(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子を備える電力変換装置であって、
該装置の内部の配線および／または基板に用いる導体を少なくとも２種類以上の材料で構成し、
前記材料のうち第１の材料を前記導体の中心部に用い、
前記材料のうち第２の材料を前記導体の表皮部に用い、
前記第１の材料が銅であり、前記第２の材料が青銅またはクロムであり、前記導体の表面からの距離と電流密度との関係を表す電流密度の断面プロファイルにおいて、前記第１の材料の表面および前記第２の材料の表面それぞれにピーク値が現れることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝導ノイズおよび／または放射ノイズを低減する電力変換装置に関する。具体的には、ノイズ電流が流れる経路にある配線および基板において、表皮効果を用いてノイズを低減するための周波数領域で抵抗を持たせることによって、ノイズの低減を図る電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ：電磁環境適合性）に関する規制が厳しくなる中、様々な電気電子機器から発生するノイズの低減が技術課題となっている。特にこれら電気電子機器の部品である半導体などのスイッチング素子がオン・オフ動作することによって発生するノイズの低減について対策が求められている。
【０００３】
ノイズ対策を行う上で、ノイズ電流の経路となる部位へインピーダンスを追加することが有効である。例えば、特許文献１にはフェライトコアの挿入が記載されている。しかし、例えば大電流が流れる部位へ適用する際には、コアの損失によって自己発熱して容易に温度が上昇するため、注意を要する。その上、材質や対象周波数にもよるが、どのようなフェライトコアであってもインダクタンスが追加されるため、サージを増加させる要因となりうる。
【０００４】
さらに特許文献２では、直流的には絶縁されているものの、ノイズ周波数の観点から電流の経路となる、電力変換器の接続したフィンやＡＣリアクトル、負荷であるモ一タの接地線に対して抵抗を外付け素子として追加する方法が記載されている。しかし、抵抗を追加した配線部がインダクタンスとして作用してしまう。このインダクタンスは、わずか数ｎＨ〜数十ｎＨ程度であるが、例えばスイッチング素子を用いたインバータの主回路などの大電流が流れる部位へ適用すると、スイッチング時のサージが大きくなる原因となる。したがって、わずかであってもインダクタンスを増加させるのが困難な部位に対して物理的に部品を追加することは困難である。さらに部品の追加はコストの上昇にもつながる。
【０００５】
上述の対策では何らかの外付け素子が必要である。これに対し、表皮効果を用いてノイズを抑制する方法も提案されている。例えば特許文献３では、電力用インバータモジュールに関して、回路パターンとして抵抗率の低い主配線と抵抗率および透磁率の高い表皮配線を備え、表皮配線部でノイズを抑制する方法が記載されている。
【０００６】
また、特許文献４では、電力変換回路を構成する銅製の配線またはブスバーを含む電極の表面にめっきを施すことや、抵抗性塗料またはフェライトなどの磁性物質を混合した材料を塗装することによって表皮部でノイズを抑制する方法が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特許第２８５１２６８号公報
【特許文献２】特開２００６−２５４６７号公報
【特許文献３】特開２００１−３２６３００号公報
【特許文献４】特開２００５−２０８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来技術では、表皮効果を得るための対象とする周波数が明確ではなかった。さらに、この周波数に伴って決まる表皮厚さも不明であった。
また、従来技術のように高抵抗の被覆を施しても、表皮効果が必ず得られるというわけではない。表皮効果によれば導体の表皮すなわち外壁を通って電流が流れるが、高い抵抗の材料を用いて被覆された場合は被覆部に電流は流れず、被覆部よりも内側で表皮を形成して電流が流れる。つまり、高抵抗の被覆を施しても被覆部に電流が流れないため、導体の抵抗を持たせることができない。そればかりか、例えば高抵抗で低熱伝導の樹脂材料などを銅バーなどに適用した場合には、バーの放熱特性を阻害してしまう弊害も発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、半導体スイッチング素子を備える電力変換装置であって、該装置の内部の配線および／または基板に用いる導体を少なくとも２種類以上の材料で構成し、前記材料のうち第１の材料を前記導体の中心部に用い、前記材料のうち第２の材料を前記導体の表皮部に用い、前記第１の材料が銅であり、前記第２の材料が青銅またはクロムであり、前記導体の表面からの距離と電流密度との関係を表す電流密度の断面プロファイルにおいて、前記第１の材料の表面および前記第２の材料の表面それぞれにピーク値が現れることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電力変換装置内の電流が流れる経路にある導体部に対し、表皮効果を用いて抵抗を持たせることによりノイズを低減することができる。本発明では、部品の追加により生じるインダクタンスの増加がないため、サージ対策が困難な部位への適用もできるとともに、直流的には中心導体の特性とほぼ変わらない特性が得られるため、対象とする１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の高周波ノイズを効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る電力変換装置の形態のうち最良のものについて図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係る電力変換装置では、表皮効果を起こす上で対象とする周波数を、半導体スイッチング素子を介して発生する伝導ノイズおよび／または放射ノイズの帯域である１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下としている。そして、本発明に係る電力変換装置では、その内部の配線および／または基板に用いる導体に対し、この周波数に基づく表皮厚さで被覆を施すことが好適である。ここで、σを導電率（Ω−１・ｍ−１）、μを透磁率（Ｈ／ｍ）、ωを角周波数（Ｈｚ）とすると、周波数ｆ（Ｈｚ）と表皮厚さＤＳ（ｍ）との関係は以下の式で表される。
【数１】
0005532554.tif 000002
【００１５】
本発明の一実施の形態によれば、上記導体の中心部の材料（第１の材料ともいう）として銅を用いる。銅の導電率はσ＝５９．６×１０６［Ω−１・ｍ−１］、透磁率はμ≒μ０＝４π×１０−７［Ｈ／ｍ］であるため、１ＭＨｚの場合は表皮厚さＤｓ≒６５μｍ、１００ＭＨｚの場合は表皮厚さＤｓ≒６．５μｍとなる。したがって、第１の材料として銅を用いた場合、６．５μｍ以上６５μｍ以下の厚さの範囲で被覆を施すことが好適な範囲となる。
【００１６】
本発明者らは、被覆に用いる材料の導電率に関する最適な数値範囲を見出すために鋭意検討を行った。
【００１７】
まず、図１は、このような目的のための解析に用いたブスバーを示している。このブスバーはコの字状であり、厚さは１ｍｍである。中心導体の材料はＣｕである。なお、本解析において、アンソフト社のＭａｘｗｅｌｌ３Ｄという解析ソフトを用いた。
解析には、図１に示すブスバー形状は図１に向かって左右、およびブスバーの厚み方向に対して対称性を有しているため、１／４モデルを用いて解析した。解析モードとしては、渦電流を考慮したモードであるeddy currentモードを用いた。周波数は上記範囲内で抵抗を持たせたい周波数としてここでは１０ＭＨｚで解析した例を示す。また、解析結果から表皮効果による抵抗値の変化を検証できる様に、表皮材料を変えたときのブスバーのトータルの抵抗値と、断面プロファイルを求めた。
【００１８】
その結果、被覆に用いる材料（第２の材料ともいう）は高抵抗であればよいというわけではないことが判明した。これは、高抵抗の材料を施しても、その内側に表皮を形成して導体内部に電流が流れてしまうため、抵抗を持たせることができない場合があるためと判断された。
【００１９】
表１には、代表的な表皮材質としてＣｕ（銅）、金（ｇｏｌｄ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、クロム（ｃｈｒｏｍｉｕｍ）、ステンレス鋼（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ  Ｓｔｅｅｌ）、ネオジム鉄（ＮｄＦｅ３５）、グラファイト（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）および海水（ＳｅａＷａｔｅｒ）のそれぞれの導電率と導電率（Ｃｕ比）と抵抗とを示す。図２は、表１をグラフ化したものである。
【表１】
0005532554.tif 000003
【００２０】
表１および図２からわかるように、系全体の材質をＣｕにした場合と比べて、中心導体（Ｃｕ）よりもやや導電率が低い導電材料、例えば青銅やクロムを用いた場合に最も抵抗が上昇し、約１．４倍まで大きくなる。さらに導電率の低い材料を用いても系全体の抵抗の上昇は見られない。
【００２１】
この原因は、表皮に電流が流れなくなるためと考えることができる。図３には、被覆材質（Ｃｕ、青銅、ステンレス鋼およびグラファイト）をパラメータとした場合の断面の電流プロファイルを示した。
【００２２】
系全体をＣｕにした場合には表皮に向かうにしたがって電流が大きくなっている。これに対し、上述したように最も抵抗が上昇した青銅を用いた場合には、被覆部と内部導体の両方に電流が流れ、２段型のプロファイルとなっている。これ以上低い伝導率の材料を用いた場合は、被覆部には電流が流れなくなっている。このように、中心導体に比べてやや低めの伝導率を持つ導電材料で被覆することによって、この被覆部に電流が流れ、系全体としての抵抗値を増加させることができることが了解される。
【００２３】
以上のことから、抵抗値にピークを発生するときの導電率は、表１に示されているようにＣｕ比で約２％以上約７１％以下であることが導き出された。
【００２４】
次に、本発明に係る電力変換装置を、具体的な装置に適用した実施の形態について説明する。
図４にこのような実施の形態として、電力変換装置の一種であるインバータ装置に、本発明を適用したものを示す。図４は、本実施の形態に係るインバータ装置４０の回路構成を概念的に示している。
このインバータ装置４０は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュール１とダイオードモジュール２とスナバコンデンサ３とを主な回路要素として備えている。ＩＧＢＴモジュール１は、スイッチング素子として機能する。
また、インバータ装置４０は、内部に銅バー配線４を備え、回路要素間を接続している。
さらに、インバータ装置４０は、図示のように、両端の導線配線５によって、負荷７と交流電圧源８とに電気的に接続されている。
そして、インバータ装置４０には、その全体の冷却を行うための冷却フィン６が設けられている。
【００２５】
インバータ装置４０について、具体的にはノイズ電流が流れる経路に存在する導体（第１の材料で構成された中心部）であれば、そのような導体を、第２の材料で覆うことができる。第２の材料は表皮部を構成する。第２の材料の導電率は、前記第１の材料の導電率の２％以上７１％以下である。
図５に、このような導体として、ＩＧＢＴモジュール１の入出力端子１１を適用対象とした実施の形態を示す。入出力端子１１には、被覆１１１による被覆が施されている。
図５の形態では、スナバコンデンサ３とＩＧＢＴモジュール１との間の共振により発生するノイズに対応することができる。
【００２６】
図６に、前記導体として、ＩＧＢＴモジュール１内部のボンディングワイヤー１２を適用対象とした実施の形態を示す。ボンディングワイヤー１２には、被覆１２１による被覆が施されている。
また、図７に、前記導体として、スナバコンデンサ３のスナバコンデンサ端子３１を適用対象とした実施の形態を示す。スナバコンデンサ端子３１には、被覆３１１による被覆が施されている。
さらに、図８に、前記導体として、ＩＧＢＴモジュール１の入出力端子につながる銅バー４１を適用対象とした実施の形態を示す。銅バー４１には、被覆４１１による被覆が施されている。
なお、図９の形態のように銅バー４１の代わりに導線５１を用いることもできる。導線５１には、被覆５１１による被覆が施されている。
図６〜図９のいずれの適用箇所も、スナバコンデンサ３とＩＧＢＴモジュール１との間の共振により発生するノイズにまつわる箇所である。したがって、これらの適用箇所に表皮部を設けたことにより、いずれの形態でもノイズ抑制効果を期待することができる。
【００２７】
導体配線はもちろんのこと、直流的には絶縁されていても、交流で見た場合にノイズ電流が流れる経路に存在する導体へ適用することもできる。
このような導体を適用対象とした形態として、図１０は、冷却フィン６１を適用対象とした形態を示している。冷却フィン６１には、被覆６１１による被覆が施されている。同様の趣旨で、ＩＧＢＴモジュール１の銅ベース板１３を適用対象とした形態を図１１に示している。銅ベース板１３には、被覆１３１による被覆が施されている。
これらの適用箇所も交流的には、スナバコンデンサ３とＩＧＢＴモジュール１との間の共振にまつわるノイズの影響を受ける。したがって、これらの適用箇所に表皮部を設けたことにより、いずれの形態でもノイズ抑制効果を期待することができる。
なお、図５〜１１の個々の形態は、いずれか一つでも、幾つかを組み合わせても、また全てを備えるようにしても実施することができる。
【００２８】
上述した実施の形態によるノイズ抑制効果について説明する。中心導体にＣｕを用い、対象周波数を１０ＭＨｚに定めた場合には、先に記載した解析結果に示すように、抵抗が１．４倍上昇する。したがって、図５〜１１の形態で、銅もしくはアルミ等の導電率が高い材料で導電経路が形成されており、これに経路のインピーダンスが律則されていれば、３ｄＢ（∵２０ｌｏｇ（１．４）≒３ｄＢ）ノイズ電流を低減することが可能である。また、（１）式に示すように周波数が大きくなると表皮厚さＤｓは小さくなる。すなわち、より表層に電流が集中するため、被覆による効果が高まる。以下の式で表されるように、吸収損失Ａ（無単位量）は一般に周波数の１／２乗に比例する。
【数２】
0005532554.tif 000004
ここで、σは導電率（Ω−１・ｍ−１）であり、μは透磁率（Ｈ／ｍ）であり、ｆは周波数（Ｈｚ）であり、ｔは表皮へのめっき厚さ（ｍ）である。
【００２９】
対象周波数が３０ＭＨｚの場合は、７．７ｄＢ（∵２０ｌｏｇ（１．４×√（３０／１０））≒７．７ｄＢ）、１００ＭＨｚの場合は、１３ｄＢ（∵２０ｌｏｇ（１．４×√（１００／１０））≒１３ｄＢ）ほど抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】被覆材料の導電率に対する抵抗の変化を解析した銅バーモデルを表す図である。
【図２】本発明の原理を表す、被覆材料の導電率に対する抵抗の変化を解析したグラフである。
【図３】銅バーの解析モデルにおける電流密度の断面プロファイルである。
【図４】インバータ装置の回路図である。
【図５】本発明の一実施形態に基づくＩＧＢＴモジュールの入出力端子への被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【図６】本発明の一実施形態に基づくＩＧＢＴモジュール内部のボンディングワイヤーへの被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【図７】本発明の一実施形態に基づくスナバコンデンサ端子への被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【図８】本発明の一実施形態に基づく銅バーへの被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【図９】本発明の一実施形態に基づく導線への被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【図１０】本発明の一実施形態に基づく冷却フィンへの被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【図１１】本発明の一実施形態に基づくＩＧＢＴモジュールの銅ベースへの被覆によるノイズ対策例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ＩＧＢＴモジュール
２  ダイオードモジュール
３  スナバコンデンサ
４  銅バー配線
５  導線配線
６  冷却フィン
７  負荷
８  交流電圧源
１１  ＩＧＢＴモジュールの入出力端子
１２  ＩＧＢＴモジュールのボンディングワイヤー
１３  被覆を施したＩＧＢＴモジュールの銅ベース
３１  スナバコンデンサの端子
４０  インバータ装置
４１  銅バー
５１  導線
６１  冷却フィン
１１１、１２１、１３１、３１１、４１１、５１１、６１１  被覆
【図１】
0005532554.tif 000005
【図２】
0005532554.tif 000006
【図３】
0005532554.tif 000007
【図４】
0005532554.tif 000008
【図５】
0005532554.tif 000009
【図６】
0005532554.tif 000010
【図７】
0005532554.tif 000011
【図８】
0005532554.tif 000012
【図９】
0005532554.tif 000013
【図１０】
0005532554.tif 000014
【図１１】
0005532554.tif 000015