JP2016005302A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、電力変換装置に関し、より特定的には、半導体素子のスイッチング動作を伴う電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a power conversion device that involves a switching operation of a semiconductor element.
電力変換装置は、たとえば、電力源からの電力を変換して負荷に供給する。通常は、電力線によって、電力源、電力変換装置および負荷が閉回路に配置される。そのため、電力変換装置から負荷に供給される電流とは逆位相の電流が、負荷から電力変換装置に帰還する。 The power conversion device converts, for example, power from a power source and supplies it to a load. Usually, a power source, a power converter, and a load are arranged in a closed circuit by a power line. Therefore, a current having a phase opposite to that of the current supplied from the power converter to the load is fed back from the load to the power converter.
電力変換装置は、電力用半導体素子のスイッチング動作を伴うことも少なくない。スイッチング動作によって高周波の成分が、伝導性のノイズとして発生し得る。ノイズが発生するとノイズ電流が流れるので、ノイズ電流を低減させるための対策が必要になる。 Power converters often involve switching operations of power semiconductor elements. High frequency components can be generated as conductive noise by the switching operation. Since noise current flows when noise is generated, measures for reducing the noise current are required.
ノイズ電流は高周波の成分を含むため、電力線から他の電路へ結合し得る。結合によって、たとえばノイズ電流の一部が、アース線やグラウンドを流れる。アース線やグラウンドを経由して電力変換装置に帰還するノイズ電流は、電力装置から負荷に供給される電流と同位相および同振幅の、コモンモード電流となる。ノイズ電流を低減させるためには、コモンモード電流の低減は重要である。 Since the noise current includes a high-frequency component, it can be coupled from the power line to another electric circuit. Due to the coupling, for example, a part of the noise current flows through the ground wire or the ground. The noise current that returns to the power conversion device via the ground line or the ground is a common mode current having the same phase and the same amplitude as the current supplied from the power device to the load. In order to reduce the noise current, it is important to reduce the common mode current.
特開2008−295126号公報(特許文献1)が提案する電力変換機システムでは、インバータ装置の入力部の各相が接地コンデンサ(対地コンデンサ)を介して放熱器に接続される。インバータ装置の出力部にはモータ(負荷)が接続され、モータは、フレーム(筐体)に収容される。フレームは、放熱器と電気的に接続される。ここで、フレームが、インピーダンス素子を用いてグラウンド(グラウンド)アースに接続される。この構成によれば、フレームおよび放熱器は、直接ではなくインピーダンス素子を介してグラウンドと接続される。したがって、グラウンドを流れるコモンモード電流を低減させることができる。 In the power converter system proposed by Japanese Patent Laying-Open No. 2008-295126 (Patent Document 1), each phase of the input unit of the inverter device is connected to a radiator via a ground capacitor (ground capacitor). A motor (load) is connected to the output unit of the inverter device, and the motor is housed in a frame (housing). The frame is electrically connected to the radiator. Here, the frame is connected to a ground (ground) earth using an impedance element. According to this configuration, the frame and the heat radiator are connected to the ground via the impedance element instead of directly. Therefore, the common mode current flowing through the ground can be reduced.
特開2008−42124号公報(特許文献2)が提案する半導体パワーモジュールでは、整流回路およびインバータ回路は、冷却体(放熱器)上の金属ベース板にそれぞれ配置される。ここで、冷却体(および金属ベース板)は、整流回路側とインバータ回路側とに分割され、インピーダンス素子を介して接続される。この構成によれば、インバータ回路に含まれる半導体チップのスイッチング動作によって発生したノイズ電流が、入力側(整流回路側)のアース線を流れることを抑制することができる。 In the semiconductor power module proposed by Japanese Patent Laying-Open No. 2008-42124 (Patent Document 2), the rectifier circuit and the inverter circuit are respectively disposed on the metal base plate on the cooling body (heat radiator). Here, the cooling body (and the metal base plate) is divided into a rectifier circuit side and an inverter circuit side, and is connected via an impedance element. According to this configuration, it is possible to suppress the noise current generated by the switching operation of the semiconductor chip included in the inverter circuit from flowing through the ground wire on the input side (rectifier circuit side).
特許文献1が提案する技術は、グラウンドを流れるコモンモード電流を低減させることはできるが、アース線を流れるコモンモード電流を低減させることはできない。したがって、電力変換装置のノイズを抑制するには十分ではない。 The technique proposed in Patent Document 1 can reduce the common mode current flowing through the ground, but cannot reduce the common mode current flowing through the ground wire. Therefore, it is not sufficient to suppress noise of the power conversion device.
特許文献2が提案する技術は、アース線(放熱器)を流れるコモンモード電流を低減させることはできるが、グラウンドを流れるコモンモード電流を低減させることはできない。したがって、電力変換装置のノイズを抑制するには十分でない。 The technique proposed in Patent Document 2 can reduce the common mode current flowing through the ground wire (heat radiator), but cannot reduce the common mode current flowing through the ground. Therefore, it is not sufficient to suppress noise of the power conversion device.
この発明の目的は、電力変換装置のノイズを抑制することである。 The objective of this invention is suppressing the noise of a power converter device.
この発明に係る電力変換装置は、電源からの電力を変換して負荷に供給する電力変換装置である。電源は、電源側のグラウンドに接続される。負荷は、アース線が接続された筐体に収容される。電力変換装置は、対地コンデンサと、コモンモードコアと、インダクタンス素子とを備える。対地コンデンサは、電力変換装置の入力部分に接続される一方端と、アース線に接続される他方端とを有する。コモンモードコアは、電力変換装置の出力部分と負荷とを接続する電力線に対して設けられる。インダクタンス素子は、アース線と、電源側のグラウンドとの間に接続される。 A power converter according to the present invention is a power converter that converts power from a power source and supplies the power to a load. The power source is connected to the ground on the power source side. The load is housed in a housing to which a ground wire is connected. The power conversion device includes a ground capacitor, a common mode core, and an inductance element. The ground capacitor has one end connected to the input portion of the power converter and the other end connected to the ground wire. A common mode core is provided with respect to the power line which connects the output part of a power converter device, and load. The inductance element is connected between the ground wire and the ground on the power supply side.
上記構成の電力変換装置では、コモンモードコアによって、電力線を流れるコモンモード電流が低減される。また、インダクタンス素子260によって、アース線から電源側のグラウンドを流れるコモンモード電流も低減される。コモンモードコアおよびインダクタンス素子260の組合せによって、アース線を流れるコモンモード電流およびグラウンドを流れるコモンモード電流をいずれも低減させることができる。
In the power converter configured as described above, the common mode current flowing through the power line is reduced by the common mode core. Further, the
この発明によれば、電力変換装置のノイズを抑制することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to suppress noise in the power conversion device.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、特に記載がある場合を除き、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Unless otherwise specified, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置200を説明するための図である。図1を参照して、電力変換装置200は、電源100からの電力を変換して負荷400に供給する。負荷400は、代表的にはモータである。ただし、負荷400の種類は特に限定されない。なお、説明の便宜上、アース線ELが、アース線EL1,EL2およびEL3として分けて図示される。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a
電源100は、3線式の交流電力を発生する。電源100は、たとえば系統電源である。電源100からの電力は、3つの電力線PIL1,PIL2およびPIL3によって、電力変換装置200に伝送される。電源100は、グラウンド(GND)に接続される。
The
電力変換装置200は、整流回路220と、インバータ回路230と、コモンモードコア240と、冷却フィン250と、コンデンサC1〜C3と、インダクタンス素子260とを含む。
電力変換装置200に含まれる幾つかの部品は、基板(図1には図示しない)に実装される。実装される部品の種類は特に限定されない。
Some components included in the
なお、図1において、端子T1〜T3が電力変換装置200の入力端子として概念的に図示される。また、端子TEが接地端子として概念的に図示される。端子TEは、インダクタ260よりも入力側に位置する点である。
In FIG. 1, terminals T <b> 1 to T <b> 3 are conceptually illustrated as input terminals of the
整流回路220は、ダイオードD1〜D6と、コンデンサC4と、入力ノードN1〜N3とを含む。
入力ノードN1は、ダイオードD1およびD2の接続点である。入力ノードN2は、ダイオードD3およびD4の接続点である。入力ノードN3は、ダイオードD5およびD6の接続点である。入力ノードN1〜N3には、電力線PIL1〜PIL3がそれぞれ接続される。したがって、入力ノードN1〜N3には、電源100からの電力が入力される。
Input node N1 is a connection point of diodes D1 and D2. Input node N2 is a connection point of diodes D3 and D4. Input node N3 is a connection point of diodes D5 and D6. Power lines PIL1 to PIL3 are connected to input nodes N1 to N3, respectively. Therefore, power from the
ダイオードD1〜D6は、ブリッジ回路を構成する。ブリッジ回路によって、入力ノードN1〜N3に入力された電力が整流される。 The diodes D1 to D6 constitute a bridge circuit. The power input to the input nodes N1 to N3 is rectified by the bridge circuit.
コンデンサC4は、ブリッジ回路によって整流された電力を平滑化する。平滑化された電力は、インバータ回路230に供給される。
The capacitor C4 smoothes the power rectified by the bridge circuit. The smoothed power is supplied to the
インバータ回路230は、スイッチング素子SW1〜SW6と、出力ノードNa〜Ncとを含む。
スイッチング素子SW1〜SW6は、パワー半導体素子である。図1に示す例では、スイッチング素子SW1〜SW6として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が示されているが、スイッチング素子SW1〜SW6の種類は特に限定されるものではない。スイッチング素子SW1〜SW6として、たとえばパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられてもよい。なお、各スイッチング素子SW1〜SW6には、帰還ダイオードが接続される。 The switching elements SW1 to SW6 are power semiconductor elements. In the example shown in FIG. 1, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are shown as the switching elements SW1 to SW6, but the types of the switching elements SW1 to SW6 are not particularly limited. As the switching elements SW1 to SW6, for example, a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) may be used. A feedback diode is connected to each switching element SW1 to SW6.
スイッチング素子SW1〜SW6の制御端子(ゲート)には、図示しない制御信号が入力される。制御信号によって、スイッチング素子SW1〜SW6のオン/オフ(導通/非導通)が制御される。 A control signal (not shown) is input to the control terminals (gates) of the switching elements SW1 to SW6. On / off (conduction / non-conduction) of the switching elements SW1 to SW6 is controlled by the control signal.
出力ノードNaは、スイッチング素子SW1およびSW2の接続点である。出力ノードNbは、スイッチング素子SW3およびSW4の接続点である。出力ノードNcは、スイッチング素子SW5およびSW6の接続点である。スイッチング素子SW1〜SW6のオン/オフを制御することによって、出力ノードNa〜Ncに、負荷400を作動させるための電力を発生させることができる。たとえば負荷400が3相モータである場合には、負荷400を作動させるための電力は、3相交流電力となる。
The output node Na is a connection point between the switching elements SW1 and SW2. The output node Nb is a connection point between the switching elements SW3 and SW4. The output node Nc is a connection point between the switching elements SW5 and SW6. By controlling on / off of the switching elements SW1 to SW6, power for operating the
出力ノードNa〜Ncに発生した3相交流電力は、3つの電力線POL1〜POL3によって負荷400に伝送される。電力線POL1〜POL3は、電力変換装置200の出力部分(たとえば出力ノードNa〜Nc)と、負荷400とを接続する。
The three-phase AC power generated at the output nodes Na to Nc is transmitted to the
コモンモードコア240は、電力線POL1〜POL3に対して設けられる、3線コモンモードコアである。コモンモードコア240はたとえばリング状のコアからなり、リングには電力線POL1〜POL3が巻回される。コアとしては、フェライト、アモルファス、結晶性の金属磁性体などを用いることができる。
The
コモンモードコア240は、電力線POL1〜POL3を流れる電流すなわち、電力変換装置200から負荷に供給される電流と、負荷から電力変換装置に帰還する電流とがバランスする(総和がゼロになる)ように作用する。したがって、インバータ回路230のスイッチング素子SW1〜SW6のスイッチング動作によって発生し得るコモンモード電流が、電力線POL1〜POL3を流れることを抑制することができる。
The
冷却フィン250は、放熱器である。冷却フィン250は、電力変換装置200で発生した熱を、電力変換装置200の外部に放出する。図1に示す例では、冷却フィン250は、アース線EL2とアース線EL3との間に接続される。冷却フィン250は導電性部材からなるため、アース線EL2およびアース線EL3を電気的に良好に接続する。したがって、アース線ELの導電性は損なわれない。
The cooling
コンデンサC1の一方端は電力線PIL1に接続され、他方端はアース線EL3に接続される。コンデンサC2の一方端は電力線PIL2に接続され、他方端はアース線EL3に接続される。コンデンサC3の一方端は電力線PIL3に接続され、他方端はアース線EL3に接続される。すなわち、コンデンサC1〜C3は、電力変換装置200の入力部分(たとえば入力ノードN1〜N3)に接続される一方端と、アース線EL3に接続される他方端とを有する対地コンデンサである。コンデンサC1〜C3を介して、コモンモード電流を、電力変換装置200の入力部分に帰還させることができる。
One end of capacitor C1 is connected to power line PIL1, and the other end is connected to ground line EL3. One end of capacitor C2 is connected to power line PIL2, and the other end is connected to ground line EL3. Capacitor C3 has one end connected to power line PIL3 and the other end connected to ground line EL3. That is, capacitors C1 to C3 are ground capacitors having one end connected to the input portion (for example, input nodes N1 to N3) of
インダクタンス素子260は、アース線EL3と、電源100側のGNDとの間に接続される。すなわち、インダクタンス素子260の一方端はアース線EL3に接続され、インダクタンスの他方端は(端子TEを介して)電源100側のGNDに接続される。
The
電力線ケーブル300は、電力線POL1〜POL3およびアース線EL2を束ねる。たとえば、電力変換装置200と負荷400との間の距離が長い場合には、電力線ケーブル300によって電力線POL1〜POL3およびアース線EL2を束ねることで、それらの配線を整理することができる。
負荷400は、筐体410に収容される。筐体410には、アース線EL1が接続されている。アース線EL1は、負荷側のGNDに接続される。
The
負荷400が筐体410に収容さるため、負荷400と筐体410との間には寄生キャパシタンスが存在し得る。寄生キャパシタンスを「Cp1」として図示する。
Since the
以上の構成により、電源100と、負荷400との間には、電力線PIL1〜PIL3、整流回路220、インバータ回路230、コモンモードコア240、電力線POL1〜POL3を含む閉回路が形成される。したがって、たとえば電力線POL1〜POL3(電力線PIL1〜PIL3についても同様)を流れる電流の総和は、基本的にはゼロとなる。
With the above configuration, a closed circuit including the power lines PIL1 to PIL3, the
しかし、インバータ回路230のスイッチング動作によって高調波の成分が伝導性のノイズとして発生する。ノイズが発生することによって、コモンモード電流がアース線ELやGNDに流れて、電力線POL1〜POL3を流れる電流の総和がゼロから外れる。
However, a harmonic component is generated as conductive noise by the switching operation of the
ここで、コモンモード電流が流れ得る経路について、比較例を参照して説明する。
[比較例]
図6は、比較例としての電力変換装置200Eを説明するための図である。図6を参照して、電力変換装置200Eは、図1のコンデンサC1〜C3と、コモンモードコア240およびインダクタンス素子260を有さない点で、電力変換装置200とは異なる。
Here, a path through which the common mode current can flow will be described with reference to a comparative example.
[Comparative example]
FIG. 6 is a diagram for explaining a power conversion device 200E as a comparative example. Referring to FIG. 6,
図6には、寄生キャパシタンスCp1〜Cp3が概念的に図示される。寄生キャパシタンスCp1は、負荷400と筐体410との間に存在する。寄生キャパシタンスCp2は、電力線POL1〜POL3と、アース線EL2との間に存在する。寄生キャパシタンスCp3は、インバータ回路230と、冷却フィン250との間に存在する。
FIG. 6 conceptually illustrates parasitic capacitances Cp1 to Cp3. The parasitic capacitance Cp1 exists between the
寄生キャパシタンスCp1〜Cp3によって、図6中に経路P1〜P4として概念的に示される経路に、インバータ回路230で発生したコモンモード電流が流れる可能性がある。
Due to the parasitic capacitances Cp1 to Cp3, there is a possibility that the common mode current generated in the
経路P1は、電力線ケーブル300、負荷400、寄生キャパシタンスCp1、アース線EL1、負荷側のGND、電源側のGNDをこの順に含む。さらに、電源側のGNDに到達したコモンモード電流は、電源100などを介して、電力変換装置200の入力部分に帰還するが、このことは、経路P2〜P4についても同様である。
The path P1 includes the
経路P2は、電力線ケーブル300、負荷400、寄生キャパシタンスCp1、アース線EL2、冷却フィン250、アース線EL3をこの順に含む。
The path P2 includes the
経路P3は、電力線ケーブル300、寄生キャパシタンスCp2、アース線EL2、冷却フィン250、アース線EL3をこの順に含む。
The path P3 includes the
経路P4は、寄生キャパシタンスCp3、冷却フィン250、アース線EL3をこの順に含む。
The path P4 includes a parasitic capacitance Cp3, a cooling
このように、図6に示す比較例としての電力変換装置200Eでは、経路P1〜P4の4つの経路を、コモンモード電流が流れ得る。そのため、電力変換装置200Eでは、大きなノイズが発生する可能性が高くなる。 As described above, in the power conversion device 200E as the comparative example illustrated in FIG. 6, the common mode current can flow through the four paths P1 to P4. Therefore, in power converter 200E, possibility that a big noise will generate | occur | produce becomes high.
これに対し、再び図1を参照して、実施の形態に係る電力変換装置200は、コンデンサC1〜C3、コモンモードコア240およびインダクタンス素子260を有することによって、コモンモード電流を低減させることができる。この理由は、次のように説明される。
On the other hand, referring to FIG. 1 again,
インダクタンス素子260は、高周波に対してはハイインピーダンスとなるので、アース線EL3を流れるコモンモード電流の大部分は、インダクタンス素子260には流れず、コンデンサC1〜C3を流れる。このため、アース線EL3から電源100側のGNDを流れるコモンモード電流が低減される。すなわち、インダクタンス素子260によって、図2に示す経路P2〜P4を流れるコモンモード電流を低減させることができる。
Since the
ここで、インダクタンス素子260に代えて、電力線PIL1〜PIL3にコモンモードコア(たとえばコモンモードコア240と同様のもの)を取り付けてもよい。ただし、この場合には、電力線PIL1〜PIL3の3つの電力線をいずれもコモンモードコアに巻回させなければならないため、巻回部分が大きくなり、装置が大型化する可能性がある。特に、負荷400の消費電力が大きく、電力線PIL1〜PIL3に大電流が流れる場合には、径大の(太い)電力線を電力線PIL1〜PIL3として準備しなければならず、この問題が顕在化する。一方、インダクタンス素子260は、1つの線をたとえばコアに巻回させることによって形成することができ、また、電力線PIL1〜PIL3を流れる電流よりも小さい電流しか流れないため、装置の大型化を防ぐことができる。
Here, instead of the
したがって、装置の大型化が許容されるのであれば、インダクタンス素子260を設けるとともに、さらに、電力線PIL1〜PIL3に対してコモンモードコアを設けてもよい。これにより、インダクタンス素子260のみを設ける場合よりも、さらにノイズを抑制することが可能になる。
Therefore, if an increase in the size of the device is allowed, an
一方で、コモンモードコア240によって、電力線POL1〜POL3を流れるコモンモード電流を低減させることができる。すなわち、コモンモードコア240によって、図6に示す経路P1を流れるコモンモード電流を低減させることができる。さらに、図1に示すように、コモンモードコア240を、電力線ケーブル300よりも負荷400側でなく、電力変換装置200側に配置することで、電力線ケーブル300を流れるコモンモード電流を低減させることができる。すなわち、コモンモードコア240によって、図6に示す経路P3を流れるコモンモード電流を低減させることもできる。
On the other hand, the
このように、図1に示す構成によれば、寄生キャパシタンスCp1〜Cp3によって生じる経路、具体的には、図6の経路P2〜P4のようなアース線の経路、および経路P1のようなグラウンドの経路を流れるコモンモード電流を低減させることができる。したがって、図6の比較例としての電力変換装置200Eよりも、電力変換装置200で発生するノイズを抑制することが可能になる。
As described above, according to the configuration shown in FIG. 1, the path caused by the parasitic capacitances Cp1 to Cp3, specifically, the ground line path such as the path P2 to P4 in FIG. The common mode current flowing through the path can be reduced. Therefore, it is possible to suppress noise generated in the
なお、図1に記載の整流回路220(ダイオードD1〜D6およびコンデンサC4)および冷却フィン250は、ノイズの抑制効果を奏するための必須要素ではない。
Note that the rectifier circuit 220 (the diodes D1 to D6 and the capacitor C4) and the cooling
ここで、電力変換装置200におけるインダクタンス素子260の配置などを工夫することで、ノイズの抑制効果をさらに高めることができる。これについて、次に図2および図3を参照して説明する。
Here, the noise suppression effect can be further enhanced by devising the arrangement of the
図2は、電力変換装置200の構造の一例を説明するための斜視図である。図2中「U」は電力変換装置200の上方向を示し、「D」は下方向を示す。「F」は電力変換装置200の入力側(図1の電源100側に対応する)方向を示し、「R」は出力側(図1の負荷400側に対応する)を示す。
FIG. 2 is a perspective view for explaining an example of the structure of the
図2を参照して、先に図1を参照して説明した電力変換装置200に含まれる部分のうち、たとえば、整流回路220と、インバータ回路230と、コモンモードコア240と、冷却フィン250と、インダクタンス素子260と、コンデンサC1〜C4と、端子T1〜T3と、端子TEとが図示される。
Referring to FIG. 2, among the parts included in
また、図1には図示されていなかった構成として、図2に示すように、冷却フィン250は切欠部251を含む。また、電力変換装置200は、基板210と、絶縁部材270とをさらに含む。基板210は、基板面Sを含む。
Further, as shown in FIG. 2, the cooling
基板面Sは、基板210の一方の実装面である。基板面Sには、コンデンサC1〜C4が実装される。図2に示す例では、基板面Sが上方(U方向)に向かうように、基板210が配置される。なお、基板210の下方(D方向側)には、モジュール内に実装された整流回路220およびインバータ回路230が配置される。
The substrate surface S is one mounting surface of the
端子T1〜T3および端子TEは、電力変換装置200の入力側(F方向側)に位置する。
Terminals T1 to T3 and terminal TE are located on the input side (F direction side) of
コモンモードコア240は、電力変換装置200の出力側(R方向側)に設けられる。
絶縁部材270は、冷却フィン250の下方(D方向)に設けられる。絶縁部材270の種類などは特に限定されない。絶縁部材270を有することのメリットは、次のように説明される。すなわち、図1および図2を参照して、電力変換装置200は、たとえば下方(D方向)にある図示しない金属製の盤に配置される。金属製の盤は、電源側のGND電位とされていることが多い。電力変換装置200が絶縁部材270を有さないと、冷却フィン250と金属製の盤とが接触し、両者が電気的に接続される。その結果、冷却フィン250の電位は、電源側のGND電位となる。冷却フィン250の電位が電源側のGND電位となると、冷却フィン250(およびアース線EL3)と電源側のGNDとの間に接続されたインダクタンス素子260がバイパスされてしまうので、先に説明したインダクタンス素子260による効果が得られなくなる。これに対し、電力変換装置200が絶縁部材270を有することによって、冷却フィン250と金属製の盤とが接触することを防ぐことができる。したがって、インダクタンス素子260による効果が確実に発揮される。
The
The insulating
切欠部251は、冷却フィン250の一部を切取ることによって形成される。切欠部251は、インダクタンス素子260の配置に適した形状や寸法とすることができる。図2に示す例では、切欠部251は、冷却フィン250の一角を切取ることで形成されているが、切欠部251の位置はこれに限定されるものではない。すなわち、後述するシールド機能などが発揮されるのであれば、切欠部251は、冷却フィン250のどのような箇所に設けられてもよい。
The
インダクタンス素子260は、たとえば筒状(リング状でもよい)のコアに導線が巻回されることによって形成される。インダクタンス素子260は、コアにアース線EL3を巻回して形成してもよい。インダクタンス素子260は、切欠部251に配置される。
ここで、インダクタンス素子260をたとえば基板210に実装すると、その分の実装スペースが必要になり、電力変換装置200が大型化してしまう。
Here, when the
これに対し、インダクタンス素子260を切欠部251に配置することによって、電力変換装置200を全体的にコンパクトにすることができる。
On the other hand, by arranging the
また、インダクタンス素子260を基板210に実装すると、基板210内の回路やコンデンサC1〜C3などの対地コンデンサが、インダクタンス素子260からの漏れ磁束の影響を受ける可能性がある。具体的には、たとえば、漏れ磁束が基板210内の回路を通過すると、鎖交磁束によって新たなノイズ電流(コモンモード電流)が回路を流れるおそれがある。また、漏れ磁束によってコンデンサC1〜C3の配線の寄生インダクタンスが増加してしまい、コンデンサC1〜C3が、周波数の増加に対して誘導性を示しやすくなる。その結果、対地コンデンサとしての機能が低下し、アース線EL3を流れるコモンモード電流の多くが、コンデンサC1〜C3ではなく、インダクタンス素子260を流れてしまう。したがって、図6に示す経路P2〜P4(より具体的には、アース線EL3、電源側GNDを通る部分)を流れるコモンモード電流を低減させることが難しくなる。
In addition, when the
これに対し、図2に示すように、インダクタンス素子260を切欠部251に配置すれば、インダクタンス素子260が、基板210から離れた位置に配置されることとなる。これにより、基板210がインダクタンス素子260の漏れ磁束から受ける影響を低減させることができる。加えて、冷却フィン250が電磁界の遮蔽の役割を果たす(シールドとして機能する)ことで、漏れ磁束の影響をさらに低減させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 2, when the
ここで、基板210を、基板面Sが上下方向(UD方向)と直行するように配置し、インダクタンス素子260を、筒状のコアが上下方向(UD方向)に沿って延びるように配置することが好ましい。こうすることで、次に図3を参照して説明するように、インダクタンス素子260からの漏れ磁束の影響を、最小化することができる。
Here, the
図3は、基板210とインダクタンス素子260との配置関係を説明するための図である。図3を参照して、インダクタンス素子260の漏れ磁束として、磁束BLが概念的に図示される。インダクタンス素子260の巻回方向より、インダクタンス素子260では、磁束BLが上下方向(UD方向)と直行する方向に発生する。磁束BLの方向は、基板210と平行である。そのため、磁束BLと基板210とは交わらない。したがって、基板210は、磁束BLによってはほとんど影響を受けることはない。
FIG. 3 is a diagram for explaining the positional relationship between the
このように、インダクタンス素子260の磁束方向と、基板210の面方向とが平行になるように、インダクタンス素子260を配置することで、磁束BLによる基板210への影響を低減させることができる。
Thus, by arranging the
[実施の形態2]
実施の形態1では、コモンモードコア240を電力線POL1〜POL3に対して設ける構成とすることで(図1)、コモンモード電流を低減させる手法について説明した。実施の形態2では、コモンモードコアの変形例を適用することで、コモンモード電流をさらに低減させる手法について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the
図4は、実施の形態2に係る電力変換装置200Aを説明するための図である。図4を参照して、電力変換装置200Aは、コモンモードコア240(図1)に代えてコモンモードコア240Aを有する点で、電力変換装置200(図1)とは異なる。電力変換装置200Aのその他の部分の構成は、図1に示す電力変換装置200の対応する部分と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
FIG. 4 is a diagram for explaining a
たとえば、電力線ケーブル300として、シールドケーブルが用いられる場合がある。その場合、電力線ケーブル300が長い(たとえば数メートル以上)とき、および/または、シールドケーブルがその周囲のGND(電力線ケーブル側のGND)から近い(たとえば1メートル以下)ときには、電力線ケーブルとGNDとの間の寄生キャパシタンスCp4の存在が無視できなくなる可能性がある。
For example, a shielded cable may be used as the
寄生キャパシタンスCp4が存在すると、電力線ケーブル300からGNDにもコモンモード電流が流れ得る。したがって、アース線EL2を流れるコモンモード電流の一部は、電力線ケーブル300を通過する際に、寄生キャパシタンスCp4を介して、電力線ケーブル側のGNDに流れる。電力線ケーブル側のGNDを流れるコモンモード電流は、電源100側のGNDを通り、電力変換装置200Aの入力部分に帰還する。ここで、電力線側のGNDから電源側のGNDに至る経路は、アース線EL2よりも、電力線POL1〜POL3から離れている。したがって、電力線POL1〜POL3およびGNDを流れるコモンモード電流が打消し合うことはほとんどなく、コモンモード電流による電磁放射が発生してしまう。
When the parasitic capacitance Cp4 exists, a common mode current can flow from the
したがって、寄生キャパシタンスCp4が存在する場合に、図1のようにコモンモードコア240を電力線POL1〜POL3に対して設けるだけでは、コモンモード電流を十分に低減させることができない可能性がある。
Therefore, when the parasitic capacitance Cp4 exists, the common mode current may not be sufficiently reduced only by providing the
そこで、実施の形態2に係る電力変換装置200Aでは、コモンモードコア240Aとして、電力線POL1〜POL3およびアース線EL2に対して設けられる4線コモンモードコアが採用される。コモンモードコア240Aによって、コモンモード電流が、アース線EL2を流れることを抑制されるため、アース線EL2から寄生キャパシタンスCp4を介して電力線ケーブル側のGNDに流れるコモンモード電流を低減させることができる。これにより、電力線ケーブル側のGNDと電源側のGNDとの間を流れるコモンモード電流による電磁放射を低減させて、電力変換装置200Aのノイズを抑制することが可能になる。
Therefore, in
[実施の形態3]
実施の形態2では、コモンモードコア240Aを用いることで(図4)、実施の形態1からコモンモード電流をさらに低減させる手法について説明した。これに対し、実施の形態3では、インダクタンス素子260(図1)にキャパシタンス素子を並列接続することで、コモンモード電流をさらに低減させる手法について説明する。
[Embodiment 3]
In the second embodiment, the method for further reducing the common mode current from the first embodiment by using the
図5は、実施の形態3に係る電力変換装置200Bを説明するための図である。図5を参照して、電力変換装置200Bは、キャパシタンス素子280を有する点において、電力変換装置200(図1)とは異なる。電力変換装置200Bのその他の部分の構成は、図1に示す電力変換装置200の対応する部分と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
FIG. 5 is a diagram for explaining a power conversion device 200B according to the third embodiment. Referring to FIG. 5,
キャパシタンス素子280は、アース線EL3と、電源100側のGNDとの間に、インダクタンス素子260と並列に接続される。
The
アース線EL2のうち電力線ケーブル300中に位置する部分を基準として回路的に見た場合には、寄生キャパシタンスCp4を介して電力線ケーブル側のGNDに向かう経路と、アース線EL2、冷却フィン250、アース線EL3およびキャパシタンス素子280を介して電源100側のGNDに向かう経路とが、並列に存在することとなる。アース線EL2を流れるコモンモード電流が、キャパシタンス素子280を介して電源100側のGNDに向かう経路を流れることによって、寄生キャパシタンスCp4を介して電力線ケーブル側のGNDに流れるコモンモード電流を低減させることができる。これにより、電力線ケーブル側のGNDと電源100側のGNDとの間を流れるコモンモード電流による電磁放射を低減させることができる。
When viewed as a circuit with respect to the portion of the ground line EL2 located in the
コンデンサC1〜C3を介して電力変換装置200Bに帰還するコモンモード電流が、キャパシタンス素子280によって電源100側のGNDに流れてしまわないように、キャパシタンス素子280の容量を、コンデンサC1〜C3の合成容量よりも小さくするとよい。
The capacitance of the
具体的には、対地コンデンサであるコンデンサC1〜C3の各容量は、たとえば数十nF程度である。その場合、キャパシタンス素子280の容量は、最大で数nF程度とすることが好ましい。キャパシタンス素子280の容量が数nFよりも大きくなると、たとえば150kHz〜30MHz程度の周波数成分を有するコモンモード電流はキャパシタンス素子280を容易に通過してしまい、コンデンサC1〜C3を介して電力変換装置200Bの入力部分に還流されにくくなるためである。
Specifically, the capacitances of the capacitors C1 to C3 that are the ground capacitors are, for example, about several tens of nF. In that case, the capacitance of the
より具体的には、たとえばコンデンサC1〜C3の各容量が10nFであるとする。その場合、コモンモード電流に対するコンデンサC1〜C3の合成容量は、30nFとなる。一方で、コンデンサC1〜C3の配線における寄生インダクタンスのインダクタンス値が10nHであるとすると、コンデンサC1〜C3の共振周波数は、約9MHzとなる(共振周波数=1/(2π√LC))。共振周波数よりも大きい周波数では、コンデンサC1〜C3は容量性ではなく誘導性を示すので、対地コンデンサとして機能しにくくなる。また、周波数が共振周波数から大きくなるにつれて、コンデンサC1〜C3の対地コンデンサとしての機能は低下していく。 More specifically, for example, it is assumed that the capacitances of the capacitors C1 to C3 are 10 nF. In that case, the combined capacitance of the capacitors C1 to C3 with respect to the common mode current is 30 nF. On the other hand, if the inductance value of the parasitic inductance in the wiring of the capacitors C1 to C3 is 10 nH, the resonance frequency of the capacitors C1 to C3 is about 9 MHz (resonance frequency = 1 / (2π√LC)). At a frequency higher than the resonance frequency, the capacitors C1 to C3 exhibit inductivity instead of capacitance, so that it is difficult to function as a ground capacitor. Further, as the frequency increases from the resonance frequency, the functions of the capacitors C1 to C3 as the ground capacitors are reduced.
これに対し、数nF以下の容量値を有するキャパシタンス素子280であれば、30MHzの周波数であっても、容量性が維持され得る。したがって、30MHzおよびそれよりも高い周波数成分を有するコモンモード電流であっても、コンデンサC1〜C3を介して電力変換装置200Bの入力部分に還流させることができる。
On the other hand, if the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した各実施の形態の特徴部分を適宜組み合わせることは当初から予定されている。また、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, combining the characteristic part of each embodiment mentioned above suitably is planned from the beginning. The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiment but by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
100 電源、200,200A,200B,200E 電力変換装置、210 基板、220 整流回路、230 インバータ回路、240,240A コモンモードコア、250 冷却フィン、251 切欠部、260 インダクタンス素子、270 絶縁部材、280 キャパシタンス素子、300 電力線ケーブル、400 負荷、410 筐体、BL 磁束、C1〜C4 コンデンサ、Cp1〜Cp4 寄生キャパシタンス、D1〜D6 ダイオード、EL1〜EL3(EL) アース線、N1〜N3 入力ノード、Na〜Nc 出力ノード、P1,P2,P3,P4 経路、PIL1〜PIL3,POL1〜POL3 電力線、S 基板面、SW1〜SW6 スイッチング素子、T1〜T3,TE 端子。 100 power supply, 200, 200A, 200B, 200E power converter, 210 substrate, 220 rectifier circuit, 230 inverter circuit, 240, 240A common mode core, 250 cooling fin, 251 notch, 260 inductance element, 270 insulating member, 280 capacitance Element, 300 power line cable, 400 load, 410 housing, BL magnetic flux, C1-C4 capacitor, Cp1-Cp4 parasitic capacitance, D1-D6 diode, EL1-EL3 (EL) ground wire, N1-N3 input node, Na-Nc Output node, P1, P2, P3, P4 path, PIL1 to PIL3, POL1 to POL3 power line, S substrate surface, SW1 to SW6 switching element, T1 to T3, TE terminals.
Claims (5)
前記電源は、電源側のグラウンドに接続され、
前記負荷は、アース線が接続された筐体に収容され、
前記電力変換装置は、
前記電力変換装置の入力部分に接続される一方端と、前記アース線に接続される他方端とを有する対地コンデンサと、
前記電力変換装置の出力部分と前記負荷とを接続する電力線に対して設けられるコモンモードコアと、
前記アース線と、前記電源側の前記グラウンドとの間に接続されるインダクタンス素子とを備える、電力変換装置。 A power conversion device that converts power from a power source and supplies it to a load,
The power source is connected to the ground on the power source side,
The load is housed in a housing to which a ground wire is connected,
The power converter is
A ground capacitor having one end connected to the input portion of the power converter and the other end connected to the ground wire;
A common mode core provided for a power line connecting the output portion of the power converter and the load;
A power converter comprising: the ground wire and an inductance element connected between the ground on the power supply side.
前記インダクタンス素子は、前記切欠部に配置される、請求項1に記載の電力変換装置。 A cooling fin having a notch,
The power converter according to claim 1, wherein the inductance element is disposed in the notch.
前記インダクタンス素子の磁束方向と、前記基板の面方向とが平行になるように、前記インダクタンス素子が配置される、請求項1に記載の電力変換装置。 Further comprising a substrate on which the ground capacitor is mounted,
The power conversion device according to claim 1, wherein the inductance element is arranged so that a magnetic flux direction of the inductance element and a surface direction of the substrate are parallel to each other.
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