JP7009325B2 - スイッチング電源装置及びそれを備えた車載用電動コンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、スイッチングトランスにより高電圧電源側と低電圧電源側とを絶縁して成るスイッチング電源装置、及び、それを備えた車載用電動コンプレッサ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、エンジン駆動のコンプレッサに代わってモータを備えた電動コンプレッサが使用される。その場合、車両には例えばＤＣ３００Ｖ程の高電圧バッテリから成る高電圧電源と、ＤＣ１２Ｖ程の通常のバッテリから成る低電圧電源が搭載され、電動コンプレッサのモータには高電圧電源の直流電圧をインバータ回路で交流とした電圧が供給される。

一方、インバータ回路を制御する制御回路には、低電圧電源の直流電圧をスイッチング電源装置により所定の電圧（例えばＤＣ１５Ｖ等）に変換して給電する。そのため、このスイッチング電源装置には絶縁トランスから成るスイッチングトランスが設けられ、このスイッチングトランスの一次側、即ち低電圧電源側と、二次側、即ち高電圧電源側とを絶縁している。

また、ノイズ低減対策に関しては、スイッチングトランスの一次側（低電圧側）と二次側（高電圧側）を、それぞれＹコンデンサ（ラインバイパスコンデンサ）を介して電動コンプレッサのシャーシ（ＧＮＤ）に接地し、更に低電圧電源とスイッチング電源装置間にＥＭＩフィルタ回路を設けていた。

ここで、スイッチング電源装置に起因するＥＭＩノイズ対策については、スイッチングトランスで絶縁される一次側グランドと二次側グランドとをカップリングコンデンサで接続する構成が採られたものもあった。係る構成によれば、スイッチングトランスの巻線間の浮遊容量を介して一次巻線と二次巻線間を相互に伝達するノイズを還流させ、接地（電動コンプレッサのシャーシ）側に流れるコモンモードノイズ電流を抑制して、雑音電圧を低減することが期待できる（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４７３８５３号公報

しかしながら、従来の如く一次側グランドと二次側グランドの間にカップリングコンデンサを配置した場合、配線パターンが引き回されることによるインピーダンスの増大の影響により、ＥＭＩノイズの低減効果が低下する問題があった。特に、スイッチングトランスの一次巻線が一次側グランドに接続されていない場合、係る問題は顕著なものとなる。

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、ＥＭＩノイズを効果的に低減することができるスイッチング電源装置、及び、それを備えた車載用電動コンプレッサを提供することを目的とする。

本発明のスイッチング電源装置は、高電圧電源で駆動される車載用電動コンプレッサを制御する制御回路に、低電圧電源をスイッチングして給電するものであって、低電圧電源側の一次巻線と、高電圧電源側の二次巻線を有し、低電圧電源側と高電圧電源側とを絶縁するスイッチングトランスを備え、このスイッチングトランスの一次巻線の電源プラス側と、二次巻線のグランド側とを、カップリングコンデンサを介して結合したことを特徴とする。

請求項２の発明のスイッチング電源装置は、上記発明においてスイッチングトランスの一次巻線は、一次側グランドに接続されていないことを特徴とする。

請求項３の発明のスイッチング電源装置は、上記各発明においてスイッチングトランスの一次巻線と一次側グランドとの間に接続されたスイッチング素子と、このスイッチング素子を制御するコントローラを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明のスイッチング電源装置は、上記各発明において制御回路は、高電圧電源から電源が供給されるインバータ回路を制御することにより、車載用電動コンプレッサのモータを駆動することを特徴とする。

請求項５の発明のスイッチング電源装置は、上記発明において高電圧電源とインバータ回路間、及び、低電圧電源とスイッチングトランス間には、ＥＭＩフィルタ回路がそれぞれ設けられることを特徴とする。

請求項６の発明のスイッチング電源装置は、上記各発明においてスイッチングトランスで絶縁される一次側グランドと二次側グランドを、それぞれＹコンデンサを介して車載用電動コンプレッサのシャーシに接続したことを特徴とする。

請求項７の発明の車載用電動コンプレッサは、上記各発明のスイッチング電源装置と、制御回路と、高電圧電源から電源が供給され、制御回路により制御されるインバータ回路と、このインバータ回路により駆動されるモータを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高電圧電源で駆動される車載用電動コンプレッサを制御する制御回路に、低電圧電源をスイッチングして給電するスイッチング電源装置において、低電圧電源側の一次巻線と、高電圧電源側の二次巻線を有し、低電圧電源側と高電圧電源側とを絶縁するスイッチングトランスを備え、このスイッチングトランスの一次巻線の電源プラス側と二次巻線のグランド側とを、カップリングコンデンサを介して結合したので、スイッチングトランスの巻線間の浮遊容量を介して一次巻線と二次巻線間を相互に伝達するノイズを還流させ、接地側に流れるコモンモードノイズ電流を抑制して、雑音電圧を低減することができるようになる。

この場合、本発明ではスイッチングトランスの一次巻線の電源プラス側と、二次巻線のグランド側とを、カップリングコンデンサを介して結合しているため、スイッチングトランス内、或いは、スイッチングトランス近傍における極めて短い距離でノイズを還流させることができるようになり、従来の如く配線パターンが引き回されてインピーダンスが増大することが無くなり、極めて高いＥＭＩノイズ低減効果を実現することができるようになる。

上記のことは特に請求項２の発明の如く、スイッチングトランスの一次巻線が一次側グランドに接続されていない場合に極めて有効なものとなる。

尚、具体的には上記発明のスイッチング電源装置は、請求項３の発明の如くスイッチングトランスの一次巻線と一次側グランドとの間に接続されたスイッチング素子と、このスイッチング素子を制御するコントローラを備える。また、請求項４の発明の如く制御回路は、高電圧電源から電源が供給されるインバータ回路を制御することにより、車載用電動コンプレッサのモータを駆動する。更に、請求項５の発明の如く高電圧電源とインバータ回路間、及び、低電圧電源とスイッチングトランス間には、ＥＭＩフィルタ回路をそれぞれ設けることで、ＥＭＩノイズの更なる低減を図るものである。

尚、請求項６の発明の如くスイッチングトランスで絶縁される一次側グランドと二次側グランドを、それぞれＹコンデンサを介して車載用電動コンプレッサのシャーシに接続すれば、コモンモードノイズ電流の抑制により、更なるノイズ低減効果を実現することが可能となる。

そして、上記各発明のスイッチング電源装置は、請求項７の発明の如く制御回路と、高電圧電源から電源が供給され、制御回路により制御されるインバータ回路と、このインバータ回路により駆動されるモータを備えた車載用電動コンプレッサに設けられる場合に、極めて好適なものとなる。

本発明のスイッチング電源装置を適用した一実施例の車載用電動コンプレッサの電気回路のブロック図である。

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。図面において、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車載用電動コンプレッサであり、２はそのシャーシを示している。そして、このシャーシ２内に図示しない圧縮機構と、この圧縮機構を駆動するモータ３、このモータ３を運転するためのインバータ回路４、このインバータ回路４を制御する制御回路６、ＥＭＩフィルタ回路７、８、及び、本発明のスイッチング電源装置９等が収納されている。

尚、車両には車載用電動コンプレッサ１のモータ８や、図示しない走行用のモータに給電して駆動するための例えばＤＣ３００Ｖ程の高電圧バッテリから成る高電圧電源（ＨＶ電源）１１と、ＤＣ１２Ｖ程のバッテリから成る低電圧電源（ＬＶ電源）１２が搭載されている。また、車載用電動コンプレッサ１のシャーシ２は車体（グランド）に導通されている。

インバータ回路４は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ等から成る図示しない６個のスイッチング素子から構成されており、各スイッチング素子は制御回路６が有するゲートドライバが生成するゲート駆動信号により制御される。制御回路６はマイクロプロセッサから構成されており、インバータ回路４の各スイッチング素子をゲートドライバによりスイッチングしてＰＷＭ変調を行うことで、高電圧電源１１の直流電圧を所定の交流電圧とし、モータ３に供給する。

ＥＭＩフィルタ回路７は高電圧電源１１とインバータ回路４の間に接続されており、インバータ回路４のスイッチングにより発生するＥＭＩノイズを低減させる作用を奏する。また、ＥＭＩフィルタ回路８は低電圧電源１２とスイッチング電源装置９の間に接続され、スイッチング電源装置９での後述する如きスイッチングにより発生するＥＭＩノイズを低減させる作用を奏する。

このスイッチング電源装置９は、低電圧電源１２（ＤＣ１２Ｖ）をスイッチングして所定の直流電圧（ＨＶ１５Ｖ、ＨＶ５Ｖ）を生成し、制御回路６に給電するためのＤＣ－ＤＣコンバータである。尚、ＨＶ１５Ｖはインバータ回路４のゲート駆動信号を生成するゲートドライバ（制御回路６が有する）に供給される電圧であり、ＨＶ５Ｖは制御回路６の電源となる電圧である。

実施例のスイッチング電源装置９は、一次巻線１３と、この一次巻線１３とは絶縁された二次巻線１４から成る絶縁トランスにて構成されたスイッチングトランス１５を有している。このスイッチングトランス１５の一次巻線１３の巻き終わり端である電源プラス側１３Ｂは、一次側電源ライン（ＬＶ＋）１６によりＥＭＩフィルタ回路８に繋がり、更には低電圧電源１２に接続される。この電源プラス側１３Ｂが一次巻線１３のコールドエンド側となる。

一次巻線１３の巻き始め端であるグランド側１３Ａには、実施例ではＭＯＳＦＥＴから成るスイッチング素子１７のドレイン端子が接続され、このスイッチング素子１７のソース端子は一次側グランド（ＬＶＧＮＤ）１８に接続されている。即ち、スイッチングトランス１５の一次巻線１３のグランド側は、直接一次側グランド１８には接続されていない。

図中１９は、マイクロプロセッサから成るスイッチング電源コントローラ（コントローラ）であり、このスイッチング電源コントローラ１９には一次側電源ライン１６を介して低電圧電源１２から給電される。スイッチング電源コントローラ１９の出力はスイッチング素子１７のゲートに接続され、スイッチング素子１７はこのスイッチング電源コントローラ１９によりスイッチングが制御される。

これらにより、スイッチングトランス１５の一次巻線１３は低電圧電源１２側に位置することになる。尚、２１は一次側電源ライン１６と一次側グランド１８間に接続された平滑コンデンサである。また、実施例ではスイッチングトランス１５で二次側（後述する二次側グランド２６）と絶縁された一次側グランド１８が、コモンモードノイズを減衰させるＹコンデンサ（ラインバイパスコンデンサ）２２を介してシャーシ２に接続されている。

一方、スイッチングトランス１５の二次巻線１４は、巻き始め端２３Ａと巻き終わり端２３Ｂを有する第一の二次巻線部２３と、同じく巻き始め端２４Ａと巻き終わり端２４Ｂを有する第二の二次巻線部２４を有する。この第二の二次巻線部２４の巻き終わり端２４Ｂは二次側グランド（ＨＶＧＮＤ）２６に接続されているので、以後はこの第二の二次巻線部２４の巻き終わり端２４Ｂを二次巻線１４のグランド側２４Ｂと称する。このグランド側２４Ｂが二次巻線１４のコールドエンド側となる。

そして、第一の二次巻線部２３の巻き始め端２３Ａはダイオード３１を介してＨＶ１５Ｖライン（第一の高電圧側電源ライン）３２に接続され、このＨＶ１５Ｖライン３２には前述した制御回路６のゲートドライバが接続される。第一の二次巻線部２３の巻き終わり端２３Ｂはダイオード３３とレギュレータ（ＬＤＯ：ロードロップアウトレギュレータ）３４を介してＨＶ５Ｖライン（第二の高電圧側電源ライン）３６に接続され、このＨＶ５Ｖライン３６は制御回路６の電源となる。

また、第二の二次巻線部２４の巻き始め端２４Ａは第一の二次巻線部２３の巻き終わり端２３Ｂに接続され、第二の二次巻線部２４の巻き終わり端２４Ｂは前述した如く二次側グランド２６に接続されて二次巻線１４のグランド側２４Ｂとなる。

尚、３７～３９はＨＶ１５Ｖライン３２と二次側グランド２６間、レギュレータ３４の前後のＨＶ５Ｖライン３６と二次側グランド２６間にそれぞれ接続された平滑コンデンサである。また、実施例ではスイッチングトランス１５で一次側（一次側グランド１８）と絶縁される二次側グランドが、コモンモードノイズを減衰させるＹコンデンサ（ラインバイパスコンデンサ）４１を介してシャーシ２に接続されている。

そして、スイッチング電源コントローラ１９は、スイッチングトランス１５の巻数比に応じて、ＨＶ１５Ｖライン３２にＤＣ１５Ｖ（ＨＶ１５Ｖ）が出力されるようにスイッチング素子１７をスイッチング制御する。これにより、制御回路６のゲートドライバにはＤＣ１５Ｖ（ＨＶ１５Ｖ）が供給され、制御回路６自体には二次巻線部２３と２４の巻数比に応じた中間出力からレギュレータ３４を介してＤＣ５Ｖ（ＨＶ５Ｖ）が供給されることになる。

以上の如くスイッチング電源装置９は低電圧電源１２をスイッチングして制御回路６に電源を供給すると共に、スイッチングトランス１５により、一次巻線１３が位置する低電圧電源１２側と、二次巻線１４が位置する高電圧電源１１側とを絶縁するものであるが（図中に破線「絶縁」で示す）、スイッチング電源装置９のスイッチング素子１７のスイッチングに起因するＥＭＩノイズ対策として、本発明ではスイッチングトランス１５の一次巻線１３の電源プラス側１３Ｂと二次巻線１４のグランド側２４Ｂとを、カップリングコンデンサ４２を介して結合している。

このようにカップリングコンデンサ４２でスイッチングトランス１５の一次巻線１３の電源プラス側１３Ｂと二次巻線１４のグランド側２４Ｂを結合することにより、スイッチング素子１７のスイッチングに伴い、スイッチングトランス１５の巻線間（一次巻線１３と二次巻線１４間）の浮遊容量を介して一次巻線１３と二次巻線１４間を相互に伝達するノイズを還流させ、電動コンプレッサ１のシャーシ２側（接地：最終的に車体側）に流れるコモンモードノイズ電流が抑制される。これにより、雑音電圧が低減されることになる。

ここで、例えば従来の如くカップリングコンデンサ４２を、図中の一次側グランド１８と二次側グランド２６との間に接続した場合、一次側グランド１８から二次側グランド２６に渡って配線パターンを引き回さなければならなくなり、インピーダンスが増大してＥＭＩノイズの低減効果が低下してしまう。特に、実施例の如くスイッチングトランス１５の一次巻線１３が一次側グランド１８に接続されていない場合、還流するノイズは一次側の回路パターンを経てスイッチングトランス１５の一次側に戻ることになるため、係る問題は一層顕著なものとなる。

一方、本発明の如くスイッチングトランス１５の一次巻線１３の電源プラス側１３Ｂと、二次巻線１４のグランド側２４Ｂとを、カップリングコンデンサ４２を介して結合すれば、スイッチングトランス１５内、或いは、スイッチングトランス１５の近傍における極めて短い距離でノイズを還流させることができるようになり、従来の如き問題は解消若しくは抑制され、極めて高いＥＭＩノイズ低減効果を実現することができるようになる。

これは実施例の如くスイッチングトランス１５の一次巻線１３が一次側グランド１８に接続されていない場合に極めて有効なものとなる。更に、実施例の如く高電圧電源１１とインバータ回路４間、及び、低電圧電源１２とスイッチングトランス１５間にＥＭＩフィルタ回路７、８をそれぞれ設ければ、ＥＭＩノイズの更なる低減を図ることができるようになる。

更にまた、実施例の如く一次側グランド１８と二次側グランド２６を、それぞれＹコンデンサ２２、４１を介して車載用電動コンプレッサ１のシャーシ２に接続すれば、コモンモードノイズ電流の抑制により、更なるノイズ低減効果を実現することが可能となる。

図１の実施例によれば、２０ＭＨｚ～７０ＭＨｚの周波数帯域において、１０ｄＢ～１５ｄＢのＥＭＩノイズ低減効果が得られた。

そして、本発明のスイッチング電源装置９は、実施例の如く制御回路６と、高電圧電源１１から電源が供給され、制御回路６により制御されるインバータ回路４と、このインバータ回路４により駆動されるモータ３を備えた車載用電動コンプレッサ１に設けられる場合に、極めて好適なものとなる。

尚、実施例では一次側グランド１８をＹコンデンサ２２を介してシャーシ２に接続し、二次側グランド２６もＹコンデンサ４１を介してシャーシ２に接続したが、請求項６以外の発明ではそれに限らず、コモンモードノイズの影響が許容される場合には、係るＹコンデンサを設けない構成としても差し支えない。

１ 車載用電動コンプレッサ
２ シャーシ
３ モータ
４ インバータ回路
６ 制御回路
７、８ ＥＭＩフィルタ回路
９ スイッチング電源装置
１１ 高電圧電源
１２ 低電圧電源
１３ 一次巻線
１３Ｂ 一次巻線１３の電源プラス側
１４ 二次巻線
１５ スイッチングトランス
１７ スイッチング素子
１８ 一次側グランド
１９ スイッチング電源コントローラ（コントローラ）
２２、４１ Ｙコンデンサ
２４Ｂ 二次巻線１４のグランド側
２６ 二次側グランド
４２ カップリングコンデンサ

Claims (7)

1. 高電圧電源で駆動される車載用電動コンプレッサを制御する制御回路に、低電圧電源をスイッチングして給電するスイッチング電源装置において、
   前記低電圧電源側の一次巻線と、前記高電圧電源側の二次巻線を有し、前記低電圧電源側と高電圧電源側とを絶縁するスイッチングトランスを備え、
   該スイッチングトランスの一次巻線の電源プラス側と、前記二次巻線のグランド側とを、カップリングコンデンサを介して結合したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記スイッチングトランスの一次巻線は、一次側グランドに接続されていないことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記スイッチングトランスの一次巻線と一次側グランドとの間に接続されたスイッチング素子と、
   該スイッチング素子を制御するコントローラを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記制御回路は、前記高電圧電源から電源が供給されるインバータ回路を制御することにより、前記車載用電動コンプレッサのモータを駆動することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載のスイッチング電源装置。
5. 前記高電圧電源と前記インバータ回路間、及び、前記低電圧電源と前記スイッチングトランス間には、ＥＭＩフィルタ回路がそれぞれ設けられることを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記スイッチングトランスで絶縁される一次側グランドと二次側グランドを、それぞれＹコンデンサを介して前記車載用電動コンプレッサのシャーシに接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載のスイッチング電源装置。
7. 請求項１乃至請求項６のうちの何れかに記載のスイッチング電源装置と、前記制御回路と、前記高電圧電源から電源が供給され、前記制御回路により制御されるインバータ回路と、該インバータ回路により駆動されるモータを備えたことを特徴とする車載用電動コンプレッサ。
   

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