(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計算機がノイズ等価回路を用いて回路解析を行うノイズ解析システムであって、
前記ノイズ等価回路が、第１及び第２の電子機器と、前記第１の電子機器に接続された負荷と、前記第１の電子機器に対して外部に設けられた外部金属部品と、を含む実際のシステムにおける前記第１の電子機器から伝播するノイズを評価するためのノイズ等価回路であり、
前記第２の電子機器を表現する他装置回路と、
１つ以上のエネルギー源を含み、前記第１の電子機器を表現する評価対象装置回路と、
前記負荷を表現する負荷モデルと、
前記エネルギー源からのエネルギーを、伝導ポートを介して前記負荷モデルに伝導するための伝導経路と、
前記外部金属部品からの影響を表現する伝搬経路と、
前記伝搬経路及び前記第２の電子機器との電界および磁界の結合による電磁界結合経路と、
グランドと前記評価対象装置回路とを接続するグランドポートと、
を有することを特徴とするノイズ解析システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記評価対象装置回路と前記他装置回路は、容量結合ポートを介して接続されることを特徴とするノイズ解析システム。
【請求項３】
請求項１において、
前記評価対象装置回路と前記伝搬経路は、誘電ポートを介して接続されることを特徴とするノイズ解析システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記評価対象装置回路は、前記エネルギー源、前記グランドポート、前記伝導ポート、前記容量結合ポート、及び前記誘電結合ポートの他に、さらに、ノイズ電圧源と、ノイズ電流源と、内部インピーダンスと、を有し、
前記伝導ポート、前記容量結合ポート及び前記誘電結合ポートのそれぞれは、前記ノイズ電圧源或いは前記ノイズ電流源と、前記内部インピーダンスによって表現されていることを特徴とするノイズ解析システム。
【請求項５】
請求項４において、
前記伝導ポート、前記容量結合ポート及び前記誘電結合ポートに発生する電流をＩｎ、それぞれのポートにおける結合計数をｋｎ、ｎをポート数を表す正整数とすると、評価すべき前記第１の電子機器のノイズは、前記電流Ｉｎと前記結合計数ｋｎの内積で表現されることを特徴とするノイズ解析システム。
【請求項６】
請求項５において、
前記ノイズ電圧源及び前記ノイズ電流源は、互いに独立に動作することを特徴とするノイズ解析システム。
【請求項７】
請求項５において、
前記ノイズ電圧源及び前記ノイズ電流源はそれぞれ、前記伝導ポート、前記誘電結合ポート、或いは前記容量結合ポートと接続されており、前記ノイズ電圧源及び前記ノイズ電流源は、それぞれが接続されているポート以外のポートにおける電流或いは電圧の関数で表現されることを特徴とするノイズ解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はノイズ等価回路に関し、例えば、電気装置のノイズ解析設計技術におけるノイズ解析（評価）のための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に電子機器では、電圧や電流を高速にスイッチングすることにより、不要な電磁波が発生し、ラジオや無線通信などの障害の原因となることがある。このため、米国ではＦＣＣ、日本ではＶＣＣＩなどの機関によりＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility：電磁界）規格が制定されており、電子機器から放射される電磁界の強度が規制されている。【０００３】
また、自動車や電車に搭載される電子コンポーネントに対しては、各自動車メーカならびに鉄道事業者により、独自の規制が定められている。電子コンポーネントメーカは、その規格に適合した電子コンポーネントを開発し、供給する必要がある。【０００４】
一方、車載電子コンポーネントに対する各社のＥＭＣ規格では、特定の実装状態を想定したＥＭＣ試験法が規定されているが、実際に車両に搭載されている搭載状態を完全に再現された試験法にはなっていないのが実情である。これは、システムから放射される電磁ノイズ量は、コンポーネントの実装条件、負荷などによって変化するが、実際に使用される全ての状態で電子コンポーネントのＥＭＣ試験を行うことが困難であることが原因である。【０００５】
この点、電気装置のノイズ解析設計技術に関して、例えば特許文献１、２に記載される技術などが挙げられる。【０００６】
特許文献１には、コンピュータの使用するメモリ量、およびシミュレーション計算時間の大幅な削減をする電磁界解析装置において、シミュレーションによる電磁界計算結果と、実際の電磁界計算結果との誤差が極小となるようにする技術が記載されている。【０００７】
また、特許文献２には、プリント配線板の設計において、電磁放射のシミュレーションを電磁界解析により高精度に行う設計手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２０９５９０号公報
【特許文献２】特開２００４−３６２０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、電気装置のノイズ解析設計技術に関し、本発明者らが検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。たとえば、特許文献１は、モデルの簡略化はビア（多層基板の層間を導通接続する穴）のリターン電流のみを考慮し、基板間、基板−ケーブル間については記載されておらず、また、寄与度の高い部位（主経路）の抽出が行われていない。また、特許文献２は、基板の電磁界解析を対象としており、システム全体から放射される電磁界解析手法については記載されていない。【００１０】
さらに、特許文献１及び２に記載の電気装置のノイズ解析設計技術によると、自動車用インバータでは、ＥＭＣ設計を電磁界解析にて求める場合、例えば１００ｋＷクラスのインバータの設計において１ｎＷと小さい許容漏洩電力以下に抑えるには、出力電力と許容漏洩電力との比を１０−１４以下に抑制することが必要である。そのためには、非常に精度の高い解析が必要とされるが、計算機コストをかけても実用時間内に計算を行うことは出来ないのが現状である。【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、システム構築時に、設計の上流段階（設計の初期段階）で、実用時間内、かつ低価格な計算処理でＥＭＣ規格を満足するか否かを判断することができるＥＭＣ解析シミュレーション技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明では、ＥＭＣ解析シミュレーションを支援するために、電気装置や電子機器のノイズを評価するためのノイズ等価回路が提供される。代表的なものとして、自動車用インバータなどの電気装置のノイズ等価回路が挙げられる。当該電気装置を有するシステムを表現するノイズ等価回路は、１つ以上のエネルギー源と、エネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路として、ケーブルなどによる伝導経路に加えて、他の電子機器、ケーブルなどとの電界および磁界の結合による電磁界結合経路および、システムと接続されるＧＮＤポートと、を有する。また、それぞれのポートがノイズ電圧源あるいはノイズ電流源と内部インピーダンスから表現されている。このノイズ等価回路を用いることで、外部に接続されている負荷あるいは、外部装置およびケーブルとの距離などにより変化する外部インピーダンスを決定することにより、システム全体のノイズを解析可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、システム構築時の設計上流段階（設計の初期段階）で、実用時間で、かつ低価格計算処理でノイズの振舞いをシミュレーションすることが可能となる。【００１４】
なお、上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の本発明を実施するための形態および添付図面によって明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態によるノイズ等価回路の構成例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における、容量結合ポートの値の決定方法を説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施形態によるノイズ等価回路の構成例を示す図である。
【図４】ノイズ解析（評価）対象のインバータの構造例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態を適用してノイズを解析する対象となる自動車用インバータのＥＭＣ設計を説明するための図である。
【図６】図４のインバータの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実際にシステムを製造してからノイズを測定し、ＥＭＣ規格をオーバーしているので、対策を立てようとすると、実際に作成したシステムが無駄となり、結局コストが高くついてしまう。このため、設計段階で大よそどの程度のノイズが発生するのか見積もることができれば、システムを作り直す必要がなくなり、製造コストを抑えることができる。
【００１７】
そこで、本発明では、システムで発生するノイズの振舞いを高速に解析できるコンポーネントのノイズ等価回路を提供する。
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による電気装置のノイズ解析設計技術の概要を説明する。本実施形態においては、ＥＭＣ高速解析技術を実現するために回路解析を用いる。ＥＭＣは、元来、電磁現象の問題であるから電磁界解析を解くのが普通であるが、本実施形態では、それを電気回路で解析することで高速化するという発想の転換を行っている。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００１９】
（１）第１の実施形態
＜ノイズ等価回路の構成例＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるノイズ等価回路の構成例を説明するための図である。図１Ａは、実際のシステムの例（例えば、ハイブリッド車や電気自動車）を示す図である。図１Ｂは、図１Ａのシステムをノイズ等価回路で表現した場合の回路例を示す図である。
【００２０】
実際のシステムは、図１Ａに示されるように、インバータ等の対象装置２０１と、負荷２０３と、対象装置２０１と負荷２０３とを接続するためのケーブル２０２と、他の回路を構成する他ケーブル（他配線：例えば、負荷がＥＣＵの場合、ハイブリッド車でエンジンを制御するための電気的ケーブル）２０４と、負荷（例えば、ＥＣＵ、ナビシステム、ラジオ等の電気機器）と、他装置２０５と、を含んでいる。
【００２１】
図１Ａに示される実際のシステムをノイズ等価回路で表現すると、図１Ｂのようになる。当該ノイズ等価回路１は、対象装置２０１を表現した回路と、負荷モデル２０７と、他ケーブル２０４と負荷を表現した回路、他装置２０５を表現した回路と、を有する。対象装置を表現した回路は、少なくとも１つの内部インピーダンス２１３と、少なくとも１つのノイズ電圧源２０８と、少なくとも１つのノイズ電流源２０９と、を有する。また、当該ノイズ等価回路１は、対象装置２０１から伝播されるノイズの伝播経路として、伝導ポート２０６と、誘導結合ポート２１０と、容量結合ポート２１１と、ＧＮＤポート２１２と、を有する。そして、それぞれのポートは、ノイズ電圧源２０８−１乃至２０８−３の何れか、またはノイズ電流源２０９、および、内部インピーダンス２１３−１乃至２１３−４の何れか、によって表現されている。なお、実際のシステムにおいて対象装置２０１に接続されている他の装置やその近傍のケーブルの有無や個数によって、ノイズ等価回路１で構成される内部インピーダンスやノイズ電圧源・電流源の個数は変化することに注意されたい。
【００２２】
伝導ポート２０６は、ケーブルを介して装置外部に漏洩するノイズ電流（Ｉ１及びＩ２）を表現するポートである。漏洩するノイズ電流量は外部の負荷モデル２０７によって決定される。また、誘導結合ポート２１０は、装置に発生するノイズ電流により外部のケーブル２０４などの金属部品に誘導される誘導電流（Ｉ３）を表現するポートである。この誘導電流は、ケーブル２０４に接続される負荷モデルによって決定される。さらに、容量結合ポート２１１は、対象装置２０１に発生するノイズ電圧２０８−３により他の装置２０５に発生するノイズ電圧（電流値はＩ４）を表現するポートである。この容量結合２１１により発生するノイズ電圧は、他装置２０５のノイズモデルにより決定される。
【００２３】
容量結合ポート２１１に設定される容量の値は、対象装置２０１と他装置２０５との間の距離および、対向面積により値が変化する。すなわち、容量値は、装置間の距離および対向面積の関数として記述される。
【００２４】
また、誘導結合ポート２１０のインダクタンスおよびその結合計数kは、対象装置２０１と他ケーブル２０４との間の距離および、ケーブル長さによって変化する。すなわち、インダクタンス値および結合計数ｋは、装置とケーブルあるいはケーブルとケーブル間の距離およびケーブル長さの関数として表現される。そして、評価すべきノイズＮは、各ケーブルや装置における結合計数（ｋ１,・・・,ｋｎ）と各ケーブルに流れる電流や発生する誘導電流（Ｉ１,・・・,Ｉｎ）の内積で表される。つまり、Ｎ＝ｋ１・Ｉ１＋Ｋ２・Ｉ２＋・・・ｋｎ・Ｉｎとなる。このＮをＥＭＣ規格と比較することにより想定されるノイズを評価してノイズ解析を行うことになる。
【００２５】
＜容量結合ポートの値の決定方法＞
図２は、図１に示すノイズ等価回路のうち容量結合ポート２１１の決定方法の一例を説明するための図である。図２では、例としてバスバー１０５と制御ケーブル１１１の間の容量結合ポートの値の決定方法について説明する。
【００２６】
容量結合ポート２１１の容量値は部品の位置や部品間の寸法で変化する。そこで、例えば図２に示すように、制御ケーブル１１１とバスバー１０５間の寄生容量Ｃを算出する場合、まず、断面構造において、制御ケーブル１１１とバスバー１０５の距離ｈやバスバー１０５の幅ｗといった実装可能な範囲を求める。この実装可能な範囲内で、結合容量の解析式や２次元の電磁界解析などを用いて定数を算出する。その定数の値は、制御ケーブル１１１とバスバー１０５の位置に対しての関数となり、距離や幅といった構造が変化した場合における容量値を決定できる。
【００２７】
（２）第２の実施形態
図３は、本発明の第２の実施形態によるノイズ等価回路の構成例を説明するための図である。
【００２８】
第１の実施形態（図１参照）では、各ノイズ電圧源２０８−１乃至２０８−３とノイズ電流源２０９はそれぞれ独立としていたが、それぞれのポートにおいて同じノイズ源が駆動している場合や、それぞれのポートに流れる電流によってノイズ源が変化する場合がある。そのような場合には、それぞれのノイズ電圧源およびノイズ電流源は、他のポートを流れる電流あるいは、他のポートの電圧の関数で表現することが可能である。つまり、例えば、図２におけるＶ１はＩ１単独で決まるわけはなく、他のポートを流れる電流値によって変化するため、Ｉ２乃至Ｉ４の関数でＶ１が表現される。
【００２９】
（３）ノイズ等価回路の具体例：自動車用インバータのノイズ等価回路
図４乃至６は、本発明を適用した自動車用インバータのＥＭＣ設計を説明するための図である。図４は、自動車用インバータの構造例を示す図である。図５は、図３に示される自動車用インバータ１００と他の装置やケーブルとの関係を示す図である。図６は、自動車用インバータ１００の断面を示す図である。
【００３０】
自動車用インバータ１００は、図１及び３における対象装置２０１に相当する装置であり、図４に示されるように、筐体１０１の中に、基板１０３上のＬＳＩ１０２と、パワーモジュール（ＩＧＢＴ）１０４と、パワーモジュール１０４に接続されたバスバー１０５と、を有する。基板１０３は、筐体１０１のビア１１３を介して制御ケーブル１１１と差接続されている。バスバー１０５は、筐体１０１のビア１１２を介してモータケーブル１１０と接続されている。
【００３１】
図５に示されるように、インバータ１００には電池１５０が接続される。また、インバータ１００には、このインバータ１００から引き出されたモータケーブル１１０がタイヤ１６０を駆動するモータ１７０に接続され、制御ケーブル１１１がＥＣＵ（Engine Control Unit）１８０に接続される。
【００３２】
さらに、図５に示したインバータ１００の断面は、図６のようになる。図６に示すように、ＬＳＩ１０２が実装された基板１０３と、パワーモジュール１０４に接続されたバスバー１０５との間に容量性結合が発生する。また、基板１０３とグランド板との間に誘導性結合、基板１０３と筐体１０１との間に導電性結合が発生する。
【００３３】
自動車の場合、タイヤ１６０をモータ１７０で駆動するために電池１５０から直流電流を交流に変換するインバータ１００が用いられる。ここでは、自動車を加速することや、減速させることなどの制御信号をＥＣＵ１８０から制御ケーブル１１１を介してインバータ１００に伝達され、これに従ってインバータ１００はパルス変調によるトルク制御を行う。
【００３４】
このインバータ１００のパルス変調時にノイズが生じ、これが部分的に外部に漏れて、そこからノイズ放射が生じる。電界アンテナでの電界強度が規制値を超えないようにするためには、許容される漏洩電力は１ｎＷに相当する。他方、インバータ１００の最大出力は１００ｋＷクラスであり、出力電圧をこの許容漏洩電力以下に抑えるには、その２つの比を１０−１４以下に抑える必要がある。すなわち、このインバータ１００の装置外部への漏洩を抑えて放射ノイズを規制値以下にするＥＭＣ設計では、漏洩電力を出力の１４桁以下に抑えなければならないという難しさがある。
【００３５】
このため、従来技術では、前述したように、このＥＭＣ設計で計算機コストをかけても実用時間内に計算が終わらなかったが、本発明によるノイズ等価回路（例えば、図１及び図２参照）を適用することで、実用時間内で、かつ低価格で計算処理を終わらせることができるようになる。
【００３６】
（４）まとめ
本発明は、電気装置のノイズ解析設計技術に関し、特に、自動車用インバータなどのＥＭＣノイズ解析設計方法に利用可能である。
【００３７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００３８】
本発明によるノイズ等価回路で表現しようとする実際のシステムは、例えば、第１の電子機器（インバータを含む装置）と、第２の電子機器（ＥＭＣ）と、第１の電子機器に接続された負荷（モータ）と、第１の電子機器に対して外部に設けられた外部金属部品（外部ケーブル）と、を含んでいる。そして、本発明によるノイズ等価回路は、当該システムにおける第１の電子機器から伝播するノイズを評価するため回路である。本発明によるノイズ等価回路は、第２の電子機器を表現する他装置回路と、１つ以上のエネルギー源（インバータ、基板上のＬＳＩ，スイッチング電源等を表現するもの）を含み、第１の電子機器を表現する評価対象装置回路と、負荷（モータ）を表現する負荷モデル（ＬＲＣ）と、エネルギー源からのエネルギーを、伝導ポートを介して負荷モデルに伝導するための伝導経路と、外部金属部品（外部ケーブル）からの影響を表現する伝搬経路と、伝搬経路及び第２の電子機器との電界および磁界の結合による電磁界結合経路と、グランドと評価対象装置回路とを接続するグランドポートと、を有している。また、評価対象装置回路と他装置回路は、容量結合ポートを介して接続され、評価対象装置回路と伝搬経路は、誘電ポートを介して接続される。システムをこのような等価回路で表現することにより、実際にシステムを組み立てなくても正確なノイズ解析シミュレーションを実行することができるようになる。
【００３９】
より具体的には、評価対象装置回路を、エネルギー源、グランドポート、伝導ポート、容量結合ポート、及び誘電結合ポートの他に、さらに、ノイズ電圧源と、ノイズ電流源と、内部インピーダンスと、を有するように構成する。そして、伝導ポート、容量結合ポート及び誘電結合ポートのぞれぞれは、ノイズ電圧源或いはノイズ電流源と、内部インピーダンスによって表現されるようにする。このように評価対象装置をノイズ等価回路で表現することにより、より正確に発生するノイズを評価することができるようになる。
【００４０】
なお、ノイズ電圧源及びノイズ電流源を互いに独立に動作させるようにしても良いし、ノイズ電圧源及びノイズ電流源は、それぞれが接続されているポート以外のポートにおける電流或いは電圧の関数で表現する（依存関係を持たせる）ようにしても良い。このようにすることにより、システムの構成により適合した状態のノイズ等価回路を構成することができるようになり、その結果、より正確なノイズ解析を実施することができるようになる。
【符号の説明】
【００４１】
１００・・・インバータ
１０１・・・筐体
１０２・・・ＬＳＩ
１０３・・・基板
１０４・・・パワーモジュール
１０５・・・バスバー
１１０・・・モータケーブル
１１１・・・制御ケーブル
１１２・・・開口部、
１５０・・・電池
１６０・・・タイヤ
１７０・・・モータ
１８０・・・ＥＣＵ、
２０１・・・対象装置
２０２・・・ケーブル
２０３・・・負荷
２０４・・・他ケーブル（外部ケーブル）
２０５・・・他装置
２０６・・・伝導ポート
２０７・・・負荷モデル
２０８・・・ノイズ電圧源
２０９・・・ノイズ電流源
２１０・・・誘導結合ポート
２１１・・・容量結合ポート
２１２・・・ＧＮＤ（グランド）ポート
２１３・・・内部インピーダンス
【図１】
0005980213.tif 000002
【図２】
0005980213.tif 000003
【図３】
0005980213.tif 000004
【図４】
0005980213.tif 000005
【図５】
0005980213.tif 000006
【図６】
0005980213.tif 000007