、第1コア51と第2コア71とは、台座52と第2コア71との間に基板31が位置するように配置されている。第1コア51は、台座52と第1面33とが向かい合うように配置されている。第2コア71は、第2面34に向かい合うように配置されている。第1コア51の各脚部53〜56は、各孔41〜44に挿入されている。第1脚部53は第1孔41、第2脚部54は第2孔42、第3脚部55は第3孔43、第4脚部56は第4孔44にそれぞれ挿入されている。各脚部53〜56は、絶縁層32を貫通している。各脚部53〜56は、第2コア71に接触している。詳細には、第1コア51の各脚部53〜56は、第2コア71の四隅に接触している。基板31を間に挟んで、第1コア51の全体に第2コア71は向かい合っている。
図2及び図6に示すように、各脚部53〜56が第2コア71に接触することで、コア50は、台座52、各脚部53〜56及び第2コア71によって構成される2つのコア本体81,82を備える。第1脚部53、第2脚部54、第1連結部61、及び第2コア71において基板31、第1脚部53及び第2脚部54を介して第1連結部61と向かい合う第1部位72によって1つのコア本体81が構成されている。第3脚部55、第4脚部56、第2連結部62、及び第2コア71において基板31、第3脚部55及び第4脚部56を介して第2連結部62に向かい合う第2部位73によって1つのコア本体82が構成されている。第1連結部61と第2連結部62とを連結する対向部65は、2つのコア本体81,82を連結しているといえる。また、第2コア71において第1部位72と第2部位73との間の第3部位74は、2つのコア本体81,82を連結しているといえる。
本実施形態において、2つのコア本体81,82は同一形状である。コア本体81,82は、環状であり、配線孔83を備える。配線孔83は、配線36が通される孔である。2つのコア本体81,82は、中心軸が同一方向を向くように配置されている。なお、ここでいう同一方向とは、公差の範囲内での若干の誤差を許容するものである。
配線36は、2つのコア本体81,82の配線孔83を直線状に通過している。コア50は、配線36を流れる電流によって発生する磁界に作用して、インダクタL1,L2を構成する。本実施形態では、配線36と2つのコア本体81,82のそれぞれによって2つのインダクタL1,L2が構成されていると捉えているが、配線36とコア50により1つのインダクタが構成されていると捉えることもできる。
2つのコア本体81,82同士の間に各コンデンサCは位置している。第1脚部53と第2脚部54との間、及び第3脚部55と第4脚部56との間にコンデンサCは位置している。対向部65は、基板31の厚み方向にコンデンサCと向かい合っている。なお、基板31の厚み方向は、絶縁層32とパターン35が重なる方向ともいえる。対向部65は、2つのコア本体81,82のそれぞれからコンデンサCに向かい合う位置まで延びている。対向部65は、複数のコンデンサCのうちの全てに向かい合っている。コンデンサCは、対向部65と基板31によって基板31の厚み方向から挟まれているといえる。
第2コア71の第3部位74は、2つのコア本体81,82のそれぞれから基板31を介してコンデンサCに向かい合う位置まで延びている。第2コア71の第3部位74は、基板31を介して複数のコンデンサCのうちの全てに向かい合っている。コンデンサCは、基板31の厚み方向から、対向部65と第3部位74によって挟まれているといえる。
図2及び図4に示すように、コア50は、台座52、各脚部53〜56及び第2コア71によって構成される2つの環状部91,92を備える。第1脚部53、第3脚部55、第3連結部63、及び第2コア71によって1つの環状部91が構成されている。第2脚部54、第4脚部56、第4連結部64、及び第2コア71によって1つの環状部92が構成されている。
環状部91,92は、接続孔93を備える。接続孔93は、パターン35が通される孔である。2つの環状部91,92は、中心軸が同一方向を向くように配置されている。なお、ここでいう同一方向とは、公差の範囲内での若干の誤差を許容するものである。環状部91,92の中心軸に沿う方向と、コア本体81,82の中心軸に沿う方向とは、互いに直交する。コア50は、インダクタL1,L2を構成するための配線36が通る配線孔83と、コンデンサCを接続するためのパターン35が通る接続孔93と、を備えているといえる。配線孔83の中心軸及び基板31の厚み方向に直交する方向の配線孔83の寸法は、接続孔93の中心軸及び基板31の厚み方向に直交する方向の接続孔93の寸法よりも短い。
フィルタユニット30は、フィルタ20から出力された直流電力に含まれるノイズを減衰させて出力する。本実施形態のフィルタユニット30は、スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数である150kHz〜200khz以下の周波数帯域、及びAM放送に用いられる周波数である500kHz以上の周波数帯域のノイズを減衰させる。フィルタユニット30から出力される電力は、家庭内の負荷19に供給される。
本実施形態の作用について説明する。
配線36と、その配線36を囲む環状のコア本体81,82とによってインダクタL1,L2が構成される。これらのインダクタL1,L2のインピーダンスは周波数が高くなるほど高い。このため、高周波のノイズがカットされる。
また、配線36に高周波のノイズ電流が流れると、コア50内にノイズ電流に対応した磁界が生じる。ノイズ電流は磁界に変換され、磁気損失として消費される。これにより、ノイズ電流が低減される。
図1に示すように、フィルタユニット30は、コンデンサCやパターン35に起因するインダクタンス成分L3を備える。磁界の影響によって、インダクタL1,L2とインダクタンス成分L3とが磁界結合すると、電圧が誘起される。この電圧の影響により、フィルタユニット30の減衰特性が低下する場合がある。本実施形態のフィルタユニット30は、磁界がコンデンサCに与える影響を抑制することで、インダクタL1,L2とインダクタンス成分L3との磁界結合を抑制している。以下、詳細に説明を行う。
まず、比較例のフィルタユニットについて説明する。比較例のフィルタユニットは、コアの形状が異なることを除いて、本実施形態のフィルタユニットと同一の構成を備える。
図7に示すように、比較例のフィルタユニット100は、コア101を備える。コア101は、環状のコア本体102,103を2つ備える。基板31の厚み方向にコンデンサCと向かい合う位置には、コア101が設けられていない。即ち、比較例のフィルタユニット100に用いられるコア101は、本実施形態のコア50から対向部65を省略したものといえる。
図8には、配線36に電流が流れた場合に比較例のフィルタユニット100のコア101の内部に生じる磁界分布を示している。磁界分布は、磁界の強さの強弱、即ち、磁束密度を示すものである。図8では、磁界の強さの強弱をドットで表現しており、ドットが密である部分ほど磁界の強さが強いといえる。図8から把握できるように、比較例のフィルタユニット100では、磁界の強さの強い部分にコンデンサCが位置しており、インダクタL1,L2とインダクタンス成分L3とが磁界結合しやすい。
図9には、配線36に電流が流れた場合に本実施形態のフィルタユニット30のコア50の内部に生じる磁界分布を示している。図9から把握できるように、コンデンサCに向かい合うように対向部65を設けることで、対向部65を設けない場合に比べてコンデンサCが設けられる位置の磁界の強さが弱くなるように磁界を誘導することができる。
図10には、縦軸を利得=減衰率とし、横軸を周波数とし、フィルタユニット30,100の減衰特性を示している。比較例のフィルタユニット100の減衰特性を一点鎖線で示し、本実施形態のフィルタユニット30の減衰特性を実線で示している。比較例のフィルタユニット100では、150kHz〜200kHzを境に減衰特性が低下している。これに対し、本実施形態のフィルタユニット30では、150kHz〜200kHz以下の帯域でも減衰特性の低下が抑制されている。このように、対向部65により磁界を誘導し、コンデンサCが設けられる位置の磁界の強さが弱くなるようにすることで、減衰特性の低下を抑制できる。
なお、DC/DCコンバータ13からの出力電力が家庭内の負荷19に供給されるようにすると、DC/DCコンバータ13からの出力電力に含まれるノイズが家庭内に流入しないように、ノイズを減衰させる周波数帯域を広くすることが求められる場合がある。本実施形態のフィルタユニット30には、スイッチング周波数以下の周波数帯域、及びAM放送に用いられる周波数以上の周波数帯域のノイズを減衰することが求められている。広い周波数帯域に亘ってノイズを減衰させるため、フィルタの数やコンデンサCの数を増加させることも考えられる。しかしながら、フィルタやコンデンサCの数を多くした場合、電力変換装置12の大型化を招く。これに対し、本実施形態では、磁界分布を変更することでノイズに対する減衰特性を向上させている。従って、フィルタの数を多くしたり、コンデンサCの数を多くする場合に比べて、電力変換装置12の大型化を抑制しつつフィルタユニット30の減衰特性を向上させることができる。
本実施形態の効果について説明する。
(1)コア50は、コンデンサCに向かい合う対向部65を備える。対向部65により磁界を誘導することで、対向部65を設けない場合に比べてコンデンサCが設けられる位置の磁界の強さを弱くできる。磁界によるコンデンサCへの影響を抑制することで、フィルタユニット30の減衰特性が低下することを抑制できる。
(2)配線36とパターン35とは基板31の厚み方向から見て交差している。基板31の厚み方向から見て、配線36とパターン35とを重ねて配置できるため、フィルタユニット30の小型化が図られる。
(3)コア本体81,82を2つ設けて、2つのコア本体81,82同士の間にコンデンサCを配置している。2つのコア本体81,82同士の間を、コンデンサCを配置するための領域として利用することができる。コンデンサCをコア本体81,82同士の間とは異なる位置に配置する場合に比べて、フィルタユニット30の小型化が図られる。
(4)対向部65は、2つのコア本体81,82同士を連結している。対向部65により2つのコア本体81,82同士を連結することで、コンデンサCが設けられる位置の磁界が弱くなるように磁界を誘導しやすい。
(5)フィルタユニット30は、トランス15の二次側に設けられた出力フィルタである。DC/DCコンバータ13で降圧を行っているため、トランス15の二次側を流れる電流は、トランス15の一次側を流れる電流に比べて大きくなる。電流が大きいと、ノイズの減衰を行いにくい。実施形態のように、フィルタユニット30の減衰特性の低下を抑制することで、電流が大きい場合であっても、好適にノイズを減衰させることができる。
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○対向部65は、2つのコア本体81,82同士を連結していなくてもよい。この場合、対向部65は、2つのコア本体81,82のうちの一方に設けられる。
○コア50は、2つのコア本体81,82のうちいずれかを備えたものであってもよい。この場合、コンデンサCは、コア本体81,82の周囲であれば、どのような位置に配置されてもよい。
○対向部65の形状は、変更してもよい。対向部65は、少なくとも、コンデンサCに向かい合っていればよく、対向部65と向かい合わない部分を省略してもよい。なお、対向部65の形状を変更する場合、対向部65の形状に合わせて第2コア71の形状を変更してもよい。第2コア71は、基板31を間に挟んで対向部65と向かい合う位置に設けられていることが好ましい。
○配線36とパターン35とは、基板31の厚み方向から見て、交差していなくてもよい。
○対向部65は、基板31の厚み方向及びコア本体81,82の中心軸に沿う方向の両方に直交する方向にコンデンサCと向かい合っていてもよい。即ち、対向部65は、コア本体81,82からコンデンサCと向かい合う位置まで延びていればよく、いずれの方向にコンデンサCと向かい合っていてもよい。
○対向部65は、複数のコンデンサCのうち少なくとも一部に向かい合っていればよい。
○コア50は、第1コア51と第2コア71に分割されていなくてもよい。
○配線36は、コア本体81,82に巻回されていてもよい。
○フィルタユニット30は、交流電力に含まれるノイズを減衰するために用いてもよい。
○フィルタユニット30は、ノイズを減衰させる必要のある機器であれば、どのような機器に設けられてもよい。
C…コンデンサ、L1,L2…インダクタ、30…フィルタユニット、31…基板、35…パターン、36…配線、50…コア、65…対向部、81,82…コア本体。

Claims (5)

  1. コンデンサと、
    配線とコアとを有するインダクタと、を備え、
    前記コアは、
    前記配線が通される環状のコア本体と、
    前記コア本体から前記コンデンサに向かい合う位置まで延びる対向部と、を備えるフィルタユニット。
  2. 前記コンデンサが実装された基板を備え、
    前記対向部は、前記基板の厚み方向に前記コンデンサと向かい合う請求項1に記載のフィルタユニット。
  3. 前記基板は、前記コンデンサが接続されるパターンを備え、
    前記基板の厚み方向から見て、前記配線と、前記パターンとは交差している請求項2に記載のフィルタユニット。
  4. 前記コア本体を2つ備え、
    2つの前記コア本体同士の間に前記コンデンサが配置される請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載のフィルタユニット。
  5. 前記対向部は、2つの前記コア本体同士を連結している請求項4に記載のフィルタユニット。
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