JP3972146B2

JP3972146B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP3972146B2
Application number: JP2003316147A
Authority: JP
Inventors: 克典東; 彰三島; 貴志金子; 政臣小西出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: US20050052804A1; US7643323B2; US20080212349A1; US7317626B2; JP2005086907A

Description

本発明は、電源と負荷の間に接続し、複数のスイッチング素子により直流を交流に変換、またはその逆変換を行い、負荷への電力を制御する電力変換装置に関し、特にスイッチング素子の動作時に発生する電磁波障害を低減する技術に関する。

電力変換装置は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の高耐圧化、高速化に伴い、スイッチング電圧増加、周波数の高周波化が進み、効率上昇とコスト低減が進んでいる。一般に、電力変換装置のスイッチングは、電力変換装置に接続される負荷、電源、それらを接続する電力線と大地間の寄生容量を介して、コモンモード電流と呼ばれる大地へ漏洩する電流を派生させることが知られている。また、電力変換装置の内部の電子部品でも、スイッチングによる内部導体の電位変動により、部品筐体間、もしくは部品筐体と電力変換装置筐体の寄生容量と配線の寄生インダクタンスが共振し、外部への漏洩ノイズとなり、外部機器の電磁障害を引き起こす。

鉄道用電気車の場合でも、インバータ（電力変換装置）のスイッチングにより列車無線装置や信号機器への誘導障害、車内のラジオ可聴障害を引き起こしている。鉄道用電気車は、モータを駆動するスイッチング装置のスイッチングによりモータ線、モータ寄生容量を通じて高周波電流が漏洩する。
この問題を解決する手段として、従来はその一例として、モータ線に磁性コア使用したチョークコイルフィルタを挿入し、周波数が高くなるに従いモータ線のインピーダンスが高くなるようにすることで、漏洩する高周波電流を低減していた。

また、特許文献１に記載されるように、電力変換装置の筐体を負極の集電装置に接地し、筐体を車体に接地し、スイッチングによる高周波電流を電力変換装置の筐体箱の近傍に集中させた場合でも、車体とアースブラシの間に抵抗を接続することで、車体に高周波電流を通して回収し、誘導障害を低減している。これは、主回路電線の配線インダクタンスと車体の配線インダクタンスと比較し車体の配線インダクタンスが小さいことを利用したものである。車体を通して積極的に高周波電流を回収し、高周波電流が主回路電線の配線インダクタンスを通ることによるスイッチング回路、電力変換装置の筐体、車体の電位変動を抑制することにより無線装置や信号機への誘導障害を抑制することができる。

また、特許文献２に記載されるように、冷却装置に接続されているスイッチング装置内部のモジュールの寄生容量に着目し、高周波電流のバイパス回路を作ることで、電力変換装置の筐体内部に高周波電流を閉じ込める方法がある。図２に電力変換装置の筐体部分を拡大して示す。冷却装置はスイッチング装置のスイッチングモジュール内のスイッチング素子を放熱するため、熱的に接触している。このため、モジュールの寄生容量を介して、冷却装置はモータ線と接続されていることになる。このとき、導電線と抵抗を介し、冷却装置と電力変換装置の負極端子を接続することにより、モータ線を通る高周波電流の何割かを、高周波電流として回収することができる。このようにして誘導障害を抑制することができる。

特開平10-313501号公報特開2002-136153号公報特開2002-186184号公報特開2002-354840号公報

上記従来技術をもってしても、１ＭＨｚ以上の周波数を用いる信号機の誘導障害や車内のラジオ可聴障害の抑制には十分ではない。
チョークコイルを用いた場合、チョークコイルに用いる磁性コアには周波数特性があり、１ＭＨｚ以上の周波数では急激に特性が劣化する。また、必要なインダクタンスを作るための磁性コアの物量が増えるため、コスト、スペースが増えるという課題がある。
車体とアースブラシの間に抵抗を接続した場合は、車体に高周波電流が流れるため、車内のラジオ可聴に障害を与えることとなる。

次にモジュールの寄生容量に着目し、導電線を用いて、抵抗を介し、冷却装置とインバータ負極端子を接続する方法は、スイッチングの電圧変化スピードを多少遅らせ、高周波電流を少なくするかもしれない。しかし、ノイズ源がパルス状の電圧源で、内部インピーダンスが小さいため、モータ線と寄生容量の回路と並列に低インピーダンスのバイパス回路を設けても、バイパス回路には高周波電流がインピーダンスに応じて流れるが、ほとんど、モータ線と寄生容量を流れる高周波電流には影響しない。むしろ、低インピーダンスのバイパス回路に電流が流れることとなり、新たな、高周波電流の回路を形成することとなる。すなわち、誘導障害、ラジオ可聴障害を抑制することはできない。

そこで、本発明は、スイッチング装置のスイッチングに伴って電力変換装置の高周波電流を外部へ漏洩させないようにし、低インピーダンスの経路によって高周波電流を短い経路で回収できるようにして、誘導障害や車内ラジオ可聴障害を抑制することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を次の手段で解決する。
直流電源と負荷との間に接続し、スイッチング装置により負荷への電力を制御する電力変換装置において、前記電力変換装置の負極と前記スイッチング装置と接続する第１の導電体に、前記電力変換装置の筐体と前記電力変換装置の負極とを抵抗を介して接続する第２の導電体を設け、例えば小電流用の導電体である第２の導電体を、前記電気伝導体に沿って絶縁状態で配設した電力変換装置を提供する。

更に具体的には、電力変換装置の筐体の接続位置は、筐体内のフィルタコンデンサ近くに設ける。接続線は、両者の接続位置、インバータ筐体内のインバータ回路への配線から高周波電流経路を予測し、低インダクタンス配線となるように、絶縁物を介し電力変換装置の負極端子からスイッチング装置への配線導体に沿わせて配線する構成を提供する。

以上の如く、本発明によれば、電力変換装置の筐体と電力変換装置の電源側の負極とを抵抗、導電線を配設して電気接続する簡単な構成で、スイッチングによる高周波の漏洩電流を回収し、外部機器への電磁障害を抑制することが可能となる。

本発明は、直流電源と負荷との間に接続し、スイッチング装置により負荷への電力を制御する電力変換装置において、前記電力変換装置の負極と前記スイッチング装置とを接続する第１の導電体に、前記電力変換装置の筐体と前記電力変換装置の負極とを抵抗を介して接続する第２の導電体を設け、第２の導電体を、第２の導電体の寄生インダクタンスが第１の導電体の寄生インダクタンスに結合するように第１の導電体に近接配置とした電力変換装置が構成される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示す。図１は、直流給電のインバータ電気車におけるスイッチング装置を使用した電力変換装置１００を示す。図１において、電力変換装置１００の正極端子は、車体９の集電装置１とスイッチ２を介して直流電圧を加え、電力変換装置１００の負極端子３２は主回路電線１３とアースブラシ（図示せず）を介して大地にアース接続し、電力変換装置１００に直流給電する。電力変換装置１００は、スイッチングモジュール２８で構成したスイッチング装置４、スイッチングモジュール２８に当接した冷却装置２４、スイッチング装置４の正極端子３３とスイッチング装置４の負極の接続点５２に並列接続したフィルタコンデンサ２５、接続点５２と電力変換装置１００の負極端子３２の間を接続する大電流用の電気伝導体であるバスバー３８と接地スイッチ６により構成する。スイッチング装置４は、スイッチング素子２７を内蔵したモジュール２８で構成し、モータ線１１を介して外部のモータ５（図示せず）に接続する。この構成で、スイッチング素子２７を用いた電力変換装置１００は、効率よく直流を交流に変換し、モータ５へ電力供給する。

尚、スイッチングモジュール２８は、ゲート絶縁バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、バイポーラトランジスタ等の自己消弧型のスイッチング素子２７と、それに逆並列接続したフリーホイルダイオードとが、一組または複数からなる。
モジュールは、放熱用に熱伝導の高い銅などの金属板で片面を構成し、モジュール内側のもう片方の金属板にスイッチング素子がある。スイッチング装置４は、１つ又は、複数個のスイッチングモジュール２８で構成し、全てのモジュールの放熱用の金属面を冷却装置に当接し、スイッチング時に発熱する素子を冷却する構造をとる。
冷却装置２４の大部分は、空冷のために電力変換装置の筐体２２の外部に露出している。

電力変換装置１００の筐体２２は、接地部位１０で電力変換装置の負極端子３２とアース接続する。
ここで、電力変換装置の筐体２２に接続点３６を別に設ける。そして、小電流用の導電体である導電線３４と抵抗３５を介して電力変換装置の負極端子３２と接続点３６を電気接続する。筐体２２の接続点３６の位置は、フィルタコンデンサ２５の近傍とする。また、接続線である導電線３４は、筐体２２内の配線から予測される高周波電流経路２６に対し低インダクタンスとなるように、バスバー３８に沿わせて配線する。このとき、バスバー３８と導電線３４が途中で電気的に接触することを防ぐため、バスバー３８と導電線３４は絶縁物を介して沿わせる。

後述するように、筐体２２と電力変換装置の電源側の負極３２とを抵抗３５を介して電気接続し、低インダクタンス配線とすることによってスイッチング素子２７のスイッチングによる高周波電流ノイズの回収を実現し、外部機器への電磁障害を抑制することができる。
筐体２２は、車体接地３で車体９と接続される。

本実施形態は、抵抗３５を介し導電線３４を用いて、フィルタコンデンサ２５の近傍の筐体接続点３６と負極端子３２を接続し、負極端子３２とスイッチング装置４を接続しているバスバー３８に沿わせるように導電線３４を配線したことに１つの特徴がある。本実施形態では、バスバー３８と導電線３４を沿わせるように配線することで、バスバー３８を通り、スイッチング装置４へ戻る高周波電流の高周波電流経路２６に対して、バスバー３８の寄生インダクタンス３９と導電線３４の寄生インダクタンス４０が結合する。ここでインダクタンスの結合について説明する。バスバー３８と導電線３４を簡単にし、図１０のように無限平行導線（断面半径a）が距離dにあり、それぞれの電流は反対方向にある場合を考える。この導体が単位長さ当たりにつくるインダクタンスは、L=μo/4π＋μo/π×log((d-a)/a)で表される。この式から、距離dが小さくなるとインダクダンスが小さくなることがわかる。すなわち、バスバー３８と導電線３４の距離が小さいと、それぞれのインダクタンスが結合し、往復経路の電流に対してインダクタンスが小さくなる。高周波電流２６に対し、筐体接地１０まで迂回する経路は距離が大きいため、インダクタンスが大きく、導電線３４を通る経路の方が低インピーダンスとなり、インバータ筐体２２に流れている高周波電流２６を導電線３４で矢印方向に流して回収することができる。ここで、高周波電流２６経路の高周波電流に対するインピーダンスを計算する。バスバー３８の長さを２（ｍ）とし、単位長さあたりのインダクタンスを１（μＨ／ｍ）であるとすれば、そのインダクタンスは２μＨとなる。このときバスバー３８の周波数１（ＭＨｚ）でのインピーダンスＺ１は
Ｚ１＝２×π×１×１０^６×２×１０^-６≒１２．５（Ω）
となる。バスバー３８の寄生インダクタンス３９と導電線３４の寄生インダクタンス４０が結合率を０．８、抵抗３５のインピーダンスを１Ωとすると、導電線３４を通る経路のインピーダンスＺ２は
Ｚ２＝１２．５×（１-０．８）＋１≒３．５（Ω）
となり半分以下となる。さらに周波数、結合率を高くすると殆どが導電線３４に高周波電流２６が流れるようになる。

また、バスバー３８の寄生インダクタンス３９と導電線３４の寄生インダクタンス４０を結合させると、バスバー３８を流れる他の高周波電流も導電線３４で回収することができる。例えば、フィルタコンデンサ２５の寄生容量３７により電力変換装置の筐体２２へ漏洩する高周波電流４１に対しても、同様に導電線３４で回収することができる。導電線３４をフィルタコンデンサ２５に近い接続点３６とすることで、高周波電流４１が余計な電力変換装置の筐体部分を駆け巡ることなく、回収できる。すなわち、高周波電流４１が筐体を流れる経路を短くすることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す。図１に示す例と異なる点を中心に説明する。
図１と異なる点は、冷却装置２４に近い電力変換装置の筐体の接続点５５と負極端子３２を抵抗３５と導電線３４を用いて接続した点である。導電線３４はバスバー３８に沿わせて配線し、バスバー３８の寄生インダクタンス３９と導電線３４の寄生インダクタンス４０のインダクタンスを結合させ、往復経路の電流に対して低インダクタンスとする。これにより、前述と同様に、モジュール内部の寄生容量２９により冷却装置２４へ漏洩し、さらに冷却装置２４と筐体２２との間の寄生容量４３により漏洩する高周波電流４４を、冷却装置に近い筐体の接続点５５、導電線３４、抵抗３５を介して、矢印方向に回収することができる。

図３は、本発明の第３の実施形態を示す。図１と異なる点は、導電線３４の接続先を負極端子３２に代えて、主に絶縁耐圧試験用に設けられた接地スイッチ６の負極側の接続点４５を用いた点である。このように高周波電流２６の経路を短くすることで、インピーダンスを低減することができる。ここで、インピーダンス低減割合を計算する。仮にバスバー３８が２ｍで、接地スイッチ６が中間の１ｍの位置にあるとする。また、単位長さあたりのインダクタンスを１（μＨ／ｍ）、バスバーの寄生インダクタンス３９と導電線の寄生インダクタンス４０の結合率を０．８とする。接地スイッチの負極側接続点４５に導電線３４を接続した場合の高周波電流２６の１ＭＨｚでのインピーダンスＺ３は、
Ｚ３＝２×π×１×１×１０^６×２×１０^−６×（１−０．８）≒１．７５（Ω）
となり、５０％のインダクタンス低減となる。このようにインピーダンスを低くすることで、より高周波電流２６が回収できる。

図４にバスバーの絶縁物４６およびこれに接する導電線の絶縁物４７を介してバスバー３８に導電線３４を沿わせた状態を断面で示す。この例の場合、導電体は１本の導電線３４で構成される。
図５に本発明の実施形態の導電線３４とバスバー３８の部分断面図を示す。図４に示す側と異なる点は、導電線３４を２本にしたことである。このようにすることで、高周波電流の高周波電流経路２６のインダクタンスを低減することができる。図では２本であるが、さらに本数を増やせば、さらにインダクタンスが低減できる。

図６に本発明の実施形態の導電線３４とバスバー３８の部分断面図を示す。図４と異なる点は、導電線３４をテープ状の導電線を用いたことである。このようにすることで、高周波電流２６の経路のインダクタンスを低減することができる。
図７に本発明の実施形態の導電線３４とバスバー３８の部分断面図を示す。図４に示す例と異なる点は、テープ状の導電線３４を重ねながら巻いたことである。このようにすることで、高周波電流の高周波電流経路２６のインダクタンスを低減することができる。
以上説明した構成によれば、次に示す電力変換装置１００を提供することができる。

直流電源と負荷の間に接続し、半導体のスイッチングにより負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の筐体２２と電力変換装置の電源側の負極３２とを抵抗３５を介して電気接続した電力変換装置。
直流電源と負荷との間に接続し、スイッチング装置４により負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の負極３２とスイッチング装置４とを接続するバスバー３８に、電力変換装置の筐体２２と電力変換装置の負極３２とを抵抗３５を介して接続する導電体３４を、絶縁配設した電力変換装置。

電力変換装置の筐体２２内に、直流電源とスイッチング装置４に並列接続され、電圧変動を抑制するフィルタコンデンサ２５が設けられた電力変換装置において、フィルタコンデンサ２５に近い筐体部分と電力変換装置の負極３２とを抵抗３５を介して電気接続した電力変換装置。
電力変換装置の筐体２２内に、スイッチング装置４に冷却装置２４が設けられた電力変換装置において、冷却装置２４に近い筐体４４と電力変換装置の負極３２とを抵抗３５を介して電気接続した電力変換装置。

電力変換装置の筐体内に、電力変換装置の負極３２とスイッチング装置４の間に、主に絶縁耐圧試験用の接地スイッチ６を備えた電力変換装置において、電力変換装置の筐体２２と接地スイッチ６の負極４５とを抵抗３５を介して電気接続した電力変換装置。
直流電源と負荷との間に接続し、スイッチング装置４により負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の筐体３６と電力変換装置の電源側の負極３２とを抵抗３５を介して複数の導電体３４で電気接続した電力変換装置。
直流電源と負荷との間に接続し、スイッチング装置４により負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の筐体３６と電力変換装置の電源側の負極３２とを抵抗３５を介してテープ状の導電体３４をバスバー３８に螺旋状に巻きつけながら電気接続した電力変換装置。

直流電源と負荷の間に接続し、スイッチング装置４により負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の筐体２２と電力変換装置の電源側の負極３２とを抵抗３５を介して導電体３４で電気接続し、導電体３４の寄生インダクタンス４０がバスバー３８の寄生インダクタンス３９に結合するように第１の導電体に近接配置とした電力変換装置。
直流電源と負荷の間に接続し、スイッチング装置４により負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の筐体２２と電力変換装置の電源側の負極３２とを抵抗３５を介して導電体３４で電気接続し、導電体３４の寄生インダクタンス４０がバスバー３８の寄生インダクタンス３９に結合するように第１の導電体に近接配置とした電力変換装置。
電力変換装置の筐内のフィルタコンデンサ２５の寄生容量から漏洩する高周波電流を導電体３４を介して回収する電力変換装置。

次に、本実施例を適用したときの効果について試験した結果を説明する。誘導障害の測定は、車内にループアンテナを設置し、電波を受信したループアンテナに誘起される電圧強度を比較した。図８に本実施例を適用する前、図９に本実施例を適用した結果を示す。１ＭＨｚでの電圧を比較すると３５（ｄＢ）の低減効果があることがわかる。

以上の説明では、電気車を例にとって説明したが、電気車に限らず、半導体のスイッチングにより負荷への電力を制御する電力変換装置であれば、本発明を適用することにより、電力変換装置の外部機器への障害を低減することができる。

本発明の第１の実施形態を示す図。本発明の第２の実施形態を示す図。本発明の第３の実施形態を示す図。本発明の実施形態の部分断面図。本発明の実施形態の部分断面図。本発明の実施形態の部分構造図。本発明の実施形態の部分構造図。従来技術での車内の電波測定結果を示す図。本発明を実施したときの車内の電波測定結果を示す図。インダクタンスの結合について説明する図。

符号の説明

１…集電装置、２…スイッチ、３…車体接地、４…スイッチング装置、５…モータ、７…アースブラシ、９…車体、１０…電力変換装置の筐体接地、１１…モータ線、１３…主回路電線、２２…インバータ筐体、２４…冷却装置、２５…フィルタコンデンサ、２６…高周波電流経路、２７…スイッチング素子、２８…スイッチング素子を用いたモジュール、２９…モジュール内部の寄生容量、３２…インバータ負極端子、３３…電力変換装置の正極端子、３４…導電線、３５…抵抗、３６…フィルタコンデンサ近傍の筐体の接続点、３７…フィルタコンデンサと筐体間の寄生容量、３８…バスバー、３９…バスバーの寄生インダクタンス、４０…導電線の寄生インダクタンス、４１…高周波電流、４２…冷却装置に近いインバータ筐体の接続点、４３…冷却装置とインバータ筐体の寄生容量、４４…高周波電流、４５…接地スイッチの負極側の接続点、４６…バスバーの絶縁物、４７…導電線の絶縁物、１００…電力変換装置。

Claims

直流電源と負荷との間を、スイッチング装置により負荷への電力を制御する電力変換装置において、電力変換装置の負極と前記スイッチング装置とを接続する第１の導電体に、電力変換装置の筐体と電力変換装置の負極とを抵抗を介して接続する第２の導電体を、前記第１の導電体に沿って絶縁配設したこと
を特徴とする電力変換装置。
請求項１において、電力変換装置の筐体内に、直流電源とスイッチング装置に並列接続され、電圧変動を抑制するフィルタコンデンサが設けられ、前記第２の導電体を、該フィルタコンデンサの近傍に位置する筐体の部位に接続することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、前記スイッチング装置を冷却する冷却装置を備えた電力変換装置において、第２の導電体を、前記冷却装置の近傍に位置する前記筐体の部位に接続することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、前記第１の導電体に接地スイッチを備え、前記第２の導電体を、電力変換装置の筐体と該スイッチの負極側の部位に接続することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、第２の導電体を複数の導電線を使用することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、第２の導電体をテープ状の電気伝導線を用い、絶縁物を介して第１の導電体に沿わせて配置したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、前記テープ状の第２の導電線を第１の導電体に螺旋状に巻きつけたことを特徴とする電力変換装置。
直流電源と負荷との間に接続し、スイッチング装置により負荷への電力を制御する電力変換装置において、前記電力変換装置の負極と前記スイッチング装置とを接続する第１の導電体に、前記電力変換装置の筐体と前記電力変換装置の負極とを抵抗を介して接続する第２の導電体を設け、
第２の導電体を、第２の導電体の寄生インダクタンスが第１の導電体の寄生インダクタンスに結合するように第１の導電体に近接配置としたこと
を特徴とする電力変換装置。
請求項８において、電力変換装置の筐体内に配設されたフィルタコンデンサの寄生容量を通じて筐体に漏洩する高周波電流を、第２の導電体により回収することを特徴とする電力変換装置。
請求項８において、第１の導電体と第２の導電体を流れる電流経路のインダクタンスが、第１の導電体と筐体を流れる電流経路のインダクタンスの半分以下であることを特徴とする電力変換装置。