(57)【要約】【課題】表皮効果を利用して高周波ノイズを低減する効果をさらに高めることができる導電部材を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作を利用して電力を変換する。電力変換装置１は、電力変換装置１を流れる電流の経路となる導電部材４を備える。導電部材４は、銅を主材料とする導体部５と、導電率が１×１０１［Ｓ／ｍ］以上、かつ、１×１０５［Ｓ／ｍ］以下の物質を材料とし、導体部５を被覆して導電部材４の表面を形成する被覆部６と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子のスイッチング動作を利用して電力を変換する電力変換装置であって、
前記電力変換装置を流れる電流の経路となる導電部材を備え、
前記導電部材は、
銅を主材料とする導体部と、
導電率が１×１０１［Ｓ／ｍ］以上、かつ、１×１０５［Ｓ／ｍ］以下の物質を材料とし、前記導体部を被覆して前記導電部材の表面を形成する被覆部と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記被覆部の材料となる物質は、シリコン半導体又は銀ペーストである請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記導電部材は、バスバーである請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置を流れる電流の経路となる導電部材に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチング素子のスイッチング動作を利用して電力を変換する電力変換装置では、スイッチング動作により高周波ノイズが不可避的に発生する。
【０００３】
特許文献１は、高周波ノイズを低減できる電力変換装置として、電力変換装置の内部の配線および／または基板に用いる導体について、導体の中心部の材料を銅とし、導体の表皮部の材料を青銅又はクロムとする技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５３２５５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された導体は、表皮効果を利用して高周波ノイズを低減する。表皮効果とは、導体を流れる交流電流の周波数が高くなると、導体の表面側に電流が集中する現象である。特許文献１に開示された導体は、導体の表皮部の抵抗を高くしているので、表皮部を流れる高周波ノイズが表皮部で熱に変換され、これにより、高周波ノイズを低減することができる。
【０００６】
特許文献１に開示された導体は、中心部（銅）の抵抗値に対する導体（銅＋青銅又は銅＋クロム）の抵抗値が約１．４倍である。高周波ノイズを低減するためには、導体のさらなる改良が望まれる。
【０００７】
本発明は、表皮効果を利用して高周波ノイズを低減する効果をさらに高めることができる導電部材を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作を利用して電力を変換する電力変換装置であって、前記電力変換装置を流れる電流の経路となる導電部材を備え、前記導電部材は、銅を主材料とする導体部と、導電率が１×１０１［Ｓ／ｍ］以上、かつ、１×１０５［Ｓ／ｍ］以下の物質を材料とし、前記導体部を被覆して前記導電部材の表面を形成する被覆部と、を備える。
【０００９】
本発明では、導体部の抵抗値に対する導電部材の抵抗値を最大約１００倍にすることができる。従って、本発明によれば、表皮効果を利用して高周波ノイズを低減する効果をさらに高めることができる導電部材を備えた電力変換装置にすることができる。
【００１０】
導体部は、銅を主材料とするので、導体部は、例えば、不可避不純物を含む銅により構成され、又は、銅を主成分とする銅合金により構成される。
【００１１】
上記構成において、前記被覆部の材料となる物質は、シリコン半導体又は銀ペーストである。
【００１２】
シリコン半導体及び銀ペーストは、被覆部の材料となる物質の具体例である。
【００１３】
上記構成において、前記導電部材は、バスバーである。
【００１４】
バスバーは、導電部材の具体例である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、表皮効果を利用して高周波ノイズを低減する効果をさらに高めることができる導電部材を備えた電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る電力変換装置の一例を示す模式図である。
【図２】導電部材の第１例を示す立体図である。
【図３】導電部材の第２例を示す立体図である。
【図４】第１のシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図５】第２のシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図６】第３のシミュレーションの結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の一例を示す模式図である。電力変換装置１は、三相交流電源からの交流電流をモータの駆動に適した三相交流に変換してモータに供給するインバータである。
【００１８】
電力変換装置１は、コンバータ回路２、インバータ回路３及び導電部材４を備える。コンバータ回路２は、半導体スイッチング素子を備え、半導体スイッチング素子のスイッチング動作を利用して、三相交流電源からの交流を直流に変換する回路である。インバータ回路３は、半導体スイッチング素子を備え、半導体スイッチング素子のスイッチング動作を利用して、コンバータ回路２からの直流を交流に変換する回路である。導電部材４は、インバータ回路３からの交流をモータへ供給する出力部となる。
【００１９】
導電部材４は、バスバーである。バスバーとは、電気伝導体として機能する金属製の棒である。図２は、導電部材４の第１例を示す立体図である。導電部材４は、長方形の断面形状を有する板状の導体である。導電部材４は、導体部５及び被覆部６によって構成される。
【００２０】
導体部５の主材料は、銅である。導体部５は、銅を主材料とするので、導体部５は、例えば、不可避不純物を含む銅により構成され、又は、銅を主成分とする銅合金により構成される。
【００２１】
被覆部６は、導体部５を被覆して導電部材４の表面を形成する。被覆部６は、言い換えれば、導体部５の被膜である。被覆部６の材料は、導電率が１×１０１［Ｓ／ｍ］以上、かつ、１×１０５［Ｓ／ｍ］以下の物質である。例えば、シリコン半導体や銀ペーストを被覆部６の材料にすることができる。シリコン半導体や銀ペーストの導電率は、１×１０３［Ｓ／ｍ］程度である。
【００２２】
導電部材４を流れる交流に含まれる高周波ノイズは、表皮効果により主に被覆部６を流れる。被覆部６は、抵抗値が比較的高いので、高周波ノイズは熱に変換され、これにより、高周波ノイズを低減することができる。
【００２３】
なお、導電部材４は、図２に示す形状に限定されない。図３は、導電部材４の第２例を示す立体図である。導電部材４は、円形の断面形状を有する円柱状の導体である。
【００２４】
導電部材４として、バスバーを例に説明したが、電力変換装置１を流れる電流の経路に、導電部材４を適用することができる。電力変換装置１を流れる電流の経路とは、例えば、三相交流電源とコンバータ回路２とを接続する配線、コンバータ回路２を構成する配線、コンバータ回路２とインバータ回路３とを接続する配線、インバータ回路３を構成する配線である。
【００２５】
例えば、半径１０ｍｍの導電部材４に流れる１０メガヘルツ以上の高周波ノイズを低減したい場合、導電率が１０３［Ｓ／ｍ］程度の物質を、被覆部６の材料とする。このような材料として、上述したように、シリコン半導体や銀ペーストがある。
【００２６】
被覆部６の材料となる物質の導電率が、１×１０１［Ｓ／ｍ］の場合について、第１のシミュレーションをした。図４は、第１のシミュレーションの結果を示すグラフである。第１のシミュレーションの条件は、以下の通りにした。
【００２７】
ケース１は、本実施形態に係る導電部材４に対応しており、銅を材料とする導体部５と、導電率が１×１０１［Ｓ／ｍ］の物質を材料する被覆部６と、により構成される部材とした。銅の導電率を５．８×１０７［Ｓ／ｍ］とした。ケース２は、ケース１の抵抗値の内、被覆部６にのみ生じる抵抗とした。
【００２８】
ケース１及びケース２に流れる電流の周波数は、１０メガヘルツにした。これは、電力変換装置１で生じる高周波ノイズの下限値と見なされる値である。
【００２９】
図４において、グラフの横軸は、被覆部６の厚み（ｍ）を示している。グラフの縦軸は、ケース１の導体部５の抵抗値を１とした場合、これに対してケース１及びケース２の抵抗値が何倍となるかを示している。実線は、ケース１の結果を示し、点線は、ケース２の結果を示している。
【００３０】
被覆部６の厚みが大きくなると、ケース１の結果とケース２の結果とが重なることが分かった。
【００３１】
被覆部６の厚みが、約０．０４０ｍ（＝約４０ｍｍ）のとき、ケース１の導体部５の抵抗値に対するケース１（導体部５＋被覆部６）の抵抗値が最大となった（約１００倍）。発明が解決しようとする課題で説明したように、銅を材料とする中心部と、青銅又はクロムを材料とする表皮部と、で構成される導体の場合、中心部の抵抗値に対する導体（中心部＋表皮部）の抵抗値は、約１．４倍である。これに対して、ケース１では、最大で約１００倍にすることができた。これは、ケース１が、上記導体と比べて、高周波ノイズに対する抵抗値を大きくすることができ、高周波ノイズを低減する効果を高めることができることを意味する。本実施形態では、被覆部６の材料となる物質の導電率の下限値を、１×１０１［Ｓ／ｍ］にした。
【００３２】
被覆部６の材料となる物質の導電率が、１×１０５［Ｓ／ｍ］の場合について、第２のシミュレーションをした。図５は、第２のシミュレーションの結果を示すグラフである。第２のシミュレーションの条件は、以下の通りにした。
【００３３】
ケース３は、本実施形態に係る導電部材４に対応しており、銅を材料とする導体部５と、導電率が１×１０５［Ｓ／ｍ］の物質を材料する被覆部６と、により構成される部材とした。銅の導電率は、ケース１と同様に５．８×１０７［Ｓ／ｍ］とした。ケース４は、ケース３の抵抗値の内、被覆部６にのみ生じる抵抗とした。
【００３４】
ケース３及びケース４に流れる電流の周波数は、ケース１及びケース２と同様に１０メガヘルツにした。
【００３５】
図５において、グラフの横軸は、図４と同じであり、被覆部６の厚み（ｍ）を示している。グラフの縦軸は、図４と同じであり、ケース３の導体部５の抵抗値を１とした場合、これに対してケース３及びケース４の抵抗が何倍となるかを示している。実線は、ケース３の結果を示し、点線は、ケース４の結果を示している。
【００３６】
図５に示すグラフは、図４に示すグラフと同じように、被覆部６の厚みが大きくなると、ケース３の結果とケース４の結果とが重なることが分かった。
【００３７】
被覆部６の厚みが、約０．０６０ｍ（＝約６０ｍｍ）のとき、ケース３の導体部５の抵抗値に対するケース３（導体部５＋被覆部６）の抵抗値が最大となった（約１００倍）。これは、ケース３が、ケース１と同様に上記導体（すなわち、特許文献１の導体）と比べて、高周波ノイズに対する抵抗値を大きくすることができ、高周波ノイズを低減する効果を高めることができることを意味する。本実施形態では、被覆部６の材料となる物質の導電率の上限値を、１×１０５［Ｓ／ｍ］にした。
【００３８】
高周波ノイズの周波数を、１０メガヘルツとして、第１のシミュレーション及び第２のシミュレーションを実行した。上述したように、１０メガヘルツは、電力変換装置１で生じる高周波ノイズの下限値と見なされる値である。次に、本実施形態に係る導電部材４によれば、１０メガヘルツより高い周波数に対する抵抗値を大きくできることを説明する。
【００３９】
図６は、第３のシミュレーションの結果を示すグラフである。第３のシミュレーションの条件は、以下の通りにした。
【００４０】
ケース５は、本実施形態に係る導電部材４に対応しており、銅を材料とする導体部５と、導電率が１×１０３［Ｓ／ｍ］の物質を材料する被覆部６と、により構成される部材とした。銅の導電率は、５．８×１０７［Ｓ／ｍ］にした。導体部５は、断面積が１０ｍｍ２の銅板にした。被覆部６の厚みは、２ｍｍにした。ケース６は、ケース５の被覆部６を有さない部材、すなわち、ケース５の導体部５により構成される部材とした。ケース５及びケース６は、共に長さを１ｍにした。
【００４１】
図６において、グラフの横軸は、周波数（ｋＨｚ）を示している。グラフの縦軸は、抵抗値（Ω／ｍ）を示している。このグラフは、各周波数に対して、ケース５、ケース６のそれぞれが有する抵抗値を示している。○は、ケース５の結果を示し、△は、ケース６の結果を示している。被覆部６を有するケース５は、被覆部６を有さないケース６と比べて、１０キロヘルツ以上の周波数帯域において、抵抗値が高いことが分かった。これは、本実施形態に係る導電部材４によれば、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により生じるサージ（１０キロヘルツ以上の高周波ノイズ）を、低減する効果が高いことを意味する。
【００４２】
電力変換装置１では、電力変換装置１に含まれる半導体スイッチング素子がスイッチング動作をした際に、導電部材４のＬ成分、Ｃ成分及びＲ成分のために、高周波ノイズとなるサージ電圧が導電部材４に発生する。サージ電圧に対する対策をしなければ、サージ電圧を含む電圧がモータに出力されることになる。サージ電圧の減衰比は、導電部材４の抵抗値に比例し、減衰比が１以上で非振動となる（すなわち、サージ電圧をモータに出力しないようにできる）。
【００４３】
非振動とするためには、導電部材４の抵抗値が約２Ω以上であればよい。これについて簡単に説明する。インバータと導電部材４とが接続され、導電部材４と電路（例えば、ハーネス）とが接続され、電路とモータとが接続されているとする。減衰比は、以下の式で定義される。
【００４４】
【数１】
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【００４５】
Ｃは、電路のＣ成分の値、Ｌは、電路のＬ成分の値、Ｒは、導電部材４の抵抗の値である。
【００４６】
ＣとＬとがほぼ等しいとすると、導電部材４の抵抗の値Ｒを２Ω以上にすれば、減衰比を１以上（非振動）にすることができる。この結果は、回路シミュレーションでも確認をした。
【００４７】
図６を参照して、縦軸は、１０メガヘルツ（１００００キロヘルツ）のとき、ケース５の抵抗値は、約６５（Ω／ｍ）となる。導電部材４の長さを１０ｃｍとすると、厚さ１００ｍｍの被覆部６を有する導電部材４にすれば、導電部材４の抵抗値が約６Ω（６５（Ω／ｍ）×１０ｃｍ）となる。従って、導電部材４の被覆部６の厚さを１００ｍｍにすれば、サージ電圧がモータに出力されることを防止できる。
【００４８】
本実施形態の主な効果を説明する。本実施形態では、導体部５の抵抗値に対する導電部材４の抵抗値を最大約１００倍にすることができる。従って、本実施形態によれば、表皮効果を利用して高周波ノイズを低減する効果をさらに高めることができる導電部材４を備えた電力変換装置１にすることができる。また、導電部材４は、高周波ノイズを低減することができるので、導電部材４をローパスフィルターとして機能させることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  電力変換装置
４  導電部材
５  導体部
６  被覆部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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