JP6291599B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。
本技術分野の背景技術として、特開2011−124503号公報(特許文献1)がある。この公報には「配線基板の裏面と筐体の内表面の間の空間から高周波数帯の電磁ノイズが放射されることを抑制する」と記載されている。
また、特開2014−27180号公報(特許文献2)には、「小型化と、素子の相互干渉やノイズ等による誤動作の抑制を両立する回路基板を提供する」と記載されている。
電力変換装置(インバータ、コンバータ)を市場に出荷するためには、電磁ノイズを低減してEMC(Electromagnetic Compatibility)規格に適合する必要がある。電磁ノイズの低減には、電源線や出力線にコンデンサなどのフィルタ回路素子を追加する手法が一般的であるが、フィルタ回路素子を追加すると装置体積が増加する問題がある。一方、前記特許文献1および2にはフィルタ回路素子を用いずに導体を周期配置することでノイズの伝播を阻止する技術が記載されている。しかし、これら先行技術はプリント基板において集積回路が発生する電磁ノイズのプリント基板内の伝播を阻止する方法を示しており、電力変換装置のような高電圧・高電流システムにプリント基板を用いない装置に適用できない。
そこで本発明は、装置の体積が増加する原因となるフィルタ回路素子を用いずにノイズ伝搬を抑制する配線構造を備えた電力変換装置を提供するものである。
上記した課題を解決するために、本発明では、外部の電源又は負荷に接続するケーブルと内部の回路とを接続するバスバを備えた電力変換装置において、バスバを電磁バンドギャップ構造とすることにより電力変換装置からケーブルを介して電源又は負荷に伝搬る電磁ノイズを抑制するようにした。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、外部の電源又は負荷に接続するケーブルと内部の回路とを正極板と負極板と平行に配置して構成したバスバで接続する電力変換装置において、バスバを構成する正極板と負極板との間に正極板又は負極板の何れかに接続された一対の導電板を、この一対の導電板の一部が互いに平行で接触しないように配置した。
本発明によれば、フィルタ回路素子を用いずに電磁ノイズ低減効果を備えた電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明は、高電圧バスバ配線にノイズを低減するための導体周期構造(Electromagnetic Band Gap構造)を設けることで、電磁ノイズの伝搬を抑制した電力変換装置を提供するものである。
即ち、本発明は、インバータやコンバータなどの電力変換装置の回路を接続するバスバにノイズ抑制構造として導体周期構造(Electromagnetic Band Gap構造)を設けることで低ノイズを低減した電力変換装置を提供できるようにしたものである。
以下に本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
以下に本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
図1に本発明の第1の実施例に係る電力変換装置101の構成を示す。ここでは直流電圧から交流電圧を生成するインバータ(Inverter)を例とする。インバータ101はIGBTやMOSFET、SiCなどの半導体素子102をスイッチング(オン−オフの切り替え)することで所望の電圧や電流を生成する。電源103はバッテリや交流電源をコンバータにより直流電圧に変換したものを用いる。例えばハイブリッド自動車の駆動用インバータは数百ボルトの高電圧バッテリを電源103に用いる。また、例えばX線診断装置などの医療装置は商用の交流電源を用いるため、整流回路またはコンバータを用いて直流電源に変換する。次にこれら電源103とインバータ101はケーブル104で接続する。ケーブル104にはシールドケーブルを用いることでケーブル104からの電磁ノイズ漏れは抑制することができる。半導体素子102はスイッチングする際に高周波の切り替え電流および電圧が発生するため、これを供給する平滑化コンデンサ105を一般的には用いる。インバータ101の出力はケーブル108を介して負荷106に接続される。例えばハイブリッド車用インバータ101の負荷106はモータであり、三相電流を生成および印加することでモータを駆動する。
次にノイズ発生および伝搬メカニズムについて説明する。上述したように、電磁ノイズは半導体素子102のスイッチングによって発生する。発生した電磁ノイズは平滑化コンデンサ105で完全には平滑化できず、電源103側または負荷106側へバスバ(バスバー又はブスバー)配線を伝導して漏洩する。このようにして発生する電磁ノイズは電源配線の正極と負極間に発生するノーマルモードノイズとなる。また、インバータ101の筐体などのGNDに対して正極と負極が同相で電位変動するノイズとなる場合もあり、これはコモンモードノイズとして配線とGND間を伝搬する。
次にEMC規制について説明する。EMC規制は電子機器の安定動作を目的として、機器や装置が発生する電磁ノイズ量に制限を設けるものである。例えば自動車用インバータの場合、CISPR25という国際規格に基づき機器単体で電磁ノイズ量が規定値以下であることを確認する。さらに、自動車に実際に組み込んだ状態でもノイズ量が規定値以下であることを確認する。ノイズ評価方法は大別して放射ノイズと伝導ノイズがある。放射ノイズは装置から空間へ放射されるノイズを試験用アンテナで測定するのに対し、伝導ノイズはLISN(擬似電源回路網)または電流/電圧プローブを用いて装置電源線に発生する電磁ノイズ量を測定する。ここで、乗用車用の車載機器に対して、伝導ノイズは12Vバッテリに接続される電源線のノイズ量のみ規制対象であるが、近い将来にCISPR規格が改定され車載機器の高電圧配線の伝導ノイズも規制対象となる予定である。すなわち、上述したように半導体素子のスイッチングによって発生する電磁ノイズがインバータ外部へ漏洩する場合、これを規制値以下とする必要がある。
以上のように、電力変換装置はスイッチングにより発生する電磁ノイズ量の機器外部への漏洩を規制値以下とする必要がある。
本発明の特徴は、電力変換装置であるインバータ101の電源入力用の配線として備えるバスバに、EBG (Electromagnetic Band Gap:電磁バンドギャップ)という原理に基づいたノイズ抑制素子:EBG構造バスバ107を設けた構造とする点であり、これにより低ノイズな電力変換装置を提供する。
図2A及び図2Bに本発明の第1の実施例に係る電力変換装置のEBG構造バスバ107の詳細を示す。EBG構造バスバ107は板状の金属を整形加工することで作成する。材料は、EBG構造バスバ107での損失が小さくなるよう導電率の高い銅やアルミなどを用いる。板厚は適用装置が用いる電流量によって決まるが、数mm程度が一般的である。形状は、半導体素子と平滑化コンデンサの接続に用いる場合、幅を広く取った平板形状とし、正極と負極間の距離は数mm以下に近づけることで低インダクタンス化を図る。また、平板形状とすることで放熱性も良くなるという長所がある。
図2Aに示すように、本実施例では、従来、2枚の平板を対向させた平行平板で形成していたバスバ配線に、ノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202とを備えて構成したEBG構造バスバを設けた構造とする。このようにノイズ伝搬抑制素子201と202はL字形状の部分に接合面を加えた形状の部材(以下、L字形状という)を逆向きに対向させたものを1組とし、一端を負極板204に固定し、L字形状に形成した他端の側は、櫛歯状に成形されており、図2Bに示すように、この櫛歯状に成形された部分が上下に重なるように設置されている。ここで、L字形状の対向させる面である櫛歯状に成形された部分は、間に電気的な絶縁用のラミネートシート(図示せず)を挿入することにより、物理的に接触させないようにした。これにより、ノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202のL字形状の対向面によって形成されるキャパシタンスと負極板204を介したループ経路によって形成されるインダクタンスが共振する周波数を中心に、電磁ノイズの高周波エネルギーがこれらノイズ伝搬抑制素子201と202とで低減され、コンデンサや磁性コアなどの高周波ノイズを低減するためのフィルタを用いずにノイズ伝搬抑制効果を実現できる。
ここで、ノイズ伝搬抑制素子201と202とは、金属平板のカットおよび曲げ加工で整形できるようL字のくし形形状とした。これによりプリント基板を用いない高電圧/高電流回路にも適用できる。このようなノイズ伝搬抑制原理は、上述したようにEBG、またはやHigh impedance surfaceなどと呼ばれる。尚、ノイズ伝搬抑制素子と正極板203または負極板204は溶接などによって接続すればよい。ノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202のL字形状の幅や長さは低減したいノイズの周波数により決定する。例えば、ノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202のL字形状の幅を12mm、長さを180mm、空隙を0.1mmとした場合、寄生容量は58pF、インダクタンスは33nHと計算され、共振周波数は約110MHzとなる。
また、ノイズ伝搬抑制素子201と202とは、曲げ加工で整形せずに、金属平板を櫛歯形状に加工した後、上記曲げ加工による折り曲げの高さ相当する厚さの金属ブロックを間に挟んで正極板203または負極板204は溶接などによって接続する構造にしてもよい。
図3に実施例1に係るノイズ低減用のEBG構造バスバの電磁界解析結果を示す。上記の例に示した寸法のL字形状に成形したノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202とで形成されるEBG構造バスバのノイズ低減効果として高周波減衰量を解析により確認した。尚、EBG構造バスバを形成するノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202との外形寸法は、90mm幅、150mm長さとし、正極板203と負極板204の間隙は2mmとした。同図には比較のため、EBG構造バスバのようなノイズ抑制素子を設けない場合の結果も示す。解析の結果、本実施例のようなEBG構造バスバを用いた場合、110MHz付近に鋭いピークが生じると共に、EBG構造バスバを用いない場合と比べて高周波の減衰量が大きくなっていることが判る。
図2に示したようなノイズ伝搬抑制素子A201とノイズ伝搬抑制素子B202とで形成されるEBG構造バスバの構成において、ノイズ伝搬抑制素子201と202の形状寸法を調整することで、共振周波数を所望の周波数に合わせることができる。但し、EBG構造バスバの配線形状は電力変換装置(本実施例の場合はインバータ101)全体のサイズや重量、コストなどの条件により外形サイズが決まることが一般的であり、その外形に収まるようノイズ伝搬抑制素子201と202を設計する必要がある。
また、電力変換装置にはノイズ低減および安全を目的として対地コンデンサを実装するのが一般的だが、数十MHz以上の高周波は寄生インダクタンスの影響により対地コンデンサによるノイズ低減効果が小さくなる。これに対して、本実施例によるノイズ伝搬抑制素子201と202を備えたEBG構造バスバのノイズ伝搬抑制構造は、数十MHz以上の高周波帯域で効果を有している。更に、本実施例によるノイズ伝搬抑制素子201と202を備えたEBG構造バスバは、限られたサイズの中でも十分に設計可能な構造である。
以上のことから、本実施例によるノイズ伝搬抑制素子201と202を備えたEBG構造バスバによれば、追加のフィルタ回路素子を用いずに、電源線の伝導ノイズを低減する電力変換装置を提供することができる。
電力変換装置であるインバータ101を車両に適用する場合は、図1に示した構成においてインバータ101全体をモールドで覆い、ケーブル104及びケーブル108と接続する端子をモールドの外部に延ばし、ケーブル104と接続する端子の側でモールドで覆われた内部にEBG構造バスバ107を設置する構成とすることができる。
なお、図1に示して構成においては、EBG構造バスバ107をインバータ101の電源103の側に1つ備えた構造について説明したが、本発明がこれに限るものではなく、図4に示したEBG構造バスバ407のように、インバータ401に複数備える構造としてもよい。図4に示した例では、インバータ401の電源403の側のケーブル404との間の他に、平滑化コンデンサ405と半導体素子402との間、及び半導体素子402と負荷406との間にも更に設けてもよい。
図4に示すように、平滑化コンデンサ405と半導体素子402との間にEBG構造バスバ407設けた場合、半導体素子402をスイッチングした場合に発生する特定周波数のノイズを除去することができる。
また、図4に示すように、半導体素子402と負荷406との間にEBG構造バスバ407設けた場合、半導体素子402をスイッチングした場合に発生する特定周波数のノイズが、負荷406との間のケーブル408にもれることを防止することができる。
図5A及び図5Bに、本発明の第二の実施例における、低インダクタンス化を実現する機能を有するノイズ伝搬を抑制するためのEBG構造バスバの例を示す。すなわち、本実施例においては、ノイズ伝搬抑制素子を設けると共に、正極および負極間のインダクタンスを低減する構造を提供する。
実施例1で説明したように、図1に示した構成において、スイッチング用の半導体素子102と平滑化コンデンサ105の間は高周波電流のやり取りが必要であるため、インダクタンスを小さくすることが重要である。このインダクタンスは、図5Aに示すように、正極板503と負極板504の間隙を小さくすることで低減できるため、ノイズ伝搬抑制素子のうち一方(ノイズ伝搬抑制素子501)を曲げのない直線状の平板とすると共に他方(ノイズ抑制素子502)をL字形状に成形した素子として、負極板504の側に設けた凹部5041にL字形状に成形した部分を収納することにより、正極板503と負極板504の間隙距離を変えることなく、正極板503と負極板504の間にノイズ伝搬抑制素子501と502とを設けることができる。これにより、本実施例によれば、実施例1で説明した効果に加えて、ノイズ伝搬抑制と低インダクタンス化とを実現した電力変換装置を提供することができる。
図6A及び図6Bに、本発明の第三の実施例における、コモンモードノイズを抑制する機能を有するノイズ伝搬を抑制するためのEBG構造バスバの例を示す。図2Aに示したような構成における正極板203と負極板204の間、又は図5Aに示したような構成における正極板503と負極板504の間に発生するノイズはノーマルモードノイズと呼ばれ、グランド(GND)電位を基準とした場合、正極板203又は503と負極板204又は504のそれぞれのノイズ電圧は極性が反転している(逆相である)。実施例1や2で示したノイズ伝搬抑制素子201、202及び501、502は、このノーマルモードノイズを抑制する構造である。
ここで、一般的に電力変換装置のグランド(GND)電極(端子)は編組線などを用いて装置筐体に接続され、装置筐体はGND電位とされる。、このような構成において、正極板203と負極板204はGND電位に対して同相で変動する。このように、正極と負極とがGND電位に対して同相で変動するノイズは、ノーマルモードノイズに対して、コモンモードノイズと呼ばれ、ノーマルモードノイズと同様に低減が必須である。
図6Aおよび図6Bに示したような構成では、正極板603と負極板604がGND電位のGND板501に対して同相で変動するコモンモードノイズが発生する。ノーマルモードノイズは正極と負極の間をノイズが伝搬するため、実施例1及び実施例2で説明したように正極板203と負極板204の間又は正極板503と負極板504の間にノイズ伝搬抑制素子201、202又は501、502を設ける、。これに対して、図6Aおよび図6Bに示したような構成におけるコモンモードノイズは、正極板603または負極板604とGND板605すなわち装置筐体の間をノイズが伝搬するため、正極板603または負極板604とGND板605の間にノイズ抑制素子601及び602を設ける必要がある。このため、図6Aに示すように、正極板603、負極板604と近接するようにGND板605をそれぞれ備え、正極板603とGND板605および負極板604とGND板605の間に一方またはそれぞれノイズ伝搬抑制素子601と602とを備える。これにより、本実施例によれば、正極板603または負極板604とGND板605の間を伝搬するコモンモードノイズを抑制した電力変換装置を提供することができる。
図7A及び図7Bに、本発明の第四の実施例における、回路部品を用いたノイズ抑制素子の構成を示す。上述したように、ノイズ伝搬抑制素子は個々の対向する導体間の寄生容量とインダクタンスによって共振することで、ノイズの伝搬を抑制するため、低周波になるほど素子のサイズが大きくなる。そこでノイズ伝搬抑制素子のサイズを大きくせずに共振周波数を低周波または所望の周波数に合わせるため、図7Aに示すように、コンデンサまたはインダクタなどの回路部品705をノイズ伝搬抑制素子701及び702に接続するよう実装する。これにより、ノイズを抑制したい周波数に共振周波数が一致するよう回路部品705であるコンデンサまたはインダクタの値を選択することで、ノイズ伝搬抑制素子701及び702のサイズを変えずに所望の周波数でノイズ伝搬抑制効果を得られる。
ここで、[発明が解決しようとする課題]の欄において、ノイズ伝搬抑制用のフィルタ回路素子を用いると装置体積の増加を招くという問題を記載したが、これは従来技術のフィルタ回路素子を正極板と負極板の間、または正極板とGNDの間、または負極板とGNDの間のように数十Vから数百V以上の高電圧がかかる箇所に設けるため、高耐圧化によりサイズが大きくなる点が問題である。しかし本実施例に記載の構造では、共振周波数調整用の回路部品は同電位であるノイズ抑制素子間に実装するため、耐電圧は数Vから数十V以下と小さくともよく、よって部品サイズは大きくならない。
以上より、本実施例によれば、装置内の占有体積を増加させることなく、また、ノイズの周波数に制限されることなく、所望の周波数でノイズ伝搬抑制が可能な電力変換装置を提供することができる。
図8A及び図8Bに示すように、ノイズ伝搬抑制素子801及び802の形状は個々の素子のサイズ(櫛歯の長さ)を変える(不均一にする)ことで、共振周波数を複数点とすることにより、より広帯域でノイズ抑制効果を得ることが可能となる。
また、ノイズ伝搬抑制素子801及び802の形状は全て直線またはL字形状のくし形としたが、高インダクタンス化のため、バスバの一部または全体をメアンダ形状やスパイラル形状などとすることで高インダクタンス化してもよい。
また、ノイズ伝搬抑制素子801と802との対向面積により寄生容量を決定する例を示したが、ノイズ伝搬抑制素子801と802との間に誘電材料を備えることでより小さい面積で高い寄生容量値を得られる。
また、以上の各実施例で説明した構成において、EBG構造バスバは金属板の切りおよび曲げ加工で作製する例を示したが、作成方法はプリント基板プロセスを用いても良い。プリント基板プロセスを用いることで、多層構造を容易に作製でき、正極板と負極板間の間隙量の制御も精度よく実現できる。また、実施例4において、正極板703と負極板704に、回路部品705を実装する箇所の上部に相当する位置にビア(穴)を形成することによって、回路部品705のノイズ伝搬抑制素子701及び702への実装が容易となる。
また、上述した構成は電力変換装置のうちインバータを例に示したが、コンバータの場合も同様である。コンバータの場合、整流回路および昇圧または降圧用のスイッチング回路を用いるが、これら回路を接続するバスバにノイズ抑制構造を設けることで低ノイズな電力変換装置を提供できる。
以上のことから、本実施例に示す構成によれば、電磁ノイズを低減した電力変換装置を提供することができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
101・・・電力変換装置 102・・・半導体素子 103・・・電源 104、108・・・ケーブル 105・・・平滑コンデンサ 106・・・負荷 107・・・EBG構造バスバ 201、202、501、502、601、602、701、702、801、802・・・ノイズ伝搬抑制素子 203、503、603、703、803、903・・・正極板 204、504、604、704、804、904・・・負極板 605・・・GND板 705・・・回路部品
Claims (11)
- 外部の電源又は負荷に接続するケーブルと内部の回路とを接続するバスバを備えた電力変換装置であって、前記バスバを電磁バンドギャップ構造とすることにより前記電力変換装置から前記ケーブルを介して前記電源又は負荷に伝搬する電磁ノイズを抑制し、前記バスバは正極板と負極板とが平行に配置された構成を有し、前記電磁バンドギャップ構造を、前記正極板と負極板との間に、一端が前記正極板又は前記負極板の何れか一方と接続し他端が櫛歯状に成形された一対の導電板を、前記櫛歯状に成形された部分を互いに対向させて間隔をあけて設置することにより形成したことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置であって、前記バスバは正極板と負極板とが平行に配置された構成を有し、前記電磁バンドギャップ構造を、前記正極板と負極板との間に2枚の導電板を接触せず一部が互いに平行に配置し、前記2枚の導電板の前記互いに平行に配置した部分以外の部分においてそれぞれ前記正極板又は前記負極板の何れか一方と接続して形成したことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置であって、前記一対の導電板の前記櫛歯状に成形された部分の先端部分が他方の導電板とコンデンサまたはインダクタを挟んで接続されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置であって、前記他端が櫛歯状に成形された一対の導電板の前記櫛歯状に形成された櫛歯の長さ又は幅が不均一であることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置であって、前記バスバは正極板と負極板とが平行に配置されてその両側を1対のグランド電極板で挟んだ構成を有し、前記電磁バンドギャップ構造を、前記正極板と前記1対のうちの一方のグランド電極板との間に一端が前記正極板と接続し他端が櫛歯状に成形された一対の導電板を前記櫛歯状に成形された部分を互いに対向させて間隔をあけて設置し、前記負極板と前記1対のうちの他方のグランド電極板との間に一端が前記負極板と接続し他端が櫛歯状に成形された一対の導電板を前記櫛歯状に成形された部分を互いに対向させて間隔をあけて設置することにより形成したことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置であって、前記電力変換装置がインバータであることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項5記載の電力変換装置であって、電磁バンドギャップ構造としたバスバを、前記インバータの外部の電源に接続するケーブルと前記インバータの平滑コンデンサとの間に設けたことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載の電力変換装置であって、前記電力変換装置がコンバータであることを特徴とする電力変換装置。
- 外部の電源又は負荷に接続するケーブルと内部の回路とを正極板と負極板と平行に配置して構成したバスバで接続する電力変換装置であって、前記バスバを構成する前記正極板と前記負極板との間に前記正極板又は前記負極板の何れかに接続された一対の導電板を、前記一対の導電板の一部が互いに平行で接触しないように配置し、前記一対の導電板の前記互いに平行で接触しないように配置した部分は、互いに櫛歯状に成形されており、前記櫛歯状に成形された部分を互いに対向させて間隔をあけて設置されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項9記載の電力変換装置であって、前記一対の導電板の前記櫛歯状に成形された部分の先端部分が他方の導電板とコンデンサまたはインダクタを挟んで接続されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項9記載の電力変換装置であって、前記一対の導電板の前記櫛歯状の櫛歯の長さ又は幅が不均一であることを特徴とする電力変換装置。
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