KR20100047314A

KR20100047314A - 전기차용 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR20100047314A
Application number: KR1020107005377A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 이토; 사토시 아즈마; 겐고 스가하라; 마사타카 야부우치
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2010-05-07
Also published as: RU2416867C1; CA2699108A1; WO2009037782A1; US8345453B2; JPWO2009037782A1; EP2192678A4; CA2699108C; JP4540743B2; CN101803162A; EP2192678A1; EP2192678B1; US20100207560A1; ES2487615T3

Abstract

전기차용 전력 변환 장치에 있어서, 컨버터부 및 인버터부의 내부에 흐르는 공진 전류를 효과적으로 저감시키는 것을 과제로 한다. 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터부(20)와; 직류 전력을 원하는 교류 전력으로 변환하여 전기차를 구동하는 전동기(90)에 공급하는 인버터부(60)와; 컨버터부(20) 및 인버터부(60)를 수용하고, 그 일부가 접지되는 상자체(80)와; 상자체(80)의 내부에 배치되어, 컨버터부(20)와 인버터부(60) 사이에 흐르는 공진 전류를 억제하기 위한 자성체 코어(70)를 구비한다.

Description

전기차용 전력 변환 장치{POWER CONVERTING DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기차용의 전력 변환 장치에 관한 것이다.

전기차용 전력 변환 장치에 있어서 노이즈 등을 과제로 하여 채택한 종래 문헌으로서, 예를 들어 하기 특허 문헌 1 등이 있다. 이 특허 문헌 1에서는 컨버터의 입력측, 인버터의 출력측, 접지 회로의 3개소(箇所)에 각각 필터 회로를 마련하거나, 또는 컨버터의 입력측 또는 인버터의 출력측 중 어느 쪽과 접지 회로에 필터 회로를 마련하는 것에 의해, 컨버터, 인버터 또는 접지 회로로부터 형성되는 모든 경로를 통하여 차체에 흐르는 누설 고조파 전류를 억제하도록 하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특개평 9-9412호 공보

전기차용 전력 변환 장치에서는 전력 변환 장치를 구성하는 컨버터, 인버터 등을 차체의 바닥밑에 매다는 등의 설치를 할 필요가 있다. 이 때문에, 종래의 전기차용 전력 변환 장치에서는 차체에 고정하기 위한 상자 형상(box shaped)의 구조체(이하 「상자체(box body)」라고 함)를 준비하여, 이 상자체 내에 컨버터 및 인버터의 각 주회로나, 컨버터와 인버터를 접속하는 접속 도체(버스 바), 및 각 접속 도체 사이에 접속되는 평활 컨덴서 등을 수용함과 아울러, 컨버터 및 인버터의 스위칭 소자로부터 발생하는 발열을 억제하기 위한 냉각기를 당해 상자체의 외부에 장착하여 구성하는 것이 행해지고 있다.

또, 교류 전기차의 경우, 변압기의 2차측은 대지로부터 분리되기 때문에, 각 기기에 걸리는 대지 전압을 일정값으로 고정할 필요가 있어, 2차측의 회로 중 어느 쪽의 점을 접지할 필요가 있다. 이 때문에, 상기와 같이 구성된 전기차용 전력 변환 장치에서는 상자체를 접지하는 것이 일반적으로 행해지고 있다.

종래의 전기차용 전력 변환 장치는 상기와 같이 구성된 결과, 스위칭 소자에 근접하여 배치되고, 상자체와 전기적으로 접속된 냉각기의 부분이 접지점으로 되므로, 컨버터 및 인버터의 각 접속 모선과, 상자체 또는 냉각기 사이의 부유 용량(浮遊容量)이 커진다고 하는 특성을 갖고 있었다.

또한, 상기와 같은 부유 용량은, 종래에는 큰 문제점으로 거론되지 않았다. 예를 들어 상기 특허 문헌 1을 포함하여 몇개의 종래 문헌을 참조했지만, 이런 종류의 부유 용량에 기인하는 문제점에 대해서는 논해지지 않았다.

한편, 본원 발명자 등은 전기차용 전력 변환 장치에 접속되는 변압기나 전동기의 임피던스 성분과, 이 부유 용량에 의해 공진 회로가 형성되어, 이 공진 회로에 흐르는 공진 전류가 전원측이나 전동기측에 불필요한 노이즈를 출력하는 노이즈원(源)으로서 작용할 가능성이 있다는 것을 찾아냈다.

여기서, 본원 발명자 등의 상기 고찰과 같이, 컨버터 및 인버터가 노이즈원으로서 동작해 버리는 경우에, 그 크기 여하에 따라서는 가선에 유출하는 노이즈 전류에 의해 지상 신호 기기에 악영향을 줄 가능성이 있고, 또 모터 배선에 흐르는 노이즈 전류에 의해 차상 신호 기기, 지상 신호 기기 등에 악영향을 줄 가능성이 있다. 또한, 모터 출력의 증대가 불가피하게 되는 요즘의 기술 동향을 감안하면, 이런 종류의 부유 용량에 기인하는 공진 현상에 대해 어떠한 대책을 세우는 것이 요구된다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 컨버터, 인버터 등이 상자체 내에 수용된 전기차용 전력 변환 장치에 있어서, 컨버터 및 인버터의 각 직류 모선과 상자체 사이의 부유 용량에 기인하는 공진 전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 전기차용 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전기차용 전력 변환 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터부와; 상기 직류 전력을 원하는 교류 전력으로 변환하여 전기차를 구동하는 전동기에 공급하는 인버터부와; 상기 컨버터부 및 상기 인버터부를 수용하고, 그 일부가 접지되는 상자체와; 상기 상자체의 내부에 배치되어, 상기 컨버터부와 상기 인버터부 사이에 흐르는 공진 전류를 억제하기 위한 임피던스 성분을 갖는 임피던스 요소를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기차용 전력 변환 장치에 의하면, 컨버터부와 인버터부 사이에 흐르는 공진 전류를 억제하기 위한 자성체 코어(magnetic core)를, 컨버터부 및 인버터부를 수용하고, 그 일부가 접지되는 상자체의 내부에 배치하도록 하고 있으므로, 컨버터 및 인버터의 각 직류 모선과 상자체 사이의 부유 용량에 기인하는 공진 전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 전기차용 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 간략 회로도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 전기차용 전력 변환 장치의 차체로의 탑재 상태의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 전력 변환 장치의 각 접속 도체와 상자체 사이에 발생하는 부유 용량에 의해 발생하는 공진 전류의 경로를 도 1에 대응하는 회로도 상에 나타낸 도면이다.
도 4는 자성체 코어의 배치에 관한 도 1과는 다른 그외 실시 형태에 대해 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 따른 전기차용 전력 변환 장치의 바람직한 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 전기차용 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 간략 회로도이다. 동 도면에 있어서, 전력 변환 장치(100)는 컨버터부(20), 인버터부(60), 및 컨버터부(20)와 인버터부(60) 사이에 삽입되는 자성체 코어(70)를 구비하고 있고, 이러한 각 구성부는 상자체(80)에 장착되어 있다. 또, 전력 변환 장치(100)의 입력단에는 변압기(6)가 접속되고, 전력 변환 장치(100)의 출력단에 배치되는 인버터부(60)에는 전기차를 구동하는 전동기(90)가 접속되어 있다. 또한, 전동기(90)로는 유도 전동기나 동기 전동기가 바람직하다.

또, 도 1에 있어서, 변압기(6)의 1차 코일의 일단은 집전 장치(2)를 통하여 가선(1)에 접속되고, 타단은 차륜(3)를 통하여 대지 전위인 레일(4)에 접속되어 있다. 가선(1)으로부터 공급되는 전력(교류 20KV ~ 25KV가 일반적)은 집전 장치(2)를 통하여 변압기(6)의 1차 코일에 입력됨과 아울러, 변압기(6)의 2차 코일에 생긴 교류 전력이 컨버터부(20)에 입력된다.

컨버터부(20)는 스위칭 소자를 브릿지 접속한 컨버터 주회로(22)와, 이 브릿지 접속된 스위칭 소자를 냉각하기 위한 컨버터용 냉각기(30)를 구비하여 구성된다. 컨버터 주회로(22)의 3개 출력단에서는 접속 도체(P, C, N)가 인출되어, 후술하는 인버터부(60)와 접속된다. 컨버터 주회로(22)는 브릿지 접속된 각 스위칭 소자를 PWM 제어함으로써, 가선(1)으로부터 공급된 교류 전압을 원하는 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 컨버터 주회로(22)를 구성하는 스위칭 소자로서는 예를 들어 역병렬 다이오드가 내장된 IGBT 소자가 바람직하다. 또한, 컨버터 주회로(22)의 상세한 구성과 제어 방법에는 여러 가지의 공지예가 있어, 여기서의 상세한 설명을 생략한다. 또, 도 1의 예에서는 컨버터 주회로(22)를 3레벨 컨버터 회로로서 나타내고 있지만, 그외에, 예를 들어 2레벨 컨버터 회로(공지) 등으로 구성해도 되며, 당해 구성도 본 발명의 요지에 포함된다.

컨버터 주회로(22)의 출력단에서는 인버터부(60)로의 직류 전원인 평활 컨덴서(24P, 24N)가 마련되어 있다. 구체적으로, 접속 도체(P, C) 사이에는 평활 컨덴서(24P)가 접속되고, 접속 도체(C, N) 사이에는 평활 컨덴서(24N)가 접속되어 있다.

인버터부(60)는 스위칭 소자를 브릿지 접속한 인버터 주회로(62)와, 브릿지 접속된 스위칭 소자를 냉각하기 위한 인버터용 냉각기(50)를 구비하여 구성된다. 인버터 주회로(62)의 3개 입력단에는 전술과 같이 접속 도체(P, C, N)가 접속되어 있고, 직류 전원인 평활 컨덴서(64P, 64N)가 접속 도체(P, C) 사이 및 접속 도체(C, N) 사이에 각각 마련되어 있다. 또, 인버터 주회로(62)의 3개 출력단에는 전동기(90)가 접속되어 있다. 인버터 주회로(62)는 브릿지 접속된 각 스위칭 소자를 PWM 제어함으로써, 입력된 직류 전압을 원하는 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 인버터 주회로(62)를 구성하는 스위칭 소자로서는 예를 들어 역병렬 다이오드가 내장된 IGBT 소자가 바람직하다. 또한, 인버터 주회로(62)의 상세한 구성과 제어 방법에는 여러 가지의 공지예가 있어, 여기서의 상세한 설명은 생략한다. 또, 도 1의 예에서는 인버터 주회로(62)를 3레벨 컨버터 회로로서 나타내고 있지만, 그외에, 예를 들어 2레벨 인버터 회로(공지) 등으로 구성해도 되며, 당해 구성도 본 발명의 요지에 포함된다.

도 2는 도 1에 나타낸 전력 변환 장치의 차체로의 탑재 상태의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치(100)는 다른 전기 기기(11)와 함께 전기차의 차체(9)의 바닥밑에 배치된다. 또 전력 변환 장치(100)에 있어서, 상자체(80)의 내부에는 컨버터부(20), 인버터부(60), 자성체 코어(70) 등이 수용되고 있다.

컨버터용 냉각기(30)는 핀베이스(fin base; 32) 및 핀(34)을 구비하고 있고, 핀(34)이 외기(外氣)와 접하도록, 컨버터부(20)의 저면측(底面側)에 배치되어 있다. 동양(同樣)으로, 인버터용 냉각기(50)는 핀베이스(52) 및 핀(54)을 구비하고 있고, 핀(54)이 외기와 접하도록, 인버터부(60)의 저면측에 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 전력 변환 장치(100)에 의하면, 전기차의 주행에 의해 진행 방향과 역방향으로 생기는 주행풍 W가 핀(34, 54)에 흘러, 스위칭 소자로부터 발생하는 열이 핀(34, 54)을 통해 대기 중으로 방산(放散)된다.

또한, 상기의 예에서는 컨버터용 냉각기(30) 및 인버터용 냉각기(50)의 각 핀이 외기와 접하도록 상자체(80)의 외부에 배치하는 실시 형태에 대해 나타냈으나, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 핀의 손상을 방지하기 위해 각 냉각기를 상자체(80)의 내부에 배치하도록 해도 된다. 이와 같은 배치 구성에서도, 상자체(80)에 있어서 각 냉각기의 주행풍 W에 접하는 부분을, 예를 들어 메쉬(mesh) 형상의 구조물로 덮는 것에 의해, 도 2와 같은 자연 공냉 방식의 냉각기로 할 수 있다. 또, 송풍기 등을 이용한 강제 공냉 방식이나, 수냉 방식을 채용하는 경우에는 메쉬 형상의 구조물 등을 이용하는 일 없이, 컨버터부(20) 및 인버터부(60)를 상자체(80) 내에 수용하는 것이 가능하다.

도 3은 전력 변환 장치의 각 접속 도체와 상자체 사이에 발생하는 부유 용량에 의해 발생하는 공진 전류의 경로를 도 1에 대응하는 회로도 상에 나타낸 도면이다. 이 공진 전류는 상기 과제의 항에 있어서도 설명한 바와 같이, 컨버터부(20) 및 인버터부(60)의 각 직류 모선과 상자체(80) 사이에 발생하는 부유 용량과 전력 변환 장치(100)에 접속되는 변압기(6)나 전동기(90)의 임피던스 성분에 의해 컨버터부(20) 및 인버터부(60)의 내부에 형성된 공진 회로에 의해 변압기(6)측 또는 전동기(90)측에 흐르는 전류이다.

도 3에 있어서, 컨버터부(20)에서는 접속 도체(P, C, N)를 포함한 각 직류 모선과 상자체(80) 사이에, 도시한 바와 같은 부유 용량(82 ~ 84)가 형성되고, 인버터부(60)에서는 접속 도체(P, C, N)를 포함한 각 직류 모선과 상자체(80) 사이에, 도시한 바와 같은 부유 용량(86 ~ 88)이 형성되어 있다. 또한, 이러한 각 부유 용량은 컨버터 주회로(22) 및 인버터 주회로(62)의 각 부에 있어서 발생하는 부유 용량 성분을 집약하여 표시한 것이다.

한편, 상기와 같은 부유 용량 성분이 존재하면, 변압기(6) 및 전동기(90)의 각 임피던스 성분과 이러한 부유 용량 성분 사이에 공진(직렬 공진)이 일어나, 어느 특정의 주파수대(예를 들어 1 ~ 2MHz 대)의 임피던스가 작아지고, 당해 주파수대의 전류만이 증폭되게 된다. 그 결과, 상자체(80)의 내부에서는 부유 용량(82, 86)을 통한 공진 전류(91), 부유 용량(83, 87)을 통한 공진 전류(92), 및 부유 용량(84, 88)을 통한 공진 전류(93) 등이 흐르게 된다.

여기서, 본 실시 형태에서는 원하는 임피던스 성분을 갖는 자성체 코어(70)를, 그 내부에 컨버터부(20)와 인버터부(60)를 연결하는 접속 도체(P, C, N)가 관통하도록 배치하고 있다. 이와 같은 자성체 코어(70)를 배치하는 것에 의해, 공진 전류가 가장 커지는 주파수(이하 「공진 주파수」라고 함)를, 예를 들어 차상 신호 기기, 지상 신호 기기 등에 영향을 주지 않는 주파수대에 시프트하는 것이 가능하게 된다. 또, 자성체 코어(70)를 삽입하는 것에 의해, 공진이 문제가 되는 주파수대에 있어서 임피던스를 증대시킬 수 있으므로, 당해 주파수대에 있어서 공진 전류를 작게 할 수 있고, 공진 전류에 기인하는 노이즈의 크기를 문제가 되지 않는 레벨에까지 저감시키는 것이 가능하게 된다

또한, 자성체 코어(70)의 재질로는 예를 들어 페라이트나, 아몰퍼스 소재의 것을 이용할 수 있다. 이러한 재질의 것은 저주파수대에 있어서, 저임피던스가 되는 특성을 갖고 있기 때문에, 전원 주파수대의 전력 전송에 영향을 주는 일은 거의 없다.

또, 자성체 코어(70)의 사이즈(외주의 길이, 내주의 길이, 두께, 종횡비 등)는 컨버터부(20), 인버터부(60)의 용량이나, 각 접속 도체의 크기, 배치 등에 따른 바람직한 것을 이용할 수 있다. 또한, 자성체 코어(70)의 임피던스값은 공진 주파수와 부유 용량의 크기로부터 바람직한 것을 선택하면 된다.

또한, 상기와 같은 부유 용량 성분은 접속 도체(P, C, N)를 포함한 각 직류 모선과 상자체(80)가 근접하여 배치되고, 한편 상자체(80)를 대지 전위와 동 전위로 하기 위해 접지하고 있는 것이 주된 요인이 된다. 따라서, 냉각기를 갖지 않은 경우에도, 부유 용량은 존재한다. 이 때문에, 상기의 대책은 냉각기를 갖지 않는 구성의 경우에도 유효하게 작용한다. 단, 냉각기를 갖는 구성의 경우에는 방열용의 핀 면적의 영향을 받으며, 냉각기를 갖지 않은 경우에 비해 부유 용량 성분이 커지기 때문에, 각각에 따른 적합한 것을 선택하는 것이 바람직하다.

도 4는 자성체 코어의 배치에 관한 도 1과는 다른 그외 실시 형태에 대해 나타내는 도면이다. 도 1의 실시 형태에서는 컨버터부(20)와 인버터부(60) 사이에 마련하도록 하고 있지만, 컨버터부(20) 및 인버터부(60)의 각 내부에 배치하도록 해도 된다. 예를 들어 컨버터부(20)에서는 도시하는 자성체 코어(70a, 70c)와 같이, 평활 컨덴서(24P, 24N)의 출력측(접속 도체측) 또는 입력측(컨버터 주회로측) 중 어느 쪽의 위치에 배치해도 되고, 또 인버터부(60)에서는 도시하는 자성체 코어(70b, 70d)와 같이, 평활 컨덴서(64P, 64N)의 입력측(접속 도체측) 또는 출력측 인버터 주회로측) 중 어느 쪽의 위치에 배치해도 된다. 또, 이와 같은 구성에 있어서도, 공진 전류가 흐르는 루프 경로 내에 자성체 코어가 배치되는 구성으로 되므로, 부유 용량에 기인하는 공진 전류를 저감시켜, 공진 주파수를 원하는 대역에 시프트하면 본원의 작용을 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 자성체 코어는 전력 변환 장치의 내부에 형성되는 공진 회로에 의해 흐르는 공진 전류를 저감시키는 것을 목적으로 마련된 것이지만, 공진 전류에 의한 전위 변동이 억제되므로, 변압기측 또는 전동기측으로 유출하는 커먼 모드 전류에 대한 저감 효과도 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전기차용 전력 변환 장치에 의하면, 컨버터부와 인버터부 사이에 흐르는 공진 전류를 억제하기 위한 자성체 코어를, 컨버터부 및 인버터부를 수용하고, 그 일부가 접지되는 상자체의 내부에 배치하도록 하고 있으므로, 컨버터 및 인버터의 각 직류 모선과 상자체 사이의 부유 용량에 기인하는 공진 전류를 효과적으로 저감시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시 형태에서는 컨버터부와 인버터부 사이에 흐르는 공진 전류를 억제하기 위한 요소로서 자성체 코어를 이용하도록 하고 있지만, 자성체 코어 대신에, 예를 들어 리액터(reactor)나, 커먼 모드 초크 코일(common-mode choke coil) 등의 요소, 즉 임피던스 성분을 갖는 임피던스 요소를 이용하는 것도 가능하다. 중요한 점은 공진 주파수를, 예를 들어 차상 신호 기기, 지상 신호 기기 등에 영향을 주지 않는 주파수대에 시프트할 수 있으면, 어떠한 임피던스 요소를 이용해도 상관없다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 전기차용 전력 변환 장치는 컨버터 및 인버터의 각 직류 모선과, 컨버터, 인버터 등을 수용하는 상자체 사이의 부유 용량에 기인해 발생하는 공진 전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 발명으로서 유용하다.

1 가선
2 집전 장치
3 차륜
4 레일
6 변압기
9 차체
11 전기 기기
20 컨버터부
22 컨버터 주회로
24P, 24N, 64P, 64N 평활 컨덴서
30 컨버터용 냉각기
32 핀베이스(컨버터부)
34 핀(컨버터부)
50 인버터용 냉각기
52 핀베이스(인버터부)
54 핀(인버터부)
60 인버터부
62 인버터 주회로
70, 70a ~ 70d 자성체 코어
80 상자체
82 ~ 84, 86 ~ 88 부유 용량
90 전동기
91 ~ 93 공진 전류
100 전력 변환 장치
P, C, N 접속 도체
W 주행풍

Claims

교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터부와,
상기 직류 전력을 원하는 교류 전력으로 변환하여 전기차를 구동하는 전동기에 공급하는 인버터부와,
상기 컨버터부 및 상기 인버터부를 수용하고, 그 일부가 접지되는 상자체(box body)와,
상기 상자체의 내부에 배치되어, 상기 컨버터부와 상기 인버터부 사이에 흐르는 공진 전류를 억제하기 위한 임피던스 성분을 갖는 임피던스 요소를 구비한 것을 특징으로 하는 전기차용 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 임피던스 요소는 상기 컨버터부와 상기 인버터부 사이에, 그 컨버터부와 그 인버터부를 접속하는 접속 도체를 관통시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기차용 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 임피던스 요소는 적어도, 상기 컨버터부 내의 그 컨버터부를 구성하는 주회로의 출력측 또는 상기 인버터부 내의 그 인버터부를 구성하는 주회로의 입력측에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기차용 전력 변환 장치
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 임피던스 요소가 자성체 코어(magnetic core)인 것을 특징으로 하는 전기차용 전력 변환 장치.