JP5278084B2 - 負荷制御装置及びコンデンサのインピーダンス調整方法 - Google Patents

負荷制御装置及びコンデンサのインピーダンス調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、電源とグランドとの間に、負荷と共に直列に接続される半導体スイッチング素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御して、負荷に対する通電を制御する負荷制御装置,及びその負荷制御装置に接続されるコンデンサのインピーダンス調整方法に関する。
車両に搭載されているモータを制御するコントローラは、例えばIGBTやパワーMOSFETなどのスイッチング素子を前記モータと直列に接続し、前記素子を所定の周波数でスイッチングさせて駆動している。この場合、スイッチング周波数の高調波成分が、AMラジオに対するノイズとして影響することが問題となるため、一般に、コイルやコンデンサで構成されるノイズフィルタ等を組み合わせて、高調波成分の発生を抑制することが行われている。
また、特許文献1では、スイッチング周波数を、モータのブラシ寿命や、駆動時の磁気音の抑圧、スイッチング損失の抑制等を考慮して数kHz〜数十kHzに設定しているが、この程度の周波数では、電源ラインやグランドラインに電圧リップル若しくは電流リップルが重畳され易い。したがって、リップルを平滑するため、フィルタを構成するコイル,コンデンサの定数を大きくしたり、定格電圧リップル,定格電流リップルを大きくする必要があり、フィルタや電源の部品サイズが大型化せざるを得ない。また、特許文献2では、フィルタを構成するコンデンサに流れるリップル電流を低減する目的で、コンデンサを2つに分けて並列に接続し、部品の小型化を図っている、
特開平9−42096号公報 特開平9−135582号公報
しかしながら、特許文献2の構成においても、コンデンサを分けた結果、部品数が増加することに変わりはない。また、リップルを低減するにはスイッチング周波数をより高くすることも考えられるが、AM周波数帯に係る高調波成分の次数が低くなるためノイズの影響が悪化するという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタを構成する部品の大型化や部品点数を増やすことなく、リップルの発生及びノイズの抑制を図ることができる負荷制御装置,及びその負荷制御装置に接続されるコンデンサのインピーダンス調整方法を提供することにある。
請求項1記載の負荷制御装置によれば、半導体スイッチング素子がスイッチング動作する場合に発生するノイズを低減するため、電源とグランドとの間,若しくは負荷の一端と電源又はグランドとの間に接続される1つ以上のコンデンサを備える。この場合、前記コンデンサは、インピーダンスが最低になる周波数共振点が、前記ノイズの影響を低減する対象となる周波数帯の中心に一致するように、回路に接続されるリード部分のインダクタンスが調整された構成となっている。すなわち、コンデンサの容量や素子数を増やさずともノイズを除去するための周波数特性を調整できるので、フィルタを構成する部品の大型化や部品点数を増やすことなく、リップルの発抑を制生すると共にノイズの抑制を図ることができる。
そして、リード部分を、回路をなす主たる配線接続部より突出して伸びる冗長接続部により構成する。一般に、コンデンサとの接続を図る配線部分は最短となるように形成されることが多いが、敢えて突出して伸びる冗長な接続部を設けることで、その冗長接続部が有するインダクタンスによりコンデンサの周波数特性を調整できる。
更に、回路多層基板上に構成して、内層に位置する電源層又はグランド層において冗長接続部が配置されている部分は、電源パターン又はグランドパターンを除去する。斯様に構成すれば、冗長接続部のリードインダクタンスが電源パターンやグランドパターンの影響を受けることが回避されるので、周波数特性の調整が容易となる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、コンデンサがディスクリート素子である場合、リード部分をコンデンサのリードで構成する。やはり一般に、ディスクリート素子を回路基板に搭載する場合リードは最短となるように接続されるが、そのリードの長さを調整すれば、リードのインダクタンスによってコンデンサの周波数特性を調整できる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、リード部分を、スルーホールを介して基板の両面で接続される配線パターンで構成する。すなわち、スルーホールもリードインダクタンスを有しているので、スルーホールを利用してコンデンサのリードインダクタンスを調整できる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、リード部分を、スルーホールを複数個設け、それらを連続して接続することで構成する。斯様に構成すれば、スルーホールを設ける個数によってコンデンサのリードインダクタンス,周波数特性を調整でき、等価直列インダクタンス(ESL値)を大きくして調整のために要するスペースが小さくなる。
請求項記載の負荷制御装置によれば、リード部分を、ボンディングワイヤで構成する。すなわち、ボンディングワイヤを冗長に引き回すことは比較的容易に行えるので、ボンディングワイヤのインダクタンスによってコンデンサの周波数特性を調整できる。
本発明の第1実施例であり、負荷制御装置の構成を示す図 (a)は一般的なπ型フィルタを示し、(b)は(a)を構成する素子をインピーダンスZ1,Z2,Z3で表わした図 (a)はコンデンサの等価回路図、(b)はコンデンサの高周波インピーダンス特性を示す図 リードインダクタンスを調整し、コンデンサの共振点を所定の周波数帯に合わせること説明する図 コンデンサを回路に接続する場合の実態配線イメージを示す図 本発明の第2実施例を示す図5(b)相当図 本発明の第3実施例を示す図5相当図 本発明の第4実施例を示す図6相当図 本発明の第5実施例を示す図6相当図 本発明の第6実施例を示す図6相当図 本発明の第7実施例を示す図6相当図 本発明の第8実施例を示す図6相当図 本発明の第9実施例を示す図1相当図 本発明の第10実施例を示す図1相当図 フィルタ回路のバリエーションを示す図 本発明の第11実施例を示す図1相当図
(第1実施例)
以下、本発明の第1実施例について図1乃至図5を参照して説明する。図1は、負荷制御装置の構成を示すものである。負荷制御装置1において、電源であるバッテリ2の正側端子と負側端子(グランド)との間には、PチャネルMOSFET3(半導体スイッチング素子),コイル4及び直流モータ5(負荷)の直列回路が接続されている。FET3のスイッチング制御は制御回路6によって行われ、その制御回路6のグランド端子とモータ5の負側端子との間のグランド線には、コイル7が挿入されている。
コイル4,モータ5及びコイル7の直列回路には、NチャネルMOSFET8が並列に接続されており、そのFET8のゲートは、抵抗素子9を介してグランド線に接続されている。FET8は、ドレイン−ソース間に接続されている寄生ダイオードを8Dをフリーホイールダイオードとして利用するために設けられている。
すなわち、FET3及び8は電源(+B),グランド間に直列に接続されており、これらに対して並列にコンデンサ10が接続されている。また、電源とモータ5の正側端子との間にもコンデンサ11が接続されており、これらの直列回路に対して並列に、コンデンサ12が接続されている。そして、コイル7とコンデンサ10及び12とはπ型フィルタを構成しており、コイル6とコンデンサ11とはLCフィルタを構成している。
次に、本実施例の作用について図2乃至図5も参照して説明する。図1に示す回路で表わされる構成に特徴的な点はないが、本実施例では、ノイズフィルタを構成しているコンデンサ10〜12を回路に接続する場合に、インピーダンス(主としてリードインダクタンス)の調整を図る部分に特徴を有している。図2(a)は、コイルL1とコンデンサC1及びC2で構成される一般的なπ型フィルタを示すもので、負荷インピーダンスをZとしている。コイルやコンデンサは、寄生成分としてL,R,Cの要素も含んでいるので、コンデンサC1,コイルL1,コンデンサC2を、図2(b)に示すようにそれぞれインピーダンスZ,Z,Zで表わす。
この場合、フィルタのゲインGは、次式で表わされる。
=Z/{(1+Z/Z)・Z+Z
したがって、コンデンサC2のインピーダンスZを低下させればゲインGは低下し、コイルL1のインピーダンスZを上昇させてもゲインGは低下する。
図3(a)はコンデンサの等価回路図であり、図3(b)は、コンデンサの高周波に対するインピーダンス特性を示す。インピーダンスは等価的にR,L,Cの直列回路となるので、所定の周波数に共振点を持つことになる。このうちLは、主としてコンデンサのリードインダクタンス成分であるから、リードインダクタンスを調整すれば、図4に示すように共振点を所定の周波数帯に合わせることが可能となる。
そこで、本実施例では、図1に示すコンデンサ10〜12を回路に接続する場合に、それぞれのリードインダクタンスを調整することで、これらの共振点をAMラジオ周波数帯の中心に合わせ込むようにする。図5は、例えばコンデンサ11を回路に接続する場合の実態配線イメージを示す。この場合、コンデンサ11はディスクリート素子であり、各素子がリードフレーム20を介して接続されることで回路が構成されるものとする。
一般的には、図5(a)に示すようにコンデンサ11のリード11L(リード部分)を、はんだ付け等の接続作業に支障を来さない適度に短くしてリードフレーム(配線接続部)20に接続する。これに対して本実施例では、図5(b)に示すようにコンデンサ11のリード11Lを通常よりも伸ばすことでリードインダクタンスをより大きくし、コンデンサ11の周波数共振点を低下させ、図4に示すようにAMラジオの放送周波数帯の中心に合わせ込む。他のコンデンサ10,12についても同様に調整を行う。尚、リードフレーム20が回路基板上の配線パターンであり、リード11Lを基板に設けた穴に挿入して接続する場合も同様である。
以上のように本実施例によれば、FET3がスイッチング動作する場合に発生するノイズを低減するため、電源とグランドとの間,若しくは負荷の一端と電源又はグランドとの間にコンデンサ10〜12を接続し、これらのコンデンサ10〜12について、インピーダンスが最低になる周波数共振点が、前記ノイズの影響を低減する対象となる周波数帯であるAMラジオ放送周波数帯の中心に一致するように、回路に接続されるリード部分のインダクタンスを調整した構成とする。
この場合、ディスクリート素子であるコンデンサ10〜12のリードの長さによってリードインダクタンスを調整する。したがって、コンデンサの容量や素子数を増やさずとも、ノイズを除去するための周波数特性を調整できるので、フィルタを構成する部品の大型化や部品点数を増やすことなく、リップルの発抑を制生すると共にノイズの抑制を図ることができる。
(第2実施例)
図6は本発明の第2実施例であり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例では、コンデンサ11のリード11Lの長さを調整する代わりに、リードフレーム20(主たる配線接続部)側についてリード11Lとの接続を図る部分を冗長接続部21(リード部分)として延設することで、その部分のリードインダクタンス成分を大きくして、コンデンサ11の周波数共振点をAM帯の中心に合わせ込むように調整する。
以上のように構成される第2実施例によれば、リードフレーム20より延設され、リード11Lと直接接続される冗長接続部21のリードインダクタンスを増加させて、コンデンサ11の周波数特性,周波数共振点を調整できる。
(第3実施例)
図7は本発明の第3実施例であり、例えばコンデンサ11に替わるコンデンサ22が面実装タイプのチップ部品であり、そのコンデンサ22を基板上の配線パターン23(主たる配線接続部)に接続する場合を示す。この場合、図7(b)に示すように、第2実施例と同様にして、コンデンサ22と直接接続する部分を配線パターン23より冗長接続部24(リード部分)として延設することで、その部分のリードインダクタンス成分を大きくする。
以上のように構成される第3実施例によれば、配線パターン23より延設され、コンデンサ22と直接接続される冗長接続部24のリードインダクタンスを増加させて、コンデンサ22の周波数共振点を調整することができる。
(第4実施例)
図8は本発明の第4実施例であり、第3実施例と異なる部分について説明する。第4実施例は、第3実施例と同様にチップ部品のコンデンサ22を基板上の配線パターン23に接続するが、回路基板が両面配線を行うことを前提とする。コンデンサ22は、基板の表面側に、配線パターン23と分離して設けられたランド25に接続される。
そして、配線パターン23と、ランド25(リード部分)とにそれぞれスルーホール26,27(リード部分)を設け、基板の裏面側に形成した配線パターン28(図中に破線で示す,リード部分)を介して、スルーホール26,27間を接続する。この場合、スルーホール26,27自体も、基板の裏表間を接続することでリードインダクタンスを有するので、配線パターン28と併せてインダクタンスを増加させることができる。
(第5実施例)
図9は本発明の第5実施例であり、第3実施例と異なる部分について説明する。第5実施例もコンデンサ22を用いるが、回路基板が多層基板となっており、内層にグランド層が配置されるものとする。通常、グランド層は全面がグランドパターンとなるが、第3実施例のように基板表面に冗長接続部24が形成されている場合、その部位に対応してグランドパターンが存在すると、冗長接続部24のリードインダクタンスがグランドパターンの影響を受けてコンデンサ22の周波数特性を調整するのが困難となるおそれがある。
そこで、第5実施例では、図9に示すように、冗長接続部24が掲載されている部位に対応するグランド層の部分は、パターンをよけてグランドパターン29を形成し、リードインダクタンスの調整を容易にする。尚、内層が電源層である場合も、同様にして電源パターンを形成すれば良く、グランド層と電源層とをそれぞれ有する多層基板について同様に適用しても良い。
以上のように構成される第5実施例によれば、回路が多層基板上に構成される場合、内層に位置するグランド層において冗長接続部24が配置されている部分は、グランドパターンを除去する構成としたので、冗長接続部24のリードインダクタンスがグランドパターン29の影響を受けることが回避され、コンデンサ22の周波数共振点の調整が容易となる。
(第6実施例)
図10は本発明の第6実施例である。第6実施例は、第4実施例と同様に、コンデンサ22を配線パターン23とは切り離されたランド30に接続し、配線パターン23とランド30とを、例えば金線などのボンディングワイヤ31(リード部分)を介して接続する。すなわち、ボンディングワイヤ31自体もリードインダクタンスを有しており、ボンディングワイヤ31の長さは容易に調整できるので、その長さによってコンデンサ22の周波数特性を調整することができる。
(第7実施例)
図11は本発明の第7実施例である。第7実施例は、コンデンサ22を、絶縁性を有する接着剤60により配線パターン23に接着固定し、ボンディングワイヤ31によりコンデンサ22と配線パターン23との間の電気的接続を図っている。すなわち、ボンディングワイヤ31の長さ調整することで、そのリードインダクタンスによってコンデンサ22の周波数特性を調整する。これにより、例えば図7(b)に示すような冗長接続部24を設けずとも調整が可能となるので、必要となる基板面積をより小さくできる。
(第8実施例)
図12は本発明の第8実施例であり、第4実施例と異なる部分について説明する。第8実施例では、第4実施例のようにスルーホールを形成する場合であるが、ランド25に対する配線パターン32(配線接続部)の間隔を、配線パターン23よりも狭く形成している。この場合も同様に、配線パターン32にスルーホール33を形成し、ランド25にスルーホール34を形成するが、それらの間に更に2つのスルーホール35,36を形成する。そして、スルーホール33,35の間と、スルーホール36,34の間とは、基板裏面の配線パターン37,38で接続し、スルーホール35,36の間は、基板表面の配線パターン39で接続する。
すなわち、スルーホール33,35,36,34がL字状に配置されており、それらの間を基板両面の配線パターン37〜39で連続するように接続されている。斯様に構成すれば、スルーホールを設ける個数によってコンデンサ22のリードインダクタンスを調整でき、等価直列インダクタンス(ESL値)を大きくして、調整のために要するスペースが小さくなる。
(第9実施例)
図13は本発明の第9実施例を示すものであり、第1実施例の図1に示すものと同様の構成を、ロウサイド駆動方式に適用した場合を示す。負荷制御装置40では、図1ではグランド線に挿入されていたコイル7が電源線に挿入されており、モータ5の正側端子は、コイル7とコンデンサ12との共通接続点に接続されている。モータ5の負側端子は、コイル4とコンデンサ11との共通接続点に接続されており、コンデンサ11の他方の端子はグランド線に接続されている。
そして、制御回路6Lは、グランド側のFET8にゲート信号を与えてスイッチング制御してモータ5を駆動制御すると共に、電源側のFET3にもゲート信号を与え、FET8のオフ期間にFET3をオンさせて、FET8によりスイッチング動作が行われる場合に発生する還流電流を流す、いわゆる同期整流を行う。この場合、例えば第1実施例のように、FET3の寄生ダイオード3Dに還流電流を流す場合に順方向電圧Vf分に応じて発生する損失を、FET3の低いオン抵抗により低減できる。
以上のように構成される第9実施例によれば、負荷制御装置40がロウサイド駆動方式で構成される場合についても、コンデンサ10〜12のリードインダクタンスを第1〜第8実施例と同様にしてそれらのリードインダクタンスを調整し、それぞれの周波数共振点がAMラジオ周波数帯の中心に一致するように周波数特性を調整できる。
(第10実施例)
図14及び図15は本発明の第9実施例を示すものである。第10実施例は、フィルタ回路を、電源側と負荷側とに分離して構成した場合を示す。負荷制御装置41において、制御回路42と、FET3及び8がコントローラ部43を構成しているとすると、電源側のフィルタ回路44は、バッテリ2とコントローラ部43との間に配置されている。この場合、フィルタ回路44は、コイル45及びコンデンサ46,47のπ型フィルタで構成されている。そして、負荷側のフィルタ回路48は、コントローラ部43とモータ5との間に配置されている。この場合、フィルタ回路48は、コイル49及びコンデンサ50のLCフィルタで構成されている。
また、制御回路42は、FET8にゲート信号を出力することで、FET3のオフ期間にFET8をオンさせて、第9実施例と同様に同期整流を行う。以上のように構成される場合も、第1〜第8実施例と同様にして、コンデンサ46,47,50のリードインダクタンスを調整し、それぞれの周波数共振点がAMラジオ周波数帯の中心に一致するように周波数特性を調整する。
また、図15は、フィルタ回路44,48のその他バリエーションを示しており、(a)のように電源線,グランド線間に1つのコンデンサを接続するだけでも良く、(b)のように2つのコイルと1つのコンデンサによりT型フィルタを構成したり、(c)のようにフィルタ回路48の構成を2段(2次フィルタ)にしても良い。フィルタ回路44,48に同じタイプを選択しても良いし、フィルタ回路44,48の何れか一方だけを設けても良い。
(第11実施例)
図16は本発明の第11実施例を示すもので、第10実施例の構成を、ロウサイド駆動方式に適用したものである。負荷制御装置51では、コントローラ部52において、FET3は電源線とグランド線との間に接続されており、FET8はグランド線に挿入されている。そして、制御回路42Lは、第9実施例と同様にスイッチング制御及び同期整流制御を行う。電源側のフィルタ回路44は第10実施例と同様の構成であり、負荷側のフィルタ回路53は、電源線に挿入されていたコイル49をグランド線に挿入したLCフィルタである。
以上のように構成される第11実施例による場合も、第10実施例と同様の効果が得られる。そして、負荷制御装置51についても、フィルタ回路44,53のバリエーションを図15と同様に選択できる。但し、図15(b),(c)については、コイルの挿入位置をグランド線側とする。
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
第8実施例において、スルーホールの配置数や配置形態は、適宜変更して実施すれば良い。
コンデンサの共振点を中心に一致させる周波数帯は、AMラジオに限ることなく、個別の設計に応じてスイッチングノイズの影響を回避する必要がある周波数帯を選択すれば良い。
負荷はモータ5に限ることなく、ランプなどの誘導性の負荷や、或いはヒータのような抵抗性の負荷であっても良い。
半導体スイッチング素子は、FETに限ることなく、バイポーラトランジスタやIGBTなどでも良い。
図面中、1は負荷制御装置、2はバッテリ(電源)、3はPチャネルMOSFET3(半導体スイッチング素子)、4はコイル、5は直流モータ(負荷)、7はコイル、8はNチャネルMOSFET(半導体スイッチング素子)、10〜12はコンデンサ、10L〜12Lはリード、20はリードフレーム(配線接続部)、21は冗長接続部(リード部分)、22はコンデンサ、23は配線パターン(配線接続部)、24は冗長接続部(リード部分)、25はランド(リード部分)、26,27はスルーホール(リード部分)、28は配線パターン(リード部分)、29はグランドパターン、31はボンディングワイヤ(リード部分)、32は配線パターン(配線接続部)、33〜36はスルーホール(リード部分)、37〜39は配線パターン(リード部分)、40,41は負荷制御装置、44はフィルタ回路、45はコイル、46,47はコンデンサ、48はフィルタ回路、49はコイル、50はコンデンサ、51は負荷制御装置、53はフィルタ回路を示す。

Claims (10)

  1. 電源とグランドとの間に、負荷と共に直列に接続される半導体スイッチング素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御することで、前記負荷に対する通電を制御する負荷制御装置において、
    前記半導体スイッチング素子がスイッチング動作する場合に発生するノイズを低減するため、電源とグランドとの間,若しくは前記負荷の一端と電源又はグランドとの間に接続される1つ以上のコンデンサを備え、
    前記コンデンサは、インピーダンスが最低になる周波数共振点が、前記ノイズの影響を低減する対象となる周波数帯の中心に一致するように、回路に接続されるリード部分のインダクタンスが調整されており、
    前記リード部分は、前記回路をなす主たる配線接続部より突出して伸びる冗長接続部により構成され、
    前記回路が多層基板上に構成され、内層に位置する電源層又はグランド層において、前記冗長接続部が配置されている部分は、電源パターン又はグランドパターンが除去されていることを特徴とする負荷制御装置。
  2. 前記コンデンサがディスクリート素子であり、前記リード部分は、前記コンデンサのリードで構成されていることを特徴とする請求項1記載の負荷制御装置。
  3. 前記リード部分は、スルーホールを介して基板の両面で接続される配線パターンで構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の負荷制御装置。
  4. 前記リード部分は、前記スルーホールを複数個設け、それらを連続して接続することで構成されていることを特徴とする請求項3記載の負荷制御装置。
  5. 前記リード部分は、ボンディングワイヤで構成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の負荷制御装置。
  6. 電源とグランドとの間に、負荷と共に直列に接続される半導体スイッチング素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御することで、前記負荷に対する通電を制御する負荷制御装置に対し、前記半導体スイッチング素子がスイッチング動作する場合に発生するノイズを低減するため、電源とグランドとの間,若しくは前記負荷の一端と電源又はグランドとの間に1つ以上のコンデンサを接続し、
    前記コンデンサを回路に接続するリード部分を、前記回路をなす主たる配線接続部より突出して伸びる冗長接続部として、
    前記回路を多層基板上に構成する際に、内層に位置する電源層又はグランド層において、前記冗長接続部が配置されている部分は、電源パターン又はグランドパターンを除去しておき、
    前記コンデンサのインピーダンスが最低になる周波数共振点を、前記ノイズの影響を低減する対象となる周波数帯の中心に一致させるように、前記冗長接続部の長さを調整してインダクタンスを調整することを特徴とするコンデンサのインピーダンス調整方法
  7. 前記コンデンサがディスクリート素子で、前記リード部分は、前記コンデンサのリードであり、前記コンデンサのリードの長さを調整することを特徴とする請求項6記載のコンデンサのインピーダンス調整方法
  8. 前記リード部分は、スルーホールを介して基板の両面で接続される配線パターンであることを特徴とする請求項6又は7記載のコンデンサのインピーダンス調整方法。
  9. 前記スルーホールを複数個設け、それらを連続して接続することで調整することを特徴とする請求項8記載のコンデンサのインピーダンス調整方法。
  10. 前記リード部分は、ボンディングワイヤであり、前記ボンディングワイヤの長さを調整することを特徴とする請求項6乃至9の何れか1項に記載のコンデンサのインピーダンス調整方法。
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