JP6444458B1

JP6444458B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP6444458B1
Application number: JP2017139607A
Authority: JP
Inventors: 隆志金山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: JP2019022355A

Abstract

【課題】Ｙコンデンサと他のコンデンサを備える構成において、Ｙコンデンサと他のコンデンサとの磁気結合によるコモンモードノイズの増加を抑制するとともに、従来よりも装置サイズの小型を図った電力変換装置を得る。
【解決手段】第１のコンデンサを流れる電流の向きを第１方向、第２のコンデンサを流れる電流の向きを第２方向、第３のコンデンサを流れる電流の向きを第３方向と規定し、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、第３のコンデンサが互いに近接配置される際に、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、第１方向と第２方向とが１本の直線と一致する方向または互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置され、第３のコンデンサは、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行または垂直となるように配置される電力変換装置。
【選択図】図６

Description

本発明は、スイッチング制御を行う電力変換装置に関し、特に、コモンモードノイズの低減および装置サイズの小型化に着目した電力変換装置に関する。

電力変換装置のエネルギー変換効率は、重要な性能指標の一つである。エネルギー変換効率の向上には、電力変換装置の高周波化および小型化が重要なポイントになる。特に、電力変換装置の小型化は、駆動周波数の高周波化により実現可能である。

しかしながら、小型化に伴い、周辺部品が密集して配置されるようになることで、ノイズの問題が顕在化している。加えて、高周波領域におけるノイズも無視できなくなりつつある。そのため、電力変換装置に使用されるノイズフィルタの性能向上は、電力変換装置の小型化にとって、非常に重要な課題である。

ところで、電力変換装置のコモンモードノイズは、一般的にライン−グランド間コンデンサ（以下、Ｙコンデンサと称する）を用いて対策されている。Ｙコンデンサには、電極構造などに起因する寄生インダクタンスが存在する。このため、寄生インダクタンスのわずかな変化によって、ノイズフィルタのフィルタ特性が劣化するという問題が生じる。すなわち、寄生インダクタンスの変化は、コモンモード電流のバイパス性能を低下させる要因となっている。

このような問題に対しては、グランド電位と２つの差動信号ラインに接続される２つのＹコンデンサを備えた従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、Ｙコンデンサを流れるコモンモード電流に対して、相互インダクタンスが負の値となるように２つのＹコンデンサが配置されている。このような配置を採用することで、特許文献１は、寄生インダクタンス成分を低減させ、ノイズフィルタ機能の向上を実現している。

特許第６０７５８３４号公報

しかしながら、この従来技術には、以下のような課題がある。特許文献１記載のプリント回路板は、出力信号に含まれるコモンモード電流を、フィルタ回路を構成するコンデンサ素子により半導体素子のグランド端子に帰還させることで、コンデンサの実効インダクタンスを低減させている。

このように、特許文献１は、Ｙコンデンサ同士の磁気結合への対策は図られている。しかしながら、特許文献１は、Ｙコンデンサ直近に別のコンデンサが配置されて磁気結合した場合についての対策までは、言及されていない。

電力変換装置では、Ｙコンデンサのほかに、ノーマルモードノイズを低減させるためのライン間コンデンサ（以下、Ｘコンデンサと称する）、電力平滑用のコンデンサなどが備えられている。

電力変換装置の小型化に伴い、これらのコンデンサとＹコンデンサが隣り合って配置される場合が想定される。このような場合に、Ｙコンデンサが他のコンデンサと磁気結合することで、コモンモードノイズが増加する。特に、電力変換装置の小型化を進めるほど、ノイズの問題が顕著になる。また、磁気結合しないようにコンデンサ同士の間隔を空けると、コンデンサを配置する空間的な自由度が無くなる。このため、電力変換装置が大きくなるという問題もある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、Ｙコンデンサと他のコンデンサを備える構成において、Ｙコンデンサと他のコンデンサとの磁気結合によるコモンモードノイズの増加を抑制するとともに、従来よりも装置サイズの小型を図った電力変換装置を得ることを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、第１信号ラインおよび第２信号ラインからなる一対の信号ラインと、グランドと、コモンモードノイズの低減対策用として、第１信号ラインとグランドとの間に接続される第１のコンデンサ、および第２信号ラインとグランドとの間に接続される第２のコンデンサと、第３のコンデンサとを備え、半導体スイッチング素子のスイッチング制御で電力変換する電力変換装置であって、第１のコンデンサを流れる電流の向きを第１方向、第２のコンデンサを流れる電流の向きを第２方向、第３のコンデンサを流れる電流の向きを第３方向と規定し、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、第３のコンデンサが互いに近接配置される際に、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置され、第３のコンデンサは、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されているものである。

本発明に係る電力変換装置は、第１信号ラインおよび第２信号ラインからなる一対の信号ラインと、グランドと、コモンモードノイズの低減対策用として、第１信号ラインとグランドとの間に接続される第１のコンデンサ、および第２信号ラインとグランドとの間に接続される第２のコンデンサと、第３のコンデンサとを備え、半導体スイッチング素子のスイッチング制御で電力変換する電力変換装置であって、第１のコンデンサを流れる電流の向きを第１方向、第２のコンデンサを流れる電流の向きを第２方向、第３のコンデンサを流れる電流の向きを第３方向と規定し、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、第３のコンデンサが互いに近接配置される際に、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、第１方向と第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置され、第３のコンデンサは、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して垂直となるように配置され、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、第１のコンデンサと第３のコンデンサとの磁気結合と、第２のコンデンサと第３のコンデンサとの磁気結合とがキャンセルされるように配置されているものである。

本発明によれば、磁気結合によるコモンモードノイズの増加を抑制でき、電力変換装置内におけるコンデンサの配置に関する制約を解消できる構成を備えている。この結果、Ｙコンデンサと他のコンデンサを備える構成において、Ｙコンデンサと他のコンデンサとの磁気結合によるコモンモードノイズの増加を抑制するとともに、従来よりも装置サイズの小型を図った電力変換装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係るコモンモード電流の経路の例を示す図である。本発明の実施の形態１に係るコンデンサの磁気結合を示す図である。従来のＹコンデンサとＸコンデンサの配置と接続を示す図である。従来のコンデンサ配置を採用した場合におけるコンデンサ間の磁気結合を説明するための回路図である。本発明の実施の形態１に係るＹコンデンサとＸコンデンサの配置と接続を示す図である。本発明の実施の形態１に係るＹコンデンサとＸコンデンサの回路と磁気結合を示す図である。本発明の実施の形態１に係るＹコンデンサとＸコンデンサの、図６とは異なる配置例を示す図である。本発明の実施の形態２に係るＹコンデンサとＸコンデンサの配置と接続を示す図である。本発明の実施の形態２に係るＹコンデンサとＸコンデンサの回路と磁気結合を示す図である。本発明の実施の形態３に係るＹコンデンサとＸコンデンサの配置と接続を示す図である。本発明の実施の形態３に係るＹコンデンサとＸコンデンサの、図１１とは異なる配置例を示す図である。

以下、本発明の電力変換装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１０００の構成を示す図である。本実施の形態１に係る電力変換装置１０００は、主回路１００、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂ、およびＸコンデンサ４を備えて構成されている。

一対の入力端子２０ａ、２０ｂ間には、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂ、およびＸコンデンサ４が接続されている。ここで、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、ライン・バイパス・コンデンサに相当し、Ｘコンデンサ４は、アクロス・ザ・ライン・コンデンサに相当する。

Ｙコンデンサ３ａは、第１入力端子２０ａとグランドとの間に接続される。一方、Ｙコンデンサ３ｂは、第２入力端子２０ｂとグランドとの間に接続される。また、Ｘコンデンサは、一対の入力端子２０ａ、２０ｂ間において、主回路１００と電気的に並列接続されている。

主回路１００は、スイッチング回路１０、限流回路を構成するリアクトル１１０、および出力電圧を平滑する平滑コンデンサ５を備えて構成されている。

スイッチング回路１０は、上側のスイッチング素子１０１と下側のスイッチング素子１０２を備えて構成されている。また、スイッチング回路１０は、一対の出力端子３０ａ、３０ｂ間において、第１スイッチング素子１０１と第２スイッチング素子１０２とが直列に接続された回路である。第１スイッチング素子１０１および第２スイッチング素子１０２は、それぞれＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｌｅｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などで構成されている。

一対の入力端子２０ａ、２０ｂ間には、直流電源１が電気的に接続される。第１入力端子２０ａは、直流電源１のプラス（Ｐ）端子と電気的に接続されている。第２入力端子２０ｂは、直流電源１のマイナス（Ｎ）端子と電気的に接続されている。第１入力端子２０ａは、リアクトル１１０とスイッチング素子１０２からなる直列回路を介して第２入力端子２０ｂに電気的に接続されている。

一対の出力端子３０ａ、３０ｂ間には、平滑コンデンサ５および負荷２が電気的に接続されている。平滑コンデンサ５および負荷２は、一対の出力端子３０ａ、３０ｂ間において、スイッチング回路１０と電気的に並列接続されている。

コモンモードノイズは、スイッチング回路１０の動作と密接に関係している。そこで、主回路１００による昇圧の動作原理を簡単に説明する。初めに、半導体スイッチ素子１０１がオフ、半導体スイッチ素子１０２がオンの状態を考える。この場合、リアクトル１１０は、導通状態となり、励磁されてエネルギーを蓄積する。

次に、半導体スイッチ素子１０１がオン、半導体スイッチ素子１０２がオフの状態を考える。この場合、リアクトル１１０は、開放状態となり、内部に蓄積したエネルギーを出力側に放出してリセットされる。所望の周波数を用いてこのようなスイッチング制御が行われる結果、リアクトル１１０は、励磁とリセットが繰り返されて、昇圧が可能になる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング動作により生じるコモンモードノイズの経路例である。図２では、直流電源１とグランド電位との間に生じる寄生容量１ｐ、半導体スイッチ素子１０１のドレイン端子とグランド電位との間に生じる寄生容量１０１ｐ、半導体スイッチ素子１０２のドレイン端子とグランド電位との間に生じる寄生容量１０２ｐをそれぞれ追加して例示した。

コモンモードノイズは、信号線とグランドとの間にノイズ源が存在することで、二本の信号ラインに伝達されるノイズである。いま、半導体スイッチ素子１０１、１０２のスイッチング動作により、半導体スイッチ素子１０２のドレイン端子とグランド電位との間に電位差が生じることで、コモンモード電流が発生する。

半導体スイッチ素子のドレイン端子で発生したコモンモード電流は、寄生容量１０２ｐを通り、グランドラインからＹコンデンサ３ａ、３ｂを経由して、半導体スイッチ素子１０２へ戻ってくる。この電流が、コモンモードノイズとなる。

ここで、電力変換装置１０００の入力側に設けられたＹコンデンサ３ａ、３ｂは、低インピーダンスである。そのため、コモンモード電流は、直流電源１の寄生容量１ｐを通らず、インピーダンスの低いＹコンデンサ３ａ、３ｂを流れる。その結果、直流電源１側には、伝導ノイズの影響が及ばないため、電源ケーブルなどからの放射ノイズも低減される。

図３は、本発明の実施の形態１に係るコンデンサの磁気結合を説明する図である。具体的には、図３（ａ）は、寄生インダクタンスを考慮したコンデンサの等価回路を用いて、磁気結合を説明する図である。一方、図３（ｂ）は、磁気結合しているコンデンサの配置例である。Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、内部に寄生インダクタンスＬｓを持っている。このため、図３（ｂ）に示すように、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂが互いに隣り合うような配置方法をとる場合には、寄生インダクタンスＬｓが磁気結合して、相互インダクタンスＭを発生させる。

図１に示したように、一対の信号ラインＰ、信号ラインＮのうち、信号ラインＰには、Ｙコンデンサ３ａの上側端子とＸコンデンサ４の上側端子とが、それぞれ接続されている。もう一方の信号ラインＮには、Ｙコンデンサ３ｂの上側端子とＸコンデンサ４の下側端子とが、それぞれ接続されている。Ｙコンデンサ３ａおよびＹコンデンサ３ｂの下側端子は、それぞれグランドと接続されている。ここで、Ｙコンデンサ３ａを流れる電流の向きを第１方向、Ｙコンデンサ３ｂを流れる電流の向きを第２方向、Ｘコンデンサ４を流れる電流の向きを第３方向と規定する。

図４は、従来のＹコンデンサ３ａ、３ｂおよびＸコンデンサ４の配置と接続を示した図である。具体的には、図４（ａ）は、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４とが、全て横一線に配置された状態を例示している。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが同じ向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されている。

一方、図４（ｂ）は、Ｙコンデンサ３ａ，３ｂが縦一列に並び、Ｙコンデンサ３ａ，３ｂと隣り合うようにＸコンデンサ４が配置された状態を例示している。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが１本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが同じ向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されている。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示したＹコンデンサ３ａ、３ｂは、ともに、信号ラインＰまたは信号ラインＮに接続される上側端子が紙面上で上側に配置され、グランドに接続される下側端子が紙面上で下側に配置されている。このような図４に示した従来の接続方法では、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂの特性が悪化する。

その様子を、図５に示す磁気結合状態を考慮した回路図を用いて詳細に説明する。図５は、従来のコンデンサ配置を採用した場合におけるコンデンサ間の磁気結合を説明するための回路図である。

図５においては、Ｘコンデンサ４に流れる電流をｉ_Ｘ、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに流れるコモンモード電流をｉ_Ｙ１、ｉ_Ｙ２、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに流れるノーマルモード電流をｉ_ＹＸ、Ｘコンデンサ４に生じる電圧をｖ_Ｘ、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに生じる電圧をｖ_Ｙ１、ｖ_Ｙ２とする。

また、各コンデンサの内部寄生インダクタンスをＬｓ、Ｙコンデンサ３ａと３ｂとの間の相互インダクタンスをＭ_Ｙ、Ｙコンデンサ３ａとＸコンデンサ４との間の相互インダクタンスをＭ_１とし、Ｙコンデンサ３ｂとＸコンデンサ４との間の相互インダクタンスをＭ_２とする。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示したようなコンデンサの配置と接続が、コモンモードノイズに対するフィルタ効果を悪化させることを示すために、高周波ノイズに対するインピーダンスとなるインダクタンス成分に注目する。

ｖ_Ｙ１、ｖ_Ｙ２は、下式（１）および（２）のように示される。ここで、相互インダクタンスが、Ｍ＝Ｍ_１＝Ｍ_２であると仮定した場合には、ｖ_Ｘは、下式（３）となる。

上式（１）および（２）について、右辺第二項の相互インダクタンスＭ_１およびＭ_２の項に注目する。ｉ_Ｘが変動した場合、ｖ_Ｙ１およびｖ_Ｙ２が同じ極性で変動することがわかる。したがって、Ｘコンデンサ４に電流が流れると、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂのそれぞれの両端に同じ極性の電圧が誘起されるため、コモンモード電流が発生する。その結果、コモンモードノイズが生じる。

また、上式（１）および（２）の右辺第三項の相互インダクタンスＭ_Ｙの項より、コモンモード電流ｉ_Ｙ１、ｉ_Ｙ２によって、ｖ_Ｙ１、ｖ_Ｙ２がそれぞれ誘起される。このようにして誘起される電圧は、内部寄生インダクタンスＬｓで生じる電圧と同極性である。つまり、磁気結合によって、コモンモードノイズに対する、等価的なインダクタンス成分が増加していることと同じである。これは、コモンモードノイズに対するフィルタの効果が悪化していることを意味している。

さらに、上式（３）の右辺第二項に示す相互インダクタンスＭから、コモンモード電流ｉ_Ｙ１、ｉ_Ｙ２が流れることにより、Ｘコンデンサ４にノーマルモード電流を流す電圧が誘起される。この結果、ノーマルノイズが発生する。

なお、図４（ｂ）に示す配置を採用した場合には、Ｙコンデンサ３ａと３ｂとの間の相互インダクタンスＭ_Ｙは、図４（ａ）に示す配置と比較して低くなる。しかしながら、Ｘコンデンサ４との相互インダクタンスＭ_１およびＭ_２が、コモンモードノイズを誘起するため、ノイズ悪化の傾向は、図４（ａ）と図４（ｂ）で同様である。

上述したように、図４（ａ）、（ｂ）に示すコンデンサの配置では、寄生インダクタンスによる磁気結合によって、コモンモードノイズおよびノーマルモードノイズが、悪化する。

図６は、本発明の実施の形態１に係るＹコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４の配置と接続を示す図である。具体的には、図６（ａ）は、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４とが、全て横一線に配置された状態を例示している。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されている。

一方、図６（ｂ）は、Ｙコンデンサ３ａ，３ｂが縦一列に並び、コンデンサ３ａ，３ｂと隣り合うようにＸコンデンサ４が配置された状態を例示している。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが１本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されている。

一対の信号ラインＰ、信号ラインＮのうち、信号ラインＰには、Ｙコンデンサ３ａの上側端子とＸコンデンサ４の上側端子とが、それぞれ接続されている。もう一方の信号ラインＮには、Ｙコンデンサ３ｂの下側端子とＸコンデンサ４の下側端子とが、それぞれ接続されている。Ｙコンデンサ３ａの下側端子およびＹコンデンサ３ｂの上側端子は、それぞれグランドと接続されている。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示したＹコンデンサ３ａは、信号ラインＰに接続される上側端子が紙面上で上側に配置され、グランド端子が紙面上で下側に配置されている。一方、図６（ａ）、図６（ｂ）に示したＹコンデンサ３ｂは、信号ラインＮに接続される上側端子が紙面上で下側に配置され、グランド端子が紙面上で上側に配置されている。

このような、図６に示す本実施の形態１におけるＹコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４との接続および配置では、ノイズフィルタとしての性能が改善できる。その様子を、図７に示す磁気結合状態を考慮した回路図を用いて詳細に説明する。図７は、本発明の実施の形態１に係るコンデンサ配置を採用した場合におけるコンデンサ間の磁気結合を説明するための回路図である。なお、図７で使用する記号は、先の図５の定義と同様である。

ノイズフィルタとしての性能が改善されることを示すために、高周波ノイズに対するインピーダンスとなるインダクタンス成分に注目する。ｖ_Ｙ１、ｖ_Ｙ２は、下式（４）および（５）のように示される。ここで、相互インダクタンスが、Ｍ＝Ｍ_１＝Ｍ_２であると仮定した場合には、ｖ_Ｘは、下式（６）で表される。

上式（４）および（５）の右辺第二項の相互インダクタンスＭ_１およびＭ_２に注目する。Ｘコンデンサに流れる電流ｉ_Ｘが変動した場合、ｖ_Ｙ１およびｖ_Ｙ２は、逆の極性で変動することがわかる。したがって、Ｘコンデンサ４に電流が流れると、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂにはノーマルモード電流が生じる方向に電圧が誘起される。その結果、コモンモードノイズへの影響はない。

さらに、上式（４）および（５）の右辺第三項の相互インダクタンスＭ_Ｙより、コモンモード電流ｉ_Ｙ１、ｉ_Ｙ２によってｖ_Ｙ２、ｖ_Ｙ１がそれぞれ誘起される。誘起される電圧ｖ_Ｙ２およびｖ_Ｙ１は、内部寄生インダクタンスＬｓで生じる電圧と逆の極性である。したがって、磁気結合によって、コモンモードノイズに対する等価的なインダクタンス成分が減少したことを示している。これは、コモンモードノイズに対するフィルタ効果の向上を意味している。

さらに、上式（６）の右辺第二項に記述されている相互インダクタンスＭに関して、同等のコモンモード電流ｉ_Ｙ１およびｉ_Ｙ２が流れる場合、この第二項は、０になる。つまり、Ｘコンデンサ４への影響は少なく、コモンモードノイズにより生じるノーマルモードノイズを抑制できる。

なお、図６（ｂ）に示す配置を採用した場合には、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂ間の相互インダクタンスＭ_Ｙは、図６（ａ）に示す配置と比較して低くなる。そのため、図６（ｂ）の配置は、コモンモードノイズに対する等価的なインダクタンス成分の減少は見込めないが、性能悪化は防止可能である。

上述したように、図６に示すコンデンサの配置では、寄生インダクタンスＬｓの磁気結合によって、コモンモードノイズおよびノーマルモードノイズに対するフィルタ効果を向上させることができる。

以上のように、実施の形態１の電力変換装置によれば、ＹコンデンサおよびＸコンデンサを流れる電流が互いに平行方向となり、さらにＹコンデンサを流れる電流同士が逆方向となるように、コンデンサを隣り合って配置・接続し、Ｘコンデンサの影響によるコモンモードノイズの悪化を防止できる構成を備えている。その結果、コンデンサの近接配置が可能となり、部品配置の制約が緩和され、ノイズフィルタ部の小型化を実現できる。

ノイズフィルタの性能向上は、ＹコンデンサおよびＸコンデンサを一列に配置し、コモンモード電流によるＹコンデンサの等価的なインダクタンス成分を減少させることで実現できる。

コモンモードノイズの増加は、一対の信号ラインに接続されているＹコンデンサとＸコンデンサを近接させて配置し、空間を含めたレイアウトの有効活用を考慮して配線することにより防止できる。

２つのＹコンデンサおよび１つのＸコンデンサの配置は、等間隔になることにより、効果が得られる。そのため、３つのコンデンサの配置に関する順序は、問題とならない。例えば、Ｘコンデンサを挟んで間隔を同一として２つのＹコンデンサを配置することも可能である。この場合、上式（４）から（６）で示した相互インダクタンスＭ_１、Ｍ_２がほぼ同一の値となり、Ｘコンデンサの影響で生じるコモンモードノイズをより抑制できる。

さらに、２つのＹコンデンサと１つのＸコンデンサの配置に関する重要な点は、隣り合う３つのコンデンサを流れる電流の方向が平行になっていることである。そのため、３つのコンデンサは、必ずしも同一平面上で接続する必要はない。図８は、本発明の実施の形態１に係るＹコンデンサとＸコンデンサの、図６とは異なる配置例を示す図である。例えば、この図８のように、２つのＹコンデンサの配線接続する面が側面である場合であっても、コモンモードノイズの抑制効果が得られる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂおよびＸコンデンサ４を近接配置し、インダクタンス成分を減少させるように３つのコンデンサを配線することで、コモンモードノイズの抑制を実現する場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、ノーマルモードノイズを抑制し、フィルタ性能を改善する場合について説明する。

図９は、本発明の実施の形態２に係るＹコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４の配置と接続を示す図である。具体的には、図９（ａ）は、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４とが、全て横一線に配置された状態を例示している。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されている。

一方、図９（ｂ）は、Ｙコンデンサ３ａ，３ｂが縦一列に並び、コンデンサ３ａ，３ｂと隣り合うようにＸコンデンサ４が配置された状態を例示している。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが１本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して平行となるように配置されている。

一対の信号ラインＰ、信号ラインＮのうち、信号ラインＰには、Ｙコンデンサ３ａの下側端子とＸコンデンサ４の上側端子とが、それぞれ接続されている。もう一方の信号ラインＮには、Ｙコンデンサ３ｂの上側端子とＸコンデンサ４の下側端子とが、それぞれ接続されている。Ｙコンデンサ３ａの上側端子およびＹコンデンサ３ｂの下側端子は、それぞれグランドと接続されている。

図９（ａ）、図９（ｂ）に示したＹコンデンサ３ａは、信号ラインＰに接続される上側端子が紙面上で下側に配置され、グランド端子が紙面上で上側に配置されている。一方、図９（ａ）、図９（ｂ）に示したＹコンデンサ３ｂは、信号ラインＮに接続される上側端子が紙面上で上側に配置され、グランド端子が紙面上で下側に配置されている。すなわち、本実施の形態２における図９に示したＹコンデンサ３ａ、３ｂの向きは、先の実施の形態１における図６に示したＹコンデンサ３ａ、３ｂの向きと逆になっている。

このような、図９に示す本実施の形態２におけるＹコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４との接続および配置では、ノイズフィルタとしての性能が改善できる。その様子を、図１０に示す磁気結合状態を考慮した回路図を用いて詳細に説明する。なお、図１０で使用する記号は、先の図５および図７の定義と同様である。

ノイズフィルタとしての性能が改善されることを示すために、高周波ノイズに対するインピーダンスとなるインダクタンス成分に注目する。ｖ_Ｙ１、ｖ_Ｙ２は、下式（７）および（８）のように示される。ここで、相互インダクタンスが、Ｍ＝Ｍ_１＝Ｍ_２であると仮定した場合には、ｖ_Ｘは、下式（９）で表される。

上式（７）〜（９）からわかるノイズフィルタの性能向上の効果は、先の実施の形態１における式（４）〜（６）の説明で述べた内容と同様である。

ここで、信号ラインＰと信号ラインＮとの間に直列接続されたＹコンデンサ３ａ、３ｂのノーマルモードの性能について説明する。コモンモード電流ｉ_Ｙ１＝ｉ_Ｙ２とすれば、Ｙコンデンサ３ａとＹコンデンサ３ｂとの間の電圧ｖ_Ｙ１−ｖ_Ｙ２は、下式（１０）となる。

上式（１０）より、右辺第二項のｄｉ_Ｘ／ｄｔの項について、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４のノーマルモード成分に関する相互インダクタンスは−（Ｍ_１＋Ｍ_２）で負の値となっている。これより、Ｘコンデンサ４にノーマルモード電流ｉ_Ｘが流れる時、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂのノーマルモード成分で誘起される電圧ｖ_Ｙ１−ｖ_Ｙ２は、減少する。これは、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂのノーマルモードノイズに対する等価的なインピーダンスが減少することに相当する。

したがって、図９の配置を採用することにより、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂのノーマルモードノイズに対する性能を向上させることができる。

なお、先の実施の形態１における図６に示す配置では、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４のノーマルモード成分に関する相互インダクタンスは、（Ｍ_１＋Ｍ_２）で正の値である。これに対して、本実施の形態２における相互インダクタンスは、上述したように、−（Ｍ_１＋Ｍ_２）で負の値となっている。

ところで、図９（ａ）では、Ｙコンデンサ３ａよりもＹコンデンサ３ｂの方がＸコンデンサ４に近い配置としている。この配置に対して、Ｘコンデンサ４の両側に、Ｙコンデンサ３ａとＹコンデンサ３ｂとを、同一距離で配置した場合の効果を考える。３つのコンデンサが、同一距離で配置された場合には、式（７）〜（９）で示した相互インダクタンスＭ_１、Ｍ_２が、ほぼ同一の値となる。この結果、Ｘコンデンサ４の影響で生じるコモンモードノイズを、先の実施の形態１における図６の配置を採用する場合と比較して、より抑制できる。

なお、図９の配置例に限らず、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４との距離が同じとなる配置であれば、同様の効果が得られる。

また、先の実施の形態１の図６の配置において、Ｘコンデンサ４に接続されている信号ラインＰと信号ラインＮの配線をクロスさせ、Ｘコンデンサ４に流れる電流の方向を逆転させることで、図９で説明した場合と同様の効果が得られる。

以上のように、２つのＹコンデンサと１つのＸコンデンサの配置に関する重要な点は、隣り合う３つのコンデンサを流れる電流の方向が平行になっていることである。そのため、必ずしも同一平面上で接続する必要はなく、例えば、先の図８のように、２つのＹコンデンサの配線接続する面が側面である場合であっても、ノイズの抑制効果が得られる。

実施の形態３．
先の実施の形態１および実施の形態２では、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂおよびＸコンデンサ４の配置と配線により、コモンモードノイズおよびノーマルモードノイズの抑制を実現する場合について、それぞれ説明した。これに対して、本実施の形態３では、コモンモードノイズをキャンセルするコンデンサの配置について説明する。

図１１は、本実施の形態３における、ノイズフィルタ性能を改善できるＹコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４の配置と配線を示す図である。この図１１においては、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに流れる電流の方向が、Ｘコンデンサ４に対して垂直になるような方向で、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂおよびＸコンデンサ４が配置されている。

図１１（ａ）において、一対の信号ラインＰ、信号ラインＮのうち、信号ラインＰには、Ｙコンデンサ３ａのＸコンデンサ４側の端子とＸコンデンサ４の上側端子とが、それぞれ接続されている。もう一方の信号ラインＮには、Ｙコンデンサ３ｂのＸコンデンサ４側の端子とＸコンデンサ４の下側端子とが、それぞれ接続されている。Ｙコンデンサ３ａおよびＹコンデンサ３ｂの入力側端子は、それぞれグランドと接続されている。

つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが同じ向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して垂直となるように配置されている。

一方、図１１（ｂ）において、信号ラインＰには、Ｙコンデンサ３ａのＸコンデンサ４側の端子とＸコンデンサ４の上側端子とが、それぞれ接続されている。もう一方の信号ラインＮには、Ｙコンデンサ３ｂの入力側端子とＸコンデンサ４の下側端子とが、それぞれ接続されている。

つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、第１方向と第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、第１方向と第２方向とが互いに逆向きとなるように配置されている。さらに、Ｘコンデンサ４は、第３方向が、第１方向および第２方向の両方に対して垂直となるように配置されている。

すなわち、図１１（ａ）の配線では、Ｙコンデンサ３ａとＹコンデンサ３ｂに流れるコモンモード電流の方向が同じ方向となる場合を示している。一方、図１１（ｂ）の配線では、Ｙコンデンサ３ａとＹコンデンサ３ｂに流れるコモンモード電流の方向が逆の方向となる場合を示している。

図１１より、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに流れる電流の方向をＸコンデンサ４に対して垂直とすることにより、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂとＸコンデンサ４との磁気結合を理想的には０にできる。現実的には、結合を０とすることはできないが、十分に小さくすることが可能である。

従って、図１１に示した配置および配線を採用することで、先の実施の形態１および実施の形態２で示した、式（１）〜（９）の相互インダクタンスＭ_１、Ｍ_２を０とすることができる。この結果、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂの直近にＸコンデンサ４を配置したとしても、互いに影響せず、ノイズフィルタの性能悪化を防止することができる。

図１１（ａ）の場合は、式（１）〜（３）において、相互インダクタンスＭ_１、Ｍ_２を０とした式となる。一方、図１１（ｂ）の場合は、式（４）〜（９）において、相互インダクタンスＭ_１、Ｍ_２を０とした式となる。

図１１（ｂ）の３つのコンデンサ配置では、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂにおいてコモンモードノイズに対する等価的なインダクタンス成分が減少する式となる。従って、図１１（ｂ）による配置は、図１１（ａ）による配置よりも、コモンモードノイズに対するフィルタ効果を向上できる構成となる。

以上のように、実施の形態３における電力変換装置によれば、２つのＹコンデンサに流れる電流の方向と、１つのＸコンデンサを流れる電流の方向を垂直となるように、隣り合って配置・接続することで、ＹコンデンサとＸコンデンサとの相互作用によるノイズ成分の増加を防止できる。その結果、コンデンサを近接配置することが可能になり、電力変換装置の小型化が実現できる。

さらに、２つのＹコンデンサに流れるそれぞれの電流の方向を逆方向とすれば、コモンモードノイズに対する等価的なインダクタンス成分が減少し、コモンモードノイズに対するフィルタ効果の向上が実現できる。

すなわち、一対の信号ラインに接続されているＹコンデンサとＸコンデンサを近接させて配置した場合にも、空間を含めたレイアウトの有効活用を考慮して配線することにより、ノイズの増加を防止できる。

なお、図１１で示した配置・接続例に限らず、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに流れる電流の方向がＸコンデンサ４に対して垂直となるように、隣り合ってコンデンサが配置されていれば、上記と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の実施の形態３に係るＹコンデンサとＸコンデンサの、図１１とは異なる配置例を示す図である。例えば、この図１２で示すように、配線接続する面が側面であるなどであっても良い。また、Ｘコンデンサ４を挟んでＹコンデンサ３ａ、３ｂが配置されていても良い。

以上説明してきた実施の形態１から実施の形態３までにおいては、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂと同一ラインに接続されているＸコンデンサ４が、隣り合っている場合について説明した。しかしながら、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂと別のラインにおいて存在するコンデンサが、隣り合う配置であってもいい。

例えば、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂと図１の平滑コンデンサ５が隣り合っている場合には、実施の形態１から実施の形態３までに示した、コンデンサの配置・接続を採用することにより、平滑コンデンサ５の影響によるコモンモードノイズの悪化を防止することができる。つまり、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂに対して、第３のコンデンサあるいは第４のコンデンサを配置する場合においても、実施の形態１から実施の形態３までに示したコンデンサの配置と接続を導入すれば、コモンモードノイズの悪化を防止することができる。

また、電力変換装置では、入力側と出力側の両方にＹコンデンサ、Ｘコンデンサおよび平滑コンデンサを備えることが多い。そのため、スペースの有効活用には、コンデンサ部を集約して配置することが重要である。

このとき、入力側（または出力側）のＹコンデンサと、出力側（または入力側）のＸコンデンサまたは平滑コンデンサとにおいて、実施の形態１から実施の形態３までに示したコンデンサの配置と接続を導入すれば、コモンモードノイズの悪化を防止することのできる構成を備えた電力変換装置を実現できる。

また、実施の形態１から実施の形態３までにおいて説明したＹコンデンサおよびその他のコンデンサは、フィルムコンデンサ、またはセラミックコンデンサが適している。フィルムコンデンサおよびセラミックコンデンサは、ある側面から反対側の側面まで一方向に電流が流れる電極構造であり、形状も立方体状である。このような電極構造および電極形状を有することから、フィルムコンデンサおよびセラミックコンデンサは、近接・整列されて配置されやすく、より磁気結合しやすいため、本発明がより効果的に働く。

さらに、実施の形態１から実施の形態３までにおいて説明した半導体スイッチ素子が、ワイドバンドギャップ半導体である場合には、特に効果的である。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ダイアモンドである。ワイドバンドギャップ半導体で構成される半導体スイッチ素子は、高スイッチング速度、高スイッチング周波数での駆動に適しており、シリコン半導体素子で構成される電力変換器と比べてノイズは高周波化する。

上式（１）〜（１０）でわかるように、ｄｉ／ｄｔによって磁気結合時のノイズの影響は大きくなる。そのため、結合時のノイズへの影響を低減可能な本発明においては、ワイドバンドギャップ半導体を適用した高速駆動時に、より効果的に働く。勿論、シリコン半導体素子であっても効果が得られる。

実施の形態１から実施の形態３までにおいて、各コンデンサの接続方法は、基板のパターンやバスバーなど、電気的に接続されるものであれば良い。

また、実施の形態１から実施の形態３までの図４、図６、図９において、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂは、Ｘコンデンサ４よりも小型であるものを想定して図示していた。しかしながら、本発明は、このような形状に限るものではない。また、実施の形態１から実施の形態３では、Ｘコンデンサ４を側面から見たときに、Ｙコンデンサ３ａ、３ｂが全て投影面内に収まるよう図示していた。しかしながら、本発明は、このような形状に限るものではなく、コンデンサが隣り合って配置されていればよい。

Ｘコンデンサ４を側面から見たときにＹコンデンサ３ａ、３ｂの側面が投影面上に触れており、コンデンサ間に別の素子が存在せず、コンデンサ間が磁気シールド効果のある金属などの磁気遮蔽物で仕切られていない場合には、少なくとも隣り合っていると言える。

また、コンデンサ間に別の素子あるいは金属があったとしても、その素子あるいは金属がコンデンサ側面の面積に対して１０％以下と小さく、コンデンサ間の距離が１０ｍｍ以内であれば、磁気結合の影響を受けるほど隣り合っていると言え、本特許の効果が得られる。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態１〜３を自由に組み合わせることが可能である。また、各実施の形態１〜３の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１直流電源、２負荷、３ａ、３ｂＹコンデンサ、４Ｘコンデンサ、５平滑コンデンサ、１０スイッチング回路、２０ａ、２０ｂ入力端子、３０ａ、３０ｂ出力端子、１００主回路、１０１半導体スイッチング素子、１０２半導体スイッチング素子、１１０リアクトル、１０００電力変換装置。

Claims

第１信号ラインおよび第２信号ラインからなる一対の信号ラインと、
グランドと、
コモンモードノイズの低減対策用として、前記第１信号ラインと前記グランドとの間に接続される第１のコンデンサ、および前記第２信号ラインと前記グランドとの間に接続される第２のコンデンサと、
第３のコンデンサと
を備え、半導体スイッチング素子のスイッチング制御で電力変換する電力変換装置であって、
前記第１のコンデンサを流れる電流の向きを第１方向、前記第２のコンデンサを流れる電流の向きを第２方向、前記第３のコンデンサを流れる電流の向きを第３方向と規定し、前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、前記第３のコンデンサが互いに近接配置される際に、
前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、前記第１方向と前記第２方向とが互いに逆向きとなるように配置され、
前記第３のコンデンサは、前記第３方向が、前記第１方向および前記第２方向の両方に対して平行となるように配置される
電力変換装置。
前記第３のコンデンサは、前記第３方向が、前記第１方向および前記第２方向の両方に対して平行となるように配置され、
前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、第３のコンデンサは、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとで形成されるノーマルモードの寄生インダクタンスと、前記第３のコンデンサの寄生インダクタンスとによる相互インダクタンスが負の値となるように配置されている
請求項１に記載の電力変換装置。
第１信号ラインおよび第２信号ラインからなる一対の信号ラインと、
グランドと、
コモンモードノイズの低減対策用として、前記第１信号ラインと前記グランドとの間に接続される第１のコンデンサ、および前記第２信号ラインと前記グランドとの間に接続される第２のコンデンサと、
第３のコンデンサと
を備え、半導体スイッチング素子のスイッチング制御で電力変換する電力変換装置であって、
前記第１のコンデンサを流れる電流の向きを第１方向、前記第２のコンデンサを流れる電流の向きを第２方向、前記第３のコンデンサを流れる電流の向きを第３方向と規定し、前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、前記第３のコンデンサが互いに近接配置される際に、
前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、前記第１方向と前記第２方向とが互いに平行な２本の直線と一致する方向となるように、かつ、前記第１方向と前記第２方向とが互いに逆向きとなるように配置され、
前記第３のコンデンサは、前記第３方向が、前記第１方向および前記第２方向の両方に対して垂直となるように配置され、
前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、前記第１のコンデンサと前記第３のコンデンサとの磁気結合と、前記第２のコンデンサと前記第３のコンデンサとの磁気結合とがキャンセルされるように配置されている
電力変換装置。
前記第１信号ラインに一つ以上の素子を介して接続された第３信号ラインをさらに備え、
前記第３のコンデンサは、前記第２信号ラインと前記第３信号ラインとの間に接続されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第３のコンデンサは、前記第１信号ラインと前記第２信号ラインとの間に接続されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第１信号ラインに一つ以上の素子を介して接続された第３信号ラインと、
前記第２信号ラインと前記第３信号ラインとの間に接続される第４のコンデンサと
をさらに備え、
前記第４のコンデンサを流れる電流の向きを第４方向と規定した際に、
前記第４のコンデンサは、前記第４方向が前記第３方向に平行となるように配置されている
請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
信号ラインが配線接続される前記第１のコンデンサの接続面を第１接続面、信号ラインが配線接続される前記第２のコンデンサの接続面を第２接続面、信号ラインが配線接続される前記第３のコンデンサの接続面を第３接続面と規定した際に、
前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、前記第３のコンデンサは、前記第１接続面、前記第２接続面、前記第３接続面が同一平面となるように配置されている
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
信号ラインが配線接続される前記第１のコンデンサの接続面を第１接続面、信号ラインが配線接続される前記第２のコンデンサの接続面を第２接続面、信号ラインが配線接続される前記第３のコンデンサの接続面を第３接続面と規定した際に、
前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、前記第３のコンデンサは、前記第１接続面と前記第３接続面および前記第２接続面と前記第３接続面がともに直交するように配置されている
請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第３のコンデンサは、前記第１のコンデンサとの距離と、
前記第２のコンデンサとの距離が等しくなるように配置されている
請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、前記第３のコンデンサは、フィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサである
請求項１から９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成される素子である
請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。