JP7132248B2 - 中間回路コンデンサカスケードとｄｃ側のコモンモード・差動モードフィルタとを有するインバータ - Google Patents

中間回路コンデンサカスケードとｄｃ側のコモンモード・差動モードフィルタとを有するインバータ Download PDF

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Description

本発明は請求項１の前提部分によるインバータに関する。
この種のインバータは一般的に知られており、例えば電気により駆動または部分的に電気により駆動される車両の三相モータへの電力供給に使用されている。
直流電流を交流電流に変換するため、インバータは、所定のＡＣ電圧を生成するための、パルス幅変調信号を用いてコントローラにより駆動される複数のハーフブリッジ回路またはハーフブリッジを有する。ラインに直流電流を供給するためにラインに接続されているいわゆる中間回路コンデンサが、ハーフブリッジに電流を供給するために設けられている。
ハーフブリッジの計時された運転によって、供給ラインにおいてリプル電圧を引き起こすコモンモード（ＣＭ）干渉が生じる。リプル電圧によって形成される電磁干渉場を防ぐためには、所定の最大値までリプル電圧を低減する必要がある。この目的のために、空間回路コンデンサの中間回路静電容量は適切に選択される。相応に選択された中間回路静電容量は、ハーフブリッジへの電力供給のために必要とされる静電容量よりも大きい。
さらに、インバータの動作中には差動モード（ＤＭ）干渉が生じる。ＤＭ干渉は、ハーフブリッジに使用されるパワートランジスタおよび中間回路コンデンサにおける寄生インダクタンスの電流の変化によって引き起こされる。ＤＭ干渉は、ハーフブリッジから電気モータに供給される相電流の大きさに伴って増加する。従来、大きい相電流が要求される場合には、ＤＭ干渉が適切に除去されないことがある。
本発明の目的は、従来技術の欠点を除くことである。特に、ＤＭ干渉の抑制について改善されたインバータを提供することを目的とする。本発明の別の目的によれば、可能な限り簡単かつ安価に上記インバータを製造できるようにする。
この目的は請求項１の特徴より達成される。本発明の好都合な改善点は従属請求項の特徴から見出し得る。
本発明の構成によれば、ＤＭ干渉の低減のために、並列に接続される複数の中間回路コンデンサが設けられ、複数の中間回路コンデンサの静電容量の和は所定の中間回路静電容量に相当する。すなわち、従来技術において設けられる中間回路コンデンサが、並列に接続される複数の中間回路コンデンサと置き換えられている。もともとは各中間回路コンデンサのために予め定められていた所定の中間回路静電容量は、置き換えに関わらず保持される。リプル電圧は、複数の中間回路コンデンサの構成によって変化することが実質的になく、維持される。
本発明において、中間回路コンデンサを複数の中間回路コンデンサに分割することにより、有利には、特に大きい相電流が生成される場合にＤＭ干渉を大幅に低減する。中間回路コンデンサの複数の中間回路コンデンサへの分割は、簡単かつ安価に実現できる。したがって、スイッチング装置を駆動するために必要な静電容量が、所定の最大値までリプル電圧を低減するためにさらに必要となる静電容量よりも概して低いため、特に、上記分割は可能となる。分割された中間回路コンデンサの静電容量の和は、所定の最大リプル電圧の調整にとって重要である。
所定の最大リプル電圧ひいては中間回路静電容量の大きさの選択は顧客の要求に基づく。所定の最大リプル電圧の場合、中間回路静電容量の大きさは、例えば対象のインバータ回路を表すモデルを用いたシミュレーションによって特定できる。この種のモデルは、特に変調の種類、電動モータのコサインΦ、ハーフブリッジにおけるパワートランジスタおよび中間回路コンデンサのクロック周波数を考慮に入れる。シミュレーションにおいては、境界条件は最大リプル電圧が生じるように設定される。そして、この種の境界条件下で所定の最大リプル電圧が生じるように中間回路静電容量が設定される。自動車分野で使用されるインバータの場合、典型的な中間回路静電容量は４００～１０００μＦの範囲にある。
複数の第２の中間回路コンデンサが第１の中間回路コンデンサの上流に接続されてもよい。この場合においても、第１と第２の静電容量の和は所定の中間回路静電容量に相当する。複数の第２の中間回路コンデンサを設けることで、ＤＭ干渉をより効率的に低減することができる。
ここで、所定の中間回路静電容量のうち、第１の静電容量は７０～９５％、第２の静電容量Ｃ２は５～３０％を占め得る。
本発明の別の有利な改善点によれば、スイッチング装置に接続される第１の中間回路コンデンサの第１の静電容量は、入力端において第１の中間回路コンデンサの上流に接続される第２の中間回路コンデンサの第２の静電容量よりも大きい。スイッチング装置が常に十分な電流を第１の中間回路コンデンサから供給され得るように、第１の中間回路コンデンサの第１の静電容量は大きく設定される。第２の静電容量は、所定の中間回路静電容量と第１の静電容量との差である。ＤＭ干渉を低減するＬＣ要素は、第１と第２の中間回路コンデンサの構成のために設けられる。この場合、第１と第２の中間回路コンデンサの間の供給ラインによって、インダクタンスＬが形成される。
本発明の別の有利な改善点によれば、特にＣＭ干渉を低減するフィルタ回路が、中間回路コンデンサに電流を供給する供給ラインに接続される。ここで、フィルタ回路は、互いに並んで接続される１つ以上のフィルタステージを備える。有利には、フィルタステージにおける供給ラインにＸコンデンサが接続される。さらに、各供給ラインはＹコンデンサを介してアースに接続される。アースは、ハウジングまたはインバータのハウジングのハウジング電位によって形成される。
別の改善点によれば、フィルタステージは、供給ラインを囲むトロイダルコアを備え、さらに各供給ラインの周りに係合するフィルタインダクタをそれぞれ備える。トロイダルコアとフィルタインダクタとは、適切な設計によって１つの構成要素に組み込まれ得る。
インバータの第１の回路構成の概略図である。 インバータの第２の回路構成の概略図である。 干渉レベルと周波数との関係を示す。
本発明の例示的な実施形態は図面を参照しながら以下でより詳細に説明される。
図１と図２において、参照記号１は例えば２００～４００Ｖの電圧を供給するバッテリーを示す。バッテリー１は、一般的に参照記号２で示されるインバータに電力を供給する。第１の供給ラインが参照記号３で示され、第２の供給ラインが参照記号４で示される。２つのフィルタステージを備え、参照記号５で示される一般的なフィルタ回路は、供給ライン３、４に接続される。各フィルタステージは、供給ライン３、４間に接続されるＸコンデンサ６と、各供給ライン３、４及びハウジングのアースＧ間に接続されるＹコンデンサ７とを有する。供給ライン３、４を囲むトロイダルコアインダクタは概略的に参照記号８で示される。参照記号９は各供給ライン３、４を囲むフィルタインダクタを示す。ここで、フィルタ回路５は２つの同一のフィルタステージを有する。フィルタ回路５は特にＣＭ干渉を低減するよう機能する。
インバータ要素１０はフィルタ回路５の下流に接続される。インバータ要素１０は、入力端において、第１の中間回路コンデンサ１１と、第１の中間回路コンデンサ１１と並列に接続される第２の中間回路コンデンサ１２とを備える。２つの電力トランジスタをそれぞれ備えるハーフブリッジ１３は、第１の中間回路コンデンサ１１の下流に接続される。上記電力トランジスタはいわゆるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってよい。参照記号１５で示されるコントローラは、ハーフブリッジ１３を駆動する。コントローラ１５によってパルス幅変調信号が生成される。
ハーフブリッジ１３によって生成される相ｕ、ｖ、ｗは、三相モータＭを駆動するためのほぼ正弦波状の交流電流を作る。三相モータＭが発電機として駆動される場合、上記発電機によって生成される三相電流は、ハーフブリッジ１３によって直流電流に変換されてバッテリーに蓄えられる。
本回路構成においては、第１の中間回路コンデンサ１１の第１の静電容量Ｃ１と第２の中間回路コンデンサ１２の第２の静電容量Ｃ２とが加算されて所定の中間回路静電容量Ｃとなる。
第１の中間回路コンデンサ１１の上流に並行に接続される第２の中間回路コンデンサ１２は、ＬＣ要素を形成する。この場合、インダクタンスＬは、第１の中間回路コンデンサ１１と第２の中間回路コンデンサ１２との間に設けられる接続ライン１６によって形成される。ＬＣ要素はインバータ要素１０の動作中に生じるＤＭ干渉を低減する。
本発明のラインにおいて、中間回路コンデンサは、第１の中間回路コンデンサ１１と第２の中間回路コンデンサ１２とに分かれているが、全体としては所定の中間回路静電容量Ｃとされている。
中間回路静電容量Ｃは、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２との和となる。この場合、所定の中間回路静電容量Ｃのうち、第１の静電容量Ｃ１は７０～９５％、第２の静電容量Ｃ２は５～３０％を占め得る。
図２は、別のインバータの回路装置の概略図であり、２つの第２の中間回路コンデンサ１２が第１の中間回路コンデンサ１１の上流に並行に接続されている点においてのみ図１の回路構成と異っている。一層効率的にＤＭ干渉を低減する２つのＬＣ要素は、２つの第２の中間回路コンデンサ１２からなる。ここで、第１の中間回路コンデンサの第１の静電容量Ｃ１と２つの第２の中間回路コンデンサ１２の第２の静電容量Ｃ２との和もまた、所定の境界条件や駆動条件下における所定の最大リプル電圧に対応して所定の中間回路静電容量Ｃに相当する。
本例示的な実施形態においては、第１の静電容量Ｃ１は３００～６００μＦの範囲となり得る。各第２の静電容量Ｃ２は３０～１５０μＦの範囲となり得る。
図３は、周波数の関数としての供給ライン３、４の干渉レベルを示す。図３の曲線Ａは、１つの中間回路コンデンサのみが設けられる従来のインバータにおける干渉レベルを示す。上記１つの中間回路コンデンサの中間回路静電容量Ｃは５００μＦに達する。曲線Ｂは、第１の中間回路コンデンサ１１の上流に並行に第２の中間回路コンデンサ１２が接続されるインバータにおける干渉レベルを示す。第１の中間回路コンデンサ１１の第１の静電容量Ｃ１は４００μＦ、第２の中間回路コンデンサ１２の第２の静電容量Ｃ２は１００μＦである。この場合、曲線Ａの場合と同じように、全体としての中間回路静電容量Ｃは５００μＦとなる。それにも関わらず、図３から明らかなように、曲線Ｂで示される干渉レベルは曲線Ａで示される干渉レベルよりもかなり低い。
１ バッテリー
２ インバータ
３ 第１の供給ライン
４ 第２の供給ライン
５ フィルタ回路
６ Ｘコンデンサ
７ Ｙコンデンサ
８ トロイダルコアインダクタ
９ フィルタインダクタ
１０ インバータ要素
１１ 第１の中間回路コンデンサ
１２ 第２の中間回路コンデンサ
１３ ハーフブリッジ
１４ パワートランジスタ
１５ コントローラ
１６ 接続ライン
Ｃ 中間回路静電容量
Ｃ１ 第１の静電容量
Ｃ２ 第２の静電容量
Ｇ アース
Ｍ 三相モータ
ｕ、ｖ、ｗ 相

Claims (6)

  1. 電流の供給のための供給ライン（３、４）と、複数のハーフブリッジ（１３）を備えるスイッチング装置（１０）とに接続される中間回路コンデンサであって、
    前記スイッチング装置（１０）のスイッチングプロセスによって前記供給ライン（３、４）に生じるリプル電圧が、所定の駆動条件下で所定の最大リプル電圧まで低減されるような大きさである所定の中間回路静電容量（Ｃ）を有する中間回路コンデンサを備えたインバータ（２）において、
    前記スイッチングプロセスにおける差動モード干渉の低減のために、並列に接続される複数の前記中間回路コンデンサ（１１、１２）が設けられ、前記複数の中間回路コンデンサ（１１、１２）の静電容量（Ｃ１、Ｃ２）の和は、前記所定の中間回路静電容量（Ｃ）に相当し、
    前記スイッチング装置（１０）に接続される第１の中間回路コンデンサ（１１）の第１の静電容量（Ｃ１）は、入力端において前記第１の中間回路コンデンサ（１１）の上流に接続される第２の中間回路コンデンサ（１２）の第２の静電容量（Ｃ２）よりも大きい、ことを特徴とするインバータ（２）。
  2. 前記入力端において、複数の前記第２の中間回路コンデンサ（１２）が前記第１の中間回路コンデンサ（１１）の上流に接続される、請求項１に記載のインバータ（２）。
  3. 前記所定の中間回路静電容量（Ｃ）のうち、前記第１の静電容量（Ｃ１）は７０～９５％、前記第２の静電容量Ｃ２は５～３０％を占める、請求項１又は２に記載のインバータ（２）。
  4. コモンモード干渉を低減するフィルタ回路（５）が前記供給ライン（３、４）に接続され、前記フィルタ回路（５）は互いに並んで接続される１つ以上のフィルタステージを備える、請求項１から３の何れかに記載のインバータ（２）。
  5. フィルタステージにおいて前記供給ライン（３、４）間にＸコンデンサ（６）が接続され、前記供給ライン（３、４）のそれぞれはＹコンデンサ（７）を介してアース（Ｇ）に接続される、請求項１から４の何れかに記載のインバータ（２）。
  6. 前記フィルタステージは、前記供給ライン（３、４）を囲むトロイダルコアインダクタ（８）を備え、さらに前記供給ライン（３、４）のそれぞれの周りに係合されるフィルタインダクタ（９）をそれぞれ備える、請求項４又は５に記載のインバータ（２）。
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