(57)【要約】【課題】電力変換装置において、インバータ接地線−大地−コンバータ接地線に流れる循環電流を低減させ、放射ノイズを抑制する。【解決手段】コンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶがそれぞれ別々のコンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂに収納され、コンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶにはそれぞれコンバータヒートシンク１１ａ，インバータヒートシンク１１ｂおよびコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂが設けられる。そして、コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂをコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂよりも低インダクタンスのヒートシンク接続線１２で接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータを収納するコンバータ筐体と、
前記コンバータを冷却するコンバータヒートシンクと、
前記コンバータと大地とを接続するコンバータ接地線と、
直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータを収納するインバータ筐体と、
前記インバータを冷却するインバータヒートシンクと、
前記インバータと大地とを接続するインバータ接地線と、
を備えた電力変換装置であって、
前記コンバータヒートシンクと前記インバータヒートシンクを、前記コンバータ接地線および前記インバータ接地線よりも低インダクタンスのヒートシンク接続線で接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記コンバータ接地線と、前記インバータ接地線にダンパ抵抗を設けたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記ヒートシンク接続線は、銅素材であることを特徴とする請求項１または２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、 電力変換装置に係り、特に、コンバータ−インバータ間に流れる循環電流を低減し、放射ノイズを抑制する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に示すように、自動車の駆動性能を測定するダイナモメータ装置は、交流電源１から出力された交流電力をコンバータＣＯＮＶにより直流電力に変換し、その直流電力をインバータＩＮＶにより交流電力に変換することでモータＭを駆動する装置である。コンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶはＩＧＢＴなどのスイッチング素子をＰＷＭ制御によりスイッチングすることで、それぞれ交流電力から直流電力へ、直流電力から交流電力へ変換する。
【０００３】
ダイナモメータ装置は、一般的に数百ｋＷ以上の大容量装置であるため、コンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶの容積が大きくなり、一つの筐体には収めきれず、図７に示すようにそれぞれ別の筐体（コンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂ）に収納されている。ここでいうコンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂは、コンバータＣＯＮＶ，インバータＩＮＶの筐体ではなく、コンバータＣＯＮＶ、インバータＩＮＶが収納された盤の筐体を意味する。
【０００４】
また、図７に示すように、コンバータＣＯＮＶ，インバータＩＮＶは、感電防止のため非接地にせず、コンバータ筐体２ａはコンバータ接地線３ａにより大地に接地され、インバータ筐体２ｂはインバータ接地線３ｂにより大地に接地されている。そして、大容量の場合、コンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂが大きいためコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂは必然的に長くせざるを得ない。よって、コンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂの自己インダクタンスが大きくなる。
【０００５】
コンバータＣＯＮＶ、インバータＩＮＶには半導体モジュールが用いられており、その半導体モジュールの金属ベースはヒートシンクに接続され、さらにヒートシンクはコンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂに直接接続されている。よって、半導体モジュールの金属ベースはコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂを通して大地に接地されていることになる。
【０００６】
一方、電力変換装置のノイズ電流は、半導体モジュールの金属ベース、ヒートシンクに多く流れることが知られている。 
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】清水敏久、木村軍司、広瀬順、「トランジスタモジュールの浮遊静電容量に起因する高周波漏洩電流の解析とその抑制方法」電気学会論文誌Ｄ分冊、Ｖｏｌ．１１６、Ｎｏ７．１９９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８は、１素子入りの半導体モジュール（例えば、ＩＧＢＴ）４を示す概略図である。この半導体モジュール４はスイッチング素子Ｓと、スイッチング素子Ｓに逆並列に接続されたダイオード素子（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）Ｄと、を備える。
【０００９】
この１素子入りの半導体モジュール４の実装図を図９に示し、簡略図を図１０に示す。図９，図１０に示すように、半導体モジュール４は、コレクタパッドＰＣ，エミッタ−アノードパッドＰＥＡ，コレクタ−カソードパッドＰＣＫ，ゲートパッドＰＧ，エミッタパッドＰＥを有する。半導体モジュール４のほとんどがＮチャネル型であるため、コレクタ−カソードパッドＰＣＫの面積が大きい。１素子入りの半導体モジュール４の側面図を図１１に示す。
【００１０】
図１１に示すように、面積の大きいコレクタ−カソードパッドＰＣＫは絶縁基板５に実装される。これは、コレクタ−カソードパッドＰＣＫと金属ベース６とを並行平板形状の電極とし、その間の絶縁基板５を誘電体とするコンデンサが形成されていることを意味している。半導体モジュール４が大容量になるほどコレクタ−カソードパッドＰＣＫの面積が大きくなるので、このコンデンサの浮遊静電容量Ｃｅは大きくなる。その結果、これが高周波数ノイズ電流の経路となる。
【００１１】
この浮遊静電容量Ｃｅを考慮した１素子入りの半導体モジュール４の回路構成を図１２に示す。このように、コレクタ電極を通るノイズ電流が浮遊静電容量Ｃｅを通り、金属ベース６に 流れる経路が形成される。
【００１２】
図１３に浮遊静電容量Ｃｅを考慮した電圧型インバータ１相分の回路を示し、図１４にその３相分の回路を示す。半導体モジュール４の金属ベース６はヒートシンクに密着されるので、両者は同電位となる。
【００１３】
図７のコンバータＣＯＮＶ、インバータＩＮＶ部分において浮遊静電容量Ｃｅを考慮した回路図を図１５に示す。このときの、インバータ接地電流とコンバータ接地電流のＦＦＴ解析結果を、それぞれ図１６、図１７に示す。この例では周波数１．５ＭＨｚ付近の高周波ノイズ電流が多く流れていることがわかる。
【００１４】
この電流は、図１８に示すように、コンバータＣＯＮＶの浮遊静電容量Ｃｃｅｕ，Ｃｃｅｘ，Ｃｃｅｖ，Ｃｃｅｙ，Ｃｃｅｗ，Ｃｃｅｚ，コンバータ接地線３ａのインダクタンスＬｃｇ，インバータＩＮＶの浮遊静電容量Ｃｉｅｕ，Ｃｉｅｘ，Ｃｉｅｖ，Ｃｉｅｙ，Ｃｉｅｗ，Ｃｉｅｚ、インバータ接地線３ｂのインダクタンスＬｉｇおよび大地を流れる循環電流である。この回路は、図１９に示すように簡略化できる。浮遊静電容量Ｃｃｅｕ〜Ｃｉｅｚが全てＣｅと等しく、また、コンバータ接地線３ａのインダクタンスＬｃｇ，インバータ接地線３ｂのインダクタンスＬｉｇがすべてＬｇと等しいとすると、この共振周波数ｆは、 以下の（１）式となる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
このように浮遊静電容量Ｃｅとコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂのインダクタンスＬｃｇ，Ｌｉｇにより共振周波数が変化する。
【００１７】
この循環電流はダイナモメータ装置のインバータＩＮＶ−コンバータＣＯＮＶ間で流れ、交流電源１やモータＭには流れないので問題がないと思われる。しかし、先述したようにダイナモメータ装置は、インバータＩＮＶとコンバータＣＯＮＶがそれぞれ分離したコンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂに収められ、また、それぞれのコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂが長いため、この循環電流が流れるループ面積が大きくなる。
【００１８】
よって、これがループアンテナとなり放射ノイズの原因となる。そして、このノイズはダイナモメータ装置内のスイッチング素子を駆動するゲ一卜回路、電流計測や電圧計測のためのセンサ、シーケンサなどの制御回路の誤動作の原因およびＡＭラジオ、ＦＭラジオへのノイズの原因となる。 これは装置自ら出すノ イズにより装置が誤動作するという、いわゆる自己中毒と呼ばれる現象である。大容量装置の場合、その循環電流は大きいので放射ノイズも同様に大きくなる。
【００１９】
従来、ＣＩＳＰＲやＩＥＣ、ＪＩＳなどのノイズ規制規格によりＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）フィルタなどで交流電源１側、または、モータＭ側ヘノイズを流出させない対策は一般的に施されていたが、装置自身に影響を与えるノイズを抑制する対策は行われてこなかった。また、問題が起こったら対策を施すといった対処療法的な手法が一般的であった。
【００２０】
小容量のインバータＩＮＶとコンバータＣＯＮＶで構成されている半導体電力変換装置は、インバータＩＮＶとコンバータＣＯＮＶが一つの筐体で収められている。そして、それぞれのヒートシンクは筐体を通して接続されているので、このような接地線と大地を通る循環電流は流れない。しかし、先述したようにダイナモメータ装置は大容量装置であるため、コンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶの容積が大きくなり、一つの筐体には収めきれず、それぞれ別のコンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂに収納されている。そのため、このような循環電流が発生する。
【００２１】
以上示したようなことから、電力変換装置において、インバータ接地線−大地−コンバータ接地線に流れる循環電流を低減させ、放射ノイズを抑制することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータを収納するコンバータ筐体と、前記コンバータを冷却するコンバータヒートシンクと、前記コンバータと大地とを接続するコンバータ接地線と、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータを収納するインバータ筐体と、前記インバータを冷却するインバータヒートシンクと、前記インバータと大地とを接続するインバータ接地線と、を備えた電力変換装置であって、前記コンバータヒートシンクと前記インバータヒートシンクを、前記コンバータ接地線および前記インバータ接地線よりも低インダクタンスのヒートシンク接続線で接続したことを特徴とする。
【００２３】
また、その一態様として、前記コンバータ接地線と、前記インバータ接地線にダンパ抵抗を設けたことを特徴とする。
【００２４】
また、前記ヒートシンク接続線は銅素材でも良い。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、電力変換装置において、インバータ接地線−大地−コンバータ接地線に流れる循環電流を低減させ、放射ノイズを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１における電力変換装置を示す概略図。
【図２】実施形態１におけるインバータ接地線電流を示すグラフ。
【図３】実施形態１におけるコンバータ接地線電流を示すグラフ。
【図４】実施形態２における電力変換装置を示す概略図。
【図５】実施形態２におけるインバータ接地線電流を示すグラフ。
【図６】実施形態２におけるコンバータ接地線電流を示すグラフ。
【図７】従来の電力変換装置を示す概略図。
【図８】１素子入り半導体モジュールを示す回路図。
【図９】１素子入り半導体モジュールを示す実装図。
【図１０】１素子入り半導体モジュールを示す簡略実装図。
【図１１】１素子入り半導体モジュールを示す側面図。
【図１２】浮遊静電容量を含む１素子入り半導体モジュールを示す回路図。
【図１３】浮遊静電容量を考慮した三相電圧型インバータの１相分を示す回路図。
【図１４】浮遊静電容量を考慮した三相電圧型インバータを示す回路図。
【図１５】浮遊静電容量を考慮した電力変換装置を示す回路図。
【図１６】従来のインバータ接地線電流を示すグラフ。
【図１７】従来のコンバータ接地線電流を示すグラフ。
【図１８】電力変換装置における浮遊静電容量と接地線インダクタンスによる共振回路を示す図。
【図１９】電力変換装置における浮遊静電容量と接地線インダクタンスによる共振回路を示す簡略図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本願発明の電力変換装置の実施形態１，実施形態２を図１〜図６に基づいて説明する。
【００２８】
［実施形態１］
本実施形態１の電力変換装置の構成を図１に示す。図１に示すように、本実施形態１における電力変換装置は、コンバータＣＯＮＶと、コンバータＣＯＮＶを収納するコンバータ筐体２ａと、コンバータＣＯＮＶを冷却するコンバータヒートシンク１１ａと、コンバータＣＯＮＶと大地とを接続するコンバータ接地線３ａと、インバータＩＮＶと、インバータＩＮＶを収納するインバータ筐体２ｂと、インバータＩＮＶを冷却するインバータヒートシンク１１ｂと、インバータＩＮＶと大地とを接続するインバータ接地線３ｂと、を有する。
【００２９】
コンバータＣＯＮＶは、半導体デバイス４ｃｕ，４ｃｖ，４ｃｗ，４ｃｘ，４ｃｙ，４ｃｚを有し、各半導体デバイス４ｃｕ，４ｃｖ，４ｃｗ，４ｃｘ，４ｃｙ，４ｃｚとコンバータヒートシンク１１ａとの間には浮遊静電容量Ｃｃｅｕ，Ｃｃｅｖ，Ｃｃｅｗ，Ｃｃｅｘ，Ｃｃｅｙ，Ｃｃｅｚが存在する。また、コンバータ接地線３ａは、インダクタンスＬｃｇを有する。
【００３０】
インバータＩＮＶは、半導体デバイス４ｉｕ，４ｉｖ，４ｉｗ，４ｉｘ，４ｉｙ，４ｉｚを有し、各半導体デバイス４ｉｕ，４ｉｖ，４ｉｗ，４ｉｘ，４ｉｙ，４ｉｚとインバータヒートシンク１１ｂとの間には、浮遊静電容量Ｃｉｅｕ，Ｃｉｅｖ，Ｃｉｅｗ，Ｃｉｅｘ，Ｃｉｅｙ，Ｃｉｅｚが存在する。また、インバータ接地線３ｂはインダクタンスＬｉｇを有する。
【００３１】
また、本実施形態１の電力変換装置は、コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂをヒートシンク 接続線１２で接続している。コンバータヒートシンク１１ａ，インバータヒートシンク１１ｂを接続することで循環電流をコンバータ筐体２ａとインバータ筐体２ｂ内に閉じ込め、循環電流がコンバータ接地線３ａとインバータ接地線３ｂ、および、大地に流れないようにする。
【００３２】
大地に循環電流を流さないようにするためには、このヒートシンク接続線１２はできるだけ低インダクタンスにすることが必要となる。例えば、ヒートシンク接続線１２は、電線ではなく銅素材などのブ スバーとすることにより低インダクタンス化することができる。こうすることで、循環電流が流れるループ面積は小さくなるので放射ノイズを抑制することができる。
【００３３】
コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂをコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂの４０％のインダクタンスのヒートシンク接続線１２で接続した場合のインバータ接地電流とコンバータ接地電流のＦＦＴ解析結果を、それぞれ図２、図３に示す。
【００３４】
図２，図３により、コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂをコンバータ接地線３ａ，インバータ接地線３ｂより低インダクタンスのヒートシンク接続線１２で接続することにより、循環電流はコンバータ接地線３ａ、インバータ接地線３ｂに流れにくくなっていることがわかる。従来（図１６，図１７）ではピーク電流は１１０［ｄＢμＡ］程度であったが、本実施形態１では図２，図３に示すようにピーク電流が９０［ｄＢμＡ］に低減される。
【００３５】
また、ヒートシンク接続線１２のインダクタンスをより低くすることで、さらに循環電流を低減することが可能となる。 
【００３６】
以上示したように、コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂを低インダクタンスのヒートシンク接続線１２で接続することで、コンバータ接地線３ａ−大地−インバータ接地線３ｂに流れる循環電流を低減させ、それにより放射ノイズを抑制することが可能となる。
【００３７】
［実施形態２］ 
本実施形態２の電力変換装置を図４に示す。本実施形態２では、コンバータ接地線３ａとインバータ接地線３ｂにそれぞれダンパ抵抗Ｒｃｇ，Ｒｉｇを設けたものである。本実施形態２では、コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂを接続するヒートシンク接続線１２を設けていない。その他の構成は実施形態１と同様である。このダンパ抵抗Ｒｃｇ，Ｒｉｇにより共振周波数のピーク電流値を低減し、放射ノイズを抑制することが可能となる。 
【００３８】
コンバータ接地線３ａとインバータ接地線３ｂにダンパ抵抗Ｒｃｇを付加した場合のインバータ接地電流とコンバータ接地電流のＦＦＴ解析結果を、それぞれ図５、図６に示す。これにより、共振周波数のピーク電流値が低減できていることがわかる。
【００３９】
以上示したように、本実施形態２によれば、コンバータ接地線３ａとインバータ接地線３ｂにダンパ抵抗Ｒｃｇ，Ｒｉｇを接続することで、コンバータＣＯＮＶ−インバータＩＮＶ間に流れる循環電流を低減させ、それにより放射ノイズを抑制することが可能となる。
【００４０】
また、実施形態１と実施形態２とを組み合わせ、コンバータヒートシンク１１ａとインバータヒートシンク１１ｂとをヒートシンク接続線１２で接続し、コンバータ接地線３ａ、インバータ接地線３ｂにダンパ抵抗Ｒｃｇ，Ｒｉｇを設けてもよい。実施形態１と実施形態２とを組み合わせることによって、よりコンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶ間に流れる循環電流を低減し、放射ノイズを抑制することが可能となる。
【００４１】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００４２】
例えば、本願発明の電力変換装置は、ダイナモメータ装置に限らず、コンバータＣＯＮＶとインバータＩＮＶが別々の筐体（コンバータ筐体２ａ，インバータ筐体２ｂ）に収納されている電力変換装置であれば、適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
ＣＯＮＶ…コンバータ
ＩＮＶ…インバータ
２ａ…コンバータ筐体
２ｂ…インバータ筐体
３ａ…コンバータ接地線
３ｂ…インバータ接地線
１１ａ…コンバータヒートシンク
１１ｂ…インバータヒートシンク
１２…ヒートシンク接続線
Ｒｃｇ，Ｒｉｇ…ダンパ抵抗
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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