JP6327113B2

JP6327113B2 - Power converter

Info

Publication number: JP6327113B2
Application number: JP2014220902A
Authority: JP
Inventors: 西口　哲也; 哲也西口; 山田　真一; 真一山田; 潤一下村; 池田　勇; 勇池田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: JP2016092864A

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、電力変換装置で発生するノイズを低減する構造に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a structure for reducing noise generated in the power conversion device.

電力変換装置は、例えば、スイッチング素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子）を有するパワーモジュールと、パワーモジュールの直流電源端子に並列接続される複数の平滑コンデンサと、有する。 The power conversion device includes, for example, a power module having switching elements (semiconductor elements such as IGBT and MOSFET) and a plurality of smoothing capacitors connected in parallel to the DC power supply terminals of the power module.

近年、スイッチング素子は、スイッチング素子のゲート制御の高速化、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体材料からなる新デバイスの採用により、ますますスイッチング時間の短縮化、スイッチング時の電圧波形の急峻化が進んでいる。これに伴い、スイッチング時の瞬間的な電圧振動（サージ電圧）、ダイオード（ＦＷＤ）が発する逆回復電流等のノイズ発生源の発生レベルが増大している。ノイズは、インピーダンスが低いループ、特にグランドとの容量（対地容量）の大きい箇所を介してグランドに漏れ、グランドラインを経由して近接する他機器に影響をもたらすこととなる。 In recent years, switching devices have become faster and the voltage waveforms at the time of switching have become increasingly steep due to faster gate control of switching devices and the adoption of new devices made of wide gap semiconductor materials such as SiC and GaN. It is out. Along with this, generation levels of noise generation sources such as instantaneous voltage oscillation (surge voltage) at the time of switching and reverse recovery current generated by a diode (FWD) are increasing. Noise leaks to the ground via a loop having a low impedance, particularly a portion having a large capacitance (ground capacitance) with respect to the ground, and affects other devices that are close to each other via the ground line.

インバータ等の電力変換機器からグランドに漏れるノイズ電流を低減する技術として、インバータ内のパワーモジュールの基板のインピーダンスを高めるため、誘電損失が大きい材料から成る絶縁基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。 As a technique for reducing noise current leaking from a power conversion device such as an inverter to the ground, it has been proposed to use an insulating substrate made of a material having a large dielectric loss in order to increase the impedance of the power module substrate in the inverter (for example, Patent Document 1).

また、パワーモジュールの絶縁基板を２層構造にし、そのうち１層には絶縁基板容量に対し並列にインダクタンスとして寄与する配線層等を設け、ＬＣ並列共振により、特定の周波数でのインピーダンスを高め、グランドへの漏れ電流を軽減する技術が報告されている（例えば、特許文献２）。 In addition, the power module's insulating substrate has a two-layer structure, one of which is provided with a wiring layer that contributes as inductance in parallel to the insulating substrate capacitance, and by LC parallel resonance, the impedance at a specific frequency is increased, and the ground There has been reported a technique for reducing the leakage current into the circuit (for example, Patent Document 2).

また、インバータの出力ケーブルとグランドパターン間の容量（電気的結合）を高めることで入力ケーブルと出力ケーブル間の電気的結合を低減する構成が提案されている（例えば、特許文献３）。この構成によれば、入力ケーブルと出力ケーブルとの間の電気的結合が低減され、出力ケーブルに重畳される高周波ノイズ信号が入力ケーブルや入力側の電源へ伝達、誘導されることが抑制される。 Further, a configuration has been proposed in which the electrical coupling between the input cable and the output cable is reduced by increasing the capacitance (electric coupling) between the output cable of the inverter and the ground pattern (for example, Patent Document 3). According to this configuration, electrical coupling between the input cable and the output cable is reduced, and a high-frequency noise signal superimposed on the output cable is suppressed from being transmitted and induced to the input cable or the power supply on the input side. .

また、主なノイズ源であるインバータのスイッチング素子とヒートシンク（グランド電位）間の電気的結合（容量）を広い周波数で高めるために、コンデンサとして働く容量素子（インピーダンス回路）をヒートシンク上に作成して高周波ノイズを（ヒートシンクを介して）グランドに積極的に逃がし、入力側の電源に高周波電流が流れにくくなる構成が開示されている（例えば、特許文献４）。 In addition, in order to increase the electrical coupling (capacitance) between the switching element of the inverter, which is the main noise source, and the heat sink (ground potential) at a wide frequency, a capacitor element (impedance circuit) that acts as a capacitor is created on the heat sink. A configuration is disclosed in which high-frequency noise is actively released to the ground (via a heat sink) so that high-frequency current does not easily flow to the power supply on the input side (for example, Patent Document 4).

つまり、特許文献３，４では、システムの大型化、コストアップにつながるノイズ部品（フェライトコアやノイズ抑制シート、ＬＣフィルタ）の使用を最小限にするため、システム内の各部位間の電気的、磁気的結合を制御し、ノイズの伝搬ルートを制御する技術が開示されている。 In other words, in Patent Documents 3 and 4, in order to minimize the use of noise components (ferrite core, noise suppression sheet, LC filter) that lead to an increase in system size and cost, Techniques for controlling magnetic coupling and controlling noise propagation routes have been disclosed.

また、特許文献５では、出力配線部材の導体部に対して接地導体部を設け、高周波漏れ電流の電流経路が形成するループ面積を狭くし、高周波漏れ電流に起因する誘導ノイズを低減している。 Moreover, in patent document 5, the grounding conductor part is provided with respect to the conductor part of an output wiring member, the loop area which the current path of a high frequency leakage current forms is narrowed, and the induction noise resulting from a high frequency leakage current is reduced. .

特開２００８−３５６５７号公報JP 2008-35657 A 特開２０１１−１７２３２９号公報JP 2011-172329 A 特開２０１２−１１００９２号公報JP2012-110092A 特開２０１２−１９６１１３号公報JP 2012-196113 A 特開２０１４−５０２６０号公報JP 2014-50260 A 特開平９−２９８８８９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-289889

しかしながら、特許文献２のように、パワーモジュール内の絶縁基板を多層基板とし、絶縁層内に配線パターンを設けることやチップインダクタを配置すること等により、電力変換装置の製造工程の複雑化や製造コストの増大を招くおそれがある。また、所望のインピーダンスを得るためには、配線パターンの長さ、太さ、位置等に詳細な制約が生ずるおそれがある。 However, as disclosed in Patent Document 2, the manufacturing process of the power conversion device is complicated and manufactured by using an insulating substrate in the power module as a multilayer substrate, providing a wiring pattern in the insulating layer, and disposing a chip inductor. There is a risk of increasing costs. Further, in order to obtain a desired impedance, there is a possibility that detailed restrictions may occur on the length, thickness, position, etc. of the wiring pattern.

また、パワーモジュールでは、スイッチング素子のゲート制御条件により発生するノイズの周波数も異なり、スイッチング素子の使用条件毎にインピーダンスを高めるべき周波数帯も本来変動するものである。したがって、絶縁回路基板の設計をスイッチング素子の特性、使用条件（ゲート制御、動作温度等）毎に設計しなおす必要が生じるおそれがあり、コストアップにつながる。 Further, in the power module, the frequency of noise generated varies depending on the gate control condition of the switching element, and the frequency band in which the impedance should be increased varies depending on the use condition of the switching element. Therefore, it may be necessary to redesign the insulating circuit board for each characteristic of the switching element and usage conditions (gate control, operating temperature, etc.), leading to an increase in cost.

また、特許文献３〜５のように、主回路電位（例えば、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）とグランド間の結合容量を大きくすると、特定の相で発生した高周波ノイズが、他の相に伝搬されてしまうおそれがある。 Further, as in Patent Documents 3 to 5, when the coupling capacitance between the main circuit potential (for example, U phase, V phase, W phase) and ground is increased, high-frequency noise generated in a specific phase is transferred to other phases. There is a risk of propagation.

上記事情に鑑み、本発明は、電力変換装置のノイズを低減する構造を提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a structure for reducing noise of a power converter.

上記目的を達成する本発明の電力変換装置の一態様は、スイッチング素子を有する電力変換装置であって、前記スイッチング素子により変換された電力が出力される複数の出力配線部材と、前記出力配線部材の並設面に対して、前記出力配線部材から離間して設けられる接地された第１導電部材と、前記出力配線部材間に設けられる接地された第２導電部材と、を有し、前記第１導電部材と前記出力配線部材との静電容量を、前記第２導電部材と前記出力配線部材との静電容量よりも大きくすることを特徴としている。 One aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object is a power conversion device having a switching element, wherein a plurality of output wiring members that output power converted by the switching element, and the output wiring member A grounded first conductive member provided apart from the output wiring member, and a grounded second conductive member provided between the output wiring members, with respect to the juxtaposed surface of A capacitance of the one conductive member and the output wiring member is made larger than a capacitance of the second conductive member and the output wiring member.

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記第１導電部材に、前記第２導電部材の一端を接続し、前記第２導電部材の他端に、接地された第３導電部材を設けることを特徴としている。 In another aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object, in the power conversion device, one end of the second conductive member is connected to the first conductive member, and the second conductive member A third conductive member that is grounded is provided at the end.

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記出力配線部材は、絶縁基板に形成された出力配線層であり、前記第１導電部材は、前記絶縁基板に形成されたグランド層であり、前記第２導電部材は、前記絶縁基板に形成されたビアであることを特徴としている。 In another aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object, in the power conversion device, the output wiring member is an output wiring layer formed on an insulating substrate, and the first conductive member is It is a ground layer formed on the insulating substrate, and the second conductive member is a via formed on the insulating substrate.

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記ビアの一端を前記グランド層に接続し、且つ前記ビアの他端部が前記絶縁基板の表面に露出するようにビアを形成し、当該絶縁基板表面に露出したビアに導電性のシートまたは導電性のブロックを設けることを特徴としている。 In another aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object, in the power conversion device, one end of the via is connected to the ground layer, and the other end of the via is a surface of the insulating substrate. A via is formed so as to be exposed, and a conductive sheet or a conductive block is provided on the via exposed on the surface of the insulating substrate.

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記シートまたはブロックの最大寸法は、７．５ｃｍ以下であることを特徴としている。 Another aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in the power conversion device, the maximum dimension of the sheet or block is 7.5 cm or less.

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記出力配線部材は、バスバーであることを特徴としている。 Another aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object is characterized in that in the power conversion device, the output wiring member is a bus bar.

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記出力配線部材と前記第１導電部材との間に絶縁層を設けることを特徴としている。 Another aspect of the power conversion device of the present invention that achieves the above object is characterized in that in the power conversion device, an insulating layer is provided between the output wiring member and the first conductive member.

以上の本発明によれば、電力変換装置のノイズの低減に貢献することができる。 According to the above-mentioned present invention, it can contribute to reduction of noise of a power converter.

高周波ノイズ信号の伝搬経路を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the propagation path of a high frequency noise signal. 本発明の電力変換装置を有する電力変換システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the power conversion system which has the power converter device of this invention. （ａ）本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部上面図である。(A) It is principal part sectional drawing of the power converter device which concerns on 1st Embodiment of this invention, (b) It is a principal part top view of the power converter device which concerns on 1st Embodiment of this invention. （ａ）本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の要部上面図である。(A) Main part sectional drawing of the power converter device which concerns on 2nd Embodiment of this invention, (b) The principal part top view of the power converter device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. （ａ）本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の要部上面図である。(A) It is principal part sectional drawing of the power converter device which concerns on 3rd Embodiment of this invention, (b) It is a principal part top view of the power converter device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the power converter device which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の浮遊容量を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the stray capacitance of the power converter device which concerns on 4th Embodiment of this invention.

本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。なお、図面は本発明の実施形態に係る電力変換装置の概略を示す図であり、各構成部材の寸法は説明のため誇張されたものとなっている。 A power converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, drawing is a figure which shows the outline of the power converter device which concerns on embodiment of this invention, and the dimension of each structural member is exaggerated for description.

発明者らは、本発明に先だって、電力変換装置（例えば、インバータ）における入力側の電源（例えば、商用電源）に伝搬される伝導ノイズの低減に対して鋭意検討を行った。 Prior to the present invention, the inventors diligently studied to reduce conduction noise propagated to an input-side power source (for example, a commercial power source) in a power conversion device (for example, an inverter).

図１は、電力変換装置の回路の一例を示す図であり、高周波信号（電流、電圧）が流れる主な容量結合部を示す。例えば、インバータ部のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）及びこのスイッチング素子と逆並列に配置されたダイオード（ＦＷＤ）のスイッチング時に発生するサージ電圧が主なノイズ源となる。これらが起源の高周波電圧は、それぞれの周波数において、インピーダンスの低いルートを伝導する。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a circuit of a power conversion apparatus, and illustrates a main capacitive coupling unit through which a high-frequency signal (current, voltage) flows. For example, a surge voltage generated at the time of switching of a switching element (for example, IGBT) in the inverter unit and a diode (FWD) arranged in antiparallel with the switching element is a main noise source. The high-frequency voltages that originate from these are conducted through a low-impedance route at each frequency.

周波数１ＭＨｚ以上のノイズ電流は、主にグランド（対地）を介した伝導ループが支配的となる。よって、電力変換装置及び誘導機、それらを結合するケーブル内の各部位の対グランド容量の制御が、ノイズ伝搬ルートをコントロールし、入力側の電源に高周波電流が伝達されない環境とするために重要である。しかしながら、実際には、誘導機の定格、インバータと誘導機とをつなぐケーブルの長さ等により、誘導機のグランド間に対する容量（対地容量）、ケーブルの対地容量が変化するため、誘導機及びケーブルの仕様により最適なノイズ対策が異なることとなる。 A noise loop having a frequency of 1 MHz or more is mainly controlled by a conduction loop via the ground (ground). Therefore, it is important to control the capacitance to ground of each part in the power converter and induction machine, and the cable connecting them, in order to control the noise propagation route and create an environment where high frequency current is not transmitted to the power supply on the input side. is there. However, in reality, the capacity of the induction machine between the ground (capacity to ground) and the ground capacity of the cable vary depending on the rating of the induction machine, the length of the cable connecting the inverter and the induction machine, etc. The optimum noise countermeasures differ depending on the specifications.

また、入力側の電源に高周波のノイズ信号が伝搬されないように、あるいは空間にノイズが放射されないように、ノイズ源のできるだけ近傍でグランドとできるだけ大きな結合を形成し、意図的にノイズ源周囲の狭い領域の伝導ループに高周波信号を閉じ込めることが考えられる。 In addition, to prevent high-frequency noise signals from being propagated to the power supply on the input side or to radiate noise into the space, a connection as large as possible with the ground is formed as close as possible to the noise source. It is conceivable to confine the high-frequency signal in the conduction loop of the region.

ノイズ源（例えば、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ）の近傍で、グランドとの容量が存在する箇所として、（１）ＩＧＢＴモジュールの絶縁基板、（２）入力配線（Ｐ，Ｎ）とグランド配線（パターン）間の容量、（３）出力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランド電位（パターン）間の容量の３箇所が挙げられる。 In the vicinity of a noise source (for example, IGBT, FWD), there are (1) an insulation substrate of the IGBT module, (2) an input wiring (P, N) and a ground wiring (pattern) as a location where a capacitance with the ground exists. There are three locations: capacitance, and (3) capacitance between the output wiring (U, V, W) and the ground potential (pattern).

（１）に関しては、ＩＧＢＴモジュールのエミッタセンス配線は、通常主回路のエミッタ電位と同電位であるため、上アームのＩＧＢＴ、ＦＷＤのエミッタセンス（ゲート制御回路のエミッタ配線部）の電位は、主回路の出力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ電位）と同じ対地容量を有し、下アームのＩＧＢＴ、ＦＷＤのエミッタセンスは、主回路のＮ電位と同じ対地容量を有する。その結果、ＩＧＢＴの絶縁基板を介して主回路から高周波ノイズ信号をグランドに逃がそうとした場合、グランドを介してゲート制御回路との容量結合も大きくなり、制御信号へのグランドからのインピーダンスが共振周波数より低周波側で低下し、ノイズ信号が入り易くなる。すなわち、インバータのゲート制御回路のエミッタ配線は、主回路のエミッタ配線と電位が共通であるため、主回路電位（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｎ）とグランド間の容量結合を大きくすると、必然的にゲート制御回路とグランド間との容量も増大することとなる。その結果、グランドを介してゲート制御回路の高周波ノイズ信号が入り込み、制御回路の誤動作、ＩＧＢＴの誤ターンオン、あるいは誤ターンオフにつながる。ゆえに、（１）のＩＧＢＴモジュールの絶縁基板の容量を積極的に利用してノイズ電流を逃がす方法は得策ではないとの知見を得た。 Regarding (1), since the emitter sense wiring of the IGBT module is usually the same potential as the emitter potential of the main circuit, the potential of the emitter sense of the upper arm IGBT and FWD (emitter wiring portion of the gate control circuit) is the main potential. It has the same ground capacitance as the output wiring (U, V, W potential) of the circuit, and the emitter senses of the lower arm IGBT and FWD have the same ground capacitance as the N potential of the main circuit. As a result, when an attempt is made to release a high-frequency noise signal from the main circuit to the ground via the IGBT insulating substrate, capacitive coupling with the gate control circuit via the ground also increases, and the impedance from the ground to the control signal is increased. It decreases on the low frequency side from the resonance frequency, and noise signals are likely to enter. That is, since the emitter wiring of the gate control circuit of the inverter has the same potential as the emitter wiring of the main circuit, if the capacitive coupling between the main circuit potential (U, V, W, N) and the ground is inevitably increased. The capacity between the gate control circuit and the ground also increases. As a result, the high-frequency noise signal of the gate control circuit enters through the ground, leading to malfunction of the control circuit, erroneous turn-on of the IGBT, or erroneous turn-off. Therefore, it has been found that the method (1) of actively utilizing the capacity of the insulating substrate of the IGBT module to release the noise current is not a good solution.

また、（２）の入力配線側の容量を高める方法に関しては、部品配置上、設計上容易ではないとの知見を得た。つまり、ＤＣ電位の配線部には、サージ電圧の発生を抑えるため、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ直近にスナバコンデンサ、さらに平滑用のコンデンサ等が配置されること、サージ電圧を抑えるためＰ電位とＮ電位をラミネート（近接対向配置にしてインダクタンスを低減する）配置とすることが多いため、プリント基板内配線あるいはバスバーの配置の自由度が制限されること等の理由が挙げられる。よって、これらＰ，Ｎ電位配線部とグランド電位間で、高い容量を持たせる配置を実現することは容易ではないとの知見を得た。これらの理由により、平滑コンデンサ近傍に、グランドに電流をバイパスさせる「バイパスコンデンサ」を配置して、入力側の電源への高周波電流の回り込みを抑える方法が現実的と考えられている。 In addition, regarding the method (2) for increasing the capacitance on the input wiring side, it has been found that it is not easy to design in terms of component placement. In other words, a snubber capacitor, a smoothing capacitor, etc. are disposed in the wiring portion of the DC potential in the immediate vicinity of the IGBT and FWD in order to suppress the generation of the surge voltage, and the P potential and the N potential are laminated to suppress the surge voltage. Since it is often an arrangement (reducing the inductance by making the arrangement close to each other), the reason is that the degree of freedom of arrangement of the wiring in the printed circuit board or the bus bar is limited. Therefore, it has been found that it is not easy to realize an arrangement having a high capacitance between the P and N potential wiring portions and the ground potential. For these reasons, it is considered realistic to arrange a “bypass capacitor” that bypasses the current to the ground in the vicinity of the smoothing capacitor to suppress the wraparound of the high-frequency current to the power supply on the input side.

（３）の出力配線部に関しては、受動部品、センサも電流センサ（ホールＣＴ）等のみで少なく、入力側配線と比較して（配線での発熱を抑えるよう配線断面積を適切に確保する等の考慮を行えば）配線パターンに設計の自由度が高く、グランドとの容量を大きくする改良は、高価なノイズ部品、コンデンサ等を用いることなく、配線パターンや配置の工夫が実現可能であると思われる。 With regard to the output wiring part of (3), the number of passive components and sensors is limited to only the current sensor (Hall CT), etc., and compared to the input side wiring (such as ensuring a wiring cross-sectional area appropriately to suppress heat generation in the wiring) The design of the wiring pattern has a high degree of freedom, and the improvement to increase the capacitance with the ground can be realized without using expensive noise components, capacitors, etc. Seem.

一方、出力配線部において、相間（例えば、ＵとＶとの相間）の電気的結合（容量結合）が大きいと、特定の相のスイッチングで発生した高周波電圧サージを他の相に伝搬してしまうことが考えられる。よって、相間の容量結合はできるだけ低減することが求められる。 On the other hand, when the electrical coupling (capacitive coupling) between phases (for example, between U and V) is large in the output wiring section, a high-frequency voltage surge generated by switching of a specific phase is propagated to other phases. It is possible. Therefore, it is required to reduce the capacitive coupling between phases as much as possible.

以上の知見に基づいて、さらに鋭意検討を行った結果、発明者らは、本発明の完成に至ったものである。 As a result of further intensive studies based on the above findings, the inventors have completed the present invention.

本発明の電力変換装置は、出力配線部（特にノイズ源（デバイス）近傍）で、グランドとの容量を高める一方で、配線間の容量結合を減らすことにより、相間の容量結合を介したノイズの伝搬（クロストーク）を低減し、低周波帯域からノイズ電流がグランドに逃げる構成を有する。例えば、電力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）近傍にビアを有するグランド電位パターンを設けることで、低周波帯域からノイズ電流をグランドに逃がすことができる。 The power conversion device of the present invention increases the capacitance with the ground in the output wiring section (particularly in the vicinity of the noise source (device)), while reducing the capacitive coupling between the wirings, thereby reducing the noise via the capacitive coupling between the phases. Propagation (crosstalk) is reduced, and the noise current escapes from the low frequency band to the ground. For example, by providing a ground potential pattern having vias in the vicinity of the power wiring (U, V, W), noise current can be released from the low frequency band to the ground.

［第１実施形態］
図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１は、系統電源２（商用電源）及び誘導機３（負荷）に接続される。系統電源２から入力された電力は、コンバータ４及びインバータ５で変換されて３相交流電力となり、この３相交流電力が誘導機３に供給される。 [First Embodiment]
As shown in FIG. 2, the power conversion device 1 according to the first embodiment of the present invention is connected to a system power supply 2 (commercial power supply) and an induction machine 3 (load). The power input from the system power supply 2 is converted by the converter 4 and the inverter 5 to become three-phase AC power, and this three-phase AC power is supplied to the induction machine 3.

すなわち、系統電源２から入力された交流電力は、コンバータ４により直流電力に変換され、この直流電力がインバータ５に供給される。インバータ５は、例えば、スイッチング素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等）を、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）上下アームにより成るブリッジに接続した三相出力構成を有するパワーモジュールであり、スイッチング素子の動作により任意の周波数で任意の電圧の交流電力を生成する。インバータ５から出力される交流電力は、出力配線６（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を介して誘導機３に供給され誘導機３が駆動される。出力配線６は、例えば、一般的な４芯シールドケーブル（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｇ線、外部に網目シールド線）が用いられる。 That is, AC power input from the system power supply 2 is converted to DC power by the converter 4, and this DC power is supplied to the inverter 5. The inverter 5 is, for example, a power module having a three-phase output configuration in which switching elements (IGBT, MOSFET, etc.) are connected to a bridge formed by upper and lower arms of each phase (U, V, W), and can be arbitrarily determined by the operation of the switching elements. AC power of an arbitrary voltage is generated at a frequency of. The AC power output from the inverter 5 is supplied to the induction machine 3 via the output wiring 6 (U, V, W), and the induction machine 3 is driven. As the output wiring 6, for example, a general four-core shielded cable (U, V, W, G line, mesh shielded wire outside) is used.

第１実施形態に係る電力変換装置１は、出力配線部のインバータ５近傍に、図３（ａ）に示すような多層基板７を有する。 The power conversion device 1 according to the first embodiment includes a multilayer substrate 7 as shown in FIG. 3A in the vicinity of the inverter 5 in the output wiring section.

多層基板７は、グランド層８と出力配線層９（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とを有し、各出力配線層９間にはビア１０が設けられる。 The multilayer substrate 7 has a ground layer 8 and output wiring layers 9 (U, V, W), and vias 10 are provided between the output wiring layers 9.

グランド層８は、出力配線層９とは別層に形成され、インバータ５のグランド電位に配線等により接続（接地）される。 The ground layer 8 is formed in a layer different from the output wiring layer 9 and is connected (grounded) to the ground potential of the inverter 5 by wiring or the like.

出力配線層９は、例えば、断面が細長い長方形状の板であり、各相の出力配線層９同士は、面積の狭い面を対向させた状態で並設される。また、各出力配線層９の面積が広い面（すなわち、出力配線層９の並設面）に対して、グランド層８が所定の間隔離間した状態で設けられる。なお、図３（ｂ）に示すように、各相の出力配線層９の一端部は、パワーモジュール（図示せず）の出力端子９ａと接続され、各相の出力配線層９の他端部は、端子台（図示せず）等を介してシールドケーブル等の出力配線６（外部配線）と接続される。 The output wiring layer 9 is, for example, a rectangular plate having an elongated cross section, and the output wiring layers 9 of each phase are arranged side by side in a state where the surfaces with small areas face each other. In addition, the ground layer 8 is provided in a state of being spaced apart from the surface having a large area of each output wiring layer 9 (that is, the parallel surface of the output wiring layer 9). In addition, as shown in FIG.3 (b), the one end part of the output wiring layer 9 of each phase is connected with the output terminal 9a of a power module (not shown), and the other end part of the output wiring layer 9 of each phase Is connected to an output wiring 6 (external wiring) such as a shielded cable via a terminal block (not shown).

ビア１０は、各出力配線層９間に設けられる。図３（ａ）に示すように、例えば、複数のビア１０が、各出力配線層９の間であって、グランド層８から多層基板７表面に貫通するように形成される。また、多層基板７の表面に露出したビア１０（グランド電位）の端部には、はんだや導電性接着剤等の接合部１０ａを介して導電性のシート１１（若しくは、導電性の板）が設けられる。ビア１０と出力配線層９との間の静電容量は、グランド層８と出力配線層９との静電容量より小さい方が好ましい。 The via 10 is provided between the output wiring layers 9. As shown in FIG. 3A, for example, a plurality of vias 10 are formed between the output wiring layers 9 so as to penetrate from the ground layer 8 to the surface of the multilayer substrate 7. In addition, a conductive sheet 11 (or a conductive plate) is provided at the end of the via 10 (ground potential) exposed on the surface of the multilayer substrate 7 through a joint 10a such as solder or a conductive adhesive. Provided. The capacitance between the via 10 and the output wiring layer 9 is preferably smaller than the capacitance between the ground layer 8 and the output wiring layer 9.

シート１１は、例えば、金属製のシートであり、インバータ５のグランド電位に配線等により接続（接地）される。シート１１の大きさは、例えば、出力配線層９の最外部とほぼ同一の面積（言い換えると、３つの出力配線層９を覆う最小の面積）の大きさであり、パワーモジュールの出力端子９ａと出力配線６との間であって、出力配線層９の並設面に対して離間して設けられる。また、シート１１の長辺を７．５ｃｍ（周波数１ＧＨｚの電磁波の波長の１／４）以下とすると、シート１１から空間に放射されるノイズが抑制され好ましい。よって、必要に応じてシート１１を分割し、分割されたシート１１間を電線で接続して同電位に保つことで、シート１１からのノイズの放射を抑制することができる。なお、シート１１は、パワーモジュールのスイッチング素子を制御するゲート制御回路部や系統電源２の入力配線部に近接する場所には設けず、必要とされる最少の大きさとする。これは、シート１１をゲート制御回路部や入力配線部の近傍に設けると、シート１１とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との容量結合が大きくなり、ゲート制御回路部の誤動作や入力配線部側のノイズレベルの増大につながるおそれがあるためである。 The sheet 11 is, for example, a metal sheet, and is connected (grounded) to the ground potential of the inverter 5 by wiring or the like. The size of the sheet 11 is, for example, substantially the same area as the outermost part of the output wiring layer 9 (in other words, the minimum area covering the three output wiring layers 9), and the output terminal 9a of the power module. It is provided between the output wiring 6 and separated from the parallel surface of the output wiring layer 9. Moreover, when the long side of the sheet 11 is 7.5 cm (1/4 of the wavelength of the electromagnetic wave having a frequency of 1 GHz) or less, noise radiated from the sheet 11 to the space is preferably suppressed. Therefore, the radiation of noise from the sheet 11 can be suppressed by dividing the sheet 11 as necessary, connecting the divided sheets 11 with electric wires, and keeping the same potential. Note that the sheet 11 is not provided in a location close to the gate control circuit unit for controlling the switching element of the power module or the input wiring unit of the system power supply 2 and has the minimum size required. This is because, if the sheet 11 is provided in the vicinity of the gate control circuit unit or the input wiring unit, the capacitive coupling between the sheet 11 and the gate control circuit unit (or the input wiring unit) increases, and malfunction or input of the gate control circuit unit occurs. This is because the noise level on the wiring part side may increase.

以上のような本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１によれば、グランド電位に接続されたグランド層８（あるいは、グランド層８とシート１１）を出力配線層９に近接して対向配置させることで、出力配線層９とグランドとを大きい容量（例えば、１００ｐＦ以上５０００ｐＦ以下、より好ましくは５００ｐＦ以上２０００ｐＦ以下）で結合することができる。その結果、グランド層８と出力配線層９との間の容量を経由して高周波信号が流れることとなり、ノイズ源近傍のノイズが伝搬する主要な循環ルートのループインダクタンスを、従来より１／５程度の物理的に狭い領域を循環させることができる。すなわち、ノイズ信号の伝搬領域をノイズ源近傍のグランド電位を含む領域に限定することができ、入力側の電源への伝導ノイズや周辺機器に及ぼす放射ノイズのレベルを低減することができる。 According to the power conversion device 1 according to the first embodiment of the present invention as described above, the ground layer 8 (or the ground layer 8 and the sheet 11) connected to the ground potential is located close to the output wiring layer 9 and opposed to each other. By disposing, the output wiring layer 9 and the ground can be coupled with a large capacitance (for example, 100 pF to 5000 pF, more preferably 500 pF to 2000 pF). As a result, a high-frequency signal flows through the capacitance between the ground layer 8 and the output wiring layer 9, and the loop inductance of the main circulation route through which the noise in the vicinity of the noise source propagates is about 1/5 of the conventional one. It is possible to circulate through a physically narrow area. That is, the propagation region of the noise signal can be limited to a region including the ground potential in the vicinity of the noise source, and the level of conduction noise to the power supply on the input side and radiation noise exerted on peripheral devices can be reduced.

具体的には、各相の出力配線層９の幅を２ｃｍ、シート１１の出力パターンの長さ方向の長さ５ｃｍ、出力配線層９とグランド層８との間の距離０．１ｍｍ、出力配線層９とシート１１との間の距離０．１ｍｍ、多層基板７の比誘電率を４（例えば、ガラスエポキシ基板（ＦＲ４））とすると、グランド層８と各出力配線層９との容量結合値は７００ｐＦとなり、従来の手法（出力ケーブル内の容量結合等）で得られる容量値（例えば、２０〜５０ｐＦ）と比較して、２０〜３０倍大きくなる。なお、特許文献３のように出力ケーブルに対して接地導体を設けた場合、出力ケーブルとグランド間の容量は、出力各電線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランド電位パターン間の絶縁部材の厚み、ケーブル内の対向表面積（最近接で向かい合った部位の表面積）等で決まるので、通常の絶縁材料（比誘電率３程度以下）を用いた場合、両者間の結合容量は大きくても１００ｐＦ以下であり、１０ＭＨｚ以下の周波数ノイズ成分を逃がす伝搬ルートとしては十分に低いインピーダンスとはならないものと考えられる。 Specifically, the width of the output wiring layer 9 of each phase is 2 cm, the length of the output pattern of the sheet 11 is 5 cm in length, the distance between the output wiring layer 9 and the ground layer 8 is 0.1 mm, the output wiring When the distance between the layer 9 and the sheet 11 is 0.1 mm and the relative dielectric constant of the multilayer substrate 7 is 4 (for example, a glass epoxy substrate (FR4)), the capacitive coupling value between the ground layer 8 and each output wiring layer 9 Becomes 700 pF, which is 20 to 30 times larger than a capacitance value (for example, 20 to 50 pF) obtained by a conventional method (capacitive coupling in an output cable or the like). When a ground conductor is provided for the output cable as in Patent Document 3, the capacity between the output cable and the ground is the thickness of the insulating member between each output wire (U, V, W) and the ground potential pattern, Because it is determined by the facing surface area in the cable (surface area of the part facing the nearest), etc., when using a normal insulating material (relative dielectric constant of about 3 or less), the coupling capacity between them is at most 100 pF or less. It is considered that the impedance is not sufficiently low as a propagation route for escaping a frequency noise component of 10 MHz or less.

また、出力配線層９間にビア１０を設けることにより、各相の出力配線層９間に形成される電気力線がビア１０（グランド部）を横切るようになり、各相の出力配線層９間の電気的結合（容量）が減少する。その結果、出力配線層９間において、別の相のスイッチング素子が原因で発生するノイズが他の相に入りにくくなり、出力配線層９とグランド層８との結合がより増大する。すなわち、出力配線層９をグランド層８（若しくは、シート１１）に近接させた場合でも、出力配線層９間を跨る高周波電圧の伝搬が起きにくくなり、電力変換装置１における誤作動の発生を抑制することができる。なお、出力配線層９間に設けられるビア１０の個数を増やすことで、出力配線層９間の電気的結合をより低下させることができる。 Further, by providing the via 10 between the output wiring layers 9, the electric lines of force formed between the output wiring layers 9 of each phase cross the via 10 (ground portion), and the output wiring layer 9 of each phase. The electrical coupling (capacity) between them decreases. As a result, noise generated due to the switching element of another phase between the output wiring layers 9 becomes difficult to enter other phases, and the coupling between the output wiring layer 9 and the ground layer 8 is further increased. That is, even when the output wiring layer 9 is placed close to the ground layer 8 (or the sheet 11), the high-frequency voltage does not easily propagate between the output wiring layers 9, and the malfunction of the power conversion device 1 is suppressed. can do. Note that the electrical coupling between the output wiring layers 9 can be further reduced by increasing the number of vias 10 provided between the output wiring layers 9.

また、出力配線層９近傍にビア１０を有するグランド層８（及びシート１１）を設けることで、低周波帯域からノイズ電流をグランド層８（及びシート１１）に逃がすことができる。 Further, by providing the ground layer 8 (and the sheet 11) having the via 10 in the vicinity of the output wiring layer 9, noise current can be released from the low frequency band to the ground layer 8 (and the sheet 11).

また、シート１１を出力配線層９に対して離間して設けることで、シート１１（すなわち、グランド電位）と出力配線層９との間の静電容量が増加する。シート１１は、多層基板７面から放射される磁界も低減する効果があり、出力配線層９とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との磁気的結合（相互インダクタンス：Ｍ）を低減することができる。よって、シート１１を設けることにより、ゲート制御回路部や入力配線部を出力配線部の近傍に配置することができ、電力変換装置１の小型化が実現できる。 Further, by providing the sheet 11 apart from the output wiring layer 9, the capacitance between the sheet 11 (that is, the ground potential) and the output wiring layer 9 increases. The sheet 11 has an effect of reducing the magnetic field radiated from the surface of the multilayer substrate 7, and reduces the magnetic coupling (mutual inductance: M) between the output wiring layer 9 and the gate control circuit unit (or input wiring unit). be able to. Therefore, by providing the sheet 11, the gate control circuit unit and the input wiring unit can be arranged in the vicinity of the output wiring unit, and the power converter 1 can be downsized.

また、シート１１をノイズ対策部品として、後付けで任意のサイズ、形状のものを追加的に取り付け可能とすることで、電力変換装置１のノイズ発生状況に応じた対策を行うことができる。例えば、電力変換装置１と接続する誘導機３や電力変換装置１と誘導機３とを接続する出力配線６の仕様に応じて、ノイズの周囲への影響を抑える目的でシート１１のサイズ、形状を選択できることとなる。つまり、ノイズ低減のための対策、調整がその場で容易にできる。 Moreover, the sheet | seat 11 can be taken as a noise countermeasure component, and the countermeasure according to the noise generation condition of the power converter device 1 can be performed by making it possible to attach the thing of arbitrary sizes and shapes by retrofitting. For example, according to the specifications of the induction machine 3 connected to the power conversion apparatus 1 and the output wiring 6 connecting the power conversion apparatus 1 and the induction machine 3, the size and shape of the sheet 11 for the purpose of suppressing the influence of noise on the surroundings Can be selected. That is, measures and adjustments for noise reduction can be easily performed on the spot.

また、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１によれば、ノイズ源近傍の出力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）部でグランド電位と高い容量結合を持たせることを配線パターンの工夫、シート１１の追加のみで実現することができる。すなわち、高価なノイズ対策部品、寸法が大きい受動部品（コンデンサ）等を新たに設置する必要がないので、電力変換装置１のコストやサイズの増大を抑制することができる。より具体的に説明すると、一般的な多層基板の層数を増やすことなく、各出力配線層９間にビア１０を数か所新たに設けるのみで多層基板７とすることができるので、多層基板７を製作するコストは上がらない。また、出力配線層９のサイズは、誘導機３の負荷、動作に応じて特定の周波数のノイズ信号が問題とならないよう、適宜選択することができる。 In addition, according to the power conversion device 1 according to the first embodiment of the present invention, the output wiring (U, V, W) near the noise source has a high capacitive coupling with the ground potential. This can be realized only by adding the sheet 11. That is, it is not necessary to newly install an expensive noise countermeasure component, a passive component (capacitor) having a large size, and the like, so that an increase in cost and size of the power conversion device 1 can be suppressed. More specifically, the multilayer substrate 7 can be formed by merely providing several vias 10 between the output wiring layers 9 without increasing the number of layers of a general multilayer substrate. The cost of manufacturing 7 does not increase. Further, the size of the output wiring layer 9 can be appropriately selected according to the load and operation of the induction machine 3 so that a noise signal having a specific frequency does not become a problem.

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２について、図４を参照して詳細に説明する。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２は、多層基板７の表面に露出したビア１０の端部に金属ブロック１３（冷却器）を設けたことが第１実施形態に係る電力変換装置１と異なる。よって、第１実施形態の電力変換装置１と同様の構成については同じ符号を付し、異なる部分について詳細に説明する。 [Second Embodiment]
The power converter device 12 according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. In the power conversion device 12 according to the second embodiment of the present invention, the metal block 13 (cooler) is provided at the end of the via 10 exposed on the surface of the multilayer substrate 7. Different from 1. Therefore, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to the power converter device 1 of 1st Embodiment, and a different part is demonstrated in detail.

図４（ａ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２は、グランド層８と出力配線層９が形成された多層基板７を有する。多層基板７の各相の出力配線層９間にはビア１０が設けられる。 As shown in FIG. 4A, the power conversion device 12 according to the second embodiment of the present invention includes a multilayer substrate 7 on which a ground layer 8 and an output wiring layer 9 are formed. Vias 10 are provided between the output wiring layers 9 of each phase of the multilayer substrate 7.

ビア１０は、各相の出力配線層９間であって、グランド層８から多層基板７表面に貫通するように形成される。すなわち、ビア１０の一端はグランド層８に接続され、ビア１０の他端は多層基板７の表面に露出した状態となっている。多層基板７の表面に露出したビア１０の端部には、はんだや導電性接着剤等の接合部１０ａを介して金属ブロック１３が設けられる。 The via 10 is formed between the output wiring layers 9 of each phase and penetrates from the ground layer 8 to the surface of the multilayer substrate 7. That is, one end of the via 10 is connected to the ground layer 8, and the other end of the via 10 is exposed on the surface of the multilayer substrate 7. A metal block 13 is provided at the end of the via 10 exposed on the surface of the multilayer substrate 7 via a joint 10a such as solder or conductive adhesive.

金属ブロック１３は、例えば、アルミニウム製の冷却器である。金属ブロック１３にフィン１３ａを設けると、金属ブロック１３の放熱性が向上する。また、金属ブロック１３の厚さが厚いほど、金属ブロック１３による磁気シールド効果が大きくなり、出力配線層９とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との磁気結合が低下する。ただし、第１実施形態に係る電力変換装置１のシート１１と同様に、金属ブロック１３がモノポールアンテナとならないよう、最も長い辺の寸法を７．５ｃｍ以下とすることが好ましい。よって、必要に応じて金属ブロック１３を分割して多層基板７上に配置し、分割された複数の金属ブロック１３をそれぞれインバータのグランドと配線等で接続する。 The metal block 13 is, for example, an aluminum cooler. When the fin 13a is provided in the metal block 13, the heat dissipation of the metal block 13 is improved. Further, as the thickness of the metal block 13 is increased, the magnetic shielding effect by the metal block 13 is increased, and the magnetic coupling between the output wiring layer 9 and the gate control circuit unit (or input wiring unit) is lowered. However, similarly to the sheet 11 of the power conversion device 1 according to the first embodiment, it is preferable that the dimension of the longest side is 7.5 cm or less so that the metal block 13 does not become a monopole antenna. Therefore, the metal block 13 is divided and arranged on the multilayer substrate 7 as necessary, and the divided metal blocks 13 are respectively connected to the inverter ground and wiring.

以上のような本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２によれば、第１実施形態に係る電力変換装置１の有する効果に加えて、出力配線層９とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との磁気結合を低減することができる。その結果、出力配線層９から放射されるノイズをさらに低減することができる。 According to the power conversion device 12 according to the second embodiment of the present invention as described above, in addition to the effects of the power conversion device 1 according to the first embodiment, the output wiring layer 9 and the gate control circuit unit (or Magnetic coupling with the input wiring portion can be reduced. As a result, noise radiated from the output wiring layer 9 can be further reduced.

つまり、第２実施形態に係る電力変換装置１２によれば、入力配線部、ゲート制御回路配線パターン等の配線パターンの物理的な位置の制約が低減する。その結果、出力配線層９に対して物理的に近い位置にこれら配線が存在しても、電気的結合（Ｃ）、磁気的結合（Ｍ）が小さく、スイッチング素子の誤動作、入力側の電源へのノイズの伝搬が起こりにくくなり、電力変換装置１２を小型化することができる。 That is, according to the power conversion device 12 according to the second embodiment, physical position restrictions of the wiring patterns such as the input wiring portion and the gate control circuit wiring pattern are reduced. As a result, even if these wirings are physically close to the output wiring layer 9, the electrical coupling (C) and magnetic coupling (M) are small, the switching element malfunctions, and the input side power supply The propagation of noise is less likely to occur, and the power converter 12 can be downsized.

また、ビア１０に金属ブロック１３を設けることで、出力配線層９の放熱性が向上する。この放熱性が向上する効果は、ビア１０の数が多いほど大きくなる。出力配線の放熱性が向上することで、主要な発熱部（例えば、スイッチング素子）に取り付けるヒートシンクを小型化することができ、インバータに接続される出力配線の体積を低減することができる。その結果、出力配線層９の小型化、電力変換システムの全体の小型化及び低コスト化を実現することができる。 Further, providing the metal block 13 in the via 10 improves the heat dissipation of the output wiring layer 9. The effect of improving the heat dissipation increases as the number of vias 10 increases. By improving the heat dissipation of the output wiring, the heat sink attached to the main heat generating part (for example, the switching element) can be reduced in size, and the volume of the output wiring connected to the inverter can be reduced. As a result, the output wiring layer 9 can be reduced in size, and the entire power conversion system can be reduced in size and cost.

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る電力変換装置１４について、図５を参照して詳細に説明する。第３実施形態に係る電力変換装置１４は、系統電源２及び誘導機３に接続され、系統電源２から入力された電力を変換して、変換された電力を誘導機３に供給する（図２参照）。 [Third Embodiment]
A power converter 14 according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. The power conversion device 14 according to the third embodiment is connected to the system power supply 2 and the induction machine 3, converts the power input from the system power supply 2, and supplies the converted power to the induction machine 3 (FIG. 2). reference).

図５（ａ）に示すように、第３実施形態に係る電力変換装置１４は、出力配線部のインバータ（図示せず）近傍に、バスバー１５（例えば、銅製のバスバー）を有する。 As shown to Fig.5 (a), the power converter device 14 which concerns on 3rd Embodiment has the bus bar 15 (for example, copper bus bar) near the inverter (not shown) of an output wiring part.

バスバー１５は、出力配線の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）にそれぞれ接続される。バスバー１５は、断面が細長い長方形状の板であり、その外周部は、耐熱性を有する絶縁材１６（例えば、アラミド絶縁紙、商品名：ノーメックス、デュポン社製）で被覆される。各相のバスバー１５は、面積の小さい面同士を対向させて並設される。そして、バスバー１５の並設面に対して、一対の金属ブロック１７がバスバー１５から離間して設けられる。 The bus bar 15 is connected to each phase (U, V, W) of the output wiring. The bus bar 15 is a rectangular plate having an elongated cross section, and the outer periphery thereof is covered with a heat-resistant insulating material 16 (for example, aramid insulating paper, trade name: Nomex, manufactured by DuPont). The bus bars 15 of each phase are arranged side by side with the surfaces having small areas facing each other. A pair of metal blocks 17 are provided away from the bus bar 15 with respect to the parallel surface of the bus bar 15.

金属ブロック１７は、第２実施形態の金属ブロック１３と同様に、出力配線部と制御回路部（若しくは入力回路部）との磁気的結合を低減し、出力配線部の放熱性を向上させる。金属ブロック１７にフィン１７ａを設けると、金属ブロック１７の放熱性が向上する。各金属ブロック１７は、バスバー１５の広い面積を有する面に対して、所定の間隔（例えば、絶縁材１６の厚さ分）離間して設けられ、グランド等と配線により接続される。そして、金属ブロック１７間は、金属板１８（若しくは金属製のボルト）で接続される。すなわち、金属ブロック１７間にバスバー１５が並設され、各バスバー１５の間に金属板１８（若しくは、金属製のボルト）が設けられる。なお、金属ブロック１７の代わりに、第１実施形態で説明したシート１１を設けることもできる。 Similar to the metal block 13 of the second embodiment, the metal block 17 reduces the magnetic coupling between the output wiring portion and the control circuit portion (or input circuit portion) and improves the heat dissipation of the output wiring portion. If the fin 17a is provided in the metal block 17, the heat dissipation of the metal block 17 is improved. Each metal block 17 is provided with a predetermined interval (for example, the thickness of the insulating material 16) away from the surface having a large area of the bus bar 15, and is connected to a ground or the like by wiring. The metal blocks 17 are connected by a metal plate 18 (or metal bolt). That is, the bus bars 15 are juxtaposed between the metal blocks 17, and the metal plates 18 (or metal bolts) are provided between the bus bars 15. Note that the sheet 11 described in the first embodiment may be provided instead of the metal block 17.

金属板１８は、例えば、一辺の長さが絶縁材１６で被覆されたバスバー１５の厚みと同じ長さの板が用いられる。 As the metal plate 18, for example, a plate having a side length equal to the thickness of the bus bar 15 covered with the insulating material 16 is used.

以上のような本発明の第３実施形態に係る電力変換装置１４によれば、金属ブロック１７をバスバー１５（出力配線部）近傍に設けることにより、第１実施形態に係る電力変換装置１と同様に、バスバー１５とグランドとの間に、高い結合容量を持たせることができ、高周波ノイズ信号の伝搬を狭い領域に制限することができる。また、第２実施形態に係る電力変換装置１２と同様に、インバータに設けられる冷却器の小型化、バスバー１５の断面積（体積）を小さくすることができる。すなわち、高周波電流の伝搬や高周波成分の放射特性を悪化させることなく、電力変換装置１４を小型化することができる。 According to the power conversion device 14 according to the third embodiment of the present invention as described above, by providing the metal block 17 in the vicinity of the bus bar 15 (output wiring portion), the same as the power conversion device 1 according to the first embodiment. In addition, a high coupling capacitance can be provided between the bus bar 15 and the ground, and the propagation of the high-frequency noise signal can be limited to a narrow region. Moreover, similarly to the power converter device 12 according to the second embodiment, the cooler provided in the inverter can be downsized, and the cross-sectional area (volume) of the bus bar 15 can be reduced. That is, the power converter 14 can be reduced in size without deteriorating the propagation of high-frequency current and the radiation characteristics of high-frequency components.

例えば、バスバー１５（２ｃｍ×５ｃｍ）をノーメックス紙（厚さ：０．１ｍｍ、耐圧：１ｋＶ程度、比誘電率：３）で被覆した場合、バスバー１５と金属ブロック１７との容量結合値は５００ｐＦ程度となり、グランドと各相のバスバー１５間で、従来より高い結合容量が実現できる。その結果、従来より低インダクタンスの（狭い限定した領域の）ルートを高周波信号の伝導パスとして利用することができる。 For example, when the bus bar 15 (2 cm × 5 cm) is covered with Nomex paper (thickness: 0.1 mm, withstand voltage: about 1 kV, relative dielectric constant: 3), the capacitive coupling value between the bus bar 15 and the metal block 17 is about 500 pF. Thus, a higher coupling capacity can be realized between the ground and the bus bar 15 of each phase. As a result, it is possible to use a route having a low inductance (with a narrow limited region) as a high-frequency signal conduction path.

また、各相のバスバー１５間に金属板１８を設けることで、各相のバスバー１５間（すなわち、出力配線間）の電気的結合が低減される。また、金属板１８は、金属ブロック１７の位置関係を固定する機能を有する。金属板１８は、バスバー１５の長手方向（図の奥行方向）の長さをできるだけ広範囲でカバーする方が、各相のバスバー１５間の容量結合を低減でき、望ましい。同様に、各相のバスバー１５間にボルトを設ける場合でも、配置されるボルトの間隔を短くすることで、各相のバスバー１５間の容量結合を低減することができる。 Further, by providing the metal plate 18 between the bus bars 15 of each phase, the electrical coupling between the bus bars 15 of each phase (that is, between the output wirings) is reduced. The metal plate 18 has a function of fixing the positional relationship of the metal block 17. It is desirable that the metal plate 18 covers the length of the bus bar 15 in the longitudinal direction (the depth direction in the drawing) as much as possible because the capacitive coupling between the bus bars 15 of each phase can be reduced. Similarly, even when bolts are provided between the bus bars 15 of each phase, the capacitive coupling between the bus bars 15 of each phase can be reduced by shortening the interval between the arranged bolts.

［第４実施形態］
図６に本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９の概略図を示す。本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９は、ＩＧＢＴモジュールの絶縁基板２１ａを介したグランドへの容量（Ｃ）を可変にするものである。なお、図示省略しているが、第４実施形態の電力変換装置１９の出力配線部は、第１実施形態〜第３実施形態に係る電力変換装置のいずれかの構成を有している。 [Fourth Embodiment]
The schematic of the power converter device 19 which concerns on FIG. 6 at 4th Embodiment of this invention is shown. The power conversion device 19 according to the fourth embodiment of the present invention makes the capacitance (C) to the ground via the insulating substrate 21a of the IGBT module variable. In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the output wiring part of the power converter device 19 of 4th Embodiment has the structure in any one of the power converter device which concerns on 1st Embodiment-3rd Embodiment.

図６に示すように、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９は、スイッチング素子２０が設けられた基板２１が、ベース２２を介して冷却器２３上に配設された構成を有する。 As shown in FIG. 6, the power conversion device 19 according to the fourth embodiment of the present invention has a configuration in which a substrate 21 provided with a switching element 20 is disposed on a cooler 23 via a base 22. .

基板２１は、絶縁基板２１ａ上に、配線層２１ｂ，２１ｃが設けられたものであり、配線層２１ｂには、接合層を介してスイッチング素子２０等が設けられ、配線層２１ｃには、接合層を介してベース２２が設けられる。 The substrate 21 is provided with wiring layers 21b and 21c on an insulating substrate 21a. The wiring layer 21b is provided with a switching element 20 or the like via a bonding layer, and the wiring layer 21c has a bonding layer. A base 22 is provided via

冷却器２３は、ベース２２の基板２１が設けられた面の反対側の面に設けられ、ベース２２（すなわち、スイッチング素子２０）の冷却を行う。冷却器２３には、フィン２３ａが設けられており、冷却器２３における冷却効率の向上が図られている。冷却器２３の端部には、誘電体材料からなるスペーサ２４を介して断面Ｌ字状の金属板２５（例えば、ステンレス製の板材）の一端部が設けられる。このスペーサ２４及び金属板２５は、絶縁コーティングされたボルト２６等により固定される。金属板２５は、ＩＧＢＴモジュールのベース２２の外周部近傍に設けられる。 The cooler 23 is provided on the surface of the base 22 opposite to the surface on which the substrate 21 is provided, and cools the base 22 (that is, the switching element 20). The cooler 23 is provided with fins 23a, and the cooling efficiency of the cooler 23 is improved. At the end of the cooler 23, one end of a metal plate 25 (for example, a plate made of stainless steel) having an L-shaped cross section is provided via a spacer 24 made of a dielectric material. The spacer 24 and the metal plate 25 are fixed by a bolt 26 with an insulating coating. The metal plate 25 is provided in the vicinity of the outer peripheral portion of the base 22 of the IGBT module.

金属板２５の他端部は、電力変換装置１９の筐体２７にボルト２８により固定される。つまり、金属板２５を筐体２７に接続することで、金属板２５がグランドと短絡することとなる。 The other end of the metal plate 25 is fixed to the casing 27 of the power converter 19 with a bolt 28. That is, by connecting the metal plate 25 to the housing 27, the metal plate 25 is short-circuited to the ground.

スペーサ２４は、例えば、シリコンゴムやエポキシ樹脂製の弾性部材であり、その他、絶縁性のゲルやゴム等の絶縁材料（柔軟性を有し、任意の厚みを有する絶縁性のシートあるいは流動体等）が用いられる。スペーサ２４として、外部からの圧力により形状が変化する絶縁材料を用いることで、ボルト２６の締結具合（すなわち、ボルト２６の圧接力の変化）に応じて、冷却器２３とスペーサ２４との接触面積及び冷却器２３と金属板２５との距離が変化することとなる。つまり、スペーサ２４の形状を変化させることで、冷却器２３と金属板２５との間の容量（Ｃ）が変化することとなる。 The spacer 24 is an elastic member made of, for example, silicon rubber or epoxy resin, and other insulating materials such as insulating gel and rubber (an insulating sheet or fluid having flexibility and an arbitrary thickness). ) Is used. By using an insulating material whose shape changes with the pressure from the outside as the spacer 24, the contact area between the cooler 23 and the spacer 24 according to the fastening condition of the bolt 26 (that is, change in the pressure contact force of the bolt 26). In addition, the distance between the cooler 23 and the metal plate 25 changes. That is, by changing the shape of the spacer 24, the capacity (C) between the cooler 23 and the metal plate 25 changes.

以上のような本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９によれば、ノイズ源（例えば、ＩＧＢＴやＦＷＤ等）の近傍でグランドに高周波電流を逃がすルートを選択することができる。 According to the power conversion device 19 according to the fourth embodiment of the present invention as described above, it is possible to select a route for releasing a high-frequency current to the ground in the vicinity of a noise source (for example, IGBT, FWD, etc.).

スペーサ２４の厚み、上下面で接触する部材（冷却器２３や金属板２５）との接触領域を変えることで、スペーサ２４により形成される容量が可変となり、図７に示すように、絶縁基板２１ａの配線層（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランドとの間でできる容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ電位でそれぞれ異なる値を有する）に直列に可変容量が追加されることとなる。 By changing the thickness of the spacer 24 and the contact area with the members (cooler 23 and metal plate 25) that are in contact with each other on the upper and lower surfaces, the capacitance formed by the spacer 24 becomes variable, and as shown in FIG. Capacitances C1, C2, and C3 (having different values for P, N, U, V, and W potentials) formed between the wiring layers (P, N, U, V, and W) and the ground are variable capacitors in series. Will be added.

その結果、絶縁基板２１ａの容量を介したルートを積極的に利用したい場合には、表面が絶縁処理されたボルトの代わりに金属ボルトを用いることで、可変容量をなくし、電気的に短絡することができる。一方で、スペーサ２４に誘電率の小さい材料を用いる、スペーサ２４と金属（例えば、冷却器２３）との接触面積を減らす、あるいはスペーサ２４の厚みを厚くすることで、絶縁基板２１ａからグランドへ漏れるルートの容量値を低減することができる。その結果、ゲート制御回路への高周波ノイズ信号の入り込みを抑制することができ、絶縁基板２１ａを介した漏れ電流を低減することができる。具体的に説明すると、スペーサ２４部での容量をＣ_A、（スペーサ２４がないときの）可変容量部の容量をＣ_Bとすると、スペーサ２４を設けることで、容量をＣ_BからＣ_A×Ｃ_B／（Ｃ_A＋Ｃ_B）に変更することができる。その結果、半導体モジュールのベース電位と冷却器２３（グランドに落とす場合が多い）間の容量を低減することができる。 As a result, when the route through the capacity of the insulating substrate 21a is to be used positively, the variable capacity is eliminated by using a metal bolt in place of the bolt whose surface is insulated, thereby electrically short-circuiting. Can do. On the other hand, the spacer 24 is made of a material having a low dielectric constant, the contact area between the spacer 24 and the metal (for example, the cooler 23) is reduced, or the spacer 24 is increased in thickness, thereby leaking from the insulating substrate 21a to the ground. The capacity value of the route can be reduced. As a result, the high-frequency noise signal can be prevented from entering the gate control circuit, and the leakage current through the insulating substrate 21a can be reduced. More specifically, assuming that the capacity at the spacer 24 part is C _A and the capacity of the variable capacity part (when there is no spacer 24) is C _B , by providing the spacer 24, the capacity is changed from C _B to C _A × It can be changed to C _B / (C _A + C _B ). As a result, the capacity between the base potential of the semiconductor module and the cooler 23 (which is often dropped to the ground) can be reduced.

つまり、第４実施形態に係る電力変換装置１９は、第１実施形態〜第３実施形態で示した電力変換装置のいずれかの構成を有することにより、電力変換装置１９の出力電位（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランドとの間の静電容量を一定値（例えば、数１００ｐＦ以上）確保することができ、ノイズ源の近傍でグランドに高周波電流を流すルートが形成されることとなる。よって、パワーモジュールが設けられた絶縁基板２１ａを介して冷却器２３からグランドに電位を落とす伝導ループの必要性が低下することとなる。特に、ゲート制御回路のエミッタ電位は、主回路のエミッタパターンと共通であるため、スイッチング素子２０近傍に設けられるベース２２（あるいは、ベース２２と電気的に結合した冷却器２３）をグランドに落とした場合、必然的にゲート制御回路のエミッタ電位もグランド電位と一定の容量（例えば、１００ｐＦ以下の容量）を有することとなる。グランド電位は高周波電流のバイパスルートであり、グランドから絶縁基板２１ａの容量を介してゲート制御回路のエミッタ電位に高周波が入ると、ゲート制御回路の誤動作を引き起こすおそれがある。 That is, the power conversion device 19 according to the fourth embodiment has any one of the configurations of the power conversion devices shown in the first to third embodiments, so that the output potential (U, V) of the power conversion device 19 is obtained. , W) and the ground can have a constant capacitance (for example, several hundred pF or more), and a route for flowing a high-frequency current to the ground in the vicinity of the noise source is formed. Therefore, the necessity of a conduction loop for dropping the potential from the cooler 23 to the ground via the insulating substrate 21a provided with the power module is reduced. In particular, since the emitter potential of the gate control circuit is common to the emitter pattern of the main circuit, the base 22 provided in the vicinity of the switching element 20 (or the cooler 23 electrically coupled to the base 22) is dropped to the ground. In this case, the emitter potential of the gate control circuit inevitably has a ground potential and a certain capacitance (for example, a capacitance of 100 pF or less). The ground potential is a high-frequency current bypass route. If a high frequency enters the emitter potential of the gate control circuit from the ground via the capacitance of the insulating substrate 21a, the gate control circuit may malfunction.

そこで、ベース２２（及び冷却器２３）とグランドとの間の容量が可変となるようなスペーサ２４を設けることで、スペーサ２４部における容量を変化させて、電力変換装置１９をノイズ規格に適合させるように調整することができる。その結果、誘導機３の対地容量（Ｃ）、インバータと誘導機３とをつなぐインダクタンス（Ｌ）等が変化、周囲への伝導、放射するノイズが規格値を満たさない場合等に、臨機応変にノイズのピーク位置、ピーク強度を変化させることができる。 Therefore, by providing a spacer 24 that can change the capacity between the base 22 (and the cooler 23) and the ground, the capacity of the spacer 24 is changed, and the power converter 19 is adapted to the noise standard. Can be adjusted as follows. As a result, when the ground capacity (C) of the induction machine 3, the inductance (L) connecting the inverter and the induction machine 3, etc. change, the conduction to the surroundings, the noise radiated does not meet the standard value, etc. The peak position and peak intensity of noise can be changed.

このように、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９によれば、スイッチング素子２０が設けられた絶縁基板２１ａを介しての入力側電位（Ｐ，Ｎ）やゲート制御（エミッタ）電位とグランド電位との電気的結合（容量）を制御、低減できるため、ゲート制御回路に入り込む高周波信号のレベル、周波数を制御、抑制できる。その結果、ゲート制御回路への高周波信号が入り込むことによる電力変換装置１９の誤動作を低減できる。 As described above, according to the power conversion device 19 of the fourth embodiment of the present invention, the input side potential (P, N) and the gate control (emitter) potential through the insulating substrate 21a provided with the switching element 20 are used. Since the electrical coupling (capacitance) between the voltage and the ground potential can be controlled and reduced, the level and frequency of the high frequency signal entering the gate control circuit can be controlled and suppressed. As a result, it is possible to reduce malfunction of the power conversion device 19 due to the high frequency signal entering the gate control circuit.

各電位面（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）のグランドに対する容量は、各電位の配線パターン、絶縁基板２１ａの材質、厚み、サイズによりモジュール毎に異なる。また同一モジュールにおいても、電位毎にグランドに対する容量は異なる。これらの要因により電力変換装置１９が発するノイズの伝導、放射特性が変動する。つまり、スイッチング素子２０前後の各主回路電位（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランド間の容量は、各電位で異なるため、各電位からグランドへ漏れるルート間で、インピーダンス特性（インピーダンスが低下する共振周波数）が異なる。ゆえに、従来は、広い周波数帯において全電位からグランドまでのインピーダンスを低下させるためには、各主回路電位とグランド間の容量（インピーダンス）のバラつきを考慮したうえで、最適な定数（容量）を持つ複数の容量素子を設ける必要があった。これに対して、第４実施形態に係る電力変換装置１９では、ボルト２６の圧接力を変えることで各主回路電位とグランド間の容量を容易に調整することができる。すなわち、各主回路電位面に対して可変の容量を追加することで、各主回路電位面での容量の変動の影響を低減でき、ＩＧＢＴモジュールの仕様によらず汎用的にノイズを低減する設計を行うことができる。 The capacitance of each potential plane (P, N, U, V, W) with respect to the ground differs for each module depending on the wiring pattern of each potential, the material, thickness, and size of the insulating substrate 21a. Even in the same module, the capacitance with respect to the ground differs for each potential. Due to these factors, the conduction and radiation characteristics of noise generated by the power converter 19 vary. That is, since the capacitance between each main circuit potential (P, N, U, V, W) before and after the switching element 20 and the ground is different for each potential, impedance characteristics (impedance is different between the routes leaking from each potential to the ground. The resonance frequency (decreasing) is different. Therefore, in the past, in order to reduce the impedance from the entire potential to the ground in a wide frequency band, the optimum constant (capacitance) should be set after considering variations in the capacitance (impedance) between each main circuit potential and the ground. It was necessary to provide a plurality of capacitive elements. On the other hand, in the power converter 19 according to the fourth embodiment, the capacitance between each main circuit potential and the ground can be easily adjusted by changing the pressure contact force of the bolt 26. In other words, by adding a variable capacitance to each main circuit potential plane, the effect of capacitance fluctuations on each main circuit potential plane can be reduced, and a design that reduces noise universally regardless of the specifications of the IGBT module It can be performed.

以上、本発明の電力変換装置について、好ましい形態を例示して説明したが、本発明の電力変換装置は、実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術的範囲に属する。 As mentioned above, although the preferable form was illustrated and demonstrated about the power converter device of this invention, the power converter device of this invention is not limited to embodiment, It designs suitably in the range which does not impair the technical feature of invention. Modifications can be made, and design changes are also within the technical scope of the present invention.

例えば、実施形態では、電力変換装置としてインバータを例示して説明したが、本発明の電力変換装置は、各種産業で用いられる電力変換装置（インバータやコンバータ等）内で用いられるパワーモジュール内の半導体素子（ＩＧＢＴやＦＷＤ）が発生する高周波の電圧、電流振幅（ノイズ）の周辺機器への伝導、放射を低減、抑制し、電力変換装置の電磁環境適合性を高めることができる。よって、電力変換装置の回路構成は、実施形態に限定されるものではなく、スイッチング素子の数及び回路構成等は、用途に応じて適宜変更可能である。 For example, in the embodiments, the inverter is exemplified as the power conversion device, but the power conversion device of the present invention is a semiconductor in a power module used in power conversion devices (inverters, converters, etc.) used in various industries. The high-frequency voltage and current amplitude (noise) generated by the elements (IGBT and FWD) can be reduced and suppressed to the peripheral devices, and the electromagnetic compatibility of the power converter can be enhanced. Therefore, the circuit configuration of the power conversion device is not limited to the embodiment, and the number of switching elements, the circuit configuration, and the like can be appropriately changed according to the application.

１，１２，１４，１９…電力変換装置
２…系統電源、３…誘導機、４…コンバータ、５…インバータ
６…出力配線、７…多層基板（絶縁基板）、８…グランド層（第１導電部材）
９…出力配線層（出力配線部材）、１０…ビア（第２導電部材）
１０ａ…接合部、１１…シート（第３導電部材）
１３…金属ブロック（第３導電部材）、１３ａ，１７ａ…フィン
１５…バスバー（出力配線部材）、１６…絶縁材（絶縁層）
１７…金属ブロック（第２，３導電部材）、１８…金属板（第２導電部材）
２０…スイッチング素子
２１…基板、２１ａ…絶縁基板、２１ｂ，２１ｃ…配線層
２２…ベース、２３…冷却器、２４…スペーサ
２５…金属板、２６…ボルト、２７…筐体、２８…ボルト DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,12,14,19 ... Power converter 2 ... System power supply, 3 ... Induction machine, 4 ... Converter, 5 ... Inverter 6 ... Output wiring, 7 ... Multilayer substrate (insulating substrate), 8 ... Ground layer (1st conductivity) Element)
9 ... output wiring layer (output wiring member), 10 ... via (second conductive member)
10a ... Joint portion, 11 ... Sheet (third conductive member)
13 ... Metal block (third conductive member), 13a, 17a ... Fin 15 ... Bus bar (output wiring member), 16 ... Insulating material (insulating layer)
17 ... Metal block (second and third conductive members), 18 ... Metal plate (second conductive member)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Switching element 21 ... Board | substrate, 21a ... Insulation board | substrate, 21b, 21c ... Wiring layer 22 ... Base, 23 ... Cooler, 24 ... Spacer 25 ... Metal plate, 26 ... Bolt, 27 ... Case, 28 ... Bolt

Claims

A power conversion device having a switching element,
A plurality of output wiring members from which the power converted by the switching element is output; and
A grounded first conductive member provided apart from the output wiring member with respect to the parallel surface of the output wiring member;
A grounded second conductive member provided between the output wiring members,
The power conversion device according to claim 1, wherein a capacitance between the first conductive member and the output wiring member is larger than a capacitance between the second conductive member and the output wiring member.

One end of the second conductive member is connected to the first conductive member,
The power converter according to claim 1, wherein a grounded third conductive member is provided at the other end of the second conductive member.

The output wiring member is an output wiring layer formed on an insulating substrate,
The first conductive member is a ground layer formed on the insulating substrate;
The power converter according to claim 1, wherein the second conductive member is a via formed in the insulating substrate.

One end of the via is connected to the ground layer, and a via is formed so that the other end of the via is exposed on the surface of the insulating substrate, and a conductive sheet or conductive material is formed on the via exposed on the surface of the insulating substrate. The power conversion device according to claim 3, wherein a power block is provided.

The power converter according to claim 4, wherein a maximum dimension of the sheet or block is 7.5 cm or less.

The power converter according to claim 1, wherein the output wiring member is a bus bar.

The power converter according to claim 1, wherein an insulating layer is provided between the output wiring member and the first conductive member.