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イノベイティブR&Dレポート 2015

車載インバータの電磁ノイズ設計を実現する
車両まるごと解析技術
船戸 裕樹
Funato Hiroki

李 ジャア
Li Jia

方田 勲

高橋 昌義

Takahashi Masayoshi

坂本 英之

Hoda Isao

Sakamoto Hideyuki

Hua Zeng

齋藤 隆一
Saito Ryuichi

自動車の安全性・快適性を確保するため，車載電子機た車両全体の電磁ノイズ予測を可能とする車両まるごと器は電磁ノイズ干渉を抑制する必要がある。このため，解析技術を開発した。車載アンテナへの電磁ノイズ混入

車両メーカーは車載電子機器メーカーにノイズ規格への量について，駆動用インバータの大電力出力（kW）から適合を義務付けているが，電磁ノイズの挙動は機器が搭微弱な電磁ノイズ（µW）まで広ダイナミックレンジな車両載される環境によって変化するため，機器単体でノイズ規解析を 3 段階に分けて行うことで個々の解析が取り扱うダ格に適合していても車両に組み込まれるとノイズ量が変化

イナミックレンジを小さくし，設計適用に実用的な精度し，車両のノイズ規格適合のための追加対策が発生する （±12 dB 以内）でノイズ量を予測可能とした。これにより，ことがある。そこで，事後になりがちであった電磁ノイズ電子機器の設計段階で車両搭載時の電磁ノイズ抑制設対策を上流設計段階で作り込むべく，電子機器を搭載し計を実現できる見込みを得た。

1. はじめにに示す。機器単体のノイズ試験では，自動車のシャシーを自動車の電動化や情報網連携技術の進展に伴い，車載電模擬した金属板の上に試験対象であるインバータやケーブ子機器の数は年々増加している。これら電子機器の動作にルを設置し，これら機器近傍に設置したアンテナに誘起す伴って発生する電磁ノイズが，車載ラジオなどほかの電子る電圧を測定することで放射ノイズ量を評価する。ケーブ

機器に電磁干渉しないよう，車載電子機器メーカーは機器ル配置や測定用アンテナ位置は国際規格（CISPR25）で規単体でノイズ試験を，車両メーカーは車両ノイズ試験をそ定されており，例えば放射ノイズ試験ではケーブルから距れぞれ行う

1），2）

離 1 m の場所に設置したアンテナへ誘起する電圧を測定す。

車載インバータの放射電磁ノイズ試験の例を図 1（左）る。一方，車両試験は実際の製品車両を用いて行われる試験対象機器（インバータ）
試験車両

1m

ケーブル
金属板

アンテナ

図1│車載電子機器のノイズ試験（左）と車両ノイズ試験（右）機器のEMC（Electro-magnetic Compatibility）試験は規格に基づいてケーブルやアンテナを配置する。車両試験は実際の製品車両を用いるため，電磁ノイズの発生・伝播（ぱ）環境が車両ごとに異なり，機器の試験と必ずしも一致しない。

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2015.06-07

日立評論モータを駆動する装置である。この半導体のスイッチング
手戻りをなくす

車両メーカー

周波数は kHz 程度であるが，電圧切り替え時に発生する

車両解析
車両設計

車載電子機器メーカー
電子機器設計高周波成分は MHz 以上に及ぶ。また，インバータは kW

車両
解析モデル
作成

車両試作

車両
EMC試験

量産

磁干渉を起こさないためには漏洩ノイズ量をおよそ µW 以下と非常に小さい値にする必要があるため，インバータと提供
電子機器
解析モデル
作成

以上の電力を出力するのに対し，漏洩（えい）ノイズが電機器試作

EMC試験

量産

モータおよび高電圧バッテリとを接続するケーブルは一般的にシールドケーブルを用いる。

3. 車両全体電磁ノイズ解析

図2│車載電子機器と車両の開発フロー
車両EMC試験は機器のEMC試験後に行われるため，ノイズ問題が起きると設計変更のため追加のコストと期間が発生してしまう。

車両全体電磁ノイズ解析の技術課題は，インバータの大電力動作（kW レベル）から微弱な放射電磁ノイズ（µW レベル）まで広いダイナミックレンジを取り扱う高精度解析の実現である。この広ダイナミックレンジ解析には，9 桁車外に設置した試験用アンテナへの誘起電圧を測定する放（180 dB）に及ぶ精度保証が求められ，3 桁（60 dB）程度

射電磁ノイズ試験と，ラジオなど車載アンテナへの混入ノを扱う通常の解析では正確な解を求めることが困難であイズ試験の 2 種類がある。これら車両試験では，アンテナる。そこで，この問題を解決するため，電磁ノイズ放射が配置やボディ形状が車両ごとに異なるため，電磁ノイズの車両ボディへの漏洩電流によって発生するというメカニズ発生・伝播（ぱ）環境が車両によって大きく異なる。機器

ムに基づく車両全体解析フローを開発した 3）。すなわち，単体のノイズ試験は，実車両での機器実装状態を模擬する（1）インバータ動作解析，（2）漏洩電流解析 ,（3）放射電磁よう事前に綿密な検討を行うが，製品車両と電磁ノイズのノイズ解析という 3 段階に分けて車両解析を行うことで，挙動は必ずしも一致しない。すなわち，機器単体のノイズ個々の解析が取り扱うダイナミックレンジを小さくし，高試験に適合しても，車両試験において車載アンテナへの電精度化を実現する（図 3 参照）。

磁干渉問題が発生するリスクがある。通常，車両電磁ノイ次に，これら分割した解析を説明する。1 番目に，等価ズ試験は電子機器試験の後に行われるため，追加対策が発回路解析によってインバータが出力するモータ駆動電流の生した場合，電子機器あるいは車両の設計変更により，追高周波成分を計算する。求めたインバータ高周波電流を IN加のコストおよび期間が発生する問題がある。これは車載とする。2 番目に，インバータの高速スイッチングによっ電子機器メーカーだけでなく，車両メーカーにとっても大て発生した高周波電流（IN）のうち，車両ボディへ漏洩すきな損失となる。

る電流量を電磁界解析で求める。漏洩電流分布はケーブル

そ こ で， 日 立 は 米 国 General Motors Company（以 下，「GM」と記す。
）と共同で，電子機器の車両実装状態における電磁ノイズ量予測を目的に，インバータを含めた車両（1）
インバータ動作解析（等価回路解析）（2）
漏洩（えい）
電流解析 （3）放射電磁ノイズ解析（電磁界解析）（電磁界解析）照）。なお，本研究では解析対象に GM の電気自動車（Volt）

電圧予測することで，低ノイズ化設計を実現できる（図 2 参電流検証した。電子機器の設計段階で車両搭載時のノイズ量を電流全体の電磁ノイズ解析モデルを構築し，実車を用いて精度

周波数

周波数を用いた。Volt は 2 機のモータ，高電圧バッテリおよびこれらを接続する高電圧シールドケーブルとともに日立製の自動車ボディ

高電圧シールドケーブル

車両駆動用インバータを備えており，車両実装状態のインアンテナ

電磁ノイズ放射駆動用インバータ

バータノイズの解析という目的には適している。

周波数

芯線電流

高電圧バッテリ2. インバータの電磁ノイズ発生メカニズム
漏洩電流

ハイブリッド電気自動車の駆動用インバータは，数百ボルトの直流電圧を IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）など半導体のスイッチングによって交流電流に変換し，Vol.97 No.06-07 384–385

モータ

図3│車両全体解析フロー
車両全体解析を3つに分割することで高精度化を実現する。

イノベイティブR&Dレポート 2015

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Featured Articles［図 1（右）参照］。車両の放射電磁ノイズ試験には大別して，近傍の金属形状で決まるため，この狭い空間のみを解析する。この解析により，インバータ出力電流のうち車両ボディへ漏洩する電流の比（漏洩電流発生係数）K1 を得る。

インバータ

3 番目に，ボディに漏洩した電流によって発生する電磁ノイズがアンテナに干渉する量を求めるため，漏洩電流を励振源として与え，車両内外の電磁ノイズ伝播とアンテナ誘起電圧を電磁界解析する。この解析により，漏洩電流から車両設置アンテナまでの放射ノイズ伝播係数 K2 を得る。
以上より，得られたインバータ出力電流 IN と漏洩電流発アンテナ（車両前方設置）

生係数 K1 および放射ノイズ伝播係数 K2 によって車両設置アンテナへの誘起電圧 VA を求めることができる（式 1）。

VA＝IN×K1×K2（式 1）

図5│電磁ノイズ測定専用車両
実車両を用いてインバータ動作時のアンテナ誘起電圧を測定した。

このように放射ノイズが高周波漏洩電流によって発生するという既知のメカニズムに着眼し，車両解析を分割する値と比較した。

ことで，個々の解析が取り扱う電力のダイナミックレンジを約 3 桁（60 dB）以下に小さくし，一般的な電磁界解析ソ4. 測定

フトウェアを用いた高精度解析を実現できる。また，アン構築した電磁ノイズ測定専用車両を図 5 に示す。本研究

テナ位置のみを設計変更した場合は，放射伝播係数（K2）で対象とする駆動用インバータ以外の電子機器が発生するのみ再解析すればよく，上流設計で必要となる繰り返し解電磁ノイズが混入しないよう，ほかの電子機器は車両から析の効率を向上できる。

取り外した。放射電磁ノイズ測定用アンテナの位置は，解放射伝播係数（K2）の解析に用いた車両モデルを図 4 に

析と同じルーフ上および車両前方とし，ノイズ測定器を用示す。アンテナは EMC（Electro-magnetic Compatibility：いてアンテナへの誘起電圧を測定した。測定は外乱電磁ノ電磁両立性）試験用のモノポールアンテナを用いた。また，イズを遮断するため，すべてシールドルーム内で行った。

車両解析の正当性を検証するため，アンテナ位置はルーフ上および車両前方という 2 つの条件で解析し，結果を実測

5. 解析結果と実測結果の比較と考察
2 か所のアンテナ位置における誘起電圧の周波数特性について，解析結果と実測結果を比較した（図 6 参照）
。ノ

解析条件1

イズのピーク周波数は，アンテナ位置がルーフ上の場合はアンテナ（ルーフ設置）

約 6 MHz，車両前方の場合は約 7 MHz となり，それぞれケーブルインバータの周波数で実測との差は 3 dB および 7 dB であり，実測とよく一致した。10 MHz 以上の高周波帯域における誤差要因としては，車両の簡素化などが考えられる。また，車両全体解析では，ノイズ源モデルの誤差と車両モデルの誤差が積算されるため，各モデルの精度検証が重要である。

トランスミッション，モータ解析条件2

6. おわりに車載電子機器の電磁ノイズ対策を上流の設計段階で作り込むべく，車両全体電磁ノイズ解析技術を開発した。車載アンテナへのノイズ混入量予測について，180 dB 以上のアンテナ（車両前方設置）

広ダイナミックレンジな車両解析を 3 段階に分けて行うことで個々の解析が取り扱うダイナミックレンジを小さくし，機器設計への活用に実用的な精度（±12 dB 以内）を達

図4│放射電磁ノイズ解析モデル
アンテナ位置によって異なるノイズによる誘起電圧を解析で検証するため，2か所のアンテナ位置条件で車両解析を実施した。

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2015.06-07

成した。今後，電子機器の電磁ノイズ抑制設計への開発技術の適用を進めていく。

日立評論執筆者紹介

70

船戸 裕樹

6050

実測

日立製作所 研究開発グループ 生産イノベーションセンタ
回路システム研究部 所属
現在，電子機器の電磁ノイズ設計技術の開発に従事
工学博士
IEEE学会会員，電子情報通信学会会員

3 dB

電圧（dBuV）

403020解析李 ジャア
日立製作所 研究開発グループ 生産イノベーションセンタ
回路システム研究部 所属
現在，電子機器の電磁ノイズ設計技術の開発に従事
工学博士
電気学会会員100−10

解析条件1−200.10.5121020

周波数
（MHz）

高橋 昌義
日立製作所 交通システム社 水戸交通システム本部

70

プロセス設計部 所属
現在，鉄道車両向け信号装置の開発に従事
工学博士
電子情報通信学会会員

解析607 dB503020Hua Zeng
Hitachi America, Ltd. Automotive Products Research Laboratory

実測所属
現在，電子機器の電磁ノイズ設計技術の開発に従事
工学博士

100−10IEEE学会会員

解析条件2−200.1

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電圧（dBuV）

400.5121020

周波数
（MHz）

方田 勲

Hitachi America, Ltd. Automotive Products Research Laboratory所属
現在，電子機器の電磁ノイズ設計技術の開発に従事
IEEE学会会員，電子情報通信学会会員

図6│放射電磁ノイズの解析結果と実測結果の比較最大ノイズ量の解析結果は実測と比較して誤差約7 dBであり，アンテナ誘起電圧の周波数特性および位置による誘起電圧の違いを解析で確認できた。

謝辞
本研究は General Motors Company と共同で推進した。

坂本 英之
日立オートモティブシステムズ株式会社
パワートレイン＆電子事業部 電子設計本部
情報安全システム設計部 所属
現在，車載情報安全機器の設計開発に従事
自動車技術会会員

特 に ご 尽 力 い た だ い た GM の William Ivan 氏，AndrewBaker 氏をはじめとする関係各位に深く感謝の意を表する。
参考文献
1） T. Hubing: Component-Level Characterization for Vehicle-Level Electromagnetic
Simulations, Proc. of the 2010 SAE Congress, no. 2010-01-0237, Detroit（2010.4）
2） C. Chen: Predicting vehicle-level EMC performance utilizing on-bench component
characterization results, Proc. of the 1999 IEEE International Symposium on
Electromagnetic Compatibility, Seattle, WA, USA, vol. 2, pp. 765-769（1999.8）
3） H. Zeng, et al.: Vehicle-Level EMC Modeling for HEV/EV Applications, Proc. of the2010 SAE Congress, no. 2015-01-0194, Detroit（2015.4）

Vol.97 No.06-07 386–387

齋藤 隆一
日立オートモティブシステムズ株式会社
パワートレイン＆電子事業部 電子設計本部 インバータ設計部 所属
現在，自動車用インバータの開発に従事
電気学会会員，自動車技術会会員

イノベイティブR&Dレポート 201569