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公開番号2021007300
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210121
出願番号2020178797
出願日20201026
発明の名称電力変換装置
出願人日立オートモティブシステムズ株式会社
代理人特許業務法人開知国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201218BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】サージ電圧の抑制、および、電力変化装置入力部より流出するノイズの低減を図ることができる電力変換装置。
【解決手段】電力変換装置200は、複数の半導体スイッチング素子を有するインバータ回路140,142と、インバータ回路と並列に接続された平滑用コンデンサ514と、直流電源からの直流電力をインバータ回路に伝達する導体564p,564nと、を備え、その導体は、直流電源に接続される電源側端子561p、561nと、インバータ回路に接続されるパワー側端子562p、562nと、平滑用コンデンサに接続される第1コンデンサ端子563p、563nと、を有し、第1コンデンサ端子と電源側端子との間の寄生インダクタンスは、第1コンデンサ端子とパワー側端子との間の寄生インダクタンスよりも大きい。
【選択図】 図3
特許請求の範囲【請求項1】
複数の半導体スイッチング素子を有する電力変換回路と、
前記電力変換回路と並列に接続された平滑コンデンサと、
直流電源からの直流電力を前記電力変換回路に伝達する導体と、を備え、
前記導体は、
前記直流電源に接続される電源側端子と、
前記電力変換回路に接続されるパワー側端子と、
前記平滑コンデンサに接続される第1コンデンサ端子と、を有し、
前記第1コンデンサ端子と前記電源側端子との間の第1寄生インダクタンスは、前記第1コンデンサ端子と前記パワー側端子との間の第2寄生インダクタンスよりも大きい電力変換装置。
続きを表示(約 390 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記導体は、前記第1コンデンサ端子と前記パワー側端子との間において第1の幅を有する第1の部分と、前記第1コンデンサ端子と前記電源側端子との間において前記第1の幅よりも狭い第2の幅を有する第2の部分と、を有する電力変換装置。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の電力変換装置であって、
グランドに接続されたYコンデンサを備え、
前記導体は、前記Yコンデンサに接続されるとともに前記第1コンデンサ端子と前記電源側端子との間に形成される第2コンデンサ端子を有する電力変換装置。
【請求項4】
請求項3に記載の電力変換装置であって、
前記第1コンデンサ端子と前記第2コンデンサ端子との間の第3寄生インダクタンスは、前記第2寄生インダクタンスよりも大きい電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。
続きを表示(約 7,200 文字)【背景技術】
【0002】
一般に、電力変換装置は、直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、直流電力と交流電力との間の変換を行うインバータ回路と、インバータ回路を制御するための制御回路とを備えている。近年は、電力変換装置の小型化が求められている。特にハイブリッド自動車や電気自動車の分野においては、車室外のとりわけエンジンルームのできるだけ小さなスペースに搭載されることが望まれており、車両への搭載性を向上させるため、更なる小型化が要求されている。
【0003】
また、駆動源として用いるモータの運転時間や運転条件(高出力トルク条件)が拡大する傾向にあり、電力変換の大電流化・高電圧化も同時に求められている。これに伴い、インバータ回路を構成するパワー半導体素子がスイッチング動作を行う際に発生する、瞬時の電圧の跳ね上がり(サージ電圧)が顕在化している。
【0004】
このサージ電圧の大きさは、コンデンサモジュールとパワー半導体素子との間の寄生インダクタンス値と、スイッチング時の電流変化との積に依存している。そのため、特許文献1に記載の技術では、バスバーの低インダクタンス化を図ることによりサージ電圧を抑制するようにしている。また、ノイズ除去用のコンデンサを入力側電源端子に接続することで、電力変換装置に流入するノイズ低減を実現させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2012−152104号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上述した車体から電力変換装置に流入するノイズ電流とは別に、サージ電圧の発生に起因する電圧変化がコンデンサモジュールの電源端子に生じ、電力変換装置の入力部より伝導ノイズ・放射ノイズとして流出することで、電源であるバッテリや周辺の電気回路へ悪影響を及ぼすことが懸念される。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を有する電力変換回路と、前記電力変換回路と並列に接続された平滑コンデンサと、直流電源からの直流電力を前記電力変換回路に伝達する導体と、を備え、前記導体は、前記直流電源に接続される電源側端子と、前記電力変換回路に接続されるパワー側端子と、前記平滑コンデンサに接続される第1コンデンサ端子と、を有し、前記第1コンデンサ端子と前記電源側端子との間の第1寄生インダクタンスは、前記第1コンデンサ端子と前記パワー側端子との間の第2寄生インダクタンスよりも大きいものとする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、サージ電圧の抑制、および、電力変換装置入力部より流出するノイズの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1は、本実施の形態の電力変換装置が搭載されるハイブリッド自動車の概略構成を示す図である。
図2は、電力変換装置200の内、回転電機MG1の駆動制御に関係する部分の概略構成を示すブロック図である。
図3は、寄生インダクタンスL1,L2とサージ電圧およびノイズ流出との関係を説明する図である。
図4は、サージ電圧を説明する図である。
図5は、ノイズ流出低減を説明する図である。
図6は、第1の例におけるコンデンサモジュール500の斜視図である。
図7は、導体564pおよび導体564nの平面図を個別に図示したものである。
図8は、積層構造におけるインダクタンスを説明する図である。
図9は、第2の例におけるコンデンサモジュール500の斜視図である。
図10は、図9に示すコンデンサモジュール500の正面図である。
図11は、図9に示すコンデンサモジュール500を底面側から観た斜視図である。
図12は、第3の例における導体564p、564nを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。本発明に係る電力変換装置は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載される。図1は、本実施の形態の電力変換装置が搭載されるハイブリッド自動車の概略構成を示す図である。
【0011】
図1に示すハイブリッド自動車では、エンジンEGNおよび回転電機MG1,MG2は車両の走行用トルクを発生する。回転電機MG1,MG2はモータジェネレータとして機能するものであり、外部から加えられる機械エネルギを電力に変換する。エンジンEGNの出力側及び回転電機MG2の出力トルクは、動力分配機構TSMを介して回転電機MG1に伝達される。動力分配機構TSMからの回転トルクあるいは回転電機MG1が発生する回転トルクは、トランスミッションTMおよびディファレンシャルギアDIFを介して車輪に伝達される。
【0012】
回生制動時には、車輪から回転トルクが回転電機MG1に伝達され、供給される回転トルクに基づいて交流電力を発生する。交流電力は電力変換装置200により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ136を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。また、高電圧用のバッテリ136の蓄電電力が少なくなった場合には、エンジンEGNの回転エネルギが回転電機MG2により交流電力に変換され、その交流電力を電力変換装置200により直流電力に変換してバッテリ136を充電する。エンジンEGNから回転電機MG2への機械エネルギの伝達は動力分配機構TSMによって行われる。
【0013】
電力変換装置200は、インバータ回路140,142、制御回路172、ドライバ回路174、コンデンサモジュール500および補機用モジュール350を備えている。インバータ回路140は、直流電力を回転電機MG1を駆動するための交流電力に変換するものであり、交流コネクタ188により回転電機MG1に接続されている。インバータ回路142は、直流電力を回転電機MG2を駆動するための交流電力に変換するものであり、交流コネクタ159により回転電機MG2に接続されている。インバータ回路140、142とバッテリ136との間の導体には、インバータ回路140、142に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール500が接続されている。導体は直流コネクタ138によりバッテリ136と接続されている。
【0014】
補機用モジュール350には、ドライバ回路350Aおよびインバータ回路350Bが設けられている。ドライバ回路350Aは、制御回路172が発生する制御パルスに基づいて、インバータ回路350Bを制御するための駆動パルスを発生する。インバータ回路350Bは、バッテリ136の直流電力を、補機用モータ195を駆動するための交流電力に変換する。その交流電力は、交流端子120を介して補機用モータ195に出力される。補機用モータ195は、例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータや、冷却用の油圧ポンプを駆動するための補機用モータ等である。
【0015】
制御回路172は、コネクタ21を介して上位制御装置(不図示)から入力された指令に基づいて、回転電機MG1,MG2、補機用モータ195の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、その演算結果に基づいて制御パルスを発生する。各制御パルスは、ドライバ回路174および上述した補機用モジュール350のドライバ回路350Aに入力される。ドライバ回路174は、制御回路172の発生する制御パルスに基づいて、インバータ回路140,142を制御するための駆動パルスをそれぞれ発生する。
【0016】
図2は、電力変換装置200の内、回転電機MG1の駆動制御に関係する部分の概略構成を示すブロック図である。インバータ回路140は、スイッチング用パワー半導体素子を複数備えている。本実施の形態では、スイッチング用パワー半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してIGBTと記す。なお、インバータ回路140とインバータ回路142は同様の構成となっており、以下ではインバータ回路140を例に説明する。
【0017】
インバータ回路140は、出力しようとする交流電力のU相、V相、W相からなる3相に対応して、3つのパワーモジュール300を備えている。各パワーモジュール300は、上アームとして動作するIGBT328及びダイオード156と、下アームとして動作するIGBT330及びダイオード166と、からなる上下アームの直列回路を構成している。各パワーモジュール300は、各直列回路の中点部分が交流コネクタ188を介して回転電機MG1に接続されている。なお、スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ(以下略してMOSFETと記す)を用いてもよい、この場合はダイオード156やダイオード166は不要となる。
【0018】
制御回路172は、IGBT328,330のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンへの入力情報としては、回転電機MG1に対して要求される目標トルク値、各パワーモジュール300から回転電機MG1に供給される電流値、及び回転電機MG1の回転子の磁極位置がある。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。
【0019】
電流値は、電流センサ180による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、回転電機MG1に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では、電流センサ180は3相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、2相分の電流値を検出するようにし、演算により3相分の電流を求めても良い。
【0020】
上述のように、制御回路172は上位の制御装置からコネクタ21(図1参照)を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路140を構成する各相のパワーモジュール300の上アームあるいは下アームを構成するIGBT328やIGBT330を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路174に供給する。
【0021】
ドライバ回路174は、上記制御パルスに基づき、各相のパワーモジュール300の上アームあるいは下アームを構成するIGBT328,330を制御するための駆動パルスを各相のIGBT328,330に供給する。IGBT328,330は、ドライバ回路174からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ136から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力は回転電機MG1に供給される。
【0022】
バッテリ136とインバータ回路140とは2つの導体564p,564nにより接続されている。導体564pはバッテリ136の正極側とインバータ回路140の正極側とを接続し、導体564nはバッテリ136の負極側とインバータ回路140の負極側とを接続する。バッテリ136は、導体564p,564nの電源側端子561p、561nに接続される。インバータ回路140は、導体564p,564nのパワー側端子562p、562nに接続される。
【0023】
平滑用のコンデンサ514は、導体564p、564nのコンデンサ端子563p、563nに接続されている。また、電源側端子561p、561nとコンデンサ端子563p、563nとの間のコンデンサ端子560p、560nには、ノイズ除去用のコンデンサ515が接続されている。コンデンサ515はYコンデンサとも呼ばれ、コモンモードノイズをグランド569に逃がす働きをする。
【0024】
次いで、本実施の形態におけるサージ電圧を抑制する構成、および、電力変換装置の入力部から流出するノイズを低減する構成について説明する。図3は図2に示したものと同様のブロック図であるが、図3では、サージ電圧およびノイズ流出に関係する導体564p,564nにおける寄生インダクタンスを符号L1,L2で示した。
(サージ電圧の抑制)
サージ電圧の発生によってパワー半導体素子が破壊したり、サージ電圧に起因する電力変換装置の寄生容量両端の電圧変化からノイズ電流が発生し、車体へ流出するといった悪影響を及ぼすことが懸念される。また、後述の電力変換装置入力部より流出するノイズにも影響する。図4はサージ電圧を説明する図である。図4において、IGBT328のVceはコレクタ・エミッタ間電圧であり、Icはコレクタ電流である。パワーモジュール300の上アームIGBT328のコレクタ端子−エミッタ端子間に発生するサージ電圧△Vceは、次式(1)で表される。
【0025】
△Vce=(L2+Lp)×(di/dt) …(1)
なお、式(1)において、L2はコンデンサ端子563p(563n)とパワー側端子562p(562n)との間の寄生インダクタンス、Lpはパワーモジュール300の寄生インダクタンス、(di/dt)は上アームIGBT328のスイッチング時の電流変化である。
【0026】
本実施の形態では、後述するような構造の導体564p、564nを採用することにより、式(1)における寄生インダクタンスL2を低減し、サージ電圧△Vceを抑制するようにした。
(電力変換装置入力部から流出するノイズの低減)
次に、図3,5を参照して、電力変換装置入力部より流出するノイズ低減方法について説明する。上述したサージ電圧の発生に伴い、導体564p、564nの電源側端子561p、561nの電圧Vbatに電圧変化が生じる。この電圧変化が、電力変換装置入力部より伝導ノイズ・放射ノイズとして流出することで、電源であるバッテリ136や周辺の電気回路へ悪影響を及ぼすことが懸念される。
【0027】
本実施の形態では、この電圧変化を抑制するために、導体564p、564nにおける寄生インダクタンスL1、すなわち、ノイズ除去用のコンデンサ515のコンデンサ端子560p(560n)からコンデンサ514のコンデンサ端子563p(563n)までの寄生インダクタンスを増加させるようにした。寄生インダクタンスL1によるインピーダンスZ(=jωL1、j:複素数、ω:角速度)は、図5(a)のように周波数が高いほど大きくなる。その結果、寄生インダクタンスL1は低周波帯域通過フィルタ(LPF)として機能することになり、高周波の電圧変化であるサージ電圧に伴う電源側端子561p(561n)の電圧Vbatの変化を遮断する。
【0028】
以上のように、本実施の形態においては、導体564p、564nにおいて、パワー側端子562p(562n)からコンデンサ端子563p(563n)までの寄生インダクタンスL2を小さくすると共に、コンデンサ端子563p(563n)からコンデンサ端子560p(560n)までの寄生インダクタンスL1を大きくすることで、サージ電圧の発生を抑制し、かつ、サージ電圧の発生に伴う電力変換装置入力部からのノイズ流出を低減するようにした。すなわち、L2<L1とのなるように導体564p、564nを構成するようにした。
【0029】
以下では、上述の条件を満たす導体564p、564nの構造に関して、具体的に説明する。
(第1の例)
図6,7は、導体564p、564nの第1の例を示す図である。図6は、コンデンサモジュール500の斜視図である。一方、図7は、導体564pおよび導体564nの平面図を個別に図示したものである。導体564p,564nは板状の導体であって、ここでは厚さ方向に配置された幅広の表裏両面を主面と呼ぶことにする。
【0030】
導体564pは、一端にパワー側端子562pが、他端に電源側端子561pが形成されている。また、導体564pには、コンデンサ514の正極側に接続される接続部としてのコンデンサ端子563pと、コンデンサ515の正極側に接続される接続部としてのコンデンサ端子560pとが形成されている。導体564pにおいて、領域Aは、導体564nの領域Aの部分と主面同士が対向するように積層される積層領域である。一方、導体564pの領域Bは、導体564nと積層されない非積層領域である(図6参照)。すなわち、非積層領域Bでは、導体564p,564nの主面同士が対向していない。非積層領域Bの幅W2は、積層領域Aの幅W1の1/2よりも小さく設定されている。なお、積層領域においては、導体564pと導体564nとの電気的絶縁を図るために、絶縁部材(例えば、絶縁紙)565が挟持されている。
(【0031】以降は省略されています)

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