(57)【要約】【課題】電源装置において、高周波動作電源回路から生じ得るコモンモードノイズを効果的に抑制することである。【解決手段】電源装置２０は、接地５０に接続されるケース３０に、接地５０との間が絶縁されて配置される高周波動作電源回路であるインバータ２８と、ケース３０と高周波動作電源回路であるインバータ２８との間に設けられ、ケース３０と高周波動作電源回路であるインバータ２８との間の絶縁層３４のインピーダンス値に比較して小さいインピーダンス値を有するインピーダンス回路４０を含む。インピーダンス回路４０は、容量値の互いに異なる複数の容量素子４２，４４，４６を並列に接続して構成される。【選択図】図１
2012196113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地に接続されるケースに、接地との間が絶縁されて配置される高周波動作電源回路と、
ケースと高周波動作電源回路との間に設けられ、ケースと高周波動作電源回路との間の絶縁体のインピーダンス値に比較して小さいインピーダンス値を有するインピーダンス回路と、
を含むことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
インピーダンス回路は、
容量値の互いに異なる複数の容量素子を並列に接続して構成されることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電源装置において、
高周波動作電源回路は、回転電機駆動用のインバータであることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に係り、特に回転電機等に用いられるときにコモンモードノイズ源となる高周波動作電源回路を含む電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される回転電機には、その回転電機を駆動するためのインバータを含む電源回路が接続される。車両用回転電機は高電圧で動作するので、電源回路の正極側母線、負極側母線は接地電位からフローティングされており、電源回路のケースが車両の車体に接続され、これが接地電位とされる。
【０００３】
そのために、インバータの高周波スイッチング動作による電磁ノイズによって、対地絶縁された正極側母線あるいは負極側母線から浮遊容量を介して、接地電位である車体にコモンモードノイズ電流が流れる。このコモンモードノイズ電流には、様々な電子回路の動作に対して影響を及ぼす。
【０００４】
例えば特許文献１には、商用電源に対しモータと高周波機器とが並列接続されるような場合に、高周波機器からの高周波ノイズが商用電源線を伝搬することを防止するモータ機構が述べられている。ここでは、電源線間に直列に接続された２つのＹコンデンサの接続点がアース側に接続される電源側コンデンサ回路と、チョークコイル回路と、電源側コンデンサ回路と同様な構成のモータ側コンデンサ回路とから構成されるノイズフィルタがモータの外郭内または外郭の外に設けられることが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、電力変換装置において、半導体スイッチ素子のスイッチングノイズに起因して発生するコモンモードノイズを抑制する構成が開示されている。ここでは、上アーム素子と上アーム素子の電源側主電極端子のそれぞれについてコンデンサを介して接地電位に接続される。これによって、インバータ装置で生じたコモンモード電流をこれらのコンデンサを通じて低インピーダンスでバイパスできると述べられている。
【０００６】
特許文献３には、筐体内部に複数のコンデンサユニットを並列接続して格納するコンデンサ装置として、筐体内部を複数の領域に等分割し、それぞれに同じ大きさのコンデンサユニットを配置する領域と、小さめのコンデンサユニットと外部端子とを設ける領域とを設ける構成が開示されている。この構成によれば、後者の領域において、小さめのコンデンサユニットと外部端子との間が近接配置されることで寄生インダクタンス値を抑制でき、その高周波領域のインピーダンスを他のコンデンサユニットの高周波領域のインピーダンスよりも小さくできる。したがって、コンデンサ装置の高周波特性が改善されると述べられている。
【０００７】
特許文献４には、基板実装インバータ装置において、耐振動性と冷却性能の向上を高めるために、金属基板の一方面部に、セラミック系基板を介してスイッチング素子を実装し、セラミック系基板の平面配置上における両側にそれぞれ制御部とフィルタコンデンサを配置する構成が開示されている。ここで、フィルタコンデンサとセラミック系基板上の配線とを低インダクタンスの配線部材で接続する構成とすることで、ノイズの発生を未然に回避できると述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３１５９２９号公報
【特許文献２】特開２００８−１３６３３３号公報
【特許文献３】特開２００５−２７６９４６号公報
【特許文献４】特開２００１−２８６１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
回路に流れるコモンモードノイズ電流を抑制するためには、ノイズフィルタを設けることが考えられるが、例えば、ノイズフィルタを回転電機の外郭等に設けるものとすると、回転電機ケースに伝播したコンモードノイズ電流が回転電機ケースと接地電位との間の浮遊容量に流れる。そして、このコモンモードノイズ電流は、回転電機ケースから車体全体に伝播するので、車両に搭載される他の電子機器の動作に影響を及ぼす。
【００１０】
本発明の目的は、高周波動作電源回路から生じ得るコモンモードノイズを効果的に抑制できる電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電源装置は、接地に接続されるケースに、接地との間が絶縁されて配置される高周波動作電源回路と、ケースと高周波動作電源回路との間に設けられ、ケースと高周波動作電源回路との間の絶縁体のインピーダンス値に比較して小さいインピーダンス値を有するインピーダンス回路と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電源装置において、インピーダンス回路は、容量値の互いに異なる複数の容量素子を並列に接続して構成されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る電源装置において、高周波動作電源回路は、回転電機駆動用のインバータであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により、高周波動作電源回路が配置されるケースと、高周波動作電源回路との間にインピーダンス回路が設けられる。そのインピーダンス回路は、ケースと高周波動作電源回路との間の絶縁体のインピーダンス値に比較して小さいインピーダンス値を有する。例えば、高周波動作電源回路が回転電機等に接続されるとすると、高周波動作電源回路から発生する高周波電磁ノイズが、回転電機等の浮遊容量を介して接地電位に流れてコモンモードノイズ電流となる。このコモンモードノイズ電流は、様々な経路の中で、インピーダンスが低い経路の方に多く流れる。ここで、ケースが接地と接続され、インピーダンス回路のインピーダンス値は、ケースと高周波動作電源回路との間の絶縁体のインピーダンス値に比較して小さい。したがって、コモンモードノイズ電流は、このインピーダンス回路を経由して、再び高周波電源回路に戻される割合が高くなる。これによって、他のところに流れるコモンモードノイズ電流が伝播することが抑制され、コモンモードノイズが広範囲に発生することを効果的に抑制することができる。
【００１５】
また、インピーダンス回路は、容量値の互いに異なる複数の容量素子を並列に接続して構成される。容量値が異なる容量素子は、それぞれ異なる共振周波数を有する。したがって、容量値の異なる複数の容量素子を並列接続したときの合成特性は、インピーダンス値は広い周波数帯域で小さな値とすることができる。これによって、所望の周波数範囲において、小さいインピーダンス値を有するインピーダンス回路とすることができる。
【００１６】
また、高周波動作電源回路は、回転電機駆動用のインバータであるので、例えば、車両搭載用の回転電機の動作に伴うコモンモードノイズの発生を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施の形態の電源装置が用いられる車両搭載用の回転電機駆動システムと、電源回路の構成を説明する図である。
【図２】図１の車両搭載用の回転電機駆動および電源装置におけるコモンモードノイズに関する模式的な回路図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の電源装置におけるインピーダンス回路のインピーダンス周波数特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電源装置が用いられるシステムとして、車両搭載用の回転電機駆動システムを説明するが、対地絶縁される高周波動作電源回路を用いるシステムであればよい。例えば、車両搭載用途以外の回転電機駆動システムであってもよい。また、以下では、高周波動作電源回路として、回転電機に接続されるインバータを説明するが、高周波スイッチングする回路であればよく、例えばコンバータ等であってもよい。以下で説明する数値等は説明等の例示であって、電源装置の仕様に応じ適宜変更が可能である。
【００１９】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２０】
図１は、車両搭載用の回転電機駆動システム１０の構成を示す回路図と、車両搭載用の回転電機駆動システム１０の中の電源装置２０の具体的構成を説明する図である。車両搭載用の回転電機駆動システム１０は、蓄電装置１２と電源装置２０と回転電機１６を含んで構成される。車両搭載用の回転電機駆動システム１０は、高電圧動作のシステムであるので、各構成要素は接地５０に接続されたケース１４，３０，１８の内部に、対地絶縁された状態で収納される。接地５０としては、車両の車体、すなわちボディを用いることができる。
【００２１】
蓄電装置１２は、蓄電池１３と、ケース１４を含んで構成される。蓄電池１３は、充放電可能な２次電池またはコンデンサで構成される。２次電池としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を用いることができる。蓄電池１３の端子間電圧は、例えば約２００Ｖから約３００Ｖとすることができる。ケース１４は、蓄電装置接地線５４によって接地５０に接続されるが、蓄電池１３の正極側母線と負極側母線は、ケース１４から絶縁、すなわち接地５０から絶縁される。
【００２２】
回転電機１６は、モータジェネレータ１７と、ケース１８を含んで構成される。三相同期型のモータジェネレータ１７は、車両を駆動するときは電動機として作用し、車両が制動時のときは、回生エネルギを回収する発電機として作用する。モータジェネレータ１７の各相コイルには、電源装置２０から各相駆動信号線を介して各相駆動信号が供給される。ケース１８は、回転電機接地線５２によって接地５０に接続されるが、各相駆動信号線は、ケース１８から絶縁、すなわち接地５０から絶縁される。
【００２３】
電源装置２０は、蓄電装置側の平滑コンデンサ２２と、電圧変換器２４と、インバータ側の平滑コンデンサ２６と、インバータ２８と、ケース３０を含んで構成される。電圧変換器２４は、蓄電池１３の電圧を昇圧してインバータ２８に供給する機能を有し、あるいは、インバータ２８によって回生された直流電圧を降圧して蓄電池１３を充電する機能を有する直流電圧変換回路である。インバータ２８は、蓄電池１３の直流電力を三相交流電力に変換し、あるいは、モータジェネレータ１７の交流制動エネルギを直流電力に変換する直流交流変換回路である。
【００２４】
インバータ２８の正極側母線６０と負極側母線６２との間の電圧は、モータジェネレータ１７の駆動条件によって設定されるが、例えば、約５００Ｖから約６００Ｖ、蓄電池１３の両端子間電圧よりも高圧とされる。ケース３０は、電源装置接地線５６によって接地５０に接続されるが、インバータ２８の正極側母線６０と負極側母線６２は、ケース３０から絶縁、すなわち接地５０から絶縁される。
【００２５】
電圧変換器２４とインバータ２８は、それぞれ高周波動作する複数のスイッチング素子を含むので、これらを高周波動作電源回路と呼ぶことができる。したがって、電源装置２０は、高周波動作電源回路を含む装置であるが、以下のコモンモードノイズに関しては、インバータ２８に高周波動作電源回路を代表させて、インバータ２８とケース３０を含む構成を電源装置２０として説明する。
【００２６】
図１には、電源装置２０の実際の構成が示されている。すなわち、電源装置２０は、ケース３０であるヒートシンクと、ヒートシンクの上に絶縁層３４を介して配置される回路基板３２上のインバータ２８と、ヒートシンクの上に配置されるインピーダンス回路４０を含んで構成される。
【００２７】
ケース３０であるヒートシンクは、放熱用の複数のフィンを有し、発熱するインバータ２８が配置される回路基板３２を搭載する部材である。ケース３０は、上記のように、電源装置接地線５６を介して接地５０に接続される。ケース３０としては、放熱性の良好な金属材料を所定の形状成形したものを用いることができる。
【００２８】
回路基板３２は、インバータ２８を構成する複数のスイッチング素子であるＩＧＢＴチップ、ダイオード等を所定の接続関係で配置接続する配線基板である。回路基板３２は、エポキシ基板、あるいはセラミック基板を用いることができる。図１では、回路基板３２上のインバータ２８を１つの半導体回路として示されているが、その内部は、上記のように、複数のスイッチング素子、ダイオードで構成される。
【００２９】
絶縁層３４は、金属であるケースと回路基板３２の間を電気的に絶縁する機能を有するもので、樹脂層あるいはセラミック層で構成することができる。上記のように、回路基板３２をエポキシ基板またはセラミック基板で構成するときは、回路基板３２の絶縁成分も絶縁層３４に相当する。
【００３０】
ケース３０の上に配置されるインピーダンス回路４０は、絶縁層３４のインピーダンス値よりも小さいインピーダンス値を有する回路である。ここでは、相互に容量値の異なる容量素子４２，４４，４６を並列接続したものが用いられる。各容量素子４２，４４，４８は、誘電体を挟んで上部電極と下部電極とを有するチップ部品を用いることができる。
【００３１】
各容量素子４２，４４，４６のそれぞれの下部電極は、金属であるケース３０の上面にそれぞれ電気的に接続固定される。電気的接続は、例えば、導電性接着材を用いることができる。また、各容量素子４２，４４，４６のそれぞれの上部電極は、インバータ２８の正極側母線６０にそれぞれ接続される。
【００３２】
なお、各容量素子４２，４４，４６のそれぞれの上部電極を、インバータ２８の負極側母線６２にそれぞれ接続するものとしてもよい。また、各容量素子４２，４４，４６をそれぞれ２つずつ用いて、１組の各容量素子４２，４４，４６のそれぞれの上部電極をインバータ２８の正極側母線６０にそれぞれ接続し、他の１組の各容量素子４２，４４，４６のそれぞれの上部電極をインバータ２８の負極側母線６２にそれぞれ接続するものとしてもよい。
【００３３】
図２は、図１の車両搭載用の回転電機１６および電源装置２０におけるコモンモードノイズに関する模式的な回路図である。ここでは、絶縁層３４等のインバータ浮遊容量をＣI、モータジェネレータ浮遊容量をＣMとして示されている。また、インバータ２８とＣMとの間の配線インダクタンスをＬ1とし、ケース３０とケース１８との間の配線インダクタンスをＬ2として示されている。
【００３４】
そして、図１に説明したように、インバータ２８とケース３０との間は、絶縁層３４等によるインバータ浮遊容量ＣIと、インピーダンス回路４０を構成する３つの容量素子４２，４４，４６が並列接続されて配置される。
【００３５】
図３は、絶縁層３４とインピーダンス回路４０についての周波数に関するインピーダンス特性を示す図である。図３は、横軸が周波数、縦軸がインピーダンスＺである。周波数ｆ1からｆ2の範囲は、コモンモードノイズを抑制したい周波数帯域である。絶縁層３４のインピーダンス特性７０は、周波数に対し増加する傾向として示されている。インピーダンス回路４０は、３つの容量素子４２，４４，４６の並列接続であるので、各容量素子４２，４４，４６のインピーダンス特性７２，７４，７６を合成したものが、インピーダンス回路４０のインピーダンス特性７８となる。
【００３６】
容量素子４２，４４，４６は、その容量値をＣとし、配線インダクタンスをＬとすると、その共振角周波数ω0は、１／（ＬＣ）1/2となるので、容量値を相互に異なるものとすることで、各共振角周波数を異なるものとすることができる。このように、容量素子４２，４４，４６のインピーダンス特性７２，７４，７６は、相互に共振角周波数が異なるものとして、図３に示されるものとなる。
【００３７】
そして、各共振周波数が異なる容量素子４２，４４，４６を並列接続したときの合成インピーダンスの値は、それぞれのインピーダンス値の逆数の和の逆数で与えられる。したがって、インピーダンス回路４０のインピーダンス特性７８は、各容量素子４２，４４，４６のインピーダンス特性７２，７４，７６の最小値を結んだ特性となる。このように、容量値の互いに相違する複数の容量素子を並列接続することで、異なる共振特性を利用して、共振特性によってインピーダンス値が小さくなった領域をつなぎ合わせ、全体として、広い周波数帯域で小さな値インピーダンス値とすることができる。
【００３８】
例えば、車両の車体のインダクタンスを２００ｎＨ程度として、ノイズを抑制したい周波数帯をｆ1からｆ2とすると、数百ｎｆから１μＦ程度の容量素子を複数組み合わせることで、絶縁層３４のインピーダンス特性７０のインピーダンス値よりも小さなインピーダンス値を得ることができる。上記では、インピーダンス回路４０を３つの容量素子４２，４４，４６で構成するものとしたが、絶縁層７０のインピーダンス値と、コモンモードノイズを抑制したい周波数帯域であるｆ1からｆ2とに応じて、インピーダンス回路４０を構成する容量素子の数を増減することができる。
【００３９】
上記構成の作用を図２を用いて説明する。最初に、インピーダンス回路４０を用いない場合を説明する。ケース３０の中に対地絶縁されて配置されるインバータ２８は、高周波スイッチング動作によって不要な電磁ノイズを発生するノイズ源である。この電磁ノイズは、Ｌ1を通って伝播し、モータジェネレータ浮遊容量ＣMを介してケース１８に伝播し、回転電機接地線５２を介して接地５０である車体に伝播する。この接地５０である車体の全体から発生するコモンモードノイズが、車両に搭載する各種電子機器の動作に影響を与える。
【００４０】
次に、インピーダンス回路４０を用いる場合のコモンモードノイズ電流の様子について図２を用いて説明する。インバータ２８をノイズ源とするコモンモードノイズ電流は、ケース１８から、回転電機接地線５２を介して接地５０である車体に伝播する成分と、ケース１８から、Ｌ2を通ってケース３０に伝播する成分に分配される。コモンモードノイズ電流の分配は、その経路のインピーダンス値の割合に応じ、インピーダンス値の小さい方に多く分配される。ここで、インピーダンス回路４０を用いることで、ケース３０とインバータ２８との間のインピーダンス値は、図２のインバータ浮遊容量ＣIに比べて小さな値に設定される。
【００４１】
したがって、ケース１８から、回転電機接地線５２を介して接地５０である車体に伝播されて再びインバータ２８に戻ることになる経路のインピーダンスに比べ、Ｌ2に伝播してインピーダンス回路４０を経てインバータ２８に戻る経路のインピーダンス値が相対的に小さくなる。つまり、インピーダンス回路４０を用いることで、インバータ２８をノイズ源とするコモンモードノイズ電流は、再びインバータ２８に戻り易くなる。これによって、接地５０である車体に流れる成分が少なくなり、車体全体から発生するコモンモードノイズが少なくなる。
【００４２】
また、ケース１８からＬ2を経由してケース３０に流れる電流が相対的に増加するが、この電流は、インバータ２８からＬ1を流れる電流と方向が逆方向である。インダクタンスＬ1を流れる電流と、インダクタンスＬ2を流れる電流とは方向が逆であるが、インピーダンス回路４０を設けることでインダクタンスＬ2を流れる電流が増加することになる。これによって、インダクタンスＬ1とインダクタンスＬ2における逆相ノイズを打ち消しやすくなる。このように、インピーダンス回路４０を設けることで、新しいノイズ低減効果も生じる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る電源装置は、回転電機駆動システムに利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  車両搭載用の回転電機駆動システム、１２  蓄電装置、１３  蓄電池、１４，１８，３０  ケース、１６  回転電機、１７  モータジェネレータ、２０  電源装置、２２，２６  平滑コンデンサ、２４  電圧変換器、２８  インバータ、３２  回路基板、３４  絶縁層、４０  インピーダンス回路、４２，４４，４６  容量素子、５０  接地、５２  回転電機接地線、５４  蓄電装置接地線、５６  電源装置接地線、６０  正極側母線、６２  負極側母線、７０，７２，７４，７６，７８  インピーダンス特性。
【図１】
2012196113.tif 000003
【図２】
2012196113.tif 000004
【図３】
2012196113.tif 000005