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公開番号2021182841
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211125
出願番号2020088390
出願日20200520
発明の名称ノイズフィルタ、電力変換装置
出願人株式会社日立製作所
代理人特許業務法人サンネクスト国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20211029BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】ノイズを十分に抑制可能なノイズフィルタを提供する。
【解決手段】電流に重畳されたノイズを抑制するノイズフィルタ1は、電流が流れる複数のバスバ12と、複数のバスバ12を支持するバスバ支持部14と、複数のバスバ12とバスバ支持部14の間にそれぞれ配置された絶縁層15とを備える。バスバ支持部14は導電体であり、バスバ12はバスバ支持部14に埋め込まれた埋込部125を有し、埋込部125は、バスバ支持部14と電気的に絶縁されている。
【選択図】図2

特許請求の範囲【請求項1】
電流に重畳されたノイズを抑制するノイズフィルタであって、
前記電流が流れる複数のバスバと、
前記複数のバスバを支持するバスバ支持部と、
前記複数のバスバと前記バスバ支持部の間にそれぞれ配置された絶縁層と、を備え、
前記バスバ支持部は、導電体であり、
前記バスバは、前記バスバ支持部に埋め込まれた埋込部を有し、
前記埋込部は、前記バスバ支持部と電気的に絶縁されているノイズフィルタ。
続きを表示(約 1,300 文字)【請求項2】
請求項1に記載のノイズフィルタにおいて、
磁性体コアを備え、
前記複数のバスバは、前記磁性体コアをそれぞれ貫通するノイズフィルタ。
【請求項3】
請求項1または2に記載のノイズフィルタにおいて、
前記複数のバスバと前記バスバ支持部の間に、1nF以上かつ8.5nF以下の容量がそれぞれ形成されているノイズフィルタ。
【請求項4】
請求項1または2に記載のノイズフィルタにおいて、
前記バスバは、前記バスバの延在方向と直交する直交方向の両端に一対の前記埋込部が形成された第1の形状、前記直交方向の一端に前記埋込部が形成された第2の形状、前記直交方向の両端とその間に前記埋込部が連続的に形成された第3の形状、前記バスバ支持部に前記埋込部が挟み込まれた第4の形状、または前記第1、第2、第3および第4の形状の少なくとも2つ以上を組み合わせた形状を有するノイズフィルタ。
【請求項5】
請求項1に記載のノイズフィルタにおいて、
前記複数のバスバは、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して交流モータに出力するパワーモジュールと、前記交流モータとの間に接続されているノイズフィルタ。
【請求項6】
請求項1に記載のノイズフィルタにおいて、
前記複数のバスバは、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して交流モータに出力するパワーモジュールと、前記直流電源との間に接続されているノイズフィルタ。
【請求項7】
請求項6に記載のノイズフィルタにおいて、
前記複数のバスバは、前記直流電源の正極側に接続される正極バスバと、前記直流電源の負極側に接続される負極バスバとを有し、
前記バスバ支持部は、接地電位に接続されており、
前記正極バスバと前記接地電位の間に接続された第1のYキャパシタと、
前記負極バスバと前記接地電位の間に接続された第2のYキャパシタと、
前記正極バスバと前記負極バスバの間に接続されたXキャパシタと、を備えるノイズフィルタ。
【請求項8】
請求項6に記載のノイズフィルタにおいて、
前記複数のバスバは、前記直流電源の正極側に接続される正極バスバと、前記直流電源の負極側に接続される負極バスバと、前記正極バスバと前記パワーモジュールの間に接続される正電圧入力バスバと、前記負極バスバと前記パワーモジュールの間に接続される負電圧入力バスバとを有し、
前記バスバ支持部は、接地電位に接続されており、
前記正極バスバと前記接地電位の間に接続された第1のYキャパシタと、
前記負極バスバと前記接地電位の間に接続された第2のYキャパシタと、
前記正電圧入力バスバと前記負電圧入力バスバの間に接続されたXキャパシタと、を備えるノイズフィルタ。
【請求項9】
請求項5から請求項8までのいずれか一項に記載のノイズフィルタと、
前記パワーモジュールと、
前記直流電力を平滑化する平滑キャパシタと、
前記パワーモジュールを制御する制御部と、を備える電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電流に重畳されたノイズを抑制するノイズフィルタおよびこれを用いた電力変換装置に関する。
続きを表示(約 6,700 文字)【背景技術】
【0002】
本発明に関する背景技術として、特許文献1が知られている。特許文献1には、コア部材と、互いに主面が対向した状態でコア部材をそれぞれ貫通する正極側導体および負極側導体と、これらを収納するベースとを備え、正極側導体および負極側導体がベースに絶縁部材を介して配置されている電力変換装置のノイズフィルタ回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
国際公開第2019/064833号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の技術では、ノイズ抑制に伴うコア部材の発熱を十分に放熱させることが困難であり、フィルタ性能を維持するためには、コア部材に印加されるノイズレベルを一定値以下に制限する必要がある。したがって、ノイズの抑制に関して改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明によるノイズフィルタは、電流に重畳されたノイズを抑制するものであって、前記電流が流れる複数のバスバと、前記複数のバスバを支持するバスバ支持部と、前記複数のバスバと前記バスバ支持部の間にそれぞれ配置された絶縁層と、を備え、前記バスバ支持部は、導電体であり、前記バスバは、前記バスバ支持部に埋め込まれた埋込部を有し、前記埋込部は、前記バスバ支持部と電気的に絶縁されている。
本発明による電力変換装置は、ノイズフィルタと、パワーモジュールと、直流電力を平滑化する平滑キャパシタと、前記パワーモジュールを制御する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、ノイズを十分に抑制可能なノイズフィルタおよびそれを用いた電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタの外観斜視図である。
本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタの断面図である。
コモンモードノイズ電流が流れる電流経路の説明図である。
比較例に係るノイズフィルタの外観斜視図である。
比較例に係るノイズフィルタによるコモンモードノイズ電流の低減効果の説明図である。
比較例に係るノイズフィルタにおけるコモンモードノイズ電流の計算結果の一例を示す図である。
本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタによるコモンモードノイズ電流の低減効果の説明図である。
本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタにおけるコモンモードノイズ電流の計算結果の一例を示す図である。
本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタの容量値とスイッチング損失の関係を示す図である。
本発明の第2の実施形態に係るノイズフィルタの外観斜視図である。
本発明の第2の実施形態に係るノイズフィルタの断面図である。
本発明の第2の実施形態に係るノイズフィルタによるコモンモードノイズ電流の低減効果の説明図である。
本発明の変形例に係るノイズフィルタの断面図である。
本発明の第3の実施形態に係るノイズフィルタの構成図である。
本発明の第4の実施形態に係るノイズフィルタの構成図である。
本発明の第6の実施形態に係る電力変換装置を含むモータ駆動システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
【0009】
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
【0010】
同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
【0011】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタの構造について、図1、図2を参照して以下に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタの外観斜視図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタの断面図である。
【0012】
図1に示すように、本実施形態のノイズフィルタ1は、磁性体コア11、複数のバスバ12、ベース部13およびバスバ支持部14を備えて構成される。各バスバ12は、板状の導電体、例えば銅等の金属を用いて構成され、磁性体コア11をそれぞれ貫通している。磁性体コア11は、磁石等の磁性体を用いて構成され、中心にバスバ12を貫通させるための貫通孔を有する。バスバ支持部14はベース部13の上に配置されており、各バスバ12を支持している。
【0013】
なお、図1の例では3つのバスバ12を示しており、各バスバ12は三相交流モータのU相、V相、W相の各コイルと電気的にそれぞれ接続される。すなわち、ノイズフィルタ1の3つのバスバ12には、三相交流モータのU相電流、V相電流、W相電流がそれぞれ流れる。ノイズフィルタ1は、各バスバ12に流れるこれらの電流に重畳されたノイズを抑制するものである。ただし、バスバ12の数は3つに限定されない。ノイズフィルタ1がノイズの抑制対象とする電流の相数に応じて、任意数のバスバ12を設けることができる。
【0014】
図2(a)は、図1に示したA−A’線におけるノイズフィルタ1の断面図であり、図2(b)は、図1に示したB−B’線におけるノイズフィルタ1の断面図である。図2に示すように、バスバ12は、一方の端部121と他方の端部124の間に、バスバ支持部14によって支持される被支持部122と、磁性体コア11を貫通する貫通部123とを有している。
【0015】
被支持部122において、バスバ12の延在方向(図2(a)の左右方向)と直交する方向(図2(b)の左右方向)の両端には、バスバ12の延在方向に沿ってバスバ12を折り曲げることで形成された一対の埋込部125が設けられている。図2(b)に示すように、埋込部125はバスバ支持部14の表面側から内側に向かって、バスバ支持部14に埋め込まれている。
【0016】
ベース部13およびバスバ支持部14は、導電体を用いてそれぞれ構成されており、電気的に接地されている。被支持部122および埋込部125とバスバ支持部14との間には、絶縁層15が配置されている。これにより、被支持部122および埋込部125はバスバ支持部14と電気的に絶縁されており、被支持部122および埋込部125とバスバ支持部14との間に寄生容量成分が形成されるようになっている。なお、ベース部13およびバスバ支持部14は、ノイズフィルタ1を収納する筐体の一部であってもよいし、ノイズフィルタ1が搭載される電力変換装置等の機器が有する筐体の一部であってもよい。また、ベース部13を非導電性の物質で構成し、バスバ支持部14のみを電気的に接地してもよい。これ以外にも、少なくともバスバ支持部14が電気的に接地されており、被支持部122および埋込部125とバスバ支持部14との間に寄生容量成分が形成される構成であれば、任意の構成とすることができる。
【0017】
次に、ノイズフィルタ1が抑制対象とするコモンモードノイズについて説明する。
【0018】
図3は、コモンモードノイズ電流が流れる電流経路の説明図である。図3では、三相交流電流を出力するパワーモジュール401と、パワーモジュール401から三相交流電流の供給を受けて駆動する電動機408とが、ACバスバ403、ACノイズフィルタ404、ACバスバ405およびACケーブル406を介して互いに接続されており、これらの間にコモンモードノイズ電流が流れる場合の電流経路を示している。
【0019】
パワーモジュール401内のコモンモードノイズ源402で発生したコモンモードノイズ電流は、パワーモジュール401が出力する三相交流電流に重畳される。コモンモードノイズ電流が重畳された三相交流電流は、ACバスバ403、ACノイズフィルタ404、ACバスバ405およびACケーブル406を経由して、電動機408に流れ込む。
【0020】
パワーモジュール401と電動機408のフレームグランドには、グランド配線410が共通に接続されており、グランド配線410を介してそれぞれ電気的に接地されている。ここで、電動機408において、巻線407とフレームグランドの間には寄生容量成分409が存在しており、パワーモジュール401において、コモンモードノイズ源402とフレームグランドの間には寄生容量成分411が存在しているものとする。この場合、コモンモードノイズ源402から、電動機408の寄生容量成分409およびパワーモジュール401の寄生容量成分411を経由して、コモンモードノイズ源402に戻るループ電流経路が形成される。このループ電流経路を通って、パワーモジュール401と電動機408の間にコモンモードノイズ電流412が流れる。
【0021】
本実施形態のノイズフィルタ1は、前述のような構造を有することにより、上記のようにして発生するコモンモードノイズ電流を抑制するものである。
【0022】
続いて、本実施形態のノイズフィルタ1によるコモンモードノイズ電流の低減効果について、図4に示す比較例との比較を以下に説明する。
【0023】
図4は、比較例に係るノイズフィルタの外観斜視図である。図4に示すノイズフィルタ1Cは、本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタ1と比べて、図1、2に示したバスバ支持部14が設けられておらず、各バスバ12Cがバスバ支持部14によって支持されていない点が異なっている。そのため、ノイズフィルタ1Cの各バスバ12Cは、図4に示すように板状の形状を有しており、図2に示した被支持部122や埋込部125はバスバ12Cにおいて設けられていない。
【0024】
図5は、比較例に係るノイズフィルタ1Cによるコモンモードノイズ電流の低減効果の説明図である。図5において、パワーモジュール内のコモンモードノイズ電流源501から出力されたコモンモードノイズ電流502は、バスバ12Cに流れ込む。バスバ12Cとベース部13の間には、寄生容量成分503が形成されている。一方、バスバ12Cを介してパワーモジュールと接続されているモータや電源には、グランド線との間に寄生容量成分504が形成されている。そのため、バスバ12Cに流れ込んだコモンモードノイズ電流502は、寄生容量成分503を通る電流経路と、寄生容量成分504を通る電流経路とに分流されてグランド線にそれぞれ流れ込み、グランド線を経由してコモンモードノイズ電流源501に戻る。
【0025】
ここで、図4に示したノイズフィルタ1Cの構造において、バスバ12Cとベース部13の間に形成される寄生容量成分503は、寄生容量成分504と比較して容量値が十分に小さい。例えば、三相交流電流に対応して設けられた3つのバスバ12Cにおいて、寄生容量成分503の容量値は3相合計で10.5pF程度であるのに対して、寄生容量成分504の容量値は数nF程度である。そのため、寄生容量成分503に流れるコモンモードノイズ電流は無視できるほど小さく、コモンモードノイズ電流源501からバスバ12Cに流れ込んだコモンモードノイズ電流502は、ほぼ全てが磁性体コア11を通過する。
【0026】
図6は、比較例に係るノイズフィルタ1Cにおけるコモンモードノイズ電流の計算結果の一例を示す図である。図6では、最大出力が100kW程度である自動車用の車載モータが接続された場合のコモンモードノイズ電流をシミュレーションにより計算した結果を示している。図6の計算結果では、パワーモジュールからモータへ流れる電流において、実効値で約7.9Aのコモンモードノイズ電流が発生することを示している。
【0027】
図6のようなコモンモードノイズ電流が重畳された電流がバスバ12Cを流れてノイズフィルタ1Cの磁性体コア11を貫通すると、磁性体コア11において発生するコア損失は数十W程度にまで達する。そのため、磁性体コア11の発熱が大きくなり、キュリー温度の超過によるフィルタ性能の低下や焼損などを引き起こすおそれがある。なお、磁性体コア11の放熱性を強化することでこうした問題を回避することも考えられるが、その場合には、構造の複雑化に伴うコストアップの要因になってしまう。
【0028】
図7は、本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタ1によるコモンモードノイズ電流の低減効果の説明図である。図7において、パワーモジュール内のコモンモードノイズ電流源501から出力されたコモンモードノイズ電流502は、バスバ12に流れ込む。ノイズフィルタ1では、前述のように、被支持部122および埋込部125とバスバ支持部14との間に、寄生容量成分603が形成されている。そのため、バスバ12に流れ込んだコモンモードノイズ電流502は、寄生容量成分603を通る電流経路と、寄生容量成分504を通る電流経路とに分流されてグランド線にそれぞれ流れ込み、グランド線を経由してコモンモードノイズ電流源501に戻る。
【0029】
図1,2に示したノイズフィルタ1の構造において、被支持部122および埋込部125とバスバ支持部14との間に形成される寄生容量成分603は、比較例における寄生容量成分503とは異なり、寄生容量成分504と比較して無視できない容量値を有する。例えば、三相交流電流に対応して設けられた3つのバスバ12において、寄生容量成分603の容量値は3相合計で7.8nF程度であり、寄生容量成分504の容量値(例えば数nF)と同程度である。そのため、コモンモードノイズ電流源501からのコモンモードノイズ電流502は、寄生容量成分603を通過する電流経路と寄生容量成分504を通過する電流経路とに分かれて流れることとなり、磁性体コア11を貫通するコモンモードノイズ電流が大きく減少する。その結果、比較例に係るノイズフィルタ1Cと比較して、磁性体コア11の発熱を抑制することができる。
【0030】
図8は、本発明の第1の実施形態に係るノイズフィルタ1におけるコモンモードノイズ電流の計算結果の一例を示す図である。図8では、前述の図6と同様に、最大出力が100kW程度である自動車用の車載モータが接続された場合のコモンモードノイズ電流をシミュレーションにより計算した結果を示している。図8の計算結果では、パワーモジュールからモータへ流れる電流において、実効値で約2.0Aのコモンモードノイズ電流が発生することを示している。これにより、本実施形態のノイズフィルタ1を用いた場合には、比較例に係るノイズフィルタ1Cと比較して、コモンモードノイズ電流を実効値で約1/4に減少できることが分かる。
(【0031】以降は省略されています)

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