JP6669253B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
[第1実施形態の説明]
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示す回路図である。図1に示すように、本実施形態に係る電力変換装置101は、全体が鉄やアルミニウム等の金属製の筐体1で覆われている。また、電力変換装置101の入力側は、直流を出力する電源91に第1給電母線93、及び第2給電母線94を介して接続され、出力側は出力線95、96を介して負荷92に接続されている。従って、電源91より供給される電圧を所望の電圧に変換して負荷92に供給することができる。電源91は、例えば一般家庭に設けられる商用電源やバッテリであり、負荷92は、例えば電気自動車やハイブリッド車両に搭載されるバッテリである。
次に、第1実施形態の変形例について説明する。変形例に係る電力変換装置では、プレーナ型のインダクタンス素子L1aを使用している点、及び第2給電母線94が平板形状の電線或いは基板パターンに構成されている点が相違する。図4は、インダクタンス素子L1a、及び第2給電母線94の断面図であり、図4に示すように、インダクタンス素子L1a、及び第2給電母線94は、共に平板形状を成している。また、インダクタンス素子L1aと筐体1との間には、第1インピーダンス素子11が設けられている。なお、プレーナ型のインダクタンス素子L1aを基板パターンで構成してもよい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図5は、第2実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図5に示すように、インダクタンス素子L1は、例えば、鉄、アルミニウム等の金属製のフレーム4の内部に収容されている。フレーム4は、筐体1に固定され該筐体1と導通している。インダクタンス素子L1とフレーム4の間には、第1インピーダンス素子11が設けられている。即ち、前述した第1実施形態と対比して、インダクタンス素子L1をフレーム4内に収容した点で相違している。フレーム4は筐体1内に設けられ、且つ、インダクタンス素子L1とフレーム4の間には、第1インピーダンス素子11が設けられるので、第1インピーダンス素子11は、インダクタンス素子L1と筐体1との間に設けられている。
次に、第2実施形態の変形例について説明する。図6は、第2実施形態の変形例に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図7は、第3実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図7に示すように、第3実施形態に係る電力変換装置は、インダクタンス素子L1がフレーム4内に収容され、更に、インダクタンス素子L1を覆うように、第1インピーダンス素子11が設けられている。第1インピーダンス素子11は、例えば誘電体である。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図8は、第4実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図8に示すように、第4実施形態に係る電力変換装置は、インダクタンス素子L1と筐体1との間に第1インピーダンス素子11が設けられている。更に、第2給電母線94と筐体1との間に、第2インピーダンス素子12が設けられている。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。図9は、第5実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図9に示すように、第5実施形態では、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11を設けている。更に、第2給電母線94と筐体1との間に、第2容量素子C12を設けている。即ち、第5実施形態では、図8に示した第1インピーダンス素子11を第1容量素子C11とし、第2インピーダンス素子12を第2容量素子C12としている。また、図9に示すC01はインダクタンス素子L1と筐体1との間の第1浮遊容量であり、C02は第2給電母線94と筐体1との間の第2浮遊容量である。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。図11は、第6実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図11に示すように、第6実施形態では、図9に示した第5実施形態と同様に、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11を設けている。また、第2給電母線94と筐体1との間に、第2容量素子C12を設けている。更に、インダクタンス素子L1と筐体1との間の第1浮遊容量C01、第2給電母線94と筐体1との間の第2浮遊容量C02が存在している。第2給電母線94が平板形状の電線で構成されている点で、第5実施形態と相違している。
(静電容量)=ε0・εr・(S/d) …(1)
但し、ε0は真空の誘電率、εrは比誘電率、Sは対向面積、dは距離である。
次に、本発明の第7実施形態について説明する。図12は、第7実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図12に示すように、第7実施形態では、図9にて示した第5実施形態と同様に、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11を設けている。また、第2給電母線94と筐体1との間に、第2容量素子C12を設けている。更に、インダクタンス素子L1と筐体1との間の第1浮遊容量C01、第2給電母線94と筐体1との間の第2浮遊容量C02が存在している。第2給電母線94の近傍の筐体1が板厚部7とされている点で、第5実施形態と相違している。
次に、本発明の第7実施形態の変形例について説明する。図13は、第7実施形態の変形例に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図13に示すように、変形例では、筐体1の内面の第2給電母線94に接近した部位に、金属製の板材6を設けている。従って、前述した第7実施形態と同様に、第2給電母線94と板材6との距離を変化させることにより、第2浮遊容量C02を調整でき、インダクタンス素子L1と筐体1との合計の静電容量と、第2給電母線94と筐体1との合計の静電容量を簡単な操作で近づけることが可能となる。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。図14は、第8実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図14に示すように、第8実施形態では、図9にて示した第5実施形態と同様に、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11を設けている。また、第2給電母線94と筐体1との間に、第2容量素子C12を設けている。
次に、本発明の第9実施形態について説明する。図15は、第9実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図15に示すように、第9実施形態では、図9にて示した第5実施形態と同様に、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11を設けている。また、第2給電母線94と筐体1との間に、第2容量素子C12を設けている。
次に、本発明の第10実施形態について説明する。図16は、第10実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図16に示すように、第10実施形態では、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11、及び第1抵抗素子R11の直列接続回路を設けている。また、第2給電母線94と筐体1との間に、第2容量素子C12を設けている。
Z0(f0)≦R11≦Z2(f0) …(3)
但し、Z0は、インダクタンス素子L1と第1容量素子C11と第1浮遊容量C01によるインピーダンス、Z2は、第2給電母線94と第2容量素子C12と第2浮遊容量C02によるインピーダンスである。なお、以下では、素子を示す符号とその素子の数値を示す符号を同一の符号で示す。例えば、抵抗素子R11の抵抗値を同一の符号R11で示す。
次に、第10実施形態の第1変形例について説明する。図19は、第10実施形態の第1変形例に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。
次に、第10実施形態の第2変形例について説明する。図20は、第10実施形態の第2変形例に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。
次に、本発明の第11実施形態について説明する。図21は、第11実施形態に係る電力変換装置の、インダクタンス素子L1、及び第2給電母線94の断面を示す説明図である。図21に示すように、第11実施形態では、インダクタンス素子L1と筐体1との間に、第1容量素子C11と第1抵抗素子R11の直列接続回路を設けている。また、第2給電母線94と筐体1との間に、第2抵抗素子R12と第2容量素子C12の直列接続回路を設けている。
Z11(f1)≦R11≦Z21(f1) …(4)
Z21(f2)≦R12≦Z11(f2) …(5)
具体的には、抵抗値R11の範囲を図22に示す符号q1の範囲とし、抵抗値R12の範囲を符号q2の範囲とする。
次に、第11実施形態の第1変形例について説明する。第1変形例では、上述した各抵抗素子R11、R12の各抵抗値を、以下の(6)式に示す数値に設定する。
R11、R12≒{Z21(f1)+Z11(f2)}/2 …(6)
次に、第11実施形態の第2変形例について説明する。第2変形例では、第1抵抗素子R11、及び第2抵抗素子R12の各抵抗値を、以下の(7a)、(7b)式の範囲となるように設定する。
Z21(f1)≦R11≦Z11(f2) …(7a)
Z21(f1)≦R12≦Z11(f2) …(7b)
次に、第11実施形態の第3変形例について説明する。第3変形例では、第1抵抗素子R11、及び第2抵抗素子R12の各抵抗値(これを「Rr」とする)が、以下に示す(8)式に示す数値となるように設定する。
但し、f12は図25に示すように、曲線Z11(f)と曲線Z21(f)との交点の周波数である。即ち、周波数f12は、第1共振周波数f1と第2共振周波数f2の間の中間周波数である。
上述した各実施形態では、図1に示したように、スイッチング素子Q1とダイオードD1からなるパワーモジュール3を用いて電力を変換する例について説明した。本発明はこれに限定されず、例えば、図28に示すように、平滑コンデンサC100の前段に、ダイオードブリッジ回路からなる整流回路31を設けても良い。電源91より供給される電力が交流である場合に、この交流を整流してパワーモジュール3に供給することが可能となる。
2、34 制御回路
3、3a パワーモジュール
4 フレーム
5 ワイヤ
6 板材
7 板厚部
8 第2誘電体
9 第1誘電体
11 第1インピーダンス素子
12 第2インピーダンス素子
31、33 整流回路
35 トランス
91 電源
92 負荷
93 第1給電母線
94 第2給電母線
95、96 出力線
101 電力変換装置
L1 インダクタンス素子
L1a プレーナ型のインダクタンス素子
C01 第1浮遊容量
C02 第2浮遊容量
C11 第1容量素子
C12 第2容量素子
C100、C200 平滑コンデンサ
D1 ダイオード
f0 第1共振周波数
f1 第1共振周波数
f12 中間周波数
f2 第2共振周波数
L1 インダクタンス素子
L1a プレーナ型のインダクタンス素子
Q1 スイッチング素子
R11 第1抵抗素子
R12 第2抵抗素子
Claims (15)
- 第1給電母線及び第2給電母線より供給される電力を変換する電力変換装置であって、
前記第1給電母線に接続されるインダクタンス素子と、
前記第1給電母線と第2給電母線との間に供給される電力をスイッチングにより変換するスイッチング素子と、
を有し、
前記インダクタンス素子、及び前記スイッチング素子を収容する筐体と、
前記インダクタンス素子と、前記筐体との間に設けられた第1インピーダンス素子と、
前記第2給電母線と前記筐体との間に設けられた第2インピーダンス素子と、
を有することを特徴とする電力変換装置。 - 第1給電母線及び第2給電母線より供給される電力を変換する電力変換装置であって、
前記第1給電母線に接続されるインダクタンス素子と、
前記第1給電母線と第2給電母線との間に供給される電力をスイッチングにより変換するスイッチング素子と、
前記インダクタンス素子、及び前記スイッチング素子を収容する筐体と、
前記インダクタンス素子と、前記筐体との間に設けられた第1インピーダンス素子と、
を有し、
前記第1インピーダンス素子は、
前記インダクタンス素子と前記筐体との間の第1浮遊容量を含む、前記インダクタンス素子と前記筐体との間の静電容量と、前記第2給電母線と前記筐体との間の第2浮遊容量と、が一致するように前記インダクタンス素子と前記筐体との間に設けた第1容量素子であること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第1インピーダンス素子は第1容量素子であり、前記第2インピーダンス素子は第2容量素子であり、
前記インダクタンス素子と前記筐体との間の第1浮遊容量と、前記第1容量素子の静電容量と、の合計と、
前記第2給電母線と前記筐体との間の第2浮遊容量と、前記第2容量素子の静電容量と、の合計と、
が一致するように、前記第1容量素子及び第2容量素子の静電容量を設定すること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記第1インピーダンス素子は、前記インダクタンス素子と前記筐体との間に設けた第1容量素子であり、
前記インダクタンス素子と前記筐体との間の静電容量と、前記第2給電母線と前記筐体との間の第2浮遊容量と、が一致するように、前記第2給電母線が前記筐体と対向する面積を設定すること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記第1インピーダンス素子は、前記インダクタンス素子と前記筐体との間に設けた第1容量素子であり、
前記インダクタンス素子と前記筐体との間の静電容量と、前記第2給電母線と前記筐体との間の第2浮遊容量と、が一致するように、前記第2給電母線と前記筐体との間の距離を設定すること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第2インピーダンス素子は、前記第2給電母線と前記筐体の間に設けた第2誘電体であり、
前記インダクタンス素子と前記筐体との間の静電容量が、前記第2給電母線と前記筐体との間の静電容量と一致するように、前記第2誘電体の誘電率を設定すること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第1インピーダンス素子は、第1誘電体であり、前記第2インピーダンス素子は、第2誘電体であり、
前記インダクタンス素子と前記筐体との間の静電容量が、前記第2給電母線と前記筐体との間の静電容量と一致するように、前記第1誘電体及び第2誘電体の誘電率を設定すること
を特徴とする電力変換装置。 - 第1給電母線及び第2給電母線より供給される電力を変換する電力変換装置であって、
前記第1給電母線に接続されるインダクタンス素子と、
前記第1給電母線と第2給電母線との間に供給される電力をスイッチングにより変換するスイッチング素子と、
前記インダクタンス素子、及び前記スイッチング素子を収容する筐体と、
前記インダクタンス素子と、前記筐体との間に設けられた第1インピーダンス素子と、
を有し、
前記第1インピーダンス素子は、第1容量素子及び第1抵抗素子で構成されること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項8に記載の電力変換装置において、
前記インダクタンス素子と前記第1インピーダンス素子による共振周波数を、第1共振周波数としたとき、
前記第1抵抗素子の抵抗値は、
前記第1共振周波数での前記第2給電母線と前記筐体との間のインピーダンス以下で、且つ、前記第1抵抗素子を含まない場合の前記インダクタンス素子と前記筐体との間のインピーダンスよりも大きいこと
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項8に記載の電力変換装置において、
前記インダクタンス素子と前記第1インピーダンス素子による共振周波数を、第1共振周波数としたとき、
前記第1抵抗素子の抵抗値は、
前記第1共振周波数での前記第2給電母線と前記筐体との間のインピーダンスと一致すること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第2インピーダンス素子は、第2容量素子、及び第2抵抗素子で構成されること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項11に記載の電力変換装置において、
前記第2給電母線と、前記第2容量素子の静電容量とによる共振周波数を第2共振周波数としたとき、
前記第2抵抗素子の抵抗値は、
前記第2共振周波数での、前記第2抵抗素子を含まない場合の、前記第2給電母線と前記筐体との間のインピーダンスよりも大きく、前記インダクタンス素子と前記筐体との間のインピーダンスよりも小さいこと
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、第1インピーダンス素子は第1容量素子と第1抵抗素子で構成され、前記第2インピーダンス素子は第2容量素子と第2抵抗素子で構成され、
前記インダクタンス素子と前記第1インピーダンス素子による共振周波数を、第1共振周波数とし、前記第2給電母線と前記第2インピーダンス素子とによる共振周波数を第2共振周波数としたとき、
前記第1抵抗素子、及び、前記第2抵抗素子の各抵抗値は、
前記第1共振周波数における前記第2給電母線と前記筐体との間のインピーダンスと、前記第2共振周波数における前記インダクタンス素子と前記筐体との間のインピーダンスと、の平均値であること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、前記第1インピーダンス素子は、第1容量素子と第1抵抗素子を有し、前記第2インピーダンス素子は、第2容量素子と第2抵抗素子を有し、
前記インダクタンス素子と前記第1インピーダンス素子による共振周波数を、第1共振周波数とし、前記第2給電母線と前記第2インピーダンス素子とによる共振周波数を第2共振周波数としたとき、
前記第1抵抗素子及び前記第2抵抗素子の抵抗値は、
前記第1抵抗素子を有しないときの、前記第2共振周波数における前記インダクタンス素子と前記筐体との間のインピーダンスと、前記第2抵抗素子を有しないときの、前記第1共振周波数における前記第2給電母線と前記筐体との間のインピーダンスと、の間の抵抗値であること
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、前記第1インピーダンス素子は、第1容量素子と第1抵抗素子を有し、前記第2インピーダンス素子は、第2容量素子と第2抵抗素子を有し、
前記インダクタンス素子と前記第1インピーダンス素子による共振周波数を、第1共振周波数とし、前記第2給電母線と前記第2インピーダンス素子とによる共振周波数を第2共振周波数とし、更に、前記第1共振周波数と第2共振周波数の間となる中間周波数を設定し、
前記第1抵抗素子及び前記第2抵抗素子の抵抗値は、前記中間周波数での、
前記第1インピーダンス素子を設けないときの前記インダクタンス素子と筐体との間のインピーダンスと、前記第2インピーダンス素子を設けないときの前記第2給電母線と筐体との間のインピーダンスと、の間の抵抗値であること
を特徴とする電力変換装置。
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