JP6527107B2 - 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。
インバータやコンバータ等の電力変換装置は、例えば、ハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、電気自動車などの車両に搭載される。このような電力変換装置は、直流を交流、または交流を直流に変換するためのスイッチング回路部および入力側回路部を有している。入力側回路部は、スイッチング回路部と並列に接続される平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの各端子と電源端子とを接続する一対のバスバ等を有している。また、スイッチング回路部で発生される熱を冷却するための冷却フィンを備えたものもある。
バスバは、平板導電バー状の部材であり、細長い形状を有しているため、大きいインダクタンスを有する。インダクタンスが大きくなると、スイッチング素子のオン・オフ時に発生するサージ電圧が大きくなる。これに対し、一対のバスバの一方を幅広にして、該幅広バスバ上に絶縁層を介して他方のバスバを積層した構造とすることが知られている。この構造によれば、幅広のバスバによりインダクタンスが低減される。また、スイッチング回路部を冷却するための放熱フィンを備えた電力変換装置では、一部のスイッチング素子を放熱フィンから遠ざけて配置することが可能となり、これにより、各スイッチング素子の温度のばらつきを小さくすることができることが示されている(例えば、特許文献1)。
特開2006−101676号公報
上記先行文献には、信号ライン間や電源ラインとグラウンド間に発生するノイズを低減する構成については記載されていない。このため、内部からで発生するノイズにより周辺回路素子に与える影響が大きく、また周辺からノイズの影響を受けやすい。
本発明の一態様によれば、電力変換装置は、正極側電源端子と、負極側電源端子と、平滑用コンデンサと、前記平滑用コンデンサの一方の端子と前記正極側電源端子とを接続する正極側接続配線と、前記平滑用コンデンサの他方の端子と負極側電源端子とを接続する負極側接続配線と、前記正極側接続配線に接続される第1端子部と、第1グラウンドに接続される第2端子部とを有する第1ノイズ除去用コンデンサと、前記負極側接続配線に接続される第1端子部と、前記第1グラウンドに接続される第2端子部とを有する第2ノイズ除去用コンデンサと、前記正極側接続配線の一部を囲んで配置された第1ノーマルモードコイルと、前記負極側接続配線の一部を囲んで配置された第2ノーマルモードコイルと、を備え、前記第1ノイズ除去用コンデンサと前記第1ノーマルモードコイルとが配列された第1配列は、前記第2ノイズ除去用コンデンサと前記第2ノーマルモードコイルとが配列された第2配列と平行に配置され、前記第1ノイズ除去用コンデンサと前記第2ノイズ除去用コンデンサとが配列された第3配列は、前記第1ノーマルモードコイルと前記第2ノーマルモードコイルとが配列された第4配列と平行に配置されている。
本発明によれば、内部からで発生するノイズが低減されるので周辺回路素子に与える影響を低減することができ、また周辺からノイズの影響を受け難くすることができる。
本発明の電力変換装置の一実施の形態を示す回路図。 図1に示された電力変換装置の入力側回路部の実装構造を示す上面図。 図2の外観斜視図。 図3の分解図。 図3に図示されたシールド板を明確に示す斜視図。 図5に図示されたシールド板を含むシールド構造を示す斜視図。 図2のVII−VII線断面図。 図1に図示された各素子の第1〜第6の配列との対応を示すための実装構造の上面図。
以下、図面を参照して、本発明の電力変換装置の一実施の形態を説明する。
図1は、本発明の電力変換装置1の一実施の形態を示す回路図である。
電力変換装置1は、直流高電圧が入力される正・負極側電源端子100a、100bを含む入力側回路部10と、スイッチング回路部300とを備えている。図1では、入力側回路部10は、矩形の点線で囲んで図示されている。
正極側電源端子100aは、コモンモードコイル800、正極側接続配線110aおよび第1ノーマルモードコイル700aを介してスイッチング回路部300に接続されている。
負極側電源端子100bは、コモンモードコイル800、負極側接続配線110bおよび第2ノーマルモードコイル700bを介してスイッチング回路部300に接続されている。
コモンモードコイル800は、電源端子100a,100bに重畳するコモンモードノイズを低減する。
スイッチング回路部300には、平滑コンデンサ400が電気的に並列に接続されている。つまり、平滑コンデンサの正極側端子は正極側接続配線110aに接続され、平滑コンデンサ400の負極側端子は負極側接続配線110bに接続されている。
コモンモードコイル800と第1ノーマルモードコイル700aとの間には、第1ノイズ除去用コンデンサ600aの第1端子部が接続されている。第1ノイズ除去用コンデンサ600aの第2端子部は、第1グラウンド500aに接続されている。
コモンモードコイル800と第2ノーマルモードコイル700bとの間には、第2ノイズ除去用コンデンサ600bの第1端子部が接続されている。第2ノイズ除去用コンデンサ600bの第2端子部は、第1グラウンド500aに接続されている。
コモンモードコイル800と、第1ノーマルモードコイル700aまたは第2ノーマルモードコイル700bとは、信号線や電源線とグラウンドとの間に発生するコモンモードノイズを低減するコモンモードノイズフィルタを構成する。
第1ノーマルモードコイル700aと平滑コンデンサ400の正極側端子との間には、第3ノイズ除去用コンデンサ600cの第1端子部が接続されている。第3ノイズ除去用コンデンサ600cの第2端子部は、第2グラウンド500bに接続されている。
第2ノーマルモードコイル700bと平滑コンデンサ400の負極側端子との間には、第4ノイズ除去用コンデンサ600dの第1端子部が接続されている。第4ノイズ除去用コンデンサ600dの第2端子部は、第2グラウンド500bに接続されている。第1、第2ノーマルモードコイル700a、700bは、電源線間や信号線間に発生するノーマルモードノイズを低減する。
スイッチング回路部300は、例えば、MOSFET(ゲート絶縁型電界効果トランジスタ)等のスイッチング素子を直列に接続した直列接続体を、並列に接続したフルブリッジ回路を有する。スイッチング回路部300は、例えば、インバータを構成する。あるいは、スイッチング回路部300は、さらに、MOSFET等のスイッチング素子により構成される整流回路およびアクティブクランプ回路を有する低電圧側回路を備え、該低電圧側回路がインバータにトランスを介して結合されたDCDCコンバータを構成する。
図2は、図1に示された電力変換装置の入力側回路部の実装構造の一実施の形態を示す上面図であり、図3は、図2の外観斜視図である。図4は、図3の分解図である。但し、図4では、第1〜第4ノイズ除去用コンデンサ600a〜600d、第1、第2ノーマルモードコイル700a、700b、平滑コンデンサ400および正・負極側接続配線110a、110bは図示を省略されている。
電力変換装置1は、収容部91を有するケース90を有する。ケース90は、樹脂により形成された枠部90aと、金属により形成された底面部90b(図6も参照)とが一体成型により形成されている。ケース90の収容部91内には、第1〜第4ノイズ除去用コンデンサ600a〜600d、第1、第2ノーマルモードコイル700a、700bおよび平滑コンデンサ400が収容されている。
正・負極側電源端子100a、100bは、ケース90の前方側の側部に平行して配置されている。正・負極側電源端子100a、100bは、それぞれ、ケース90の前部に設けられた段部92に取付けられている。
なお、以下では、前方、後方を図示の通りとする。
電力変換装置1は、また、コモンモードコイル用ケース95を有する。コモンモードコイル用ケース95は、リング形状に形成されており、リング状収容部96(図4参照)を有する。
コモンモードコイル用ケース95は、正・負極側電源端子100a、100bの外周を囲んで配置されている。コモンモードコイル用ケース95のリング状収容部96内には、コモンモードコイル800が収容される。コモンモードコイル用ケース95のリング状収容部96内にコモンモードコイル800が収容された状態で、コモンモードコイル用ケース95のリング状収容部96の開口部はケース蓋95aにより覆われる。これにより、コモンモードコイル800は正・負極側電源端子100a、100bの外周を囲んで配置される。
正・負極側接続配線110a、110bは、それぞれ、ケース90の前端側から後端側まで延在されている。正極側接続配線110aと、負極側接続配線110bとは、ほぼ平行に延在されている。正・負極側接続配線110a、110bは、それぞれ、前端側および後端側で、ねじ等の締結部材により、ケース90の上面に固定されている。正・負極側接続配線110a、110bは、それぞれ、ケース90の収容部91内で、収容部91の底部側に向けて屈曲され、ケース90の底面部90bとほぼ平行に延在された低位部111a、111bを有する。
正・負極側接続配線110a、110bの低位部111a、111bには、それぞれ、第1、第2ノイズ除去用コンデンサ600a、600bの第1端子部が接続されている。正・負極側接続配線110a、110bと第1、第2ノイズ除去用コンデンサ600a、600bの第1端子部との接続には、はんだ付け、溶接等、適宜な接続方法を用いることができる。
第1、第2ノーマルモードコイル700a、700bは、それぞれ、正・負極側接続配線110a、110bの低位部111a、111bの一部を囲んで配置されている。
また、第3、第4ノイズ除去用コンデンサ600c、600dの第1端子部は、第1、第2ノーマルモードコイル700a、700bの後方側の位置で、正・負極側接続配線110a、110bの低位部111a、111bに接続されている。つまり、第1ノイズ除去用コンデンサ600aおよび第1ノーマルモードコイル700aは、正極側接続配線110aに重なって配置され、第2ノイズ除去用コンデンサ600bおよび第2ノーマルモードコイル700bは、負極側接続配線110bに重なって配置されている。
正・負極側接続配線110a、110bの低位部111a、111bは、それぞれ、ケース90の収容部91の後端側で、平滑コンデンサ400の正・負極側端子に接続されている。正・負極側接続配線110a、110bと平滑コンデンサ400との接続には、はんだ付け、溶接等、適宜な接続方法を用いることができる。
図3に図示されるように、ケース90の収容部91内には、第1ノーマルモードコイル700aと第2ノーマルモードコイル700bとを仕切るシールド板97が配置されている。
図5は、図3に図示されたシールド板を明確に示す斜視図であり、図6は、図5に図示されたシールド板を含むシールド構造を示す斜視図である。
ケース90は、上述したように、枠部90aと、金属製の底面部90b(図6参照)とが一体成型により形成された部材である。金属製の底面部90bは、枠部90aの底部に設けられた開口から内面側に露出されている。
シールド板97は、ケース90の底面部90b上に配置された底部と、該底部から上面側に向けて垂直に屈曲する立上げ部と、立上げ部の上部側に設けられた取付部97a、97bとを有する。シールド板97の取付部97a、97bは、それぞれ、ケース90に設けられた2つのボス部93、94の上面上に配置されている。シールド板97の取付部97a、97bには、開口部が形成されている。シールド板97の取付部97a、97bの開口部には、ボス部93、94に設けられた雌ねじ部に締結されるねじ等の締結部材201、202が挿通される。シールド板97の底部は、ケース90の底面部90bに接続され、ケース90の底面部90bを介して接地される。なお、図5、図6において、ケース90の金属製の底面部90bおよびシールド板97には、ハッチングを施してある。
ボス部93は、正極側接続配線110aと負極側接続配線110bとの中間位置に設けられている。第1ノイズ除去用コンデンサ600aの第2端子部と第2ノイズ除去用コンデンサ600bの第2端子部とは、締結部材201により、シールド板97を介して第1グラウンド500aに接地される。このため、第1ノイズ除去用コンデンサ600aの第2端子部と第2ノイズ除去用コンデンサ600bの第2端子部とが第1グラウンド500aに接地される部位までの距離はほぼ等しい。
また、ボス部94、正極側接続配線110aと負極側接続配線110bとの中間位置に設けられている。第3ノイズ除去用コンデンサ600cの第2端子部と第4ノイズ除去用コンデンサ600dの第2端子部とは、締結部材202により、シールド板97を介して第2グラウンド500bに接地される。このため、第3ノイズ除去用コンデンサ600cの第2端子部と第4ノイズ除去用コンデンサ600dの第2端子部とが第2グラウンド500bに接地される部位までの距離はほぼ等しい。
図7は、図2のVII−VII線断面図である。
第1ノイズ除去用コンデンサ600aの第2端子部に接続される第1端子部材211aは、シールド板97の取付部97a上に配置される。第2ノイズ除去用コンデンサ600bの第2端子部に接続される第2端子部材211bは、第1端子部材211a上に配置される。第1端子部材211aと第2端子部材211bとは、シールド板97の取付部97a上に積層された状態で、スプリングワッシャ、ワッシャを含むねじ等の締結部材201により、ケース90のボス部93に固定される。これにより、第1、第2ノイズ除去用コンデンサ600a、600bの各第2端子部は、シールド板97の取付部97aを接続部として第1グラウンド500a(図1参照)に接地される。
同様に、第3ノイズ除去用コンデンサ600cの第2端子部に接続される第3端子部材211cは、シールド板97の取付部97b上に配置される。第4ノイズ除去用コンデンサ600dの第2端子部に接続される第4端子部材211dは、第3端子部材211c上に配置される。第3端子部材211cと第4端子部材211dとは、シールド板97の取付部97b上に積層された状態で、スプリングワッシャ、ワッシャを含むねじ等の締結部材202により、ケース90のボス部94に固定される。これにより、第3、第4ノイズ除去用コンデンサ600c、600dの各第2端子部は、シールド板97の取付部97bを接続部として第2グラウンド500b(図1参照)に接地される。
ケース90の収容部91内には、放熱用の樹脂を充填してもよい。放熱用の樹脂を充填することにより、ケース90の収容部91内に配置されている正・負極側接続配線110a、110b、第1、第2ノーマルモードコイル700a、700b、第1〜第4ノイズ除去用コンデンサ600a〜600d、平滑コンデンサ400等から発生する熱をケース90に効率的に伝導することができ、放熱効果を向上することができる。
図8は、図1に図示された各素子の第1〜第6配列20〜70との対応を示すための実装構造の上面図である。
以下、図1および図8を参照して、本発明の電力変換装置1の各素子の第1〜第6配列20〜70の構成とその効果を説明する。
(1) 第1ノイズ除去用コンデンサ600aと第1ノーマルモードコイル700aとが配列された第1配列20は、第2ノイズ除去用コンデンサ600bと第2ノーマルモードコイル700bとが配列された第2配列30と平行である。また、第1ノイズ除去用コンデンサ600aと第2ノイズ除去用コンデンサ600bとが配列された第3配列40と、第1ノーマルモードコイル700aと第2ノーマルモードコイル700bとが配列された第4配列50とは平行である。
これにより、各素子が最短長さで接続され、寄生インダクタンスを低減することができる。これに伴い、フィルタ特性の再現性が高くなり、特性ばらつきを低減し、外乱ノイズの影響を受け難くすることができる。
(2) 図5、図6に図示されるように、第1ノイズ除去用コンデンサ600aの第2端子部に接続される第1端子部材211aと、第2ノイズ除去用コンデンサ600bの第2端子部に接続される第2端子部材211bとは、両部材の中間位置に配置されたシールド板97の取付部97aを接続部として第1グラウンド500aに接続される。このため、第1ノイズ除去用コンデンサ600aと第2ノイズ除去用コンデンサ600bとの接地点までの距離がほぼ同一となり、P−N間でのノイズ減衰量を等しくすることができる。
(3) 正極側電源端子100aは、第1配列20に接続された正極側接続配線110aの延長上に重なって配置され、負極側電源端子100bは、第2配列30に接続された負極側接続配線110bの延長上に重なって配置され、正極側電源端子100aと負極側電源端子100bとが配列された第5配列60は、第3配列40と平行に配置されている。コモンモードコイル800と、第1ノイズ除去用コンデンサ600aまたは第2ノイズ除去用コンデンサ600bとにより構成されるコモンモードフィルタは配線長に比例する抵抗成分が少ないほど、ノイズ低減効果が大きい。上記構成により、正・負極側接続配線110aが短くなり、インダクタンスの低減が可能となるため、フィルタのQ(Quality factor)を上げることができる。また、正・負極側接続配線110a、110bの長さが短くなるので、正・負極側接続配線110a、110bから混入されるノイズを抑えることができる。同時に、導体の抵抗値を低く抑えることができるため、温度上昇を抑制することができる。
(4) 第1ノーマルモードコイル700aを挟んで第1ノイズ除去用コンデンサ600aと対向する側に配置された第3ノイズ除去用コンデンサ600cと、第2ノーマルモードコイル700bを挟んで第2ノイズ除去用コンデンサ600bと対向する側に配置された第4ノイズ除去用コンデンサ600dと、を備えている。第3ノイズ除去用コンデンサ600cと第4ノイズ除去用コンデンサ600dとは、第3ノイズ除去用コンデンサ600cと第4ノイズ除去用コンデンサ600dとの中間位置で第2グラウンド500bに接続されている。第3ノイズ除去用コンデンサ600cと第4ノイズ除去用コンデンサ600dとが配列された第6配列70は、第4配列50と平行に配置されている。第3ノイズ除去用コンデンサ600cの第2端子部に接続される第3端子部材211cと、第4ノイズ除去用コンデンサ600dの第2端子部に接続される第4端子部材211dとは、両部材の中間に配置されたシールド板97の取付部97bを接続部として第2グラウンド500bに接続される。このため、第3ノイズ除去用コンデンサ600cと第4ノイズ除去用コンデンサ600dとの接地点までの距離がほぼ同一となり、P−N間でのノイズ減衰量を等しくすることができる。また、第3、第4ノイズ除去用コンデンサ600c、600dは、それぞれ、第1、第2ノイズ除去用コンデンサ600a、600bと異なる容量のコンデンサとすることが可能であり、異なる共振周波数のフィルタを構成することができる。これにより、広帯域で対して有効なノイズ除去効果を得ることができる。
(5) 正極側電源端子100aおよび負極側電源端子100bを囲んで配置されたコモンモードコイル800を備え、コモンモードコイル800は、第1配列20に接続された正極側接続配線110aの延長上および第2配列30に接続された負極側接続配線110bの延長上を囲んで配置されている。この構成により、正極側電源端子100aおよび負極側電源端子100bの長さを短くすることができる。従って、インダクタンスを低減することができ、コモンモードノイズの低減効果を大きくすること可能となる。
(6) 第1ノーマルモードコイル700aと第2ノーマルモードコイル700bとの間に配置されたシールド板97を備える。この構成により、第1ノーマルモードコイル700aと第2ノーマルモードコイル700bとのノーマルモードコイル同士の磁気結合を防止することができる。また、シールド板97の長さ・厚さ等を調整し、第1〜第4ノイズ除去用コンデンサ600a〜600dとのインダクタンスを調整することで、第1〜第4ノイズ除去用コンデンサ600a〜600dをX−CAP(Xコンともいう)として使用することが可能となる。
(7) シールド板97は、第1ノイズ除去用コンデンサ600aと第2ノイズ除去用コンデンサ600bとの間に配置され、第1グラウンド500aは、シールド板97を含んで構成されている。シールド板97が第1ノイズ除去用コンデンサ600aと第2ノイズ除去用コンデンサ600bとの間に配置されるため、接地点までの距離がほぼ同一となり、P−N間でのノイズ減衰量を等しくすることができる。また、シールド板97を介して接地を行う構造であり、シールド板97を幅広部材とすることでインピーダンスを低くすることができるため、安定した確実な接地とすることができる。
(8) 平滑コンデンサ400は、第1配列20に接続された正極側接続配線110aの延長線および第2配列30に接続された負極側接続配線110bの延長線の双方に重なって配置されている。このため、正・負極側接続配線110a、110bの長さを短くすることができ、インダクタンスを低減することができる。
なお、上記一実施の形態では、ケース90とコモンモードコイル用ケース95を別部材として例示した。しかし、ケース90とコモンモードコイル用ケース95とを一体成型により形成してもよい。
また、上記に示したケース90を、スイッチング回路部300を含め他の電子部品を収容する大きな筐体に一体に形成してもよい。
ケース90の形状・構造は、単に一実施の形態として例示したに過ぎず、適宜、変更することができるものである。
その他、本発明は上記した構成および内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
1 電力変換装置
20 第1配列
30 第2配列
40 第3配列
50 第4配列
60 第5配列
70 第6配列
97 シールド板(シールド部材)
100a 正極側電源端子
100b 負極側電源端子
110a 正極側接続配線
110b 負極側接続配線
211a 第1端子部材
211b 第2端子部材
211c 第3端子部材
211d 第4端子部材
300 スイッチング回路部
400 平滑コンデンサ
500a 第1グラウンド
500b 第2グラウンド
600a 第1ノイズ除去用コンデンサ
600b 第2ノイズ除去用コンデンサ
600c 第3ノイズ除去用コンデンサ
600d 第4ノイズ除去用コンデンサ
700a 第1ノーマルモードコイル
700b 第2ノーマルモードコイル
800 コモンモードコイル

Claims (8)

  1. 正極側電源端子と、
    負極側電源端子と、
    平滑用コンデンサと、
    前記平滑用コンデンサの一方の端子と前記正極側電源端子とを接続する正極側接続配線と、
    前記平滑用コンデンサの他方の端子と負極側電源端子とを接続する負極側接続配線と、
    前記正極側接続配線に接続される第1端子部と、第1グラウンドに接続される第2端子部とを有する第1ノイズ除去用コンデンサと、
    前記負極側接続配線に接続される第1端子部と、前記第1グラウンドに接続される第2端子部とを有する第2ノイズ除去用コンデンサと、
    前記正極側接続配線の一部を囲んで配置された第1ノーマルモードコイルと、
    前記負極側接続配線の一部を囲んで配置された第2ノーマルモードコイルと、を備え、
    前記第1ノイズ除去用コンデンサと前記第1ノーマルモードコイルとが配列された第1配列は、前記第2ノイズ除去用コンデンサと前記第2ノーマルモードコイルとが配列された第2配列と平行に配置され、
    前記第1ノイズ除去用コンデンサと前記第2ノイズ除去用コンデンサとが配列された第3配列は、前記第1ノーマルモードコイルと前記第2ノーマルモードコイルとが配列された第4配列と平行に配置されている、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、
    前記第1ノイズ除去用コンデンサの前記第2端子部と前記第1グラウンドとの接続部、および前記第2ノイズ除去用コンデンサの前記第2端子部と前記第1グラウンドとの接続部は、前記第1ノイズ除去用コンデンサと前記第2ノイズ除去用コンデンサとの間に配置されている、電力変換装置。
  3. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記正極側電源端子は、前記第1配列に接続された前記正極側接続配線の延長上に重なって配置され、
    前記負極側電源端子は、前記第2配列に接続された前記負極側接続配線の延長上に重なって配置され、
    前記正極側電源端子と前記負極側電源端子とが配列された第5配列は、前記第3配列と平行に配置されている、電力変換装置。
  4. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    さらに、前記第1ノーマルモードコイルを挟んで前記第1ノイズ除去用コンデンサと対向する側に配置された第3ノイズ除去用コンデンサと、
    前記第2ノーマルモードコイルを挟んで前記第2ノイズ除去用コンデンサと対向する側に配置された第4ノイズ除去用コンデンサと、を備え、
    前記第3ノイズ除去用コンデンサと前記第4ノイズ除去用コンデンサとは、前記第3ノイズ除去用コンデンサと前記第4ノイズ除去用コンデンサとの間で第2グラウンドに接続され、
    前記第3ノイズ除去用コンデンサと前記第4ノイズ除去用コンデンサとが配列された第6配列は、第4配列と平行に配置されている、電力変換装置。
  5. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    さらに、前記正極側電源端子および前記負極側電源端子を囲んで配置されたコモンモードコイルを備え、
    前記コモンモードコイルは、前記第1配列に接続された前記正極側接続配線の延長上および前記第2配列に接続された前記負極側接続配線の延長上を囲んで配置されている、電力変換装置。
  6. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    さらに、前記第1ノーマルモードコイルと前記第2ノーマルモードコイルとの間に配置されたシールド部材を備える、電力変換装置。
  7. 請求項6に記載された電力変換装置において、
    前記シールド部材は、前記第1ノイズ除去用コンデンサと前記第2ノイズ除去用コンデンサとの間に配置され、
    前記第1グラウンドは、前記シールド部材を含む、電力変換装置。
  8. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記平滑用コンデンサは、前記第1配列に接続された前記正極側接続配線の延長線および前記第2配列に接続された前記負極側接続配線の延長線の双方に重なって配置されている、電力変換装置。
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