(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する電力配線間にコンデンサを接続して成る電力変換装置において、箔状の第１の電極と第２の電極それぞれが絶縁シートに固着され、前記第１の電極と第１の電極用絶縁シート及び前記第２の電極と第２の電極用絶縁シートを棒状の第１の磁性体に重ねて巻廻してＬＣ複合素子を構成し、前記第１の電極と第２の電極のそれぞれ両端に電気的に接続する接続電極を固着し、前記第１の磁性体の両端を繋ぐもしくは近接するように第２の磁性体を配置し、前記第２の磁性体を巻廻した前記第１の電極と第２の電極の外側を通るように配置し、前記第２の磁性体に前記第１の磁性体に巻廻した前記第１の電極及び第２の電極と同じ向きにコイルを巻廻し、前記コイルの出力を短絡する抵抗を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記ＬＣ複合素子を両端が開口した円筒形ケースに内蔵し、絶縁材で作られた封止板を前記円筒形ケースの両端へ固着し開口部を塞ぐと共に前記封止板に設けた穴から前記接続電極と第１の磁性体を引出し、円筒形ケース外側に第２の磁性体を第１の磁性体の両端を繋ぐように配置し、前記第２の磁性体を円筒形ケース側面及び封止板に治具や接着剤を用いて固着させたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、前記第２の磁性体を固定すると共に前記ＬＣ複合素子を配線基板等に固定する治具を前記円筒形ケースに固着したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電力変換装置において、前記第２の磁性体を固定すると共に前記ＬＣ複合素子を配線基板等に固定する治具を前記封止板に具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
負荷に電力を供給する電力配線間に複数のコンデンサを直列に接続して成る電力変換装置において、箔状の第１の電極と第２の電極それぞれが絶縁シートに固着され、前記第１の電極と第１の電極用絶縁シート及び前記第２の電極と第２の電極用絶縁シートを棒状の第１の磁性体に常に第１の電極が上層に来るように重ねて巻廻して第１のＬＣ複合素子を構成し、同様に第２のＬＣ複合素子の第１の電極と第１の電極用絶縁シート及び第２の電極と第２の電極用絶縁シートを棒状の第３の磁性体に常に第２の電極が上層に来るように巻回すと共に第１の磁性体に第１のＬＣ複合素子の前記第１の電極と前記第１の電極用絶縁シート及び前記第２の電極と前記第２の電極用絶縁シートを巻廻した向きと同じ向きに第２のＬＣ複合素子の前記第１の電極と前記第１の電極用絶縁シート及び前記第２の電極と前記第２の電極用絶縁シートを巻廻し、第１のＬＣ複合素子の前記第２の電極と第２のＬＣ複合素子の前記第２の電極を電気的に接続し、第１のＬＣ複合素子と第２のＬＣ複合素子を直列接続させ、前記第１の磁性体と前記第３の磁性体それぞれの両端を繋ぐように第４及び第５の磁性体を配置し、前記第４もしくは第５の磁性体に前記第１及び第３の磁性体に巻廻した第１の電極及び第２の電極と同じ向きにコイルを巻廻し、前記コイルの出力を短絡する抵抗を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記第１及び第２のＬＣ複合素子を両端が開口した円筒形ケースに内蔵し、絶縁材で作られた封止板を前記円筒形ケースの両端へ固着し開口部を塞ぐと共に前記封止板に設けた穴から前記接続電極と前記第１及び第３の磁性体を引出し、円筒形ケース外側に前記第１の磁性体と前記第３の磁性体それぞれの両端を繋ぐように第４及び第５の磁性体を配置し、前記第４及び第５の磁性体を円筒形ケース側面及び封止板に治具や接着剤を用いて固着させたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記第４及び第５の磁性体を固定すると共に前記ＬＣ複合素子を配線基板等に固定する治具を前記円筒形ケースに固着したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記第４及び第５の磁性体を固定すると共に前記ＬＣ複合素子を配線基板等に固定する治具を前記封止板に具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記コイルの出力を可変抵抗器で短絡し、可変抵抗器の抵抗値を複数回変えると共に各回毎に可変抵抗器の両端の電圧を測る手段と、検出した可変抵抗器の電圧を用いてＬＣ複合素子に流れるコモンモードの電流を最小にする可変抵抗器の抵抗値を算出する計算手段を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記コイルの出力を可変抵抗器で短絡し、可変抵抗器の抵抗値を複数回変えると共に各回毎に可変抵抗器の両端の電圧を測る手段と、検出した可変抵抗器の電圧を用いてＬＣ複合素子に流れるコモンモードの電流を最小にする可変抵抗器の抵抗値を算出する計算手段を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の電力変換装置において、直流電力を交流電力に変換するパルス幅変調方式を用いたインバータ装置を負荷である電動機の側面に固着させ一体化すると共に、インバータ部の直流電力の平滑用として前記ＬＣ複合素子を用いたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項５に記載の電力変換装置において、直流電力を交流電力に変換するパルス幅変調方式を用いたインバータ装置を負荷である電動機の側面に固着させ一体化すると共に、インバータ部の直流電力の平滑用として前記ＬＣ複合素子を用いたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
乗物に搭載された直流電力を交流電力に変換するパルス幅変調方式を用いて負荷である電動機を回転させるインバータ装置を備えた電力変換装置において、インバータ部の直流電力の平滑用として前記ＬＣ複合素子を用いたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
パルス幅変調方式を用いて太陽電池や蓄電池等が供給する直流電力を交流電力に変換し電源系統に電力を供給するインバータ装置を備えた電力変換装置において、インバータ部の直流電力の平滑用として前記ＬＣ複合素子を用いたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の電力変換装置において、インバータ装置の直流電力を平滑する前記ＬＣ複合素子の前記第１の電極と第１の電極用絶縁シート及び前記第２の電極と第２の電極用絶縁シートを巻き回し、巻き回した軸に垂直な断面を扁平になるようにし、扁平に巻き回した電極の中心部に棒状の第１の磁性体を挿入したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１６】
請求項５に記載の電力変換装置において、インバータ装置の直流電力を平滑する前記ＬＣ複合素子の前記第１の電極と第１の電極用絶縁シート及び前記第２の電極と第２の電極用絶縁シートを巻き回し、巻き回した軸に垂直な断面を扁平になるようにし、扁平に巻き回した電極の中心部に棒状の第１の磁性体を挿入したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記ＬＣ複合素子の各陽極及び陰極の表面に生成される凹凸粗さが異なる領域を設け用いたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１８】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記ＬＣ複合素子の各陽極及び陰極の表面に生成される凹凸粗さが異なる領域を設け用いたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置や蓄電装置などの電力変換装置に係り、特に、電力変換装置から漏れるノイズを低減するＬＣ複合素子を用いた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置は、誘導電動機など交流電動機の運転に広く用いられ、近年では乗物の動力源のコントローラとしても用いられるようになり、インバータ装置による可変速運転の利点が充分に享受できるようになっている。
【０００３】
図１６で示す従来のインバータ装置の制御には、従来ＰＷＭ（パルス・ワイド・モジュレーション：パルス幅変調）制御方式が採用され幅広く用いられ、ダイオード整流器からなるコンバータ部（順変換部）２と、このコンバータ部２から出力される直流電力が入力されるＰＷＭ制御方式のインバータ部（逆変換部）３、それにコンバータ部２とインバータ部３の間の直流部に接続された平滑用のコンデンサ（キャパシタ）４で構成された主回路を備えている。
【０００４】
そして、コンバータ部２に、電力源となる商用交流電力１から交流電力が入力されると、コンデンサ４で平滑化された直流電力がインバータ部３に供給され、ここで、インバータ部３の半導体スイッチング素子４０がＰＷＭ制御されることにより、直流電力が所定の電圧と所定の周波数の交流電力に変換され、この結果、誘導電動機などの負荷６に可変電圧可変周波数の電力が供給されることになる。
【０００５】
このとき、インバータ部３にある半導体スイッチング素子４０は、ドライバ回路４３を介して、計算機（コンピュータ）２８から送られるＰＷＭ信号に従いオン（導通），オフ（遮断）制御され、負荷６に対して矩形波の電圧と負荷電流を出力し、半導体スイッチング素子４０が持つ導通抵抗と負荷電流できまる導通損失とオンオフ時の過渡的な電圧電流変異の際に生じるスイッチング損失が発生する。
【０００６】
近年、前記したスイッチング損失を低減する為に半導体スイッチング素子４０の過渡応答性能の改善が進み、高速なスイッチング特性を持つＩＧＢＴ（インシュレーテッド，ゲート，バイポーラ，トランジスタ）が開発され損失の低減を実現し、装置の冷却器を小型化に貢献すると共にインバータに代表される電力変換装置の小形化を実現してきた。
【０００７】
しかし、前記した矩形波の過渡的電圧変化が急峻となると、代表的な負荷６である交流電動機からインバータ装置間を接続する電力ケーブルの漏れ容量７（対地間容量）や、交流電動機の巻線の漏れ容量７（対地間容量）を漏れて流れる電流(以下、漏れ電流と呼ぶ)が増加し、特に時間に対する電圧の変化の割合に比例して漏れ電流８のピーク値が上昇し、さらに電力配線の寄生インダクタンス５０等と高周波で共振し、前記漏れ電流８がインバータ部３やコンバータ部２を通り抜け商用交流電力１にまで流れ込み、他の機器に誤動作などの悪影響を与えたり、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波が他の機器に入り込んだり、装置近隣のテレビやラジオアンテナに対して放射ノイズ撒き散らすなどの問題が生じている。
【０００８】
ここまで、従来技術の一例として、ダイオード整流器からなるコンバータ部（順変換部）２を用いた電力変換装置を取り上げたが、バッテリー等の蓄電部１４（蓄電池）が出力する直流電力をインバータ部３に供給して成る電力変換装置でも前記と同様インバータ部３の半導体スイッチング素子４０がＰＷＭ制御されることにより、直流電力が所定の電圧と所定の周波数の交流電力に変換され、この結果、乗物の動力源，冷却装置の冷却ファン，冷却水の循環用ポンプ駆動電動機，油圧機具向け油圧ポンプ駆動電動機，エアコン用コンプレッサー駆動電動機などの負荷６に可変電圧可変周波数の電力が供給され、前記した放射ノイズを出すことは言うまでもない。
【０００９】
ここで、ノイズの原因となる漏れ電流８を流さないように図１６に示すような電力ラインに接続された受動素子であるコモンモードトランス９と電力ラインと対地を接続するＸ結線及びＹ型結線用のコンデンサ１０で構成されたラインフィルタ５を電力変換装置の入力電力ラインへ負荷６や電源に対し直列に挿入することで、高周波の漏れ電流８をコモンモードトランス９により遮断し、遮断された漏れ電流８がＹ型結線コンデンサ１０に流れ対地に帰還することから、入力電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少でき、他の機器に誤動作などの悪影響を与えたり、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減でき、他の機器に入り込むといった問題を解決してきた。
【００１０】
さらに、ラインフィルタ５を小形化する為、特開平６−２２４０４５号公報に記載のＬＣ複合素子１５を用いたラインフィルタ５が提案され、図１７に示すようなコンデンサの陽極１６と陰極１７電極をフェライト等の棒状磁性体１９を芯として同心円上に巻き付け、前記陽極１６及び陰極１７電極でＬＣ複合素子１５を形成し、形成されたＬＣ複合素子１５がその巻廻し方からコモンモードトランスとして動作し、前記陽極１６及び陰極１７電極と対地間にＸ結線及びＹ型結線用のコンデンサ１０を作り込む為の第３及び第４の電極を前記陽極１６及び陰極１７電極と共に巻廻しラインフィルタ５を構成し、小形で高性能なラインフィルタ５を実現し入力電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少でき、他の機器に誤動作などの悪影響を与えたり、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減でき、他の機器に入り込むといった問題を解決してきた。
【００１１】
一方、漏れ電流８をダンピングする為、漏れ電流８の流れる経路にダンピングする為の抵抗１３を挿入するといった手法が開発され、電気学会平成７年度産業応用部門全国大会Ｎｏ９３「コモンモードトランスを用いた高周波漏れ電流抑制効果と設計法」で報告され、電力ラインに直列に挿入されたコモンモードトランス９に新たに零相コイル２６となる同相の巻線を付加し（以下、同相の巻線を付加したコモンモードトランスをＣＭＴと呼ぶ。）、電力ラインに流れる漏れ電流８がコモンモードトランス９のコア部に作り出す磁束を新たに付加した零相コイル２６に鎖交させ、漏れ電流８の持つエネルギーを新たに付加した零相コイル２６に伝え、零相コイル２６の出力を抵抗１３で短絡することで、漏れ電流８が抵抗１３を流れることになり、コモンモード電流つまり漏れ電流８が抵抗１３を流れることで漏れ電流８をダンピングできることから、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少でき、他の機器に誤動作などの悪影響を与えたり、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減でき、他の機器に入り込むといった問題を解決してきた。
【００１２】
さらに特開２０００−６０１０７では、前記した電気学会平成７年度産業応用部門全国大会Ｎｏ９３「コモンモードトランスを用いた高周波漏れ電流抑制効果と設計法」で報告されたＣＭＴを電力変換機の電力の入力段であるコンバータ部と、負荷へ電力を供給する出力段となるインバータ部の間に平滑用のコンデンサと並列に且つ、前記コンバータ部と前記インバータ部に直列に挿入することで、コモンモード電流つまり漏れ電流８が抵抗１３を流れることで漏れ電流８をダンピングできることから、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少でき、他の機器に誤動作などの悪影響を与えたり、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減でき、他の機器に入り込むといった問題を解決してきている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、電力ラインに接続されたコモンモードトランス９と電力ラインと対地を接続するコンデンサ１０で構成されたラインフィルタ５を用いてノイズの原因となる漏れ電流８の流れを抑制して対策しているが、特にラインフィルタ５に用いるコモンモードトランス９には数ｍＨなど比較的大きな値のインダクタンス特性が必要であり、各相ごとに大きな磁性体コアに複数回電線を精度良く巻廻し、さらに巻廻した電線に負荷電流を流すため比較的直径の大きな電線が必要となることから、コモンモードトランス９のサイズが大きくなりラインフィルタ５のサイズも大きくなることから、出力数ｋＷの電力変換装置の場合、電力変換装置と同サイズにまでラインフィルタ５が大型化し、電力変換装置と別ケースでラインフィルタ５を構成せざるをえず、電力変換システムの大型化とラインフィルタ５のコストが高い問題がある。
【００１４】
さらに、従来のＬＣ複合素子１５を用いたラインフィルタ５では、パッシブ回路として動作する為、漏れ電流８を遮断する為のインダクタンス値を大きくする必要があり、コモンモードトランス９を構成している電極の巻廻しの回数を増やし作られるインダクタンスを大きくするか、芯となるフェライト等の磁性体を太くして構成されるインダクタンスを大きくする必要があり、電極間に挟み込む絶縁紙の厚さも加わり、サイズを小形化することが困難であった。
【００１５】
また、ラインフィルタ５やＣＭＴ１１の回路定数は、電力変換装置の実装条件が安全規格等で決められた範囲内で漏れ電流８に対してその低減効果が出るように決められており、当然、実装条件の一つである電力変換装置と負荷を接続する電力ケーブルの長さや漏れ容量７の特性を異なる値、例えば電力ケーブルの長さを所定値よりも長くすると所定の漏れ電流８の低減特性が得られなくなったり、特にラインフィルタ５では電力変換装置内で用いる半導体スイッチング素子４０の特性や半導体スイッチング素子４０のドライブ回路４３が変わると、半導体スイッチング素子４０の過渡的な出力電圧特性が異なり、当然漏れ電流８の波形が変化し、漏れ電流８の中に含まれる周波数成分が異なることからラインフィルタ５での所定のノイズ低減特性が得られなくなる問題があった。
【００１６】
本発明の目的は、小形のコモンモードトランス９を用いて、漏れ電流８を低減すると共に電力変換装置の実装条件や半導体スイッチング素子４０の特性が変化しても所定の漏れ電流低減効果を発揮できるラインフィルタ５を電力変換装置内に内蔵し、低ノイズで小形で低コストな電力変換装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４を接続している電力配線に平滑用のコンデンサ４としてＬＣ複合素子１５が接続された電力変換装置において、ＬＣ複合素子１５の陽極１６と陰極１７が少なくとも誘電率が空気よりも大きな絶縁紙１８もしくは電解液を浸した絶縁紙１８に固着され、陽極１６と陰極１７を少なくとも絶縁紙１８の幅より長いフェライト等の棒状磁性体１９に重ねて巻廻しコンデンサを構成させると共に陽極１６と陰極１７のそれぞれ両端より電気的に外部と接続する接続電極２０を固着し、両端が開口した円筒形ケース２１内にコンデンサを内蔵し、樹脂等で作られた封止板２２を円筒形ケース２１内の両端へ固着すると共に接続電極２０と棒状磁性体１９を円筒形ケース２１の外に出す為の穴を封止板２２に設け、円筒形ケース２１外側にコの字状の磁性体２３を棒状磁性体１９の両端を繋ぐように配置し、トロイダル状の磁気回路を構成させ、前記コの字状の磁性体２３を円筒形ケース２１側面に治具２４を用いて固着させ、前記コの字状の磁性体２３に零相コイル２６となる第３のコイルを巻き付け、零相コイル２６の出力を所定の抵抗１３で短絡したことにより、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４間を流れるコモンモードの漏れ電流経路に抵抗１３を挿入でき、コモンモード電流つまり漏れ電流８が抵抗１３を流れることで漏れ電流８をダンピングし、電力ラインに流れていた漏れ電流８を大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減でき、他の機器への誤動作などの悪影響をも低減し、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００１８】
同じく上記目的は、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４を接続している電力配線に平滑用のコンデンサ４としてＬＣ複合素子１５が接続された電力変換装置において、ＬＣ複合素子１５の陽極１６と陰極１７が少なくとも誘電率が空気よりも大きな絶縁紙１８もしくは電解液を浸した絶縁紙１８に固着され、陽極１６と陰極１７を少なくとも絶縁紙１８の幅より長いフェライト等の棒状磁性体１９に重ねて巻廻しコンデンサを構成させると共に陽極１６と陰極１７のそれぞれ両端より電気的に外部と接続する接続電極２０を固着し、両端が開口した円筒形ケース２１内にコンデンサを内蔵し、樹脂等で作られた封止板２２を円筒形ケース２１内の両端へ固着すると共に接続電極２０と棒状磁性体１９を円筒形ケース２１の外に出す為の穴を封止板２２に設け、円筒形ケース２１外側にコの字状の磁性体２３を棒状磁性体１９の両端を繋ぐように配置し、トロイダル状の磁気回路を構成させ、前記コの字状の磁性体２３を円筒形ケース２１側面に治具２４を用いて固着させ、前記コの字状の磁性体２３に零相コイル２６となる第３のコイルを巻き付け、零相コイル２６の出力を可変抵抗器２７で短絡し、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４間を流れるコモンモードの漏れ電流経路に可変抵抗器２７が挿入でき、計算機２８を用いて可変抵抗器２７の抵抗値を複数回変えると共に各回毎に可変抵抗器２７の両端の電圧を測り、検出した可変抵抗器２７の電圧を用いてコモンモードの漏れ電流８が最小になる可変抵抗器２７の抵抗値を計算機２８で算出し、算出結果をもとに再度可変抵抗器２７の抵抗値を計算機２８から制御し所定の値に設定することで、漏れ電流８を最小にできる抵抗１３を用いて漏れ電流８のダンピングが可能になり、電力変換装置及び負荷６の実装状態に関わらず電力ラインに流れていた漏れ電流８を大幅に減少でき、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００１９】
上記目的は、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４を接続している電力配線に平滑用のコンデンサ４として第１のＬＣ複合素子３３を直流電力プラス側，第２のＬＣ複合素子３４を直流電力マイナス側として直列に接続された電力変換装置において、第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と陰極３６が少なくとも誘電率が空気よりも大きな絶縁紙１８もしくは電解液を浸した絶縁紙１８に固着され、陽極３５と陰極３６を少なくとも絶縁紙１８の幅より長いフェライト等の棒状磁性体１９に例えば陽極３５を上側に重ねて巻廻しコンデンサを構成させると共に陽極３５と陰極３６のそれぞれ両端より電気的に外部と接続する接続電極２０を固着し、両端が開口した円筒形ケース２１内にコンデンサを内蔵し、樹脂等で作られた封止板２２を円筒形ケース２１内の両端へ固着すると共に接続電極２０と棒状磁性体１９を円筒形ケース２１の外に出す為の穴を封止板２２に設け、第２のＬＣ複合素子３４の電極を第１のＬＣ複合素子３３の電極の重ね方と逆に陰極３８を上側に重ねて巻廻し構成し、第１及び第２のＬＣ複合素子の各棒状磁性体を円筒形ケース外側に用意した接続用磁性体で接続し、トロイダル状の磁気回路を構成させ、前記第１のＬＣ複合素子３３の陰極３６と第２のＬＣ複合素子３４の陽極３７を接続することで第１及び第２のＬＣ複合素子を直列接続し、前記円筒形ケース外側に用意した接続用磁性体に零相コイル２６を巻き付け、零相コイル２６の出力を所定の抵抗１３で短絡したことにより、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４間を流れるコモンモードの漏れ電流経路に抵抗１３を挿入でき、コモンモード電流つまり漏れ電流８が抵抗１３を流れることで漏れ電流８をダンピングし、さらにＬＣ複合素子を直列に接続する際、第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と陰極３６の重ね順と逆にした第２のＬＣ複合素子３４を用いて直列接続のＬＣ複合素子を構成したことで、直流電力プラス側電位となる第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と直流電力マイナス側電位となる第２のＬＣ複合素子３４の陰極３８部の棒状磁性体１９に対する位置を対象にできることから、電極位置のズレによる誤差磁束を低減でき高精度なコモンモードトランス９を構成できることから誤検出したコモンモード電流（漏れ電流）で抵抗１３の発熱や破壊を防ぐことができ、電力変換装置や負荷６の漏れ容量７からの漏れ電流８だけを零相コイル２６に誘導できることから、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングでき、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電力変換装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＬＣ複合素子の断面の一例であり、図２は図１で示したＬＣ複合素子の側面図であり、図３は実施形態に係るＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の構成の一例である。一般的な電力変換装置の構成は、図１６で示すように商用交流電力１を整流するダイオード整流器からなるコンバータ部２と、このコンバータ部２から出力される直流電力が入力されるＰＷＭ制御方式のインバータ部３、それにコンバータ部２とインバータ部３の間の直流部に接続された平滑用のコンデンサ４で構成された主回路を備えている。
【００２２】
一般的に用いられている電力変換装置のラインフィルタ５は、前記コンバータ部２の商用交流電力１側に接続され、負荷６である交流電動機や交流電動機への電力配線が持つアース間の漏れ容量７から流れ出る漏れ電流８を商用交流電力１側に伝えないように高周波特性に優れたチョークコイルで高周波ラインインピータンスを高め漏れ電流８の通過を阻止し、アースに片側が接続され反対側が電力配線に接続された周波数応答に優れたＹ型結線コンデンサ１０を通して漏れ電流８をアースに流し込む構成とし、商用交流電力１への漏れ電流８の流出を防いでいる。
【００２３】
また従来のＣＭＴ１１は、３相インバータの出力電流であるＩＵ，ＩＶ，ＩＷを全て足し合わせると零になるようにＰＷＭ制御された前記インバータ部３と負荷６間の電力配線に直列に配置され、トロイダルコアに同位相で電力線を３本及び零相コイル２６含めた４本を巻廻し、零相コイル２６の出力を抵抗１３で短絡し構成され、すると各相を流れる負荷電流が磁束を作り、それら磁束がトロイダルコア内の磁気回路内で合成されるが、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷで作られる磁束の和は当然零となり、磁気回路内に残る磁束は漏れ電流８による成分だけとなり、零相コイル２６に漏れ電流８による磁束が誘起され、零相コイル２６の出力を短絡している抵抗１３に漏れ電流８が流れ、つまり漏れ電流８の流れる経路に抵抗１３が直列に挿入されたことと等しく、漏れ電流８を抵抗１３にてダンピングする効果が得られる。
【００２４】
図１，図２及び図３に示した実施形態が、図１６及び図１７の従来技術と異なる点は、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４を接続している電力配線に平滑用のコンデンサ４としてＬＣ複合素子１５を用いた電力変換装置において、図４に示すように陽極１６と陰極１７が少なくとも誘電率が空気よりも大きな絶縁紙１８もしくは電解液を浸した絶縁紙１８に固着され、図５に示すように陽極１６と陰極１７を少なくとも絶縁紙１８の幅より長いフェライト等の棒状磁性体１９に重ねて巻廻しコンデンサを構成させると共に陽極１６と陰極１７のそれぞれ両端より電気的に外部と接続する接続電極２０を固着し、図１に示す両端が開口した円筒形ケース２１内にコンデンサを内蔵し、樹脂等で作られた封止板２２を円筒形ケース２１内の両端へ固着すると共に接続電極２０と棒状磁性体１９を円筒形ケース２１の外に出す為の穴を封止板２２に設け、円筒形ケース２１外側にコの字状の磁性体２３を棒状磁性体１９の両端に近接するように配置し、トロイダル状の磁気回路を構成させ、前記コの字状の磁性体２３を円筒形ケース２１側面に治具２４を用いて固着させ、前記コの字状の磁性体２３にボビン２５を取付け零相コイル２６となる第３のコイルを巻き付け、前記ボビン２５をＬＣ複合素子１５の一部で固定し、零相コイル２６の出力を所定の抵抗１３で短絡したことにより、図６に示すようにインバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４間を流れるコモンモードの漏れ電流経路に抵抗１３が挿入でき、抵抗１３に漏れ電流８が流れることから漏れ電流８をダンピングできる点であり、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００２５】
図７は、本発明の第２の実施形態に係るＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の一例で、この実施形態が、図１で説明した実施形態と異なる点は、前記コの字状の磁性体２３にボビン２５を取付け零相コイル２６となる第３のコイルを巻き付け、前記ボビン２５をＬＣ複合素子１５の一部で固定し、零相コイル２６の出力を可変抵抗器２７で短絡し、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４間を流れるコモンモードの漏れ電流経路に可変抵抗器２７を挿入し、例えば図８に示すようなフローチャートに従い計算機２８を用いて可変抵抗器２７の抵抗値を複数回変えると共に各回毎に可変抵抗器２７の両端の電圧を測定し、測定では抵抗両端の電圧を半波整流回路２９で整流した後、ピークホールド回路３０もしくはサンプル＆ホールド回路でホールドし、Ａ／Ｄ変換機３１に入力しデジタル量に電圧を変換し、検出した電圧を用いてコモンモードの漏れ電流８が最小になる可変抵抗器２７の抵抗値を計算機で算出し、算出結果をもとに再度可変抵抗器２７の抵抗値を計算機２８から抵抗コントローラ３２を制御し所定の値に設定することで、漏れ電流８を最小にできる抵抗１３を用い漏れ電流８のダンピングを可能にした点である。これによって、電力変換装置及び負荷６の実装状態に関わらず、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００２６】
図９は、本発明の第３の実施形態に係るＬＣ複合素子の断面の一例であり、図１０は図９で示したＬＣ複合素子１５の側面図であり、図１１は実施形態に係るＬＣ複合素子１５を用いた電力変換装置の構成の一例である。図１及び図７で説明した実施形態と異なる点は、図１１に示すようにインバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４を接続している電力配線に平滑用のコンデンサ４として第１のＬＣ複合素子３３を直流電力プラス側，第２のＬＣ複合素子３４を直流電力マイナス側として直列に接続された電力変換装置において、図５同様に第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と陰極３６が少なくとも誘電率が空気よりも大きな絶縁紙１８もしくは電解液を浸した絶縁紙１８に固着され、陽極１６と陰極１７を少なくとも絶縁紙１８の幅より長いフェライト等の棒状磁性体１９に例えば陽極３５を上側に重ねて巻廻しコンデンサを構成させると共に陽極３５と陰極３６のそれぞれ両端より電気的に外部と接続する接続電極２０を固着し、両端が開口した円筒形ケース２１内にコンデンサを内蔵し、樹脂等で作られた封止板２２を円筒形ケース２１内の両端へ固着すると共に接続電極２０と棒状磁性体１９を円筒形ケース２１の外に出す為の穴を封止板２２に設け、第２のＬＣ複合素子３４の陽極３７と陰極３８を第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と陰極３６の重ね方と逆に陰極３８を上側に重ねて巻廻して構成し、第１及び第２のＬＣ複合素子の各棒状磁性体１９を円筒形ケース２１外側に用意した２個の接続用磁性体３９で接続し、トロイダル状の磁気回路を構成させ、前記第１のＬＣ複合素子３３の陰極３６と第２のＬＣ複合素子３４の陽極３７を接続することで第１及び第２のＬＣ複合素子を直列接続し、前記円筒形ケース２１外側に用意した２個の接続用磁性体３９の何れかにボビン２５を取付け零相コイル２６となる第３のコイルを巻き付け、前記ボビン２５をＬＣ複合素子１５の一部で固定し、零相コイル２６の出力を所定の抵抗１３で短絡した点であり、インバータ部３とコンバータ部２及び蓄電部１４間を流れるコモンモードの漏れ電流経路に抵抗１３を挿入でき、抵抗１３に漏れ電流が流れることから漏れ電流８をダンピングでき、さらにＬＣ複合素子１５を直列に接続する際、第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と陰極３６の重ね順と逆にした第２のＬＣ複合素子３４を用いて直列接続のＬＣ複合素子１５を構成したことで、直流電力プラス側電位となる第１のＬＣ複合素子３３の陽極３５と直流電力マイナス側電位となる第２のＬＣ複合素子３４の陰極３８の棒状磁性体１９に対する位置を対象にでき、電極位置のズレによる誤差磁束を低減でき高精度なコモンモードトランスを構成し、誤検出したコモンモード電流（漏れ電流）で抵抗１３の発熱や破壊を防ぐことができ、電力変換装置や負荷６の漏れ容量７からの漏れ電流８だけを零相コイル２６に誘導できる構成となることから、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００２７】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係るＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の一例で、この実施形態が、図１及び図７で説明した実施形態と異なる点は、直流電力ラインに接続された前記ＬＣ複合素子１５の陽極１６及び陰極１７のインバータ部３側もしくはコンバータ部２及び蓄電部１４側電極に、ＬＣ複合素子１５と並列となるように一般的な平滑用のコンデンサ４を接続した点であり、零相コイル２６となる第３のコイルの出力を抵抗１３もしくは可変抵抗器２７で短絡し、抵抗１３もしくは可変抵抗器２７を漏れ電流経路に挿入し、漏れ電流８が最小になる様に抵抗値に設定することで、漏れ電流８のダンピングが可能になると共に、平滑用のコンデンサ４をＬＣ複合素子１５に並列接続したことから平滑用コンデンサの容量を容易に増大させながらも、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００２８】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係るＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の一例で、この実施形態が、前記実施形態と異なる点は、図１３に示すようにアルミダイキャスト等で作られた電力変換装置の外形ケース１２内にインバータ部３とコンバータ部２用の半導体スイッチング素子４０が内蔵されたパワーモジュール４１を配置し、パワーモジュール４１の冷却器４２が電力変換装置の外形ケース１２にネジ等により固着され、パワーモジュール４１の上部にＬＣ複合素子１５，端子台５３，パワー半導体をコントロールするドライブ回路４３，ＰＷＭ制御を行う計算機２８，電力変換装置の上位コントローラからの信号を計算機２８に伝える通信回路４５や電源回路４６が実装された制御基板４７を配置すると共に前記パワーモジュール４１の電極と半田等を用いて接続し電力変換装置を構成し、電力変換装置の外形ケース１２と負荷６である交流電動機の外形ケース４４を一体化した点であり、一体化に当ってはネジやボルトで組み合わせてもよいが一体成形にて構成しても良く、このように負荷６である交流電動機と電力変換装置を近接させると漏れ電流８を作り出すインバータ部３と負荷６を接続する出力電力配線の長さが全ての実装条件で一定に保たれることから、実装条件の変化で生じる漏れ電流８の変化も無くなり、漏れ電流８を最小にする為の零相コイル２６の短絡抵抗１３も一意的に交流電動機の漏れ容量７から決められることから、漏れ電流８のダンピング効果を精度良く実現し、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００２９】
図１８は、本発明の第６の実施形態に係るＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の一例で、この実施形態が、図１及び図２で説明した実施形態と異なる点は、直流電力ラインに接続された前記ＬＣ複合素子１５の各電極を扁平に巻き回し、巻き回し軸に垂直な断面を楕円状とした点であり、さらに巻き回した電極中心部に挿入する磁性体をトロイダル状とし磁気回路を構成すると共に、この磁性体の前記電極の巻き回し軸に垂直な断面を楕円状もしくは表方形とした点であり、この様にするとトロイダル状に形成した磁気回路の実効磁路長を大きく増加させること無く、前記棒状磁性体１９の磁路の実効断面積を大幅に増加させることができることから、ＣＭＴの励磁インダクタンスを増加させることができ、零相コイル２６と抵抗１３もしくは可変抵抗器２７の漏れ電流８へのダンピング効果を向上でき、電力ラインに流れていた漏れ電流８が大幅に減少し、商用交流電力１を介して他の機器に流れ込む漏れ電流８を低減し、他の機器への誤動作などの悪影響を低減でき、漏れ電流８と漏れ電流経路の配線電圧によって作り出される電磁波を低減できることから、新たにコモンモードトランス９を内蔵したラインフィルタ５を用いずに漏れ電流８をダンピングできることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００３０】
図１９は、本発明の第７の実施形態に係るＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の一例で、この実施形態が、前記実施例で説明した実施形態と異なる点は、ＬＣ複合素子の各陽極及び陰極１６，１７の表面に生成される凹凸粗さが異なる領域を設け、前記領域を各陽極及び陰極に各２個接続された接続電極２０を結ぶ様に帯状に設けた点であり、これにより表面の凹凸の粗さが少ない領域１６Ａの電気抵抗が低下し発熱を抑えることができ、ＬＣ複合素子の内部発熱を低減でき、一方表面の凹凸粗さが大きい領域１６Ｂでは電気容量を増加することが可能となりＬＣ複合素子の容量を増加させることができ、低発熱で高容量のＬＣ複合素子を構成できることから、電力変換装置の低ノイズ化と共に低損失及び高い変換効率が達成される。
【００３１】
当然だが、図１４に示す様な太陽電池５１と電力変換装置で構成される太陽光発電システムの電源系統連係用電力変換装置５２や、図１５で示す内燃機関４８と負荷６の電動機を動力源とし、蓄電部１４から供給される直流電力をＬＣ複合素子１５を介してインバータ部３に接続しミッション４９を通して内燃機関４８と負荷６の電動機の力をタイヤに伝えて移動する乗物及び乗物に搭載される全てのインバータ装置や、さらに家庭用及び業務用のエアコンに用いるコンプレッサやファン用電動機駆動のインバータ装置や洗濯機の洗濯層を回す電動機や掃除機の吸い込みファンの電動機や電気調理機の磁界生成用インダクタンス駆動用電力変換装置等にも前記した実施例の電力変換装置が適用でき低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、コンデンサの陽極１６と陰極１７を棒状磁性体１９に巻廻し、陽極１６及び陰極１７の両端からそれぞれ接続電極２０を引出し、棒状磁性体１９の両端を繋ぐように接続用磁性体３９を用い磁気回路を構成し、磁気回路と鎖交する第３のコイルを持つＬＣ複合素子１５を用いて低ノイズ化と共に小形化と低コスト化が達成される電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＬＣ複合素子の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】図１の実施形態のＬＣ複合素子の側面図。
【図３】図１の実施形態のＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の構成図。
【図４】図１の実施形態のＬＣ複合素子内部電極の展開図。
【図５】図１の実施形態のＬＣ複合素子内部電極の構成図。
【図６】図１の実施形態のＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の漏れ電流経路の簡易等価回路。
【図７】本発明によるＬＣ複合素子の第２の実施形態及び実施形態のＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の構成図。
【図８】図７の実施形態の電力変換装置おける漏れ電流の最小化のフローチャート。
【図９】本発明によるＬＣ複合素子の第３の実施形態を示す断面図。
【図１０】図９の第３の実施形態を示す側面図。
【図１１】図９で示した第３の実施形態のＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の主回路結線図。
【図１２】本発明による第４の実施形態を示すＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の主回路結線図。
【図１３】本発明による第５の実施形態を示すＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の構成図。
【図１４】本発明によるＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の構成図。
【図１５】本発明によるＬＣ複合素子を用いた電力変換装置の構成図。
【図１６】従来のラインフィルタとＣＭＴを用いた電力変換装置の構成図。
【図１７】従来のＬＣ複合素子の構成と等価回路。
【図１８】本発明によるＬＣ複合素子の側面図。
【図１９】ＬＣ複合素子内部電極の展開図。
【符号の説明】
１…商用交流電力、２…コンバータ部、３…インバータ部、４…平滑用のコンデンサ、５…ラインフィルタ、６…負荷、７…漏れ容量、８…漏れ電流、９…コモンモードトランス、１０…接地用のＹ型結線コンデンサ、１１…ＣＭＴ（零相コイル付きコモンモードトランス）、１２…電力変換装置の外形ケース、１３…抵抗、１４…蓄電部、１５…ＬＣ複合素子、１６…陽極、１６Ａ…電極表面凹凸が密な面、１６Ｂ…電極表面凹凸が粗の面、１７…陰極、１８…絶縁紙、１９…棒状磁性体、２０…接続電極、２１…円筒形ケース、２２…封止板、２３…コの字状の磁性体、２４…治具、２５…ボビン、２６…零相コイル、２７…可変抵抗器、２８…計算機、２９…半波整流回路、３０…ピークホールド回路、３１…Ａ／Ｄ変換機、３２…抵抗コントローラ、３３…第１のＬＣ複合素子、３４…第２のＬＣ複合素子、３５…第１のＬＣ複合素子の陽極、３６…第１のＬＣ複合素子の陰極、３７…第２のＬＣ複合素子の陽極、３８…第２のＬＣ複合素子の陰極、３９…接続用磁性体、４０…半導体スイッチング素子、４１…パワーモジュール、４２…パワーモジュールの冷却器、４３…ドライブ回路、４４…交流電動機の外形ケース、４５…通信回路、４６…電源回路、４７…制御基板、４８…内燃機関、４９…ミッション、５０…寄生インダクタンス、５１…太陽電池、５２…電源系統連係用電力変換装置、５３…端子台。
【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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