JP7133566B2 - インバータ - Google Patents

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。

このようなインバータは一般的に知られている。

第１のバスバーと第２のバスバーは、インバータを囲むハウジングによってハウジング内に配置されている。第１のバスバーは、バッテリーの陽極と接続されるようにハウジングの外部に設けられている第１端子と接続されるとともに、中間回路コンデンサの入力端子と接続される。第２のバスバーは、バッテリーの陰極と接続されるようにハウジングの外部に設けられている第２端子と接続されるとともに、中間回路コンデンサの別の端子と接続される。中間回路コンデンサは下流の電力インバータに電流を供給する。

高周波のコモンモード（ＣＭ）干渉と差動モード（ＤＭ）干渉が電力インバータの動作中に生じる。コモンモード干渉は、特に第１と第２のバスバーを囲んで強磁性の材料によって製造される環状コアによって低減できる。通常は差動モード干渉を低減するためにさらにフィルタアセンブリが必要とされる。コモンモード干渉と差動モード干渉を低減するための従来の構造は比較的複雑である。これとは別に、電磁環境適合性（ＥＭＣ）が改善されたインバータが求められている。

本発明の目的は、従来技術の欠点を修正することである。特に可能な限り容易かつ安価に製造できるインバータを明示することを意図する。本発明の別の目的によれば、インバータの電磁環境適合性を改善することを意図する。

上記目的は請求項１の特徴により達成される。本発明の好都合な改善点は従属請求項の特徴から明らかになる。

本発明の構成によれば、別の強磁性の材料によって製造されるコアが、環状コアによって囲まれるとともに２つのバスバーの間に形成される中間領域に設けられることが提案される。これによって、バスバーへのコモンモード干渉のみならず差動モード干渉を効率的に低減することが非常に簡単かつ安価に可能となる。

本発明における「インバータ」は、ＤＣ電流をＡＣ電流に変換可能および／またはＡＣ電流をＤＣ電流に変換可能な装置を意味すると一般的に理解される。

「バスバー」は、電気伝導体を意味すると一般的に理解される。電気伝導体は好ましくは矩形の断面形状を有する。さらに、例えば円形、楕円形、正方形等の他の断面形状も考えられる。

本発明における「強磁性の材料」は、要素磁石を安定的に配置しうるような材料を意味すると一般的に理解される。本発明における「強磁性の材料」は、さらにこの一般的な定義に従うフェリ磁性体も含む。

本発明の構成において、別の強磁性の材料によって環状コアの中に製造されるコアの長所によれば、差動モード干渉を弱める調整可能なインダクタンスが形成される。これによって、コモンモード干渉の除去のために設けられる環状コアの設置空間内で差動モード干渉の効率的な除去を実現できる。本発明によって提案されるフィルタは非常にコンパクトである。

有利には、予め定められた第１の間隔が、コアと環状コアの対向する各内側面との間に設けられる。コアによって形成されるインダクタンスは、第１の間隔によって設定することができる。第１の間隔は０．５～４．０ｍｍであってよく、好ましくは１．０～３．０ｍｍである。

第２の間隔はコアと隣接する各バスバーとの間に適宜設けられる。第２の間隔は、バスバー間を電流が流れることを安全かつ確実に回避するよう選択される。

バスバーは、互いに向かい合い、断面視においてコアを囲む凹部をそれぞれ有してよい。このような凹部はバスバーへの平面視において例えば矩形の形状を有してよい。このような凹部を設けることで非常にコンパクトな構造が実現できる。

別の有利な改善点によれば、強磁性の材料および／または別の強磁性の材料の第１の比透磁率μ_ｒ１は１０^３より大きい。コアは好ましくは保持具によって環状コア内に保持され、保持具を形成する材料の第２の比透磁率μ_ｒ２は１０より小さい。保持具は特にプラスチックや流延材料等によって製造されてよい。

有利には、ナノ結晶質の強磁性の材料によって作製されるトロイダルコアが環状コアに用いられる。従来のフェライト材料と比較して、このような材料はとりわけ高い比透磁率によって特徴づけられ、おおよそ２倍の飽和磁束密度（典型的には１テスラより大きい）と高周波領域におけるよりよい効果を有する。強磁性の材料または別の強磁性の材料は特にフェリ磁性体であってよい。

環状コアは楕円形または実質的に矩形のパススルー面を有してよい。とりわけコンパクトな構造を実現するため、パススルー面は特にバスバーが導かれる横断面領域と合わせられる。

インバータの基本回路図である。 円形のコアチョークの１つの断面図である。 図２の線Ａ－Ａ’に沿った断面図である。

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において、参照記号ＨＶはバッテリーを表し、参照記号Ｍは三相電流モータを表す。参照記号Ｉで示されるような一般的なインバータは、バッテリーＨＶと三相電流モータＭとの間に接続される。インバータＩは、バッテリーＨＶの下流に接続されるフィルタステージ１と、フィルタステージ１の下流に接続され、出力が三相電流モータＭに接続される電力インバータ２とを備える。

フィルタステージ１は、本例示的な実施形態においてはマルチステージ設計である。あるいはフィルタステージ１は１つのステージであってもよい。

第１のバスバーは参照記号３で示され、第２のバスバーは参照記号４で示される。フィルタステージ１の各ステージは、第１のバスバー３と第２のバスバー４との間に接続されるＸコンデンサ５と、第１のバスバー３及び第２のバスバー４からそれぞれグラウンド電位に接続されるＹコンデンサ６とを有する。

参照記号７はコモンモード干渉と差動モード干渉を低減するための一般的なフィルタ要素を示す。フィルタ要素７は、第１のバスバー３及び第２のバスバー４を囲む環状のコアチョーク８と、不図示のコアによって形成される差動モードチョーク９とを備える。

第１のバスバー３及び第２のバスバー４の出力側は中間回路コンデンサ１０に接続される。参照記号１１は、中間回路コンデンサ１０の下流に接続され、それぞれが２つのパワートランジスタを備えるハーフブリッジを示す。各パワートランジスタ１２の代わりに、複数の並列接続されたパワートランジスタからなるパワートランジスタのグループが設けられてもよい。ハーフブリッジ１１はパルス幅変調信号によってコントローラ１３により駆動され、その結果ｕ、ｖ、ｗの相の三相電流によって三相電流モータＭを運転する。

ハーフブリッジ１１の運転中の高周波切り替えプロセスのために、第１のバスバー３と第２のバスバー４との間にコモンモード干渉と差動モード干渉が生じる。このような干渉を低減するために、本発明においては特に図２と図３により詳細に説明されているフィルタ要素７が設けられる。

図２と図３において、参照記号１４は強磁性の材料によって製造される環状コアを表す。環状コア１４は特にナノ結晶質の強磁性の材料によって製造されるトロイダルコアであってよい。特に環状コア１４がトロイダルコアである場合、製造用途に求められる巻線技術のために、トロイダルコアを通過するパススルー面１５に関して任意の形状を作ることは容易に達成できない。すなわち、環状コア１４がトロイダルコアである場合、パススルー面１５は通常円形、楕円形、または略矩形の形状を有する。

参照記号１６は、別の強磁性の材料によって製造され、第１のバスバー３と第２のバスバー４との間であって環状コア１４の対向する内側面の間の中間領域Ｚに形成されるコアを表す。コア１６と環状コア１４の内側面との間には第１の間隔Ａ１が設けられる。参照記号Ａ２はコア１６とバスバー３、４との間に形成される第２の間隔を表す。

フィルタ要素７の機能は次のとおりである：
コア１６は環状コア１４とともに、差動モード干渉を低減する設定可能なインダクタンスを形成する。コア１６は差動モード干渉によって生じる磁束線Ｆに磁路を与え、これによって差動モードインダクタンスの生成を可能とする。この差動モードインダクタンスの大きさは、第１の間隔Ａ１によって設定することができる。

コア１６の寸法およびコア１６によって生成されるインダクタンスによって、例えば以下のように定まる。
Ｂ＝（Ｌ ｉ）／Ａ または Ａ＝（Ｌ ｉ）／Ｂ
ここで、
Ｂは誘導磁束密度、
Ｌは差動モードインダクタンス、
ｉはバスバーを流れる電流、
Ａはコア１６の断面積である。

Ｌ＝２×１００（ｎＨ）、ｉ＝２００（Ａ）、断面積Ａ＝１（ｃｍ^２）、とすると、Ｂ＝０．４（Ｔｅｓｌａ）である。

特にコンパクトなデザインを実現するためには、第１のバスバー３と第２のバスバー４はそれぞれ凹部１７を有してよい。凹部１７は例えば平面視で矩形の形状を有してよい（図３参照）。

１ フィルタステージ
２ 電力インバータ
３ 第１のバスバー
４ 第２のバスバー
５ Ｘコンデンサ
６ Ｙコンデンサ
７ フィルタ要素
８ 環状のコアチョーク
９ 差動モードチョーク
１０ 中間回路コンデンサ
１１ ハーフブリッジ
１２ パワートランジスタ
１３ コントローラ
１４ 環状コア
１５ パススルー面
１６ コア
１７ 凹部
Ａ１ 第１の間隔
Ａ２ 第２の間隔
Ｆ 磁束線
ＨＶ バッテリー
Ｉ インバータ
Ｍ 三相電流モータ
ｕ、ｖ、ｗ 相
Ｚ 中間領域

Claims (10)

1. バッテリー（ＨＶ）の陽極と接続する第１のバスバー（３）と、前記バッテリー（ＨＶ）の陰極と接続する第２のバスバー（４）と、強磁性の材料によって製造されて前記第１のバスバー（３）と前記第２のバスバー（４）を囲む環状コア（１４）を備えるとともに、コモンモード干渉と差動モード干渉を低減するフィルタ（７）と、を備えるインバータ（Ｉ）であって、
   別の強磁性の材料によって製造されるコア（１６）が、環状コア（１４）によって囲まれて前記第１のバスバー（３）と前記第２のバスバー（４）との間に形成される中間領域（Ｚ）に設けられる、ことを特徴とするインバータ（Ｉ）。
2. 予め定められた第１の間隔（Ａ１）が、前記コア（１６）と対向する前記環状コア（１４）の各内側面との間に設けられる、請求項１に記載のインバータ（Ｉ）。
3. 予め定められた第２の間隔（Ａ２）が、前記コア（１６）と隣接する前記バスバー（３、４）のそれぞれとの間に設けられる、請求項１または２に記載のインバータ（Ｉ）。
4. 前記バスバー（３、４）は、互いに向かい合い、前記コア（１６）を断面視において囲む凹部（１７）をそれぞれ有する、請求項１から３のいずれか１つに記載のインバータ（Ｉ）。
5. 前記強磁性の材料および／または前記別の強磁性の材料の第１の比透磁率μ_ｒ１は１０^３より大きい、請求項１から４のいずれか１つに記載のインバータ（Ｉ）。
6. 前記コア（１６）は保持具によって前記環状コア（１４）内に保持され、前記保持具を形成する材料の第２の比透磁率μ_ｒ２は１０より小さい、請求項１から５のいずれか１つに記載のインバータ（Ｉ）。
7. 前記保持具はプラスチックによって形成される、請求項６に記載のインバータ（Ｉ）。
8. 前記環状コア（１４）はナノ結晶質の強磁性の材料によって製造されるトロイダルコアである、請求項１から７のいずれか１つに記載のインバータ（Ｉ）。
9. 前記強磁性の材料および／または前記別の強磁性の材料はフェリ磁性の材料である、請求項１から８のいずれか１つに記載のインバータ（Ｉ）。
10. 前記環状コア（１４）は円形、楕円形、または略矩形のパススルー面（１５）を有する、請求項１から９のいずれか１つに記載のインバータ（Ｉ）。

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