JP6387734B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関するものである。

接地される筐体内に取付部を介して取付けた複数の半導体パワースイッチング素子にＯＮ、ＯＦＦ信号を印加し、その導通時間を可変することにより必要な電圧・電流を供給制御するインバータ装置において、誘電率が小さい高絶縁高熱伝導材料からなる取付部と冷却フィンとを一体化し、半導体パワースイッチング素子を当該取付部に取り付けたインバータ装置が知られている（特許文献１）。

特開平９−２９８８８９号公報

しかしながら、上記従来のインバータ装置では、冷却フィンに絶縁材料を用いているため、熱伝導が悪化し冷却性能が低下する、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、スイッチング回路を備えた電源装置において、冷却性能を維持しつつ、スイッチング回路で発生したノイズの筐体への伝搬を抑制することである。

本発明は、冷却部材を流れる電流の導通方向に対して垂直方向に向けて延在するように、導電部材を冷却部材に接続する。そして、導電部材の延在方向の長さ（Ｌ_ａ）が下記式を満たすように構成することによって上記課題を解決する。

ただし、Ｎは自然数であり、λはスイッチング回路で発生するノイズの波長である。

本発明は、冷却部材を伝搬するノイズの波が、導電部材に伝搬し、導電部材の端部で反射する。このとき、冷却部材から導電部材に伝搬するノイズの波と、端部で反射した波が逆相になるため、互いに打ち消し合う。これにより、所望の周波数のノイズを抑制できる。

図１は本発明の実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。 図２は図１のII-II線に沿う断面図である。 図３（ａ）は冷却部材と導電部材と間のノイズ伝搬を概念的に表した図である。図３（ｂ）及び図３（ｃ）はノイズ電圧の時間特性を示すグラフである。 図４は所定の周波数帯域におけるノイズ特性を示すグラフである。 図５は本発明の他の実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。 図６は図１のVI-VI線に沿う断面図である。 図７は本発明の他の実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。 図８は図１のVIII-VIII線に沿う断面図である。 図９は変形例に係る電力変換装置の断面図である。 図１０は本発明の他の実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。 図１１は図１のXI-XI線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
本発明の実施形態に係る電源装置を説明する。電源装置は、例えば車両に設けられており、車載バッテリの電力を変換する装置として用いられる。なお、以下では、電源装置の例として、電力変換装置を挙げた上で、実施形態を説明する。電源装置は、電力変換装置に限らず、高周波のノイズを発生する回路を含んだ装置であればよい。また電源装置は、車両に限らず、他の装置又はシステムに設けられていてもよい。

図１は電力変換装置の斜視図である。図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。電力変換装置１は、電源回路１０、絶縁部材２０、冷却部材３０、導電部材４０、及び筐体５０を備えている。なお、図１について、電源回路１０、絶縁部材２０、冷却部材３０、及び導電部材４０は筐体５０に収容されているため、外側から見えないが、説明のために図示している。以下、他の実施形態で示す斜視図についても、同様である。

電源回路１０は、高周波のノイズを発生するスイッチング回路である。電源回路は、筐体５０の内部に設けられており、パワーモジュールを有している。パワーモジュールは、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子（スイッチング素子）をモジュール化した部材である。パワー半導体素子は、制御回路から送信されるスイッチング信号により、スイッチのオン、オフを切り替える。そして、パワー半導体素子のオン、オフが切り替わることで、パワーモジュールは、入力電力を変換している。

電源回路１０の一例として、インバータが用いられる。電力変換装置１を車両の駆動システムに適用した場合に、インバータの入力側には、直流電源を供給するためのバッテリが接続される。インバータの出力側には、インバータの出力電力により回転力を得るモータが接続されている。インバータは、スイッチ群を有している。スイッチ群は、モジュール化されたパワー半導体素子により構成されたスイッチ群と制御回路を有している。そして、スイッチ群に含まれるスイッチのオン、オフが切り替わり、電力が変換される。このとき、スイッチ群に含まれるスイッチのオン、オフに伴い、パワーモジュールはノイズを発生する。なお、電源回路１０は、インバータに限らず、例えばコンバータ（非絶縁型の昇圧回路）、絶縁側コンバータ等でもよい。また電源回路１０は直方体になるように形成されている。

絶縁部材２０は、電源回路１０と冷却部材３０との間に設けられており、電源回路１０と冷却部材３０との間を絶縁するための部材である。絶縁部材２０には、例えば絶縁シートが用いられ、絶縁シートは電源回路１０と冷却部材との間に狭持されている。

冷却部材３０は電源回路１０を冷却するための冷却器である。冷却部材３０には例えばヒートシンクが用いられる。電源回路１０内のパワーモジュールは、回路内の損失箇所で熱を発生する。冷却部材３０は、パワーモジュールの損失箇所で発生する熱を冷却している。冷却部材３０は直方体になるように形成されている。冷却部材３０の長手方向がｙ方向になる。そして、冷却部材３０の表面のうち、長手方向に沿う表面が、電源回路１０を載置する面（図１のｙｚ面）となる。そして、電源回路１０と絶縁部材２０との接着面と、絶縁部材２０と冷却部材３０との接続面が、ｙｚ面と平行になるように、電源回路１０、絶縁部材２０、及び冷却部材３０が配置されている。

導電部材４０は導電性をもった金属の板状の部材である。導電部材４０の長手方向の一端は冷却部材３０に接続されており、導電部材４０の長手方向の他端は開放端になっている。導電部材４０は、導電部材４０と冷却部材３０との接続部分から、導電部材４０の開放端に向けて延在するように形成されている。導電部材４０の延在方向が長手方向（図１、２のｘ方向）となる。また、導電部材４０の延在方向は、冷却部材３０の長手方向に対して垂直な方向である。導電部材４０の延在方向は、電源回路１０を載置する冷却部材３０の表面の法線方向となる。

筐体５０は、電源回路１０、絶縁部材２０、冷却部材３０、及び導電部材４０を収容している。筐体５０は、金属等で形成されており、導電性を有している。また筐体５０は、直方体の形状になるように形成されている。

次に、冷却部材３０と筐体５０との間に形成されるインピーダンス、及び、冷却部材３０に流れる漏れ電流について説明する。冷却部材３０と筐体５０との間には隙間が形成されており、冷却部材３０はインピーダンスを介して筐体５０と電気的に接続されている。冷却部材３０と筐体５０との間に形成されるインピーダンスの大きさは、冷却部材３０の形状、筐体５０内における冷却部材３０の位置によって決まる。

筐体５０を形成する面のうち、ｘｚ平面に沿う面を側面５０ａとする。また、冷却部材３０の長手方向に位置する端部を、端部３０ａとし、冷却部材３０の端部３０ａ以外の部分を実装部３０ｂとする。実装部３０ｂは、冷却部材３０のうち電源回路１０が実装される部分を含んでいる。そして、端部３０ａと実装部３０ｂとの間の境界部分に、導電部材４０が接続されている。

本実施形態では、冷却部材３０の端部３０ａと側面５０ａとの間に形成されるインピーダンスをＺ_１とし、冷却部材３０の実装部３０ｂと筐体５０との間に形成されるインピーダンスをＺ_０とすると、インピーダンス（Ｚ_１）は、インピーダンス（Ｚ_０）よりも小さい。

電源回路１０で発生する高周波ノイズは、絶縁部材２０を介して、冷却部材３０に流れる。このとき、冷却部材３０に流れる電流が、漏れ電流となる。すなわち、漏れ電流は、電源回路１０で発生したノイズにより冷却部材３０に流れる電流（ノイズ電流）である。

冷却部材３０の端部３０ａは、小さいインピーダンス（Ｚ_１）を介して筐体５０に電気的に接続されている。端部３０ａは冷却部材３０の長手方向（ｙ方向）に位置する。そのため、漏れ電流は、電源回路１０を実装した部分から、冷却部材３０の長手方向に流れ、インピーダンスＺ_１を介して筐体５０に向かって流れる。本実施形態では、漏れ電流が端部３０ａに流れる前に、漏れ電流を分岐させて、漏れ電流を打ち消すように、導電部材４０を以下のように構成している。これにより、漏れ電流が筐体５０に流れることを防ぐ。

本実施形態では、電源回路１０を実装した部分と端部３０ａとの間で、冷却部材３０から分岐するように、導電部材４０が設けられている。そして、導電部材４０の延在方向（ｘ方向）の長さＬが下記式（２）を満たすように設計されている。

ただし、Ｎは自然数であり、λは漏れ電流の波長である。

漏れ電流（ノイズ）の周波数（Ｈｚ）をｆ_ｍｎとし、漏れ電流の伝播速度（ｍ／ｓ）をｃとし、真空誘電率をε_０とし、真空透磁率をμ_０とし、比誘電率をε_ｒとし、比透磁率をμ_ｒとすると、λは以下の式（３）及び式（４）で表される。

例えば、ｆ＝１０００ＭＨｚの平面波が比誘電率εｒ＝４，比透磁率μ_ｒ＝１の誘電体中を伝播している場合、伝播速度はｃ＝１．５×１０８（ｍ／ｓ）となり、λ＝０．１５（ｍ）、λ／４＝０．０３７５（ｍ）となる。

次に、図３を用いて、ノイズを打ち消す原理について説明する。図３（ａ）は冷却部材３０と導電部材４０と間のノイズ伝搬を概念的に表した図である。図３（ｂ）（ｃ）はノイズ電圧の時間特性を示すグラフである。図３（ｂ）は導電部材４０に流れる前のノイズの特性を示しており、図３（ｃ）は導電部材４０に流れた後のノイズの特性を示している。なお、図３（ｂ）（ｃ）の横軸は時間を、縦軸は電圧を示している。電圧はノイズの大きさに相当する。

図３（ａ）に示すように、電源回路１０から冷却部材３０へ流れるノイズ（漏れ電流）の波が、導電部材４０に伝搬する。そして、導電部材４０の端部で反射が生じる。導電部材４０の長さ（Ｌ）は式（２）を満たすように設計されている。そのため、導電部材４０から端部に向かう波と、端部で反射した波は逆相になり、互いの波が打ち消し合う。図３（ａ）の実線は、ここまでのノイズの流れが、図３（ａ）の実線の矢印で示される。

導電部材４０から冷却部材３０の端部３０ａに流れるノイズは、図３（ａ）の点線の矢印で示され、波の打ち消しによって、ノイズの振幅が抑制されている。これにより、波長λをもつ高周波ノイズを抑制できる。

図４は、６０ＭＨｚから１４０ＭＨｚまでの周波数帯域におけるノイズ特性を示すグラフである。図４の横軸は周波数とし、縦軸はノイズの大きさをｄＢで表示している。グラフａは、導電部材４０を設けない場合の特性を示し、グラフｂは導電部材４０を設けた場合の特性を示す。なお、導電部材４０の長手方向の長さはλ／４とする。図４に示すように、冷却部材３０から筐体５０に流れる漏れ電流を４０ｄＢ以上、低減できる。

本実施形態では、冷却部材３０に導電部材４０を接続し、かつ、冷却部材３０に接続された位置から、漏れ電流の導通方向に対して垂直方向に向けて延在するように、導電部材４０を構成する。また、導電部材４０の延在方向の長さが上記の式（２）を満たすように、導電部材４０を構成する。これにより、冷却部材３０を流れる漏れ電流が導電部材４０に流れて、漏れ電流は導電部材４０の端部で反射する。そして、冷却部材３０から導電部材４０に流れる漏れ電流の波と、反射した波が打ち消し合う。これにより、所望の周波数のノイズを抑制できる。さらに、冷却部材３０を、熱伝導性の悪い絶縁材等で構成する必要性がないため、冷却性能を維持するこもできる。

本実施形態を、車両の電力変換装置に適用した場合には、ノイズの抑制効果によって、同じ車両に搭載されている車載ラジオの聴衆を妨げないようにすることができる。また、乗員の耳障りとなる雑音の発生を抑制し、車載用の他のディジタル機器の動作に悪影響を及ぼすことも抑制できる。

また本実施形態では、インピーダンス（Ｚ_１）を介して、冷却部材３０と筐体５０との間を電気的に接続する。インピーダンス（Ｚ_１）は、冷却部材３０の端部３０ａ以外の部分と筐体５０との間に形成されるインピーダンスよりも小さくなっている。そして、端部３０ａと実装部３０ｂとの間の境界部分に、導電部材４０が接続されている。漏れ電流が小さいインピーダンス（Ｚ_１）に向かって流れた場合に、漏れ電流は、端部３０ａに到達する前に、導電部材４０によって分岐される。これにより、漏れ電流の波が打ち消し合うことで、所望の周波数のノイズを抑制できる。

なお、端部３０ａと実装部３０ｂとの間の境界部分は、必ずしも電源回路１０が実装される冷却部材３０の実装面上に限らず、他の側面も含まれる。そして、導電部材４０は、当該実装面に限らず、当該他の側面に接続されてもよい。

上記のインピーダンス（Ｚ_１）が本発明の「第１インピーダンス」に相当し、インピーダンス（Ｚ_２）が本発明の「第２インピーダンス」に相当する。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電源装置を説明する。本例では、上述した第１実施形態に対して、導電部材４０の形状が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。図５は電力変換装置１の斜視図である。図６は図１のVI-VI線に沿う断面図である。なお、図５及び図６において、筐体５０の図示を省略している。

電源回路１０、絶縁部材２０、及び冷却部材３０の構成は、第１実施形態に示した構成と同様である。

導電部材４０は延在部４１及び延在部４２を有している。延在部４１は、冷却部材３０と導電部材４０との接続部分から、ｘ方向に向けて延在するように構成されている。延在部４１は導電性をもった金属の板状の部材である。延在部４１の長手方向が、延在部４１の延在方向となる。

延在部４２は、延在部４１の端部から、ｙ方向に向けて延在するように構成されている。延在部４２は導電性をもった金属の板状の部材である。延在部４２の長手方向が、延在部４２の延在方向となる。延在部４１と延在部４２は一体になっている。すなわち、導電部材４０は屈曲した形状になるように構成されている。

また導電部材４０の延在方向の長さ（Ｌ）は、延在部４１の延在方向の長さ（Ｌ_１）と、延在部４２の延在方向の長さ（Ｌ_２）とを合わせた長さとなる。そして、長さ（Ｌ）が第１実施形態の式（２）を満たすように、延在部４１、４２が設計されている。

冷却部材３０を流れるノイズの波が導電部材４０に伝搬すると、ノイズの波は、延在部４１、４２を伝搬し延在部４２の開放端で反射する。そして、延在部４２の開放端に向かう波と、開放端で反射した波は逆相になり、互いの波が打ち消し合う。これにより、波長λをもつ高周波ノイズを抑制できる。

なお、本実施形態では、延在部４２の延在方向を、延在部４１の延在方向に対して垂直な方向としたが、延在部４２の延在方向は、当該垂直な方向に限らない。延在部４２の延在方向は、延在部４１の延在方向と異なる方向であればよい。

上記の延在部４１が本発明の「第１延在部」に相当し、延在部４２が本発明の「第２延在部」に相当する。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電源装置を説明する。本例では、上述した第１実施形態に対して、誘電体６０を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。図７は電力変換装置１の斜視図である。図８は図７のVIII-VIII線に沿う断面図である。なお、図７及び図８において、筐体５０の図示を省略している。

電力変換装置１は、電源回路１０等の他に、誘電体６０を備えている。誘電体６０は樹脂等の誘電材料により、導電部材４０の表面を覆うように形成されている。誘電体６０の外形は、直方体状になるように形成されている。

導電部材４０の延在方向の長さ（Ｌ）は式（２）を満たすように設計されている。導電部材４０の表面を誘電体６０で覆うことで、第１実施形態の式（４）に示してた伝播速度（ｍ／ｓ）が小さくなる。そのため、導電部材４０の長さ（Ｌ）は、導電部材４０を誘電体６０で覆っていない場合と比べて短くなる。これにより、本実施形態では、導電部材４０の長さ（Ｌ）が式（２）を満たすような長さになるよう容易に調整できる。その結果として、高周波ノイズを抑制できる。

なお、本実施形態の変形例として、電力変換装置１は、誘電体６０の代わりに磁性体７０を備えてもよい。図９は、電力変換装置１の断面図である。なお、図９では筐体５０の図示を省略している。

磁性体７０は、フェライト等の磁性材料により、導電部材４０の表面を覆うように形成されている。磁性体７０の外形は、直方体状になるように形成されている。上記の誘電体と６０と同様に、導電部材４０の表面を磁性体７０で覆うことで、伝搬速度が小さくなる。これにより、本実施形態では、導電部材４０の長さ（Ｌ）が式（１）を満たす長さになるよう容易に調整できる。その結果として、高周波ノイズを抑制できる。

《第４実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電源装置を説明する。本例では、上述した第１実施形態に対して、複数の導電部材４３、４４を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。図１０は電力変換装置１の斜視図である。図１１は図１０のXI-XI線に沿う断面図である。なお、図１０及び図１１において、筐体５０の図示を省略している。

電力変換装置１は、電源回路１０等の他に、複数の導電部材４３、４４を備えている。複数の導電部材４３、４４は、第１実施形態で示した導電部材４０と同様の構成である。

冷却部材３０の一対の表面のうち、一方の表面には、電源回路１０が絶縁部材２０を介して設けられている。他方の表面には、複数の導電部材４３、４４が接続されている。当該一対の表面は、図１１のｙｚ平面と方向になるように配置された面である

ここで、冷却部材３０について、導電部材４３が接続されている位置を第１接続部３１とし、導電部材４４が接続されている位置を第２接続部３２とし、絶縁部材２０を介して電源回路１０と対向する部分を対向部３３とする。対向部３３から第１接続部３１までのｙ方向に沿った長さがＬとなるように、電源回路１０、絶縁部材２０、及び導電部材４３が配置されている。また、対向部３３から第２接続部３２までのｙ方向に沿った長さがＬとなるように、電源回路１０、絶縁部材２０、及び導電部材４４が配置されている。そして、長さ（Ｌ）が第１実施形態の式（２）を満たすように、各部材が配置されている。

本実施形態では、複数の導電部材４３、４４を冷却部材３０に接続している。これにより、漏れ電流の流れ易い経路が複数存在する場合に、それぞれの経路に対して導電部材４３、４４を接続することで、ノイズを抑制できる。また、抑制したいノイズの周波数が複数ある場合には、それぞれのノイズ波長に合わせて長さ（Ｌ）を設計できる。

例えば周波数（ｆ_Ａ）のノイズを抑制する場合には、導電部材４３の長さ、対向部３３から第１接続部３１までの長さを、周波数（ｆ_Ａ）に対応するノイズ波長（λ_Ａ）に合わせつつ、式（２）を満たすように設計する。また、例えば周波数（ｆ_Ｂ：周波数（ｆ_Ａ）とは異なる周波数）のノイズを抑制する場合には、導電部材４４の長さ、対向部３３から第２接続部３２までの長さを、周波数（ｆ_Ｂ）に対応するノイズ波長（λ_Ｂ）に合わせつつ、式（２）を満たすように設計する。これにより、ノイズ低減可能な周波数帯域を広げることができる。

上記の導電部材４３が本発明の「第１導電部材」に相当し、導電部材４４が本発明の「第２導電部材」に相当する。

１０…電源回路
２０…絶縁部材
３０…冷却部材
４０…絶縁部材
５０…筐体

Claims (6)

1. スイッチング回路と、
   前記スイッチング回路を冷却する冷却部材と、
   前記冷却部材に接続された導電部材と、
   前記スイッチング回路、前記冷却部材、及び前記導電部材を収容する筐体とを備え、
   前記導電部材は、前記冷却部材に接続された位置から、電流の導通方向に対して垂直方向に向けて延在し、
   前記電流は、前記スイッチング回路で発生するノイズにより前記冷却部材に流れる電流であり、かつ、前記冷却部材内で前記筐体に向かって流れる前記電流であり、
   前記導電部材の延在方向の長さが下記式１を満たす
   ことを特徴とする電源装置。
   

   

   ただし、Ｌ_ａは前記導電部材の延在方向の長さであり、Ｎは自然数であり、λは前記ノイズの波長である。
2. 請求項１記載の電源装置において、
   前記冷却部材は、前記導通方向に位置する前記冷却部材の端部と前記筐体との間で形成される第１インピーダンスを介して、前記筐体に電気的に接続されており、
   前記第１インピーダンスは、前記端部以外の前記冷却部材の他の部分と前記筐体との間に形成される第２インピーダンスよりも小さく、
   前記導電部材は、前記他の部分と前記端部と間の境界部分に接続されている
   ことを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置において、
   前記導電部材は、
   前記冷却部材から前記垂直方向に向けて延在する第１延在部と、
   前記第１延在部から前記垂直方向とは異なる方向に向けて延在する第２延在部とを有し、
   前記式１に含まれるＬ_ａは、前記第１延在部の延在方向の長さと前記第２延在部の延在方向の長さとを合わせた長さである
   ことを特徴とする電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源装置において、
   前記導電部材の表面を覆う誘電体を備える
   ことを特徴とする電源装置。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源装置において、
   前記導電部材の表面を覆う磁性体を備える
   ことを特徴とする電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電源装置において、
   前記導電部材は、前記冷却部材の第１接続部から前記垂直方向に向けて延在する第１導電部材と、前記冷却部材の第２接続部から前記垂直方向に向けて延在する第２導電部材を有し、
   前記冷却部材は、前記第１導電部材と接続する前記第１接続部、前記第２導電部材と接続する前記第２接続部、及び、前記スイッチング回路と対向する対向部を有し、
   前記冷却部材の第１長さ、及び、前記冷却部材の第２長さが下記式２を満たし、
   前記第１長さは前記対向部から前記第１接続部までの前記導通方向に沿った長さであり、
   前記第２長さは前記対向部から前記第２接続部までの前記導通方向に沿った長さである
   ことを特徴とする電源装置。
   

   

   ただし、Ｌ_ｂは、前記第１長さ又は前記第２長さであり、Ｎは自然数であり、λは前記ノイズの波長である。

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