JP6305541B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置では、パワー半導体によりスイッチングすることにより、直流電流を交流電流に変換している。電力変換装置は、複数のパワー半導体を備えるパワーモジュール、直流電源とパワーモジュールと間の直流バスバにパワーモジュールと並列接続されるキャパシタモジュール、パワー半導体を駆動する駆動回路部、および駆動回路部にスイッチング制御信号を出力する制御回路部等を備えており、それらは金属筐体内に収納されている（例えば、特許文献１参照）。このように、電力変換装置では、強電系（パワーモジュール、駆動回路部、キャパシタモジュール等）と弱電系（制御回路部）とが、同一筐体内に収納されている。

上述したように、パワー半導体は高電圧をスイッチングしているので、スイッチングに伴って電磁ノイズが発生する。そのため、従来の電力変換装置では、弱電系の電力供給源への伝導ノイズを低減するために、制御回路部への電磁ノイズを遮蔽する部材（金属板）が設けられている。

日本国特開２０１２−１５２１０４号公報

ところで、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載される電力変換装置においては、装置の小型化が要求される。小型化に伴って、ノイズ源と制御回路部との距離も小さくなると共に、ノイズ遮蔽部材の配置スペースも制限されてくる。そのため、ノイズ遮蔽が不十分となり、伝導ノイズが問題となる。

本発明の態様によると、電力変換装置は、直流電源からの直流電流を平滑化するキャパシタモジュールと、駆動回路からの駆動信号に基づいて直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールと、駆動信号を生成するための制御信号を出力する制御回路が実装され、制御回路実装領域に形成されたグラウンド層を有する回路基板と、パワーモジュールからのノイズを遮蔽するノイズ遮蔽板と、キャパシタモジュールとパワーモジュールとが並置して収納されると共に、回路基板がキャパシタモジュールの上方に収納され、かつ、回路基板とキャパシタモジュールとの間の制御回路実装領域に対向する位置に、ノイズ遮蔽板が収納される金属筐体と、を備え、ノイズ遮蔽板は、金属筐体に電気的に接続される複数の接続部を有し、金属筐体の収納部上方から見た平面視において、ノイズ遮蔽板のパワーモジュール側の第１端部は、グラウンド層のパワーモジュール側の第２端部よりもパワーモジュール側に設けられると共に、複数の接続部の内、第１端部に最も近い接続部は第２端部よりもパワーモジュール側に設けられる。

本発明によれば、電力変換装置から流出する伝導ノイズを低減することができる。

図１は、本発明による電力変換装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図２は、電力変換装置１を側方から見た断面図である。 図３は、電力変換装置１の内部を装置上方から見た平面図である。 図４は、図３に示す構成に対する比較例を示す図である。 図５は、第１の変形例を示す平面図である。 図６は、第２の変形例を示す図である。 図７は、第２の変形例における電力変換装置の平面図である。 図８は、第３の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。以下では、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載される電力変換装置を例に説明するが、本発明の電力変換装置は、車載用に限らず、一般産業用の電源システムに用いられる電力変換装置にも適用することができる。

図１は、本発明による電力変換装置の一実施の形態を示すブロック図である。電力変換装置１は、直流電源であるバッテリ８０から供給される直流電流を交流電流に変換し、回転電機ＭＧに供給する。また、回生動作時には回転電機ＭＧは発電機として動作し、電力変換装置１は回転電機ＭＧからの交流電流を直流電流に変換してバッテリ８０を充電する。

電力変換装置１は、パワーモジュール１０，キャパシタモジュール２０，ドライバ回路３０，制御回路４０等と、それらを収納する筐体１００とを備えている。電力変換装置１に設けられた直流バスバ２ａ，２ｂは、一端が直流コネクタ９０に接続され、他端がパワーモジュール１０に接続されている。直流コネクタ９０にはバッテリ８０が接続される。キャパシタモジュール２０は、直流電流を平滑化するキャパシタ２１と、直流バスバ２ａと筐体グランド端子とに接続されるキャパシタ２２ａおよび直流バスバ２ｂと筐体グラウンド端子とに接続されるキャパシタ２２ｂとを備えている。キャパシタ２２ａ，２２ｂはコモンモードノイズをグラウンドに逃がす働きをする。

パワーモジュール１０は、インバータ回路を構成する複数のスイッチング用パワー半導体１１，１３を備えている。本実施形態では、スイッチング用パワー半導体として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。パワーモジュール１０には、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の交流電流に対応して、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１３との直列回路が３組設けられている。ＩＧＢＴ１１，１３には、それぞれダイオード１２，１４が並列接続されている。なお、スイッチング用パワー半導体としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい。その場合、ダイオード１２，１４は不要となる。

各直列回路におけるＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１３との間には、対応する交流バスバ３ａ，３ｂ，３ｃの一端が接続されている。各交流バスバ３ａ，３ｂ，３ｃの他端は、回転電機ＭＧが接続される交流コネクタ７０に接続されている。交流バスバ３ａ，３ｂ，３ｃを流れる電流は、電流センサ５０によって検出される。

制御回路４０は、ＩＧＢＴ１１，１３のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。制御回路４０には、回転電機ＭＧ１に対して要求される目標トルク値が、信号用コネクタ６０を介して不図示の上位コントローラから入力される。制御回路４０は、上位コントローラから入力された目標トルク値、電流センサ５０からの電流情報、および回転電機ＭＧの回転子の磁極位置に基づいて、ＩＧＢＴ１１，１３を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路３０に入力する。なお、磁極位置は、回転電機ＭＧに設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されるものである。

パワーモジュール１０とドライバ回路３０とを接続する信号配線１５には、ゲート駆動信号用の配線、エミッタ電流検出用の配線などが設けられている。ドライバ回路３０は、制御回路４０からの制御パルスに基づき、各ＩＧＢＴ１１，１３を制御するための駆動パルスをゲート駆動信号用の配線を介して各ＩＧＢＴ１１，１３に供給する。各ＩＧＢＴ１１，１３は、ドライバ回路３０からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、直流電流を三相交流電流に変換する。

図２，３は、電力変換装置１における各構成部品の配置を説明する模式図である。図２は、電力変換装置１を側方から見た断面図である。筐体１００は、構成部品を収納するケース本体１００ａと、ケース本体１００ａの上方開口を覆うカバー１００ｂを備えている。筐体１００は、金属等（例えば、アルミ材）の導電性材料により形成されており、電力変換装置１からの放射ノイズの放出、あるいは、電力変換装置１への放射ノイズの侵入を低減するようにしている。

筐体１００のケース本体１００ａおよびカバー１００ｂにより形成される収納空間には、数百ボルトの直流電流が供給される強電部２００、ノイズ遮蔽用の金属ベース板３００、上述した回路基板４００がケース本体１００ａの底面側から順に配置されている。強電部２００には、上述したパワーモジュール１０，キャパシタモジュール２０，直流バスバ２ａ，２ｂ、交流バスバ３ａ〜３ｃが含まれる。パワーモジュール１０からは、ゲート端子１５０が上方に延びるように引き出されている。ゲート端子１５０の先端は、回路基板４００のゲート配線（不図示）に接続されている。

回路基板４００（図１）において、金属ベース板３００の上方の基板領域４００ａには制御回路４０が実装され、パワーモジュール１０の上方の基板領域４００ｂにはドライバ回路３０（図１）が実装されている。また、基板領域４００ａには、制御回路４０に関するグラウンドパターン層４０１が形成されている。

電力変換装置１のパワーモジュール１０にはバッテリ８０から数百ボルトの高電圧が印加され、その高電圧を高速にスイッチングすることで直流電流を交流電流に変換しているので、パワーモジュール１０からノイズが発生する。そのため、強電部２００のノイズが基板領域４００ａのグラウンドパターン層４０１と結合するのを防止するために、上述した金属ベース板３００が設けられている。金属ベース板３００を配置することでノイズが遮蔽され、グラウンドパターン層４０１から弱電系の電力供給源５００への伝導ノイズが低減される。

金属ベース板３００は、ケース本体１００ａに形成されたベース板固定部１０１の凸部１０２上にネジ固定されており、ケース本体１００ａに電気的に接続されている。また、金属ベース板３００の上方に配置された回路基板４００は、導電性の支柱４１０を介して金属ベース板３００上に固定されている。支柱４１０は回路基板４００のグラウンドパターン層４０１と金属ベース板３００とを電気的に接続している。ケース本体１００ａは車両のシャーシグラウンドに接続されており、ケース本体１００ａに固定された金属ベース板３００の電位、および金属ベース板３００に固定された回路基板４００のグラウンドパターン層４０１の電位は、シャーシグラウンド電位となっている。

ところで、本実施の形態の電力変換装置１では、装置の小型化を図るために、同一の回路基板４００上に弱電系の制御回路４０と強電系のドライバ回路３０とが実装されている。そのため、前述した従来の電力変換装置の場合と比べて、強電部２００と制御回路４０および金属ベース板３００との距離がより短くなっている。そのため、金属ベース板３００へのノイズ結合がより顕著になり、それがグラウンドパターン層４０１における伝導ノイズ増加の起因となる。

また、パワーモジュール１０の上部には、上述したゲート端子１５０やパワーモジュール１０と直流バスバ２ａ，２ｂとの接続部があるため、基板領域４００ｂの下部まで金属ベース板３００を延ばすことができない。そのため、パワーモジュール１０からのノイズが回路基板４００のグラウンドパターン層４０１と直接結合し、伝導ノイズを発生させることになる。

図３は、電力変換装置１の内部を装置上方から見た平面図であり、パワーモジュール１０と、金属ベース板３００と、グラウンドパターン層４０１との位置関係が分かりやすいように、回路基板４００に関しては基板位置を破線で示すのみとした。図示していないが、金属ベース板３００の下方にはキャパシタモジュール２０が配設されており、そのキャパシタモジュール２０とパワーモジュール１０とは直流バスバ２ａ，２ｂによって接続されている。各直流バスバ２ａ，２ｂは幅広な導電板で構成されており、一対の導電板は積層構造とされている。

金属ベース板３００には複数の接続部３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ，３０１ｄが形成され、これらの接続部３０１ａ〜３０１ｄがベース板固定部１０１の凸部１０２に固定されている。パワーモジュール１０のノイズは、金属ベース板３００および回路基板４００のグラウンドパターン層４０１と結合する。ただし、グラウンドパターン層４０１の場合には、ノイズの一部が金属ベース板３００で遮蔽されるため、金属ベース板３００に比べて結合の度合いは小さい。

本実施の形態では、ノイズ遮蔽板である金属ベース板３００は、ベース板固定部１０１に電気的に接続される複数の接続部３０１ａ〜３０１ｄを有すると共に、金属ベース板３００のパワーモジュール側の端部３００ａが、グラウンドパターン層４０１のパワーモジュール側の端部４０１ａよりもパワーモジュール１０側に設けられている。さらに、複数の接続部３０１ａ〜３０１ｄの内、金属ベース板３００の端部３００ａに最も近い接続部３０１ａは、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａよりもパワーモジュール１０側に設けられている。

すなわち、収納空間上方から見た図３の図示左右方向（パワーモジュール１０からノイズ遮蔽板方向）の距離に関して、パワーモジュール１０とグラウンドパターン層４０１の端部４０１ａとの距離をＡとし、パワーモジュール１０と接続部３０１ａ（ネジ固定の固定位置）との距離をＢとし、金属ベース板３００の端部３００ａと接続部３０１ａ，３０１ｂとの距離をＣ，Ｄとし、パワーモジュール１０と金属ベース板３００の端部３００ａとの距離をＥとしたとき、Ａ＞Ｂ、Ｃ＜Ｄ、Ａ＞Ｅの全てが満足されるように設定されている。なお、図３では、距離Ａ，Ｂ，Ｅのパワーモジュール側基点をパワーモジュール１０の右端（グラウンドパターン層４０１側）としたが、パワーモジュール１０の中央をパワーモジュール側基点としても良い。

上述したように、金属ベース板３００におけるノイズとの結合は、ノイズ発生源であるパワーモジュール１０に近いほど大きく、ノイズ電流の電流密度も大きい。金属ベース板３００の端部３００ａで生じたノイズ電流は、破線Ｒ１で模式的に示すように端部３００ａに最も近い接続部３０１ａへ流れ、接続部３０１ａからベース板固定部１０１およびケース本体１００ａを介してシャーシグラウンドへと流れる。

図４は、図３に示す構成に対する比較例を示したものである。図４（ａ）に示す構成は、Ａ＜Ｅのように構成した場合の例である。この場合もＡ＞Ｂ、Ｃ＜Ｄと設定されているので、ノイズ電流は、図３の場合と同様に金属ベース板３００の端部３００ａからよりパワーモジュール側に配置された接続部３０１ａへと流れる。しかし、グラウンドパターン層４０１が金属ベース板３００の端部３００ａよりも図示左側まで延在しているため、このノイズ電流に起因する電流がグラウンドパターン層４０１に生じ、伝導ノイズの低減を図ることができない。

また、図４（ｂ）に示す構成では、Ｃ＜ＤおよびＡ＞Ｅは満足しているが、Ａ＜Ｂのように設定されている。この場合、ノイズ電流は、破線Ｒ２で示すように、金属ベース板３００の端部３００ａから電流経路の最も短い接続部３０１ａに向かって流れる。接続部３０１ａは、金属ベース板３００の端部３００ａに対してパワーモジュール１０とは反対側に配置されている。そのため、ノイズ電流が金属ベース板３００の端部３００ａから破線Ｒ２のように接続部３０１ａへ流れると、ノイズ電流がグラウンドパターン層４０１の直下を流れ、図４（ａ）の場合と同様に伝導ノイズを低減することができない。

一方、図３に示す実施の形態では、金属ベース板３００の端部３００ａがグラウンドパターン層４０１の端部４０１ａよりもパワーモジュール側にあり（Ａ＞Ｅ）、かつ、金属ベース板３００の端部３００ａに最も近い接続部３０１ａがグラウンドパターン層４０１の端部４０１ａよりもパワーモジュール側にあるので（Ａ＞Ｂ）、破線Ｒ１で示すノイズ電流はグラウンドパターン層４０１から離れたところを流れることになる。その結果、グラウンドパターン層４０１に生じる伝導ノイズを低減することができる。また、基板領域４００ａ全体のノイズレベルを低減することができ、信号用コネクタ６０の設置自由度が高くなる。

なお、Ａ＞Ｅとすることで、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａが、金属ベース板３００の端部３００ａから金属ベース板３００のノイズ遮蔽領域（端部３００ａの図示右側の領域）に後退する。その結果、グラウンドパターン層４０１におけるノイズとの結合を低減することができ、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａ付近におけるノイズ電流密度を低減することができる。

（変形例１）
図５は、Ａ＞Ｂ、Ｃ＜Ｄ、Ａ＞Ｅのように設定した場合の他の例を示す図である。図５に示す例では、金属ベース板３００の端部３００ａに最も近い接続部３０１ａが、端部３００ａに対してパワーモジュール側ではなく、その反対側（パワーモジュール１０から遠ざかる側）に配置されている。この場合には、金属ベース板３００の端部３００ａとグラウンドパターン層４０１の端部４０１ａとの間の金属ベース板領域が広くなり、破線Ｒ３で示すように、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａをノイズ電流経路から大きく離すことができる。また、グラウンドパターン層４０１にノイズが直接結合するのを低減することができる。その結果、伝導ノイズの低減を図ることができる。

（変形例２）
図６，７は、本実施の形態の第２の変形例を示す図である。この場合も、上述した条件Ａ＞Ｂ、Ｃ＜Ｄ、Ａ＞Ｅを満たしている。上述した図２，３の例では、金属ベース板３００の配置領域を、強電部２００と回路基板４００との間の、キャパシタモジュール２０のほぼ上方領域に限定した。一方、第２の変形例では、図６，７に示すように、強電部２００の上方領域の全体に亘って金属ベース板３００を設け、パワーモジュール１０の上方にあたる領域にゲート端子１５０が通過する開口３０２を形成した。金属ベース板３００には、開口３０２の図示左側にも接続部３０１ｅが設けられ、その接続部３０１ｅはケース本体１００ａのベース板固定部１０１に固定される。

上述した金属ベース板３００の端部３００ａは、制御回路４０が実装される基板領域４００ａとパワーモジュール１０との間にある金属ベース板３００の縁が対応する。そのため、第２の変形例の場合には、開口３０２のグラウンドパターン層４０１側の縁部分が上述した端部３００ａに相当している。ノイズ電流は、破線Ｒ４で示すように、金属ベース板３００の端部３００ａからそれに最も近い接続部３０１ａへと流れる。グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａはノイズ電流の経路（破線Ｒ４）から遠く離れているので、グラウンドパターン層４０１における伝導ノイズの低減を図ることができる。

第２の変形例の場合、図７に示すように金属ベース板３００の端部３００ａとグラウンドパターン層４０１の端部４０１ａとの間の領域が広くなるので、ノイズ遮蔽効果が図２，３に示す金属ベース板３００に比べて向上し、回路基板４００における伝導ノイズの低減をより向上させることができる。

なお、第２の変形例では、金属ベース板３００の端部３００ａはパワーモジュール１０の上方位置にあるので、距離Ａ，Ｂ，Ｅのパワーモジュール側基点はパワーモジュール１０の中央に設定される。

（変形例３）
図８は、本実施の形態の第３の変形例を示す図である。第３の変形例では、図２に示した構成に金属製のバネ部材６００を追加した。バネ部材６００は、金属ベース板３００の端部３００ａの近傍とカバー１００ｂとの間に介在するように設けられ、下端部は金属ベース板３００に押圧され、上端部はカバー１００ｂに押圧される。すなわち、バネ部材６００も、金属ベース板３００と筐体１００とを電気的に接続する接続部として機能している。

バネ部材６００と金属ベース板３００との接触位置は接続部３０１ａよりも端部３００ａに近いので、金属ベース板３００の端部３００ａにおけるノイズ電流は、破線Ｒ４で示すようにバネ部材６００を介してカバー１００ｂへと流れる。この場合も、ノイズ電流の経路（破線Ｒ４）は、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａに離れているので、グラウンドパターン層４０１における伝導ノイズを低減することができる。

例えば、図４（ｂ）に示す例では、接続部３０１ａを金属ベース板３００の端部３００ａの近くに設けている。しかし、このような構成にできない場合であっても、金属ベース板３００の端部３００ａの近傍にバネ部材６００を設けることで、このバネ部材６００が金属ベース板３００の端部３００ａに最も近い接続部として機能する。その結果、ノイズ電流はバネ部材６００を流れるようになり、グラウンドパターン層４０１における伝導ノイズを低減することができる。なお、図８の構成は、図２の構成にバネ部材６００を追加したものであるが、図７に示す構成にも同様に適用することができる。

以上説明した実施の形態では、図３に示すように、ノイズ遮蔽用の金属ベース板３００は、金属製の筐体１００に電気的に接続される複数の接続部３０１ａ〜３０１ｄを有すると共に、金属ベース板３００の端部３００ａが、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａよりもパワーモジュール１０側に設けられている。そして、複数の接続部３０１ａ〜３０１ｄの内、金属ベース板３００の端部３００ａに最も近い接続部３０１ａが、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａよりもパワーモジュール１０側に設けられている。そのような構成としたことにより、金属ベース板３００の端部３００ａに生じたノイズ電流は、グラウンドパターン層４０１の端部４０１ａから離れたところを接続部３０１ａへと流れ、グラウンドパターン層４０１における伝導ノイズを低減することができる。

図３に示す構成では、ドライバ回路３０は、制御回路４０が実装されている回路基板４００の、パワーモジュール１０が対向する領域に実装されている。このように同一回路基板４００にドライバ回路３０および制御回路４０を設けた場合、ドライバ回路３０はパワーモジュール１０に近接するように設けられるので、制御回路４０もパワーモジュール１０に近い位置に配置されることになる。そのため、図３に示すように金属ベース板３００とグラウンドパターン層４０１ａとを構成することで、伝導ノイズの低減を図ることができる。なお、ドライバ回路３０がパワーモジュール１０内に設けられる構成の場合にも、図３に示す金属ベース板３００とグラウンドパターン層４０１ａとの構成を同様に適用することができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第１５４１０１号（２０１４年７月２９日出願）

１…電力変換装置、１１，１３…パワー半導体、８０…バッテリ、１０…パワーモジュール、２０…キャパシタモジュール、３０…ドライバ回路、４０…制御回路、１００…筐体、１１０…ベース板固定部、３００…金属ベース板、３０１ａ〜３０１ｅ…接続部、４００…回路基板、４０１…グラウンドパターン層、６００…バネ部材

Claims (3)

1. 直流電源からの直流電流を平滑化するキャパシタモジュールと、
   駆動回路からの駆動信号に基づいて直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールと、
   前記駆動信号を生成するための制御信号を出力する制御回路が実装され、制御回路実装領域に形成されたグラウンド層を有する回路基板と、
   前記パワーモジュールからのノイズを遮蔽するノイズ遮蔽板と、
   前記キャパシタモジュールと前記パワーモジュールとが並置して収納されると共に、前記回路基板が前記キャパシタモジュールの上方に収納され、かつ、前記回路基板と前記キャパシタモジュールとの間の前記制御回路実装領域に対向する位置に、前記ノイズ遮蔽板が収納される金属筐体と、を備え、
   前記ノイズ遮蔽板は、前記金属筐体に電気的に接続される複数の接続部を有し、
   前記金属筐体の収納部上方から見た平面視において、前記ノイズ遮蔽板のパワーモジュール側の第１端部は、前記グラウンド層のパワーモジュール側の第２端部よりもパワーモジュール側に設けられると共に、前記複数の接続部の内、前記第１端部に最も近い接続部は前記第２端部よりもパワーモジュール側に設けられる、電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記回路基板は前記パワーモジュールの上方まで延在し、
   前記駆動回路は、前記回路基板の前記パワーモジュールが対向する領域に実装されている、電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記ノイズ遮蔽板は、前記回路基板のパワーモジュール実装領域が対向する領域まで延在すると共に、前記パワーモジュールと前記駆動回路とを接続する配線が貫通する開口が形成され、
   前記開口のキャパシタモジュール側の縁が前記第１端部である、電力変換装置。
   

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