(57)【要約】【課題】回路の不安定電位点からグラウンドに流れる電流に代えて、静電シールド部材を介して安定電位点に向かう電流経路を形成することにより、簡単な構成で雑音端子電圧を抑制可能とした電力変換装置を提供する。【解決手段】リアクトル４と半導体スイッチング素子６との直列回路を少なくとも備え、リアクトル４と半導体スイッチング素子６との直列接続点Ｐ１から電流を出力させる電力変換装置であって、半導体スイッチング素子６のオン・オフ動作に伴って直列接続点Ｐ１の対地電位が変動するような電力変換装置において、リアクトル４の周囲に静電シールド部材５を設け、この静電シールド部材５を、対地電位が安定している安定電位点、例えばリアクトル４の巻線の一端部４ａ側に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアクトルと半導体スイッチング素子との直列回路を少なくとも備え、前記リアクトルと前記半導体スイッチング素子との直列接続点から電流を出力させる電力変換装置であって、前記半導体スイッチング素子のオン・オフ動作に伴って前記直列接続点の対地電位が変動するような電力変換装置において、
前記リアクトルに静電シールド部材を設け、前記静電シールド部材を、対地電位が安定している安定電位点に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記安定電位点が、前記リアクトルの巻線の両端部のうち前記半導体スイッチング素子に接続されていない側の一端部であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した電力変換装置において、
前記静電シールド部材が前記リアクトルを包囲するように形成され、前記静電シールド部材の内側の空間に、前記リアクトルを冷却する冷却風を通過させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記安定電位点が、直流電源の正側出力端子に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記安定電位点が、交流電源を整流する整流回路の正側出力端子に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記半導体スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子からな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、雑音端子電圧の発生を防止するようにした電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、特許文献１に記載されたアクティブ型力率改善回路の主要部を示しており、昇圧チョッパから発生する雑音端子電圧を低減する回路である。
図６において、１０１ａ，１０１ｂは入力端子、１０２はフィルタ用の入力コンデンサ、１０３はチョークコイル、１０３ａは主巻線、１０３ｂは打消巻線、１０４は打消巻線１０３ｂの一端と筐体のグラウンドとの間に接続されたコンデンサ、１０５は昇圧用のスイッチング素子、１０６はダイオード、１０７は平滑コンデンサ、１０８ａ，１０８ｂは出力端子である。なお、打消巻線１０３ｂの他端は回路の負側電路に接続されている。
【０００３】
上記の構成において、スイッチング素子１０５がオンからオフに移行すると、図中のｘ点の電位が負側電路に対して上昇するため、電位変化が発生する。これにより、ｘ点と筐体のグラウンドとの間の浮遊容量１０９を介して電流ｉ１が流れ、この電流ｉ１がコモンモードノイズ、言い換えれば雑音端子電圧の原因となる。
そこで、特許文献１では、打消巻線１０３ｂの巻数及びコンデンサ１０４の容量を適宜設定し、電流ｉ１に対して逆位相で大きさの等しい電流ｉ２を流すことにより、電流ｉ１を打ち消して雑音端子電圧を低減している。
【０００４】
また、他の従来技術として、特許文献２には、放射ノイズに起因した雑音端子電圧を抑制する技術が開示されている。
図７は、特許文献２に記載されたノイズフィルタの主要回路部品の実装状態を示しており、このノイズフィルタは、例えば直流電源と高周波インバータとの間に接続されて伝導ノイズを除去するためのものである。
【０００５】
図７において、２０１はプリント基板、２０２はチョークコイル、２０３はチョークコイル２０２を包囲する金属シールド、２０４，２０５はフィルタ用のコンデンサである。
特許文献２では、図示されていない高周波トランス等から発生する放射ノイズを金属シールド２０３が吸収してチョークコイル２０２への伝播を防ぎ、雑音端子電圧を増加させる電流の発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５３５４２号公報（段落［００２１］〜［００３３］、図２等）
【特許文献２】特開２０００−４１３８３号公報（段落［００１３］〜［００１６］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された従来技術によれば、雑音端子電圧の原因となる電流ｉ１を、打消巻線１０３ｂを流れる電流ｉ２によってある程度打ち消すことができる。しかし、電流ｉ１，ｉ２の大きさやタイミングを完全に一致させることは難しいため、雑音端子電圧を完全に除去することが困難であった。また、打消巻線１０３ｂを備えたチョークコイル１０３が高コスト化や回路の大型化を招く恐れもあった。
【０００８】
また、特許文献２に記載された従来技術では、金属シールド２０３が筐体のグラウンドに対して離れて配置されている場合には、両者間の浮遊容量を介して回路内を循環する電流によって磁界が発生し、これがノイズの原因となる場合があった。
【０００９】
そこで、本発明の解決課題は、簡単かつ低コストの構成により雑音端子電圧の発生を防止するようにした電力変換装置を提供することにある。
また、本発明の別の解決課題は、高周波動作する低損失の半導体素子を使用可能とした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、リアクトルと半導体スイッチング素子との直列回路を少なくとも備え、前記リアクトルと前記半導体スイッチング素子との直列接続点から電流を出力させる電力変換装置であって、前記半導体スイッチング素子のオン・オフ動作に伴って前記直列接続点の対地電位が変動するような電力変換装置において、
前記リアクトルに静電シールド部材を設け、前記静電シールド部材を、対地電位が安定している安定電位点に接続したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記安定電位点が、前記リアクトルの巻線の両端部のうち前記半導体スイッチング素子に接続されていない側の一端部であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載した電力変換装置において、前記静電シールド部材が前記リアクトルを包囲するように形成され、前記静電シールド部材の内側の空間に、前記リアクトルを冷却する冷却風を通過させることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記安定電位点が、直流電源の正側出力端子に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記安定電位点が、交流電源を整流する整流回路の正側出力端子に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、スイッチング素子のオン・オフに伴って回路内の部位の対地電位が変動する場合に、その部位から浮遊容量を介してグラウンドに流れる電流経路に代えて、リアクトルの周囲の静電シールド部材を介した電流経路を形成するものである。
これにより、静電シールド部材を所定箇所に追加するだけの簡単かつ低コストの構成により、グラウンドを介して流れる電流に起因した雑音端子電圧の発生を防止することができる。また、静電シールド部材を介した電流経路は比較的短い距離で形成可能であり、この経路を流れる電流に起因するノイズが発生する恐れも少ない。
更に、上記構成により、スイッチング素子を高周波動作させてもノイズが増加する恐れがないことから、高速動作が可能で低損失のワイドバンドギャップ半導体素子を使用することができると共に、ＥＭＩフィルタの小型化も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態におけるリアクトル及び静電シールド部材の実装状態を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるリアクトル及び静電シールド部材を筐体と共に示した図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】特許文献１に記載された従来技術の回路図である。
【図７】特許文献２に記載された従来技術の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す回路図であり、本発明を昇圧チョッパに適用した場合のものである。
【００１９】
図１において、直流電源１の両極間にはコンデンサ２，３が接続され、これらのコンデンサ２，３の直列回路の両端には、リアクトル４と半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子という）６とが直列に接続されている。
スイッチング素子６の両端（ソース−ドレイン間）には、ダイオード７と平滑用のコンデンサ８とが直列に接続されており、コンデンサ８の両端には負荷９が接続されている。また、入力側のコンデンサ２，３同士の接続点は、いわゆるフレームアースを構成する筐体２１（グラウンドＧ）に接続されている。
なお、Ｐ１はリアクトル４の巻線の一端部４ａとコンデンサ２との接続点、Ｐ２はリアクトル４の巻線の他端部４ｂとスイッチング素子６との接続点、Ｐ，Ｎはコンデンサ８の両端部（正負出力端子）をそれぞれ示す。
【００２０】
ここで、スイッチング素子６としては、図示するＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴやパワトランジスタであっても良い。また、スイッチング素子６及びダイオード７の両方または何れか一方には、ＳｉＣ（炭化珪素）等の、高周波動作が可能で低損失のワイドバンドギャップ半導体素子を用いることが望ましい。
【００２１】
さて、上記リアクトル４の周囲には、アルミニウムや銅などの導電材料からなる静電シールド部材５が配置されており、この静電シールド部材５は、一端部４ａ側（接続点Ｐ１側）に電気的に接続されている。これらのリアクトル４や静電シールド部材５の配置構造を概略的に示すと、図２，図３のようになる。
【００２２】
図２は、リアクトル４及び静電シールド部材５の実装状態を示す図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
これらの図において、１０は、図１に示した回路部品が実装されるプリント基板であり、その内部にシールドパターン１１が形成されている。リアクトル４と静電シールド部材５とをプリント基板１０に実装し、リアクトル４の巻線の非スイッチング素子６側の一端部４ａと静電シールド部材５とをシールドパターン１１に接続することにより、図１に示す接続状態が実現されるものである。図２，図３において、４ｂはリアクトル４の巻線の他端部、４ｃはコアを示す。
【００２３】
ここで、静電シールド部材５を断面コ字型に形成することにより、プリント基板１０と相まって筒状の空間が保有されるようにし、この空間に、図２の紙面に直交する方向（図３における左右方向）に沿って強制冷却風を通過させれば、リアクトル４を効率よく冷却することができる。なお、静電シールド部材５やリアクトル４の形状、構造は、図示例に何ら限定されるものではなく、冷却風が通過する空間を保有しつつ静電シールド部材５によってリアクトル４を包囲するような構造、配置であれば良い。
【００２４】
次に、この実施形態の作用を説明する。
図１のスイッチング素子６が高周波でオン・オフすることにより、周知のように、リアクトル４ではエネルギーの蓄積・放出が繰り返され、コンデンサ８の両端には直流電源１の電圧Ｖｉよりも高い電圧Ｖｏが発生する。
この時、図６に従来技術として説明したように、図１における接続点Ｐ２の電位はスイッチング素子６のオン・オフに伴って変動する一方、接続点Ｐ１の電位は直流電源１の正極電位に保たれているので一定である。すなわち、接続点Ｐ１は、対地電位が安定している「安定電位点」であるのに対し、接続点Ｐ２は、対地電位が変動する「不安定電位点」である。ちなみに、コンデンサ８の両端Ｐ，Ｎは「安定電位点」である。
【００２５】
このため、図１の回路において静電シールド部材５が存在しない場合には、従来技術と同様に、接続点Ｐ２とグラウンドＧとの間の浮遊容量Ｃ１を介してコンデンサ２，３側に循環する電流ｉ１が流れ、結果として雑音端子電圧が発生する。
しかしながら、本実施形態では、接続点Ｐ２の電位変化に起因する電流ｉ１のエネルギーを、リアクトル４と静電シールド部材５との間の浮遊容量Ｃ２を介し、電流ｉ２として静電シールド部材５から安定電位点の接続点Ｐ１側に流すようにしている。
これにより、グラウンドＧを介してコンデンサ２，３側に電流ｉ１が流れる経路が形成されなくなり、雑音端子電圧の発生を防止することができる。また、静電シールド部材５を介して安定電位点側に向かう電流経路は比較的短い距離で形成可能であるから、この経路を流れる電流に起因するノイズが発生する恐れも少ない。
【００２６】
次に、図４は、電力変換装置の筐体２１に収容されたリアクトル４及び静電シールド部材５の実装状態を示す図であり、図５は図４のＢ−Ｂ断面図である。
図５において、筐体２１の長手方向の一端部には冷却ファン２２が取り付けられ、筐体２１の他端部には通気口２３が設けられている。図示するように、静電シールド部材５の軸方向を通風方向と一致させることにより、効率的な冷却が可能である。
筐体２１の形状、構造や静電シールド部材５、冷却ファン２２、通気口２３等の配置は図示例に何ら限定されないが、静電シールド部材５とプリント基板１０によって形成される開口部を筐体２１が遮らないような位置関係として冷却風に対する抵抗を少なくすることが望ましい。
【００２７】
なお、装置全体の小型化を図る場合にはリアクトル４と筐体２１との間の距離が短くなりがちであり、その距離が短いほど、図１における接続点Ｐ２とグラウンドＧとの間の浮遊容量Ｃ１が大きくなって電流ｉ１ひいては雑音端子電圧も大きくなる。従って、本実施形態のように静電シールド部材５を設けて電流ｉ１を電流ｉ２に置き換えることは、装置の小型化という観点からも効果的である。
【００２８】
ちなみに、本発明は、図１のリアクトル４のごとく、スイッチング素子６のオン・オフ時に、スイッチング素子６側の一端が不安定電位点となり、他端が安定電位点となるような回路部品の安定電位点側に静電シールド部材５を接続するという着想に基づいている。よって、上記リアクトル４に加えて、図１のＰ２−Ｎ間のスイッチング素子６やＰ２−Ｐ間のダイオード７の安定電位点（Ｎ，Ｐ）側にも静電シールド部材を接続すれば、雑音端子電圧の発生を更に防止することができる。
また、本発明は、図１の直流電源１とコンデンサ２，３の直列回路との間にコモンモードチョークコイルを備えたチョッパや、直流電源１に代えて交流電源及びブリッジ整流回路を備えた交流−直流変換装置（力率改善回路）にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、巻線の一端部が直流電源等の安定電位点に接続されて他端部がスイッチング素子に接続されたリアクトルを備え、前記スイッチング素子のオン・オフに伴いリアクトルとスイッチング素子との接続点の電位が変動して不安定電位点となるような部位を有するチョッパやインバータ等、各種の単相または多相の電力変換装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１：直流電源
２，３：コンデンサ
４：リアクトル
４ａ：一端部
４ｂ：他端部
４ｃ：コア
５：静電シールド部材
６：半導体スイッチング素子
７：ダイオード
８：コンデンサ
９：負荷
１０：プリント基板
１１：シールドパターン
２１：筐体
２２：冷却ファン
２３：通気口
Ｃ１，Ｃ２：浮遊容量
【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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【図７】
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