JP4962141B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置におけるノイズ低減に関するものであり、特に冷却フィンの接地線を介して流れるノイズ源電流の抑制に関する。

従来の電力変換装置においては、電力を充電するフィルタコンデンサ、インバータ、インバータが内部に収納された着脱可能なユニット、ユニット内の入力側に設置される第１のコア群及びユニット内の出力側に設置される第２のコア群から構成され、架線電力を供給し、負荷へ電力を出力する。第１及び第２のコア群をノイズ発生源である半導体素子の電極近傍に配置することにより、配線と装置箱枠間に存在する浮遊キャパシタンスを通して漏洩電流が流れるという現象を防止することができる（例えば、特許文献１参照）。

また、半導体素子を放熱するために受熱板を設置する場合には、受熱板を充分に厚い絶縁体を介して筐体に取り付け、電気的には抵抗を介して導電線により接地点と接続し、閉ループ経路を流れる共振電流を抑制することができる。接地線に接続された抵抗は、接地線を介して流れる電流に対してダンピング効果を与えるものである（例えば、特許文献２参照）。

さらに、負荷であるモータの浮遊容量を介して流れるコモンモード電流を低減するために、モータに接地線を設け、接地線をインバータの帰線側（接地線側）に接続する方法がある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−１８７３６８号公報（第５頁、第１図） 特開２００２−１３６１５３号公報（第３〜４頁、第１図） 特開平２−１５１２０２号公報（第１図）

従来の電力変換装置では、半導体素子を冷却する冷却手段であるフィンを設置する場合、インバータとフィンとの間の浮遊容量を介して、インバータ→フィン→接地線→フィルタコンデンサ→インバータの経路によって、浮遊容量及び接地線等における浮遊インダクタンスによる共振経路が構成され、インバータを構成する半導体素子のスイッチング動作に伴い、接地線を介して共振電流が流れる。この共振電流が放射ノイズ源となり、誘導障害やラジオ波帯に影響を与えるという課題があった。共振を抑制するために、接地線に抵抗を接続し、共振電流にダンピング効果を与えることにより、共振電流が放射ノイズ源とならないようにすることも可能であるが、接地線に別途抵抗を設ける必要がある。また、抵抗は低周波から高周波まで概ね一定のインピーダンスを持つため、放射ノイズ源となる比較的高周波の電流を抑制するために高インピーダンスな抵抗を選定すると、接地したい低周波の帯域までインピーダンスが高くなるため、充分な接地が得られないという課題があった。

また、負荷であるモータを接地線によって接地する場合、次のような問題がある。例えば、図６に示すように、電力変換装置３１は、直流の系統電圧を集電するパンタグラフ１及びリアクトル２を介して直流電源系統から受電し、直流電圧を交流電圧に変換し、負荷であるモータ６を駆動するインバータ４と、コンデンサ３と、インバータ４を構成する半導体素子を冷却する冷却手段であるフィン５とによって構成されている。そして、直流電源系統に接続されているリアクトル２とインバータ４とを接続する高圧配線２１、及びインバータ４をアース７へ接地する接地配線２２の２本の配線が設けられ、インバータ４と負荷であるモータ６とを接続する負荷配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃが設けられ、電力変換装置３１を機器として接地するアース４０、及びモータ６を機器として接地するアース４１が設けられている。アース４０及びアース４１は例えば図示しない車両筐体などを介してアース７と同電位となるように接続されている。

高圧配線２１及び接地配線２２を通す貫通孔を有するコア８を備えており、インバータ４が発生する直流電源系統側へ漏洩するコモンモード電流を低減する。また、負荷配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通す貫通孔を有するコア９を備えており、インバータ４が発生するモータ６側へ漏洩するコモンモード電流を低減する。さらに、冷却手段であるフィン５を接地する接地線５０を備えており、接地線５０はコア８に対して直流電源系統側のアース電位に接続されている。モータ６の筐体はコンデンサ１０、接地線５３を介してコンデンサ３に接続されている。コンデンサ１０は直流カット用であると共に、インバータ４より発生したコモンモード電流がアース４１を介して流出する影響を軽減するために接続されており、コモンモード電流が極力電力変換装置３１内に閉じ込められるような構成になっている。このような電力変換装置３１において、図６の破線で示すような、インバータ４→フィン５→接地線５０→アース７→アース４１→コンデンサ１０→接地線５３→コンデンサ３→インバータ４の共振経路において発生する不要な高周波電流が抑制できなくなるという課題もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、接地線を介する共振経路に対して、別途抵抗などを設けることなく共振動作に対して充分なダンピング効果を得ることができ、特にインバータに接続される負荷（モータ）の接地線を介して流れる電流経路（共振経路）に対してもダンピング効果を得ることができ、さらに低周波領域では充分に低いインピーダンスで接地作用を得ることができることによって、ノイズ源電流を抑制することができる電力変換装置を得るものである。

第１の発明に係る電力変換装置は、直流電源系統から受電し、負荷を駆動するインバータと、インバータを冷却する冷却手段と、直流電源系統とインバータとを接続する高圧配線、及びインバータを接地する接地配線を通す貫通孔を有する第１のコアと、冷却手段を接地する第１の接地線と、負荷を接地する第２の接地線と、貫通孔を有する第２のコアとを備え、第１の接地線は、コアに対して直流電源系統側の接地配線に接続され、第２のコアは、インバータ、冷却手段、第１の接地線、第１の接地線及び第２の接地線の共通の接地、負荷、第２の接地線、インバータを循環する共振経路が第２のコアの貫通孔を通るように、配置されたことを特徴とするものである。

第２の発明に係る電力変換装置は、直流電源系統から受電し、負荷を駆動するインバータと、インバータを冷却する冷却手段と、直流電源系統とインバータとを接続する高圧配線、及びインバータを接地する接地配線を通す貫通孔を有するコアと、冷却手段を接地する第１の接地線と、負荷を接地する第２の接地線とを備え、第１の接地線は、コアに対して直流電源系統側の接地配線に接続され、第２の接地線は、コアに巻回され、コアに対してインバータ側の接地配線に接続されたことを特徴とするものである。

第３の発明に係る電力変換装置は、直流電源系統から受電し、負荷を駆動するインバータと、インバータを冷却する冷却手段と、直流電源系統とインバータとを接続する高圧配線、及びインバータを接地する接地配線を通す貫通孔を有するコアと、冷却手段を接地する第１の接地線と、負荷を接地する第２の接地線とを備え、第１の接地線及び第２の接地線は、コアに対して直流電源系統側の接地配線に接続されたことを特徴とするものである。

上記第１及び第２の発明によれば、インバータ、冷却手段、及び負荷の接地線を含む共振経路にコアが挿入され、この共振経路の高周波インピーダンスを増大させることによって、ノイズ源電流を抑制することができる。

また、上記第３の発明によれば、インバータ、冷却手段、及び負荷の接地線を含む共振経路がなくなるように負荷の接地線を接続することによって、ノイズ源電流を抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１を示す電力変換装置の構成図である。図１において、電力変換装置２６は、直流の系統電圧を集電するパンタグラフ１及びリアクトル２を介して直流電源系統から受電し、直流電圧を交流電圧に変換し、負荷であるモータ６を駆動するインバータ４と、コンデンサ３と、インバータ４を構成する半導体素子を冷却する冷却手段であるフィン５とによって構成されている。ここで、直流電源系統側には、パンタグラフ１、リアクトル２、及びアース７も含まれる。また、直流電源系統に接続されているリアクトル２とインバータ４とを接続する高圧配線２１、及びインバータ４をアース７へ接地する接地配線２２の２本の配線が設けられている。さらに、インバータ４と負荷であるモータ６とを接続する負荷配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃが設けられている。また、電力変換装置２６には、電力変換装置２６を機器として接地するためのアース４０が設けられており、モータ６には、モータ６を機器として接地するためのアース４１が設けられている。アース４０及びアース４１は、例えば図示しない車両筐体などを介してアース７と同電位となるように接続されている。

電力変換装置２６は、高圧配線２１及び接地配線２２を通す貫通孔を有する第１のコアであるコア８を備えており、インバータ４が発生する直流電源系統側へ漏洩するコモンモード電流を低減させることができる。電力変換装置２６の仕様に応じてコア８を選択すればよいが、本実施の形態では、例えば外径１２０ｍｍ程度、内径１００ｍｍ程度、厚さ３０ｍｍ程度のリング状のフェライトコアも用いた。また、負荷配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通す貫通孔を有するコア９を備えており、インバータ４が発生するモータ６側へ漏洩するコモンモード電流を低減させることができる。

フィン５は、第１の接地線である接地線５０を介して接地されている。接地線５０は、コア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続されている。つまり、コア８とアース７との間に延伸する接地配線２２に、接地線５０が接続されている。この配線によって、インバータ４→フィン５→接地線５０→コンデンサ３→インバータ４の共振経路（電流経路）に対してコア８が挿入され、コア８のインピーダンスにより共振経路の共振周波数が下がる。また、コア８の材質が、コア８の共振周波数でのインピーダンスの主成分が抵抗となるようなものであれば、共振経路に対してダンピング効果が得られる。

一方、モータ６の筐体は、コンデンサ１０、第２のコアであるコア１１、負荷を接地する第２の接地線である接地線５３を介してコンデンサ３に接続される。つまり、モータ６の筐体を接地する接地線５３が、コア１１の貫通孔を通るように、コア１１が配置されている。接地線５３が接続されていない場合、モータ６の接地はアース４１を介して行うことになるが、モータ６の接地のための経路が、モータ６、アース４１、アース７、インバータ４を周回する大きなループを形成し、高周波ノイズの要因となる。しかしながら、接地線５３を接続することによって、モータ６の接地のための経路が、モータ６、接地線５３、インバータ４を周回する最小限のループを形成するので、高周波ノイズの発生を抑制することができる。コンデンサ１０は、直流成分カット用であると共に、インバータ４より発生したコモンモード電流がアース４１を介して流出する影響を軽減するために接続され、コモンモード電流が極力電力変換装置２６内に閉じ込められるようにするものである。

ここで、接地線５３を接続したことによって、インバータ４が発生する別の共振経路として、インバータ４→フィン５→接地線５０→接地配線２２→アース７→アース４１→モータ６→コンデンサ１０→コア１１→接地線５３→コンデンサ３→インバータ４の経路が存在する。しかしながら、この共振経路がコア１１の貫通孔を少なくとも１回通るように、コア１１が配置されているので、コア１１のインピーダンスにより上記共振経路の共振周波数が下がり、共振経路に対してダンピング効果が得られる。

なお、接地線５０，５３は電力の受け渡しが無いことから比較的細いワイヤーハーネスなどで構成される。本実施の形態では、直径１０ｍｍ程度のワイヤーハーネスを用いた。さらに、コア８，１１は例えばフェライトやアモルファスを材料として構成される。直流近傍の低周波帯域において低インピーダンスとなり、コア８に巻回する巻数を増やしてもインピーダンスは顕著に増加せず、共振周波数帯域で高インピーダンスを得ながら低周波帯域で低インピーダンスとなり、直流近傍において充分な接地効果を得ることができる。具体的には、１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の周波数帯域でノイズ低減の効果は顕著である。

このように、接地線５０がコア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続されているので、インバータ４→フィン５→接地線５０→コンデンサ３→インバータ４の経路による共振周波数を所望の低い共振周波数にシフトさせること、または共振そのものにダンピング効果を与えることができる。そして、インバータ４、フィン５、接地線５０、及びモータ６の接地線５３を介する共振経路がコア１１を通るようにしたので、不要な高調波電流が流れず、モータ６の接地経路を電力変換装置に設ける場合においても放射ノイズ源を実用上問題とならない状態にし、ノイズ源電流を抑制することができる。

実施の形態２．
図２は、この発明を実施するための実施の形態２を示す電力変換装置の構成図である。図２において、電力変換装置２７の構成は、モータ６の筐体を接地する接地線５５，５６を通すコアを設置する代わりに、負荷配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通す貫通孔を有するコア９に、モータ６の接地線５６を通すようにした点が、実施の形態１の構成と異なる。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の態様は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

接地線５０がコア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続されることにより、インバータ４→フィン５→接地線５０→コンデンサ３→インバータ４の共振経路にコア８が挿入されることになり、コア８のインピーダンスによって共振経路の共振周波数を所望の低い共振周波数にシフトし、または共振そのものにダンピング効果を与えることができる。

ここで、インバータ４が発生する別の共振経路として、インバータ４→フィン５→接地線５０→接地配線２２→アース７→アース４１→モータ６→接地線５６→コンデンサ１０→接地線５５→コンデンサ３→インバータ４の経路が存在する。しかしながら、モータ６の接地線５６をコア９に通すような構成にしたので、コア９のインピーダンスにより上記共振経路の共振周波数が下がり、共振経路に対してダンピング効果が得られる。

このように、インバータ４、フィン５、接地線５０、及びモータ６の接地線５５及び５６の経路についてもコア９の貫通穴を通すようにしているので、不要な高調波電流が流れず、モータ６の接地経路を電力変換装置に設ける場合においても放射ノイズ源を実用上問題とならない状態にし、ノイズ源電流を抑制することができる。そして、負荷配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通すコア９を利用し、別途コアを設置する必要がないため、部品コストをアップさせることなく放射ノイズ源に対する対策が可能となる。

実施の形態３．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２を示す電力変換装置の構成図である。図３において、電力変換装置２８の構成は、モータ６の筐体を接地する接地線５７を通すコアを設置する代わりに、高圧配線２１及び接地配線２２を通す貫通孔を有するコア８に、モータ６の接地線５７を巻回させた点が、実施の形態１の構成と異なる。

接地線５０がコア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続されることにより、インバータ４→フィン５→接地線５０→コンデンサ３→インバータ４の共振経路にコア８が挿入されることになり、コア８のインピーダンスによって共振経路の共振周波数を所望の低い共振周波数にシフトし、または共振そのものにダンピング効果を与えることができる。

ここで、インバータ４が発生する別の共振経路として、インバータ４→フィン５→接地線５０→接地配線２２→アース７→アース４１→モータ６→コンデンサ１０→接地線５７→コンデンサ３→インバータ４の経路が存在する。しかしながら、モータ６の接地線５７をコア８に巻回するような構成にした。つまり、第２の接地線である接地線５７は、コア８に巻回され、コア８に対してインバータ４側の接地配線２２に接続されている。このため、コア８のインピーダンスにより上記共振経路の共振周波数が下がり、共振経路に対してダンピング効果が得られる。

このように、インバータ４、フィン５、接地線５０、及びモータ６の接地線５７の経路についてもコア８の貫通穴を通すようにしているので、不要な高調波電流が流れず、モータ６の接地経路を電力変換装置に設ける場合においても放射ノイズ源を実用上問題とならない状態にし、ノイズ源電流を抑制することができる。そして、高圧配線２１及び接地配線２２を通すコア８を利用し、別途コアを設置する必要がないため、部品コストをアップさせることなく放射ノイズ源に対する対策が可能となる。

実施の形態４．
図４は、この発明を実施するための実施の形態４を示す電力変換装置の構成図である。図４において、電力変換装置２９の構成は、モータ６の筐体を接地する接地線５９を通すコアを設置しない点、高圧配線２１及び接地配線２２を通す貫通孔を有するコア８にコアに対して直流電源系統側の接地配線２２に接地線５９が接続される点が、実施の形態１の構成と異なる。

接地線５０がコア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続されることにより、インバータ４→フィン５→接地線５０→コンデンサ３→インバータ４の共振経路にコア８が挿入されることになり、コア８のインピーダンスによって共振経路の共振周波数を所望の低い共振周波数にシフトし、または共振そのものにダンピング効果を与えることができる。

また、図４に示すように、モータ６の接地線５９をコア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続しているので、インバータ４、フィン５、接地線５０、及びモータ６の接地線５９を介する低インピーダンス経路が存在しない。このため、不要な高調波電流が流れず、モータ６の接地経路を電力変換装置に設ける場合においても放射ノイズ源を実用上問題とならない状態にし、ノイズ源電流を抑制することができる。このように、部品コストをアップさせることなく放射ノイズ源に対する対策が可能となる。

実施の形態５．
図５は、この発明を実施するための実施の形態５を示す電力変換装置の構成図である。図５において、電力変換装置３０は図示しない筐体を備え、筐体のアース４０を介してインバータ４のスイッチング動作により発生する不要な高周波電流が流出しないようにコンデンサ６０を設置し、モータ６の接地線６１（６１ａ，６１ｂ）が電力変換装置３０を機器として接地するアース４０に接続される点が、実施の形態４と異なる。つまり、第２の接地線である接地線６１ｂは、電力変換装置３０の筐体、及びこの筐体と接地配線２２との間に接続されたインピーダンス要素であるコンデンサ６０を介して接地配線２２に接続されている。接地線６１ｂは、コア８に対して直流電源系統側の接地配線２２に接続されている。

図５において、コンデンサ６０が接続されているため、コンデンサ６０の両端間ではコンデンサ６０を介して高周波的に短絡されているとみなせる。したがって、実施の形態４において、接地線５９はアース７に接続されていたが、本実施の形態では接地線６１ａを電力変換装置のアース４０に接続しても、コンデンサ６０を介して高周波的にアース７に接続される。

このように、コンデンサ６０を介して接地線６１がコア８に対して直流電源系統側のアースに接続されることにより、インバータ４→フィン５→接地線５０→コンデンサ３→インバータ４の共振経路の共振周波数を所望の低い共振周波数にシフトし、または共振そのものにダンピング効果を与えることができる。

また、図５に示すように、インバータ４、フィン５、接地線５０、及びモータ６の接地線６１を介する低インピーダンス経路が存在しない。このため、不要な高調波電流が流れず、モータ６の接地経路を電力変換装置に設ける場合においても放射ノイズ源を実用上問題とならない状態にし、ノイズ源電流を抑制することができる。このように、部品コストをアップさせることなく放射ノイズ源に対する対策が可能となる。

この発明の実施の形態１を示す電力変換装置の構成図である。 この発明の実施の形態２を示す電力変換装置の構成図である。 この発明の実施の形態３を示す電力変換装置の構成図である。 この発明の実施の形態４を示す電力変換装置の構成図である。 この発明の実施の形態５を示す電力変換装置の構成図である。 従来の電力変換装置の構成図である。

符号の説明

１ パンタグラフ、２ リアクトル、３，１０，６０ コンデンサ、４ インバータ、５ フィン、６ モータ、７，４０，４１ アース、８，９，１１ コア、２１ 高圧配線、２２ 接地配線、２３ａ〜２３ｃ 負荷配線、２６〜３１ 電力変換装置、５０，５３，５５，５６，５７，５９，６１ 接地線。

Claims (6)

1. 直流電源系統から受電し、負荷を駆動するインバータと、
   前記インバータを冷却する冷却手段と、
   前記直流電源系統と前記インバータとを接続する高圧配線、及び前記インバータを接地する接地配線を通す貫通孔を有する第１のコアと、
   前記冷却手段を接地する第１の接地線と、
   前記負荷を接地する第２の接地線と、
   貫通孔を有する第２のコアとを備え、
   前記第１の接地線は、前記コアに対して前記直流電源系統側の前記接地配線に接続され、
   前記第２のコアは、前記インバータ、前記冷却手段、前記第１の接地線、前記第１の接地線及び前記第２の接地線の共通の接地、前記負荷、前記第２の接地線、前記インバータを循環する共振経路が前記第２のコアの貫通孔を通るように、配置されたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第２のコアは、前記第２の接地線が前記第２のコアの貫通孔を通るように、配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第２のコアは、前記インバータと前記負荷とを接続する配線、及び前記第２の接地線が前記第２のコアの貫通孔を通るように、配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 直流電源系統から受電し、負荷を駆動するインバータと、
   前記インバータを冷却する冷却手段と、
   前記直流電源系統と前記インバータとを接続する高圧配線、及び前記インバータを接地する接地配線を通す貫通孔を有するコアと、
   前記冷却手段を接地する第１の接地線と、
   前記負荷を接地する第２の接地線とを備え、
   前記第１の接地線は、前記コアに対して前記直流電源系統側の前記接地配線に接続され、
   前記第２の接地線は、前記コアに巻回され、前記コアに対して前記インバータ側の前記接地配線に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
5. 直流電源系統から受電し、負荷を駆動するインバータと、
   前記インバータを冷却する冷却手段と、
   前記直流電源系統と前記インバータとを接続する高圧配線、及び前記インバータを接地する接地配線を通す貫通孔を有するコアと、
   前記冷却手段を接地する第１の接地線と、
   前記負荷を接地する第２の接地線とを備え、
   前記第１の接地線及び前記第２の接地線は、前記コアに対して前記直流電源系統側の前記接地配線に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
6. 筐体を備え、
   前記第２の接地線は、前記筐体、及び前記筐体と前記接地配線との間に接続されたインピーダンス要素を介して前記接地配線に接続されたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

Images