JP7009292B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路により負荷に任意の周波数の交流を供給する際に、漏れ電流を打ち消す補償電流を流す機能を有する電力変換装置に関するものである。

近年の地球環境問題の顕在化から、ハイブリッド自動車や電気自動車が開発されて来ているが、これら自動車の車室内を空調するための空気調和装置では、エンジン駆動の圧縮機に代わり、車載バッテリ（直流電源）から給電される電動圧縮機が使用される。そして、通常はＩＧＢＴ等の複数のスイッチング素子から構成されたインバータ回路を用い、バッテリの直流電圧をＰＷＭ変調により任意の周波数の交流電圧に変換して、電動圧縮機を駆動する電動機の巻線に供給する。

また、このようなインバータ回路を用いた電動機の駆動系では、各スイッチング素子の高速スイッチングによる電動機の巻線へのパルス的な電圧印加に伴い、電動機の巻線と電動圧縮機の筐体との寄生容量を介し、グランド（車体）経路で高周波の漏れ電流（コモンモード電流）が還流し、コモンモードのノイズが発生する。

このコモンモード電流（電動機の巻線から電動圧縮機の筐体に流れる漏れ電流のうち、実際にグランドに流れる分）を低減する装置として、アクティブＥＭＩフィルタが開発されている。このアクティブＥＭＩフィルタは、コモンモードコイルに流れるディファレンシャルモード電流の不平衡分、即ち、コモンモード電流をコモンモードコイルに付加した検出コイルで検出する。

そして、この検出コイルの出力電流を、直流電源間に接続したコンプリメンタリトランジスタのベースに流して増幅する。このコンプリメンタリトランジスタは、ＮＰＮ型のトランジスタとＰＮＰ型のトランジスタのベースとエミッタが共通接続されたものであり、電動機の巻線からの漏れ電流を打ち消すように、各トランジスタで増幅された補償電流を、電動機の巻線からの漏れ電流とは逆相でグランドに対して供給する。

そして、打ち消された漏れ電流、即ち、コモンモード電流と、検出コイルで検出されるコモンモード電流による補償結果とがバランスするように、フィードバック動作するものであった（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許第３０４４６５０号公報 特開２０００－９２８６１号公報

しかしながら、電気自動車の如く電圧がＤＣ４００Ｖや６００Ｖとなるバッテリが用いられる場合、特許文献１のようなコンプリメンタリトランジスタを構成するＮＰＮ型及びＰＮＰ型のトランジスタが相互にＯＦＦする際に、各トランジスタのエミッタ－コレクタ間には直流電源の高電圧が印加されるため、各トランジスタとしては特別に高耐圧のものを使用しなければならず、素子の選定や部品の入手が困難となる。

また、これを解消するために特許文献２のようにコンプリメンタリトランジスタ用の低電圧の電源を別途設けることも考えられるが、回路構成が複雑化するため、基板面積上の問題と、コストが高騰する問題が発生する。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、ＤＣ４００ＶやＤＣ６００Ｖなどの高電圧を電源入力とするコンプリメンタリトランジスタとして、特別に高耐圧のトランジスタを用いること無く、入手可能で比較的簡単な構成で負荷からの漏れ電流を打ち消す補償電流を円滑に供給することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、直流電源から供給される直流電圧をインバータ回路のスイッチングにより任意の周波数の交流電圧に変換して負荷に供給するものであって、負荷からグランドに流れる漏れ電流を検出するためのコモンモードコイルと、漏れ電流を打ち消すように、当該漏れ電流とは逆相の補償電流を流すための補償電流供給回路を有するアクティブＥＭＩフィルタ回路を備え、補償電流供給回路は、共通接続されたベースと共通接続されたエミッタを有するコンプリメンタリトランジスタと、直流電源を分圧してコンプリメンタリトランジスタを構成する各トランジスタのエミッタ－コレクタ間にそれぞれ印加するための抵抗分圧回路と、直流電源と各トランジスタのコレクタ間にそれぞれ接続されたカップリングコンデンサを有することを特徴とする。

請求項２の発明の電力変換装置は、上記発明においてコンプリメンタリトランジスタは、ＮＰＮ型の正側トランジスタとＰＮＰ型の負側トランジスタから成り、正側トランジスタのコレクタがカップリングコンデンサを介して直流電源の正側電源ラインに接続され、負側トランジスタのコレクタがカップリングコンデンサを介して直流電源の負側電源ラインに接続されており、正側電源ライン及び負側電源ラインと各トランジスタのエミッタ間に抵抗分圧回路がそれぞれ接続され、各抵抗分圧回路を構成する複数の抵抗の接続点が各トランジスタのコレクタとカップリングコンデンサとの接続点にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

請求項３の発明の電力変換装置は、上記各発明において直流電源は車両に搭載されたバッテリであり、負荷は車両の車室内を空調するための空気調和装置の電動圧縮機を駆動する電動機であることを特徴とする。

本発明によれば、直流電源から供給される直流電圧をインバータ回路のスイッチングにより任意の周波数の交流電圧に変換して負荷に供給する電力変換装置において、負荷からグランドに流れる漏れ電流（コモンモード電流）を検出するためのコモンモードコイルと、漏れ電流を打ち消すように、当該漏れ電流とは逆相の補償電流を流すための補償電流供給回路を有するアクティブＥＭＩフィルタ回路を設け、補償電流供給回路を、共通接続されたベースと共通接続されたエミッタを有するコンプリメンタリトランジスタから構成したので、コンプリメンタリトランジスタの働きによって、負荷からグランドに流れる漏れ電流を打ち消す補償電流をグランドに対し流し、漏れ電流のうち、実際にグランドに流れるコモンモード電流を低減して、このコモンモード電流により発生するノイズを低減することができるようになる。

特に、本発明では補償電流供給回路に、直流電源を分圧してコンプリメンタリトランジスタを構成する各トランジスタのエミッタ－コレクタ間にそれぞれ印加するための抵抗分圧回路を設けたので、コンプリメンタリトランジスタを構成するトランジスタのエミッタ－コレクタ間には直流電源の電圧が抵抗分圧回路で分圧されて印加されることになり、コンプリメンタリトランジスタを構成するトランジスタとして特別に高耐圧のものを用意する必要が無くなる。

また、特許文献２にあるような補償電流供給用に格別な低電圧電源を設ける必要も無くなるので、構造も簡素化され、回路面積の縮小とコストの削減を図ることが可能となる。更に、直流電源と各トランジスタのコレクタ間にはカップリングコンデンサをそれぞれ接続しているので、グランドへの補償電流の経路も支障無く確保されるものである。

具体的には、請求項２の発明の如くコンプリメンタリトランジスタを、ＮＰＮ型の正側トランジスタとＰＮＰ型の負側トランジスタから構成し、正側トランジスタのコレクタをカップリングコンデンサを介して直流電源の正側電源ラインに接続し、負側トランジスタのコレクタをカップリングコンデンサを介して直流電源の負側電源ラインに接続すると共に、正側電源ライン及び負側電源ラインと各トランジスタのエミッタ間に抵抗分圧回路をそれぞれ接続し、各抵抗分圧回路を構成する複数の抵抗の接続点を各トランジスタのコレクタとカップリングコンデンサとの接続点にそれぞれ接続する。

特に、請求項３の発明の如く車両に搭載されたバッテリを直流電源とし、電動圧縮機を駆動する電動機を負荷として車両の車室内を空調する空気調和装置では、電動圧縮機筐体内における電力変換装置の設置スペースも制限されるため、上記本発明は極めて好適なものとなる。

本発明を適用した実施例の電力変換装置の電気回路図である。 図１のアクティブＥＭＩフィルタ回路の電気回路図である。 図２の補償電流供給回路の電気回路図である。 図１の電力変換装置の電動機から電動圧縮機の筐体に流れる漏れ電流と、補償電流、及び、実際にグランドに流れるコモンモード電流の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の電力変換装置１の電気回路図を示している。実施例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されて車室内を空調する車両用空気調和装置の冷媒回路を構成する電動圧縮機の電動機２を負荷とし、直流電源として車両に搭載されたバッテリ３からの直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して電動機２に供給し、運転するものである。

尚、適用する車両としては上記に限らず、エンジンで走行する通常の自動車にも本発明の電力変換装置１は適用可能である。

図１において、実施例の電力変換装置１は、バッテリ３の正側電源ライン６（＋）と負側電源ライン７（－）に接続されたアクティブＥＭＩフィルタ回路８と、このアクティブＥＭＩフィルタ回路８に接続された平滑コンデンサ９と、この平滑コンデンサ９に接続された三相のインバータ回路１１とから構成されており、このインバータ回路１１に電動機２の三相のステータ巻線２Ｕ、２Ｖ、２Ｗが接続されている。

尚、図中Ｃ１は、これら巻線２Ｕ～２Ｗと電動圧縮機の筐体間に存在する寄生容量である。また、車両では電動圧縮機の筐体が車体に接続されて車体がグランドとなる。

上記インバータ回路１１は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ等の６個のスイッチング素子１２から成り、図示しないゲート駆動回路により各スイッチング素子１２のＰＷＭ変調制御により、パルス幅制御された矩形波の電圧を電動機２の各相の巻線２Ｕ～２Ｗに供給するものである。

前述した如く電動機２の各巻線２Ｕ～２Ｗと電動圧縮機の筐体の間には寄生容量Ｃ１が存在する。そのため、インバータ回路１１の各スイッチング素子１２のＯＮ／ＯＦＦに伴い、バルス状の電圧が電動機２の各巻線２Ｕ～２Ｗに印加されると、各巻線２Ｕ～２Ｗとグランド（車体）間にもパルス的な電圧が印加される。このときの電圧変化率により、巻線２Ｕ～２Ｗと電動圧縮機の筐体との間で寄生容量Ｃ１を通じて漏れ電流Ｉ１が流れる。この漏れ電流Ｉ１はノイズ電流であるコモンモード電流Ｉ３となってグランド（車体）を通り、直流電源側に還流する。

このコモンモード電流Ｉ３を低減する目的で、アクティブＥＭＩフィルタ回路８が設けられている。本発明におけるアクティブＥＭＩフィルタ回路８の具体的な電気回路を図２に示す。実施例のアクティブＥＭＩフィルタ回路８は、コモンモードコイル１６（コモンモード電流検出器）と、本発明を適用した補償電流供給回路１７と、カップリングコンデンサＣｏを有している。

コモンモードコイル１６は、二つの一次巻線Ｌ１、Ｌ２と、二次巻線Ｌ３（検出コイル）から成るコモンモードトランスであって、正側電源ライン６と負側電源ライン７の電流の差、即ち、ディファレンシャルモード電流の不平衡分から成るコモンモード電流Ｉ３を検出する。そのため、二つの一次巻線Ｌ１、Ｌ２は正側電源ライン６と負側電源ライン７に直列に接続されている。そして、二次巻線Ｌ３（検出コイル）に出力電流Ｉ４が流れる構成とされている。

一方、補償電流供給回路１７の具体的な電気回路を図３に示す。尚、図３中のＡ～Ｅで示す接続点は、図２中のＡ～Ｅの接続点に対応している。実施例の場合、補償電流供給回路１７は、コンプリメンタリトランジスタ１８を構成する正側トランジスタＴｒ１及び負側トランジスタＴｒ２と、第１及び第２のダイオードＤ１、Ｄ２と、抵抗Ｒ１とＲ２から成る第１の抵抗分圧回路２１と、抵抗Ｒ３とＲ４から成る第２の抵抗分圧回路２２と、二つのカップリングコンデンサＣｓとから構成されている。

この場合、正側トランジスタＴｒ１はＮＰＮ型のトランジスタであり、負側トランジスタＴｒ２はＰＮＰ型のトランジスタである。従って、正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２は互いに逆の極性を有する。そして、正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２のエミッタは共通接続され、接続点Ｅ及びカップリングコンデンサＣｏを介し、電動圧縮機の筐体に接続されている。

また、第１の抵抗分圧回路２１は、正側トランジスタＴｒ１のエミッタとバッテリ３（直流電源）の正側電源ライン６との間に接続点Ｃを介して接続されている。更に、カップリングコンデンサＣｓは正側トランジスタＴｒ１のコレクタと正側電源ライン６との間に接続点Ｃを介して接続されている。そして、第１の抵抗分圧回路２１の抵抗Ｒ１とＲ２の接続点が正側トランジスタＴｒ１のコレクタとカップリングコンデンサＣｓとの接続点に接続されている。

これにより、正側トランジスタＴｒ１のエミッタ－コレクタ間には、バッテリ３（直流電源）の正側電源ライン６の電圧を抵抗Ｒ１とＲ２で分圧した値（電圧）が印加されることになる。尚、第１のダイオードＤ１は正側トランジスタＴｒ１を保護するために、正側トランジスタＴｒ１のエミッタとカップリングコンデンサＣｓの接続点Ｃ側との間に、正側トランジスタＴｒ１とは逆並列の関係で接続されている。

また、第２の抵抗分圧回路２２は、負側トランジスタＴｒ２のエミッタとバッテリ３（直流電源）の負側電源ライン７との間に接続点Ｄを介して接続されている。更に、もう一つのカップリングコンデンサＣｓは負側トランジスタＴｒ２のコレクタと負側電源ライン７との間に接続点Ｄを介して接続されている。そして、第２の抵抗分圧回路２２の抵抗Ｒ３とＲ４の接続点が負側トランジスタＴｒ２のコレクタとカップリングコンデンサＣｓとの接続点に接続されている。

これにより、負側トランジスタＴｒ２のエミッタ－コレクタ間にも、バッテリ３（直流電源）の負側電源ライン７の電圧を抵抗Ｒ３とＲ４で分圧した値（電圧）が印加されることになる。尚、第２のダイオードＤ２は負側トランジスタＴｒ２を保護するために、負側トランジスタＴｒ２のエミッタとカップリングコンデンサＣｓの接続点Ｄ側との間に、負側トランジスタＴｒ２とは逆並列の関係で接続されている。

コンプリメンタリトランジスタ１８を構成する上記正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２のベースは共通接続されており、この共通接続されたベースには、接続点Ｂを介してコモンモードコイル１６の二次巻線Ｌ３（検出コイル）の一方の出力ラインが接続され、ここに出力電流Ｉ４が流れる構成とされると共に、正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２の共通接続されたエミッタは、接続点Ａを介して二次巻線Ｌ３の他方の出力ラインに接続されている。従って、正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２は、二次巻線Ｌ３の出力極性に応じて、互いに逆に動作することになる。

次に、実施例の電力変換装置１の動作を説明する。バッテリ３の出力（直流）は平滑コンデンサ９で平滑されてインバータ回路１１の入力電圧となる。インバータ回路１１の６個のスイッチング素子１２は周知のＰＷＭパルスでＯＮ／ＯＦＦ制御される。電動機２はこのインバータ回路１１の出力電圧で駆動される。

前述したように負荷としての電動機２の巻線２Ｕ～２Ｗと電動圧縮機の筐体との間には寄生容量Ｃ１が存在する。従って、インバータ回路１１からパルス的に電圧が印加される毎に寄生容量Ｃ１を通って漏れ電流Ｉ１が電動圧縮機の筐体へ流れ、これがコモンモード電流Ｉ３となってグランド（車体）に流れる。

アクティブＥＭＩフィルタ回路８のコモンモードコイル１６は正側電源ライン６及び負側電源ライン７においてコモンモード電流Ｉ３を検出し、二次巻線Ｌ３に、一次巻線Ｌ１、Ｌ２と二次巻線Ｌ３との巻線比に応じて出力電流Ｉ４を出力し、補償電流供給回路１７のコンプリメンタリトランジスタ１８を構成する正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２を駆動する。

コモンモードコイル１６の出力電流Ｉ４が正側トランジスタＴｒ１及び負側トランジスタＴｒ２のベースに流入すると、これが各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２で増幅される。正側トランジスタＴｒ１がＯＮのときには、カップリングコンデンサＣｓと正側トランジスタＴｒ１とカップリングコンデンサＣｏと電動機２の寄生容量Ｃ１とから成る経路で補償電流Ｉ２がグランド（車体）に向かって流れ、電動機２の漏れ電流Ｉ１を打ち消すことにより、グランド（車体）に流れるコモンモード電流Ｉ３は極めて小さくなる。

負側トランジスタＴｒ２がＯＮのときは、カップリングコンデンサＣｏと負側トランジスタＴｒ２とカップリングコンデンサＣｓとから成る経路で補償電流Ｉ２がグランド（車体）から電動圧縮機の筐体に向かって流れる。この補償電流Ｉ２によるコモンモード電流Ｉ３の低減効果は正側トランジスタＴｒ１がＯＮのときと同様に生じる。

この様子が図４に示されている。漏れ電流Ｉ１とそれとは逆相の補償電流Ｉ２の和がコモンモード電流Ｉ３となる（Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ３）。この補償電流供給回路１７は、漏れ電流Ｉ１が補償電流Ｉ２と相殺されたコモンモード電流Ｉ３の結果がフィードバックされて、アクティブ的に漏れ電流Ｉ１を補償する動作を行う。

以上詳述した如く、本発明では電動機２から電動圧縮機の筐体に流れる漏れ電流Ｉ１のうちのコモンモード電流Ｉ３を検出するためのコモンモードコイル１６と、漏れ電流Ｉ１を打ち消すように、当該漏れ電流Ｉ１とは逆相の補償電流Ｉ２をグランドへ流すための補償電流供給回路１７を有するアクティブＥＭＩフィルタ回路８を設け、補償電流供給回路８を、共通接続されたベースと共通接続されたエミッタを有するコンプリメンタリトランジスタ１８（Ｔｒ１、Ｔｒ２）から構成したので、コンプリメンタリトランジスタ１８の働きによって、電動機２から電動圧縮機の筐体に流れる漏れ電流Ｉ１を打ち消す補償電流Ｉ２を流し、漏れ電流Ｉ１のうち、実際にグランド（車体）に流れる漏れ電流であるコモンモード電流Ｉ３を減少させ、このコモンモード電流Ｉ３により発生するノイズを低減することができるようになる。

特に、本発明では補償電流供給回路１７に、バッテリ３（直流電源）を分圧してコンプリメンタリトランジスタ１８を構成する正側トランジスタＴｒ１及び負側トランジスタＴｒ２のエミッタ－コレクタ間にそれぞれ印加するための第１及び第２の抵抗分圧回路２１、２２を設けたので、コンプリメンタリトランジスタ１８を構成する正側トランジスタＴｒ１及び負側トランジスタＴｒ２のエミッタ－コレクタ間にはバッテリ３の電圧が抵抗分圧回路２１、２２で分圧されて印加されることになる。

これにより、コンプリメンタリトランジスタ１８を構成する正側トランジスタＴｒ１と負側トランジスタＴｒ２として特別に高耐圧のものを用意する必要が無くなる。また、従来技術の如く補償電流供給用に格別な低電圧電源を設ける必要も無くなるので、構造も簡素化され、回路面積の縮小とコストの削減を図ることが可能となる。更に、バッテリ３（直流電源）と正側トランジスタＴｒ１及び負側トランジスタＴｒ２のコレクタ間にはカップリングコンデンサＣｓをそれぞれ接続しているので、グランド（車体）への補償電流の経路も支障無く確保されることになる。

特に、車両の車室内を空調する空気調和装置において、実施例の如く車両に搭載されたバッテリ３を直流電源とし、電動圧縮機を駆動する電動機２を負荷とする電動圧縮機の筐体内での電力変換装置１の設置スペースも制限されるため、本発明は極めて好適なものとなる。

尚、実施例では車両用空気調和装置の冷媒回路を構成する電動圧縮機の電動機２を負荷とし、直流電源として車両に搭載されたバッテリからの直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して電動機に供給する電力変換装置に本発明を適用したが、請求項１及び請求項２の発明ではそれに限らず、商用交流電源を整流して直流電源とし、インバータ回路で電動機等の負荷を駆動する家庭用／業務用の機器にも本発明は有効である。

１ 電力変換装置
２ 電動機（負荷）
３ バッテリ（直流電源）
６ 正側電源ライン
７ 負側電源ライン
８ アクティブＥＭＩフィルタ回路
１１ インバータ回路
１２ スイッチング素子
１６ コモンモードコイル
１７ 補償電流供給回路
１８ コンプリメンタリトランジスタ
２１、２２ 抵抗分圧回路
Ｃｓ カップリングコンデンサ
Ｔｒ１ 正側トランジスタ
Ｔｒ２ 負側トランジスタ

Claims (3)

1. 直流電源から供給される直流電圧をインバータ回路のスイッチングにより任意の周波数の交流電圧に変換して負荷に供給する電力変換装置において、
   前記負荷からグランドに流れる漏れ電流を検出するためのコモンモードコイルと、前記漏れ電流を打ち消すように、当該漏れ電流とは逆相の補償電流を流すための補償電流供給回路を有するアクティブＥＭＩフィルタ回路を備え、
   前記補償電流供給回路は、共通接続されたベースと共通接続されたエミッタを有するコンプリメンタリトランジスタと、
   前記直流電源を分圧して前記コンプリメンタリトランジスタを構成する各トランジスタのエミッタ－コレクタ間にそれぞれ印加するための抵抗分圧回路と、
   前記直流電源と前記各トランジスタのコレクタ間にそれぞれ接続されたカップリングコンデンサを有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記コンプリメンタリトランジスタは、ＮＰＮ型の正側トランジスタとＰＮＰ型の負側トランジスタから成り、
   前記正側トランジスタのコレクタが前記カップリングコンデンサを介して前記直流電源の正側電源ラインに接続され、前記負側トランジスタのコレクタが前記カップリングコンデンサを介して前記直流電源の負側電源ラインに接続されており、
   前記正側電源ライン及び前記負側電源ラインと前記各トランジスタのエミッタ間に前記抵抗分圧回路がそれぞれ接続され、各抵抗分圧回路を構成する複数の抵抗の接続点が前記各トランジスタのコレクタと前記カップリングコンデンサとの接続点にそれぞれ接続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。
3. 前記直流電源は車両に搭載されたバッテリであり、前記負荷は前記車両の車室内を空調するための空気調和装置の電動圧縮機を駆動する電動機であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。

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