(57)【要約】【課題】本明細書が開示する技術は、筐体の体格増加を抑えつつ、２個のＹコンデンサを実装した電力変換器を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換器は、その筐体１０に、電源から延びているパワーケーブルが接続されるコネクタ２０を備えている。そのコネクタ２０に、パワーケーブルの正極と負極との間に直列に接続される２個のＹコンデンサであって直列接続の中点がグランドと接続されるＹコンデンサを搭載した基板３０が取り付けられている。２個のＹコンデンサを搭載した基板３０をコネクタ２０に取り付けることで、電力変換器の筐体１０の体格増加を抑えることが可能となる。【選択図】図４
2020174446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載の電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器であり、
前記電源から延びているパワーケーブルが接続されるコネクタを備えており、
前記コネクタに、前記パワーケーブルの正極と負極との間に直列に接続される２個のＹコンデンサであって直列接続の中点がグランドと接続される前記Ｙコンデンサを搭載した基板が取り付けられている、電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、電力変換器にて発生するノイズを低減する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、車載の電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器を備えている。電力変換器は複数のスイッチング素子を備えている。スイッチング素子の動作に伴って高周波ノイズが発生する。特許文献１に開示されている電力変換器は、高周波ノイズを抑えるべく、電力変換器にて、電源の正極と負極の夫々に接続されている正極線と負極線の間に２個のＹコンデンサを直列に接続する。２個のＹコンデンサの直列接続の中点はグランドに接続される。スイッチング素子はパワーモジュールに収容されており、２個のＹコンデンサは、パワーモジュールの外側に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２６３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２個のＹコンデンサを電力変換器の筐体内に設置するにはそのための空間が必要になり電力変換器の筐体を大きくしなければならない。本明細書が開示する技術は、筐体の体格増加を抑えつつ、２個のＹコンデンサを実装した電力変換器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する電力変換器は、その筐体に、電源から延びているパワーケーブルが接続されるコネクタを備えている。そのコネクタに、パワーケーブルの正極と負極との間に直列に接続される２個のＹコンデンサであって直列接続の中点がグランドと接続されるＹコンデンサを搭載した基板が取り付けられている。２個のＹコンデンサを搭載した基板をコネクタに取り付けることで、電力変換器の筐体の体格増加を抑えつつ２個のＹコンデンサを実装した電力変換器が実現される。
【０００６】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】電力変換器の回路図である。
【図２】ノイズ経路の等価回路図である。
【図３】図２の等価回路の周波数応答特性を示すグラフである。
【図４】電力変換器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。電力変換器２は、電気自動車に搭載される。電力変換器２は、車載のバッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。まず、図１に、電力変換器の回路図を示す。図１には、電力変換器２に接続されるバッテリ９１と走行用のモータ９２も図示してある。
【０００９】
電力変換器２は、バッテリ９１の直流電力の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路８と、昇圧後の直流電力を三相交流電力に変換するインバータ回路９を備えている。
【００１０】
電圧コンバータ回路８は、リアクトル４、フィルタコンデンサ３ａ、２個のスイッチング素子５ａ、５ｂ、スイッチング素子５ａ、５ｂのそれぞれに逆並列に接続されている還流ダイオードを備えている。スイッチング素子５ａ、５ｂは、電圧コンバータ回路８の高電圧端の正極８ｃと負極８ｄの間に直列に接続されている。リアクトル４は、電圧コンバータ回路８の低電圧端の正極８ａと、２個のスイッチング素子５ａ、５ｂの直列接続の中点８ｅとの間に接続されている。低電圧端の正極８ａと負極８ｂの間にフィルタコンデンサ３ａが接続されている。電圧コンバータ回路８の回路構成と動作はよく知られているので説明は省略する。スイッチング素子５ａ、５ｂと還流ダイオードはパワーモジュール７ｄとして集積されている。図１では、パワーモジュール７ｄ（及び、後述するパワーモジュール７ａ−７ｃ）に相当する部分を二点鎖線で描いてある。
【００１１】
インバータ回路９は、２個のスイッチング素子の直列接続の組を３組備えており、その３組の直列接続が並列に接続された回路構成を有している。スイッチング素子６ａ、６ｂが直列に接続されており、それぞれのスイッチング素子に対して還流ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子６ａ、６ｂと還流ダイオードはパワーモジュール７ａとして集積されている。パワーモジュール７ｂ、７ｃもパワーモジュール７ａと同じ構成を有している。３組の直列接続（パワーモジュール７ａ−７ｃ）の中点から交流が出力される。３組の直列接続（パワーモジュール７ａ−７ｃ）の中点がモータ９２に接続されている。
【００１２】
スイッチング素子５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ等は、電力変換用のパワートランジスタである。スイッチング素子５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ等は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。
【００１３】
電圧コンバータ回路８とインバータ回路９の間には、平滑コンデンサ３ｂが接続されている。
【００１４】
図１では、電力変換器２の筐体１０、コネクタ２０、基板３０を二点鎖線で描いてある。コネクタ２０には、バッテリ９１から延びているパワーケーブルが接続される。コネクタ２０の内部に正極線２１と負極線２２が備えられており、それらがバッテリ９１と電圧コンバータ回路８を接続する。
【００１５】
コネクタ２０には、基板３０が備えられている。基板３０には、２個のＹコンデンサ３１、３２が備えられている。２個のＹコンデンサ３１、３２は、正極線２１と負極線２２の間に直列に接続されており、直列接続の中点は筐体１０に接続されている。筐体１０は導電性の金属で作られており、車両のグランドＧと導通している。電気自動車では、車両の金属製のボディがグランドＧに相当する。
【００１６】
よく知られているように、正極線２１と負極線２２の間に直列に接続されているとともに中点がグランドＧに接続されている２個のＹコンデンサ３１、３２は、正極線２１と負極線２２に流れるコモンモードノイズを低減する。
【００１７】
電力変換器２で発生するコモンモードノイズについて説明する。パワーモジュール７ａ−７ｄは、スイッチング素子５ａ、５ｂ等を収容した薄型のパッケージであり、表面に電極を兼ねた放熱板が露出している。パワーモジュール７ａ−７ｄのそれぞれには、放熱板に対向するように金属製の冷却器が配置されている。金属製の冷却器と放熱板の間には絶縁板が挟まれている。冷却器と放熱板と絶縁板が寄生容量を生じる。図１に示す符号４１で示した点線のコンデンサが寄生容量（寄生容量４１）を表している。寄生容量４１は、筐体１０を介してグランドＧに導通している。また、バッテリ９１とモータ９２も、グランドＧに導通している。
【００１８】
スイッチング素子５ａ、５ｂ等が発生する高周波ノイズの一部は、正極線２１と負極線２２を同じ方向に伝播し、寄生容量４１とグランドＧ、バッテリ９１（あるいはモータ９２）を通じて流れる。正極線２１と負極線２２を同じ方向に流れるノイズがコモンモードノイズである。先に述べたように、車体の金属製のボディがグランドＧに相当する。すなわち、筐体１０の外に伝播するコモンモードノイズは、ラジオの出力に雑音を生じさせ得る。
【００１９】
正極線２１と負極線２２の間に直列に接続されるとともに直列接続の中点がグランドＧに接続される２個のＹコンデンサ３１、３２は、コモンモードノイズを抑制する。スイッチング素子５ａ、５ｂ等が発生した高周波ノイズは、寄生容量４１を介して筐体１０へ伝播する。筐体１０に伝わった高周波ノイズは、２個のＹコンデンサ３１、３２を通じて正極線２１と負極線２２に伝播し、スイッチング素子５ａ、５ｂへと還流する。高周波ノイズの一部は筐体１０内部で循環し、筐体１０から漏れる高周波ノイズが減少する。高周波ノイズのラジオへの影響を低減することができる。
【００２０】
図２に、図１におけるノイズ経路を表した等価回路図を示す。正極線２１（負極線２２）とグランドＧとの間に、いくつかの容量とインダクタが接続されている。なお、図２におけるグランドＧは、筐体１０を意味している。
【００２１】
符号４６が示す点線のコンデンサは、複数のパワーモジュール７ａ−７ｄの全体（寄生容量４１を含む）が有している容量（等価容量４６）を表している。符合４５が示す点線のインダクタは、複数のパワーモジュール７ａ−７ｄとそれらを接続する導電経路（バスバ）が有しているインダクタンス（バスバインダクタンス）を表している。符合４２ａ、４２ｂが示す点線のインダクタは、Ｙコンデンサ３１、３２が有している等価直列インダクタンス（ＥＳＬＢ）を表している。符合４３ａ、４３ｂが示す点線のインダクタンスは、コンデンサ３１、３２を他の部品と接続している導電経路の等価直列インダクタンス（ＥＳＬＣ）を表している。また、符号４４が示す点線のインダクタンスは、グランドＧの経路が有している寄生インダクタンス（グランドインダクタンス４４）を表している。
【００２２】
上記した等価容量４６、インダクタンス４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４、４５をそれぞれ、以下の記号で表す。
等価容量４６＝ＣＰ／Ｃ
バスバインダクタンス４５＝Ｌｂｕｓ
等価直列インダクタンス４２ａ、４２ｂ＝ＥＳＬＢ
等価直列インダクタンス４３ａ、４３ｂ＝ＥＳＬＣ
グランドインダクタンス４４＝ＥＳＬＧＮＤ
【００２３】
図２の等価回路の周波数特性図を図３に示す。図２の等価回路は、Ｙコンデンサ３１、３２の容量（ＣＹ）、インダクタンス４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４で構成される共振系（第１共振系）と、等価容量４６、インダクタンス４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４、４５で構成される共振系（第２共振系）を有することになる。
【００２４】
第１共振系の容量Ｃ１とインダクタンスＬ１は、次の（数式１）で表される。
【００２５】
【数１】
2020174446.tif 000003
【００２６】
第２共振系の容量Ｃ２とインダクタンスＬ２は、次の（数式２）で表される。
【００２７】
【数２】
2020174446.tif 000004
【００２８】
第１共振系の共振周波数ｆ１と第２共振系の共振周波数ｆ２が等しくなると、両方の共振系が相殺し、ノイズが小さくなることが期待できる。実施例の電力変換器２では、数式１と数式２から、共振周波数ｆ１、ｆ２が一致するように、Ｙコンデンサ３１、３２の容量ＣＹが選定される。Ｙコンデンサ３１、３２の容量を上記のように選定することで、スイッチング素子５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ等の動作に起因して発生すコモンモードノイズを効果的に抑えることができる。なお、共振周波数ｆ１、ｆ２は、完全に一致せずとも、概ね一致していればノイズ低減効果が期待できる。
【００２９】
図１に二点鎖線で示したように、Ｙコンデンサ３１、３２を実装した基板３０は、コネクタ２０に備えられている。図４に、電力変換器２の斜視図を示す。図４では、筐体１０の上部開口を覆う上カバーは外してある。また、図４の左側の図におけるコネクタ２０の拡大図を図４の右側に示してある。
【００３０】
符号５０は、複数のパワーモジュール７ａ−７ｄと複数の冷却器の積層ユニットを示している。なお、図１では示されていないが、電力変換器２は、複数のモータに対応するため、複数のインバータ回路を備えている。それゆえ、図４の積層ユニット５０は、図１に示した４個のパワーモジュール７ａ−７ｄの個数よりも多くのパワーモジュールを含んでいる。
【００３１】
先に述べたように、パワーモジュール７ａ−７ｄは扁平であり、幅広面の両側に絶縁板を挟んで冷却器が接している。また、幅広面には、電極を兼ねた放熱板が露出しており、放熱板と絶縁板と冷却器が寄生容量を形成する。多数のパワーモジュールと多数の冷却器が積層されているので、多数の寄生容量が生じ、合計の寄生容量は相応の大きさになる。また、積層ユニット５０は筐体に接しているため、寄生容量が筐体１０を通じてグランドに導通することになる。
【００３２】
筐体１０の側面にコネクタ開口１０ａが設けられており、そのコネクタ開口１０ａから、コネクタ２０の先端２６が露出している。コネクタ２０の先端２６には、バッテリ９１（図１参照）から延びているパワーケーブルが接続される。そのパワーケーブルによって、バッテリ９１の電力が電力変換器２へ伝送される。
【００３３】
図４の右側にコネクタ２０の拡大図を示す。コネクタ２０の本体２５は樹脂で作られており、バスバ１２１、１２２が埋設されている。バスバ１２１、１２２の一端１２１ａ、１２２ａは、コネクタ２０の筒状の先端２６の中に位置している。先端２６には、バッテリ９１から延びるパワーケーブルが接続され、パワーケーブル側の端子がバスバ１２１、１２２の一端１２１ａ、１２２ａに接続される。
【００３４】
バスバ１２１、１２２の他端１２１ｂ、１２２ｂは、本体２５の上面に露出している。図４の左側の図に示されているように、バスバ１２１、１２２の他端１２１ｂ、１２２ｂは、積層ユニット５０から延びるバスバとボルトで接続される。積層ユニット５０から延びるバスバは、各パワーモジュール７ａ−７ｄに接続され、図１の回路が構成される。バスバ１２１（バスバ１２２）は、図１で示した正極線２１（負極線２２）に対応する。
【００３５】
コネクタ２０の本体２５に基板３０が固定されている。基板３０は、ネジ３３、３４でコネクタ２０の本体２５に固定されている。基板３０に、図１で示した２個のＹコンデンサ３１、３２が実装されている。
【００３６】
実施例の電力変換器２では、２個のＹコンデンサ３１、３２を実装した基板３０がコネクタ２０に固定されている。電力変換器２では、基板３０をコネクタ２０に固定するので、筐体１０の内部に独立した基板３０を収容するスペースを設ける必要がない。すなわち、基板３０をコネクタ２０に固定することで、実施例の電力変換器２は、筐体１０の内部のスペースの増加を抑えるとともに、筐体１０から漏れる高周波ノイズを低減することができる。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３８】
２：電力変換器    ３ａ、３ｂ：コンデンサ    ４：リアクトル    ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ：スイッチング素子    ７ａ−７ｄ：パワーモジュール    ８：電圧コンバータ回路    ９：インバータ回路    １０：筐体    １０ａ：コネクタ開口    ２０：コネクタ    ２１：正極線    ２２：負極線    ３０：基板    ３１、３２：Ｙコンデンサ    ４１：寄生容量    ４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４、４５：インダクタンス    ５０：積層ユニット    ９１：バッテリ    ９２：モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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