JP6428387B2

JP6428387B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6428387B2
Application number: JP2015045234A
Authority: JP
Inventors: 高志増澤; 浩志瀧
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: JP2016165204A; US20160261181A1; DE102016103935A1; US10069433B2

Description

本発明は、磁気部品を備えた電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータやコンバータ等の電力変換装置には、リアクトル、トランス、チョークコイル等の磁気部品が組み込まれるものがある。かかる磁気部品から放射される磁束が他の部品に作用（磁気結合）すると、電力変換回路のノイズ性能に影響を与えることとなる。非特許文献１には、磁気部品の向きを変えたり、シールド（電磁遮閉）を行ったりする技術が開示されている。

ShuoWang、Fred C. Lee、Dan. Y. Chen 他著、"Effects of Parasitic Parameters on EMI Filter Performance"、IEEE Trans. on power electronics, Vol.19, No.3, ２００４年５月

しかしながら、非特許文献１に開示された方法では、磁気部品から放出される磁束が、制御回路基板等の電気回路部に作用することを防ぐことは困難である。その結果、電気回路部におけるノイズの発生を充分に抑制することが困難である。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電気回路部におけるノイズを効果的に抑制することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、コイルを備えた少なくとも一対の磁気部品と、
該一対の磁気部品の間に配される仮想平面に沿って形成された導体部を含む電気回路部と、を備え、
上記コイルの巻回軸方向に放出される磁束の向きを向くベクトルを、上記磁気部品の軸方向ベクトルとしたとき、
上記一対の磁気部品は、それぞれの上記軸方向ベクトルを上記仮想平面に投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されており、
上記一対の磁気部品は、上記仮想平面の法線方向から見たとき、互いに少なくとも一部が重なっていることを特徴とする電力変換装置にある。
本発明の他の態様は、コイルを備えた少なくとも一対の磁気部品と、
該一対の磁気部品の間に配される仮想平面に沿って形成された導体部を含む電気回路部と、を備え、
上記コイルの巻回軸方向に放出される磁束の向きを向くベクトルを、上記磁気部品の軸方向ベクトルとしたとき、
上記一対の磁気部品は、それぞれの上記軸方向ベクトルを上記仮想平面に投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されており、
上記一対の磁気部品は、互いの上記コイルを１本の連続した共通の導体線によって構成してなることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置において、一対の磁気部品は、それぞれの上記軸方向ベクトルを上記仮想平面に投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されている。これにより、一対の磁気部品からそれぞれ放出される磁束のうち、仮想平面に鎖交しようとする磁束が、仮想平面の法線方向に互いに反発する。つまり、仮想平面に鎖交しようとする磁束同士が、仮想平面の法線方向において逆向きとなる。

それゆえ、一対の磁気部品から放出される磁束が、仮想平面に沿って形成された電気回路部の導体部に鎖交することを抑制することができる。その結果、磁気部品と電気回路部との磁気結合を抑制して、電気回路部におけるノイズを効果的に抑制することができる

以上のごとく、本発明によれば、電気回路部におけるノイズを効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。

実施形態１における、電力変換装置の一部の斜視説明図。実施形態１における、電力変換装置の一部の側面説明図。実施形態１における、電力変換装置の一部の正面説明図。実施形態１における、電力変換装置の一部の平面説明図。実施形態１における、作用効果を説明する側面説明図。磁気部品と電気回路部との磁気結合が生ずる状態を説明する側面説明図。磁気部品と電気回路部との磁気結合が生ずる状態を説明する斜視説明図。実施形態２における、電力変換装置の一部の側面説明図。実施形態３における、電力変換装置の一部の側面説明図。実施形態４における、電力変換装置の一部の斜視説明図。実施形態５における、電力変換装置の一部の平面説明図。

（実施形態１）
電力変換装置の実施形態につき、図１〜図５を用いて説明する。
本実施形態の電力変換装置は、図１〜図３に示すごとく、コイル２１を備えた少なくとも一対の磁気部品２ａ、２ｂと、一対の磁気部品２ａ、２ｂの間に配される仮想平面Ｆに沿って形成された導体部３１を含む電気回路部３と、を備えている。

コイル２１の巻回軸方向に放出される磁束の向きを向くベクトルを、磁気部品２ａ、２ｂの軸方向ベクトルＡ、Ｂとする。
一対の磁気部品２ａ、２ｂは、それぞれの軸方向ベクトルＡ、Ｂを仮想平面Ｆに投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されている。

電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されて用いられる。電力変換装置は、例えば、直流電力を自動車の駆動用モータの駆動に必要な交流電力に変換するインバータ、直流電力を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータ、或いは、直流電圧を補器用の電圧に降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ等とすることができる。

また、磁気部品２ａ、２ｂとしては、例えば、リアクトル、チョークコイル、或いはトランス等がある。すなわち、例えば、磁気部品２ａ、２ｂは、昇圧回路を構成するリアクトル、フィルタ回路を構成するチョークコイル、ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるトランス等とすることができる。
また、本実施形態においては、磁気部品２ａ、２ｂは、磁性体からなるコア２２の周囲に螺旋状に巻回されたコイル２１とからなる。ただし、磁気部品２ａ、２ｂの構成は、これに限られるものではない。

図４に示すごとく、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、互いに少なくとも一部が重なっている。本実施形態においては、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、そのほとんどが、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、互いに重なっている。

図１〜図３に示すごとく、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、仮想平面Ｆについて面対称となるように配置されている。すなわち、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、仮想平面Ｆの法線方向から見たときに互いに重なる位置にあるのみならず、仮想平面Ｆからの法線方向の距離も同等の位置にある。

また、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、軸方向ベクトルＡ、Ｂが仮想平面Ｆに平行である。これに伴い、一方の磁気部品２ａの軸方向ベクトルＡと、他方の磁気部品２ｂの軸方向ベクトルＢとは、互いに平行であり、同じ方向を向いている。

電気回路部３は、プリント配線板４に形成されており、導体部３１は、プリント配線板４に形成された配線パターンである。すなわち、導体部３１は、プリント配線板４に、メッキ等によって形成されたプリント配線パターンからなる。また、電気回路部３は、導体部３１に電気的に接続された、コンデンサ、抵抗、半導体部品等、各種電子部品（図示略）を含む。また、図１、図２、図４に示すごとく、導体部３１は、その少なくとも一部が、磁気部品２ａ、２ｂに対して、巻回軸方向にずれた位置に配置されている。また、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、プリント配線板４の外形輪郭の内側に、磁気部品２ａ、２ｂが配されている。また、図４に示すごとく、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、磁気部品２ａ、２ｂの巻回軸の延長線は、導体部３１と交差する。

また、本実施形態において、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、互いに同じ型である。すなわち、２つの磁気部品２ａ、２ｂは、同じ大きさ、形状を有すると共に、同じ磁気特性を備えている。より具体的には、２つの磁気部品２ａ、２ｂは、例えば、同じコイル２１の巻き数、同じインダクタンスを有するものである。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、それぞれの軸方向ベクトルＡ、Ｂを仮想平面Ｆに投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されている。特に本実施形態においては、一対の投影ベクトルが同じ方向を向いて重なっている。これにより、図５に示すごとく、一対の磁気部品２ａ、２ｂからそれぞれ放出される磁束のうち、仮想平面Ｆに鎖交しようとする磁束が、仮想平面Ｆの法線方向に互いに反発する。

上記の作用を説明するにあたり、図６、図７に示すごとく、仮想平面Ｆによって仕切られる２つの空間のうちの一方のみに磁気部品９２が存在する場合を想定する。すなわち、本実施形態の電力変換装置における、一方の磁気部品２ａと同様の状態で、磁気部品９２が配され、他方の磁気部品２ｂがない状態を考える。

この場合、図６、図７に示すごとく、磁気部品９２から放出される磁束φの一部は、仮想平面Ｆに沿って形成された導体部３１に鎖交することとなる。すなわち、電子回路部３と磁気部品９２とが磁気結合した状態となる。その結果、磁気部品９２から放出される磁束φに起因して、電子回路部３にノイズが生じやすくなる。

そこで、本実施形態のように、一対の磁気部品２ａ、２ｂを配置することにより、仮想平面Ｆに鎖交しようとする磁束φ同士が、仮想平面Ｆの法線方向において逆向きとなる。それゆえ、一対の磁気部品２ａ、２ｂから放出される磁束φが、図５に示すごとく、仮想平面Ｆに沿って形成された電気回路部３の導体部３１に鎖交することを抑制することができる。その結果、磁気部品２ａ、２ｂと電気回路部３との磁気結合を抑制して、電気回路部３におけるノイズを効果的に抑制することができる。

特に、本実施形態においては、一対の磁気部品２ａ、２ｂが、仮想平面Ｆに平行となるように配置されているため、より効果的に、電気回路部３との磁気結合を抑制することができる。
また、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、互いに少なくとも一部が重なっていることにより、それぞれの磁気部品２ａ、２ｂから放出される磁束φ同士が、仮想平面Ｆの法線方向の成分同士を、打ち消し合いやすい。本実施形態においては、特に、一対の磁気部品２ａ、２ｂの略全体が、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、重なっているため、より、磁束φの法線方向成分同士を打ち消し合いやすい。
また、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、仮想平面Ｆについて面対称となるように配置されていることも、上記磁束φにおける、仮想平面Ｆの法線方向の成分同士を打ち消し合いやすくすることに貢献している。

また、電気回路部３はプリント配線板４に形成されており、導体部３１は、プリント配線板４に形成された配線パターンである。それゆえ、プリント配線板４に形成された電気回路部３におけるノイズを効果的に抑制することができる。
また、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、互いに同じ型であるため、それぞれの磁気部品２ａ、２ｂから放出される磁束φ同士が、仮想平面Ｆの法線方向の成分同士を、打ち消し合いやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、電気回路部におけるノイズを効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の電力変換装置においては、図８に示すごとく、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、互いのコイル２１を１本の連続した共通の導体線２１１によって構成してなる。
その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、一対の磁気部品２ａ、２ｂが同じタイミングで磁束を放出する構成としやすいため、電気回路部３におけるノイズを、容易に抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態の電力変換装置においては、図９に示すごとく、一対の磁気部品２ａ、２ｂの軸方向ベクトルＡ、Ｂが、仮想平面Ｆに対して傾斜している。
仮想平面Ｆに対する軸方向ベクトルＡ、Ｂの角度は、例えば４５°以下とすることができる。

本実施形態においても、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、それぞれの軸方向ベクトルＡ、Ｂを仮想平面Ｆに投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されている。また、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、仮想平面Ｆについて面対称となるように配置されており、仮想平面Ｆに対する軸方向ベクトルＡ、Ｂは、互いに反対向きの傾斜となる。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においても、電気回路部３におけるノイズを効果的に抑制することができる。その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態の電力変換装置においては、図１０に示すごとく、導体部３１をバスバーによって構成してある。
すなわち、金属板からなるバスバーによって導体部３１が形成されており、該導体部３１に適宜電子部品（図示略）が接続されることにより、電子回路部３が構成されている。そして、導体部３１が形成された仮想平面に対する一対の磁気部品２ａ、２ｂの位置関係及び姿勢は、実施形態１と同様である。本実施形態においては、導体部３１は、プリント配線板４（図１等参照）に形成されているものではない。
その他は、実施形態１と同様である。

（実施形態５）
本実施形態においては、図１１に示すごとく、一対の磁気部品２ａ、２ｂの軸方向ベクトルＡ、Ｂの投影ベクトル同士が、互いに平行となっていない。すなわち、仮想平面Ｆの法線方向から見たとき、軸方向ベクトルＡと軸方向ベクトルＢとは、互いに平行となっていない。

ただし、一対の磁気部品２ａ、２ｂは、それぞれの軸方向ベクトルＡ、Ｂを仮想平面Ｆに投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されている。２つの投影ベクトルのなす角度は、例えば、４５°以下であり、より好ましくは３０°以下である。なお、図１１においては、磁気部品２ａ、２ｂの記載を省略してある。
その他は、実施形態１と同様である。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。なお、一対の磁気部品は、それぞれの軸方向ベクトルを仮想平面に投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されていればよいが、上記一対の磁気部品は、仮想平面について面対称となるように配置されていることが好ましい。また、一対の磁気部品の軸方向ベクトルが、互いに概略同じ方向を向き、仮想平面と概略平行な状態となるように、磁気部品が配されていることが好ましい。

２ａ、２ｂ磁気部品
２１コイル
３電子回路部
３１導体部
Ａ、Ｂ軸方向ベクトル
Ｆ仮想平面

Claims

コイル（２１）を備えた少なくとも一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）と、
該一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）の間に配される仮想平面（Ｆ）に沿って形成された導体部（３１）を含む電気回路部（３）と、を備え、
上記コイル（２１）の巻回軸方向に放出される磁束の向きを向くベクトルを、上記磁気部品（２ａ、２ｂ）の軸方向ベクトル（Ａ、Ｂ）としたとき、
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、それぞれの上記軸方向ベクトル（Ａ、Ｂ）を上記仮想平面（Ｆ）に投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されており、
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、上記仮想平面（Ｆ）の法線方向から見たとき、互いに少なくとも一部が重なっていることを特徴とする電力変換装置。
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、上記仮想平面（Ｆ）について面対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、互いの上記コイル（２１）を１本の連続した共通の導体線（２１１）によって構成してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
コイル（２１）を備えた少なくとも一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）と、
該一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）の間に配される仮想平面（Ｆ）に沿って形成された導体部（３１）を含む電気回路部（３）と、を備え、
上記コイル（２１）の巻回軸方向に放出される磁束の向きを向くベクトルを、上記磁気部品（２ａ、２ｂ）の軸方向ベクトル（Ａ、Ｂ）としたとき、
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、それぞれの上記軸方向ベクトル（Ａ、Ｂ）を上記仮想平面（Ｆ）に投影した投影ベクトルの内積が正となるような状態で、配置されており、
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、互いの上記コイル（２１）を１本の連続した共通の導体線（２１１）によって構成してなることを特徴とする電力変換装置。
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、上記軸方向ベクトル（Ａ、Ｂ）が上記仮想平面（Ｆ）に平行であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
上記導体部（３１）はバスバーであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
上記電気回路部（３）は、プリント配線板（４）に形成されており、上記導体部（３１）は、上記プリント配線板（４）に形成された配線パターンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
上記一対の磁気部品（２ａ、２ｂ）は、互いに同じ型であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。