説明

電力変換装置

【課題】新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置1は、電源配線10と、平滑コンデンサ11と、インバータ回路12と、制御回路13とを備えている。平滑コンデンサ11は、コンデンサ110、111を並列接続用配線112、113によって並列接続して構成されている。並列接続用配線113のインダクタンスLs1及びコンデンサ110、111がループ状に接続され、LC共振回路が構成される。LC共振回路の共振周波数が、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるようにインダクタンスLs1、コンデンサ110、111の容量の少なくともいずれかが調整されている。これにより、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置として、例えば特許文献1に開示されている電力変換装置がある。
【0003】
この電力変換装置は、直流電源ラインと、直流中間コンデンサと、インバータとを備えている。直流電源ラインは、直流電圧を出力するコンバータの出力端子に接続されている。直流中間コンデンサは、コンバータの出力する直流電圧を平滑化して安定させる素子である。直流中間コンデンサは、直流電源ラインに接続されている。インバータは、直流中間コンデンサによって平滑化された直流電圧を3相交流電圧に変換する回路である。インバータは、直流電源ラインに接続されている。さらに、この電力変換装置は、直流電源ラインに並列接続されるコンデンサを備えている。コンデンサと、直流電源ラインのインダクタンスによってLC共振回路が構成される。このLC共振回路によって、インバータのスイッチングに伴って発生するスイッチングサージを抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−041790号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、前述した電力変換装置では、スイッチングサージを抑えるために別途コンデンサを設けなければならない。しかも、体格の大きなコンデンサを用いなければならない。そのため、装置が大型化してしまうとともに、コストアップしてしまうという問題があった。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
そこで、本発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、電力変換装置の構成要素である平滑コンデンサと、配線のインダクタンスを利用することで、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えられることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0008】
すなわち、請求項1に記載の電力変換装置は、直流電源に接続される電源配線と、電源配線に接続され、直流電源の出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、電源配線に接続され、平滑コンデンサによって平滑化された直流電圧をスイッチングして異なる電圧に変換する電力変換回路と、を備えた電力変換装置において、平滑コンデンサは、第1コンデンサと第2コンデンサを並列接続用配線によって並列接続して構成され、並列接続用配線のインダクタンス、第1コンデンサ及び第2コンデンサによって構成される共振回路の共振周波数が、電力変換回路のスイッチングに伴って発生するサージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする周波数になるように並列接続用配線のインダクタンス、第1コンデンサの容量及び第2コンデンサの容量の少なくともいずれかが調整されていることを特徴とする。なお、第1及び第2コンデンサは、コンデンサを区別するために便宜的に導入したものである。
【0009】
この構成によれば、電力変換装置の構成要素である平滑コンデンサは、第1コンデンサと第2コンデンサを並列接続して構成される。その結果、並列接続用配線のインダクタンス、第1コンデンサ及び第2コンデンサによって、共振回路を構成することができる。そのため、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる。
【0010】
請求項2に記載の電力変換装置は、並列接続用配線の長さを調整することで、並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする。この構成によれば、並列接続用配線のインダクタンスを確実に調整することができる。
【0011】
請求項3に記載の電力変換装置は、電源配線のいずれかの部分が並列接続用配線として用いられていることを特徴とする。この構成によれば、電源配線の一部分を並列接続用配線として共用する。そのため、並列接続用配線の量を抑えることができる。従って、装置を小型化できるとともに、コストを抑えることができる。
【0012】
請求項4に記載の電力変換装置は、電源配線のうち、並列接続用配線として用いられている部分の長さを調整することで、並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする。この構成によれば、並列接続用配線のインダクタンスを確実に調整することができる。
【0013】
請求項5に記載の電力変換装置は、第1コンデンサ及び第2コンデンサの少なくともいずれかは、複数のコンデンサを並列接続して構成されていることを特徴とする。この構成によれば、容量を適切に調整することができる。そのため、共振周波数が抑制しようとする周波数になるように確実に調整することができる。
【0014】
請求項6に記載の電力変換装置は、直流電源の出力する直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給することを特徴とする。この構成によれば、スイッチングサージを抑えることにより、モータの巻線間に加わる最大電圧を抑えることができる。そのため、モータの巻線の絶縁破壊を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第1実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。
【図2】図1における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。
【図3】LC共振回路のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図4】LC共振回路の有無による電圧の違いを説明するためのグラフである。
【図5】第2実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。
【図6】図5における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、車両に搭載され、車両駆動用モータを制御するモータ制御装置に適用した例を示す。
【0017】
(第1実施形態)
まず、図1及び図2を参照して第1実施形態のモータ制御装置の構成について説明する。ここで、図1は、第1実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。図2は、図1における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。なお、図2における前後方向及び左右方向は、方向を区別するために便宜的に導入したものである。
【0018】
図1に示すモータ制御装置1(電力変換装置)は、高電圧バッテリB1(直流電源)の出力する直流高電圧を3相交流電圧に変換して車両駆動用モータM1に供給し、車両駆動用モータM1を制御する装置である。モータ制御装置1は、電源配線10と、平滑コンデンサ11と、インバータ回路12(電力変換回路)と、制御回路13とを備えている。
【0019】
電源配線10は、高電圧バッテリB1の出力する直流高電圧を供給するための部材である。電源配線10は、正電源配線100と、負電源配線101とを備えている。正電源配線100の一端は、高電圧バッテリB1の正極端子に接続されている。また、負電源配線101の一端は、高電圧バッテリB1の負極端子に接続されている。
【0020】
平滑コンデンサ11は、電源配線10に接続され、高電圧バッテリB1の出力する直流高電圧を平滑化するための素子である。平滑コンデンサ11は、コンデンサ110(第1コンデンサ)、111(第2コンデンサ)を並列接続用配線112、113によって並列接続して構成されている。
【0021】
コンデンサ110は、コンデンサ111より容量が大きくなるように設定されている。並列接続用配線113は、インダクタンスLs1を有するように配線の長さが調整されている。コンデンサ111の一端は正電源配線100に、他端は負電源配線101にそれぞれ接続されている。コンデンサ110の一端は、並列接続用配線112によってコンデンサ111の一端に接続されている。また、コンデンサ110の他端は、並列接続用配線113によってコンデンサ111の他端に接続されている。
【0022】
図2に示すように、コンデンサ110、111は、直方体状の素子である。コンデンサ110の一端は上面の右後方に、他端は上面の右前方にそれぞれ形成されている。コンデンサ111の一端は上面の後方に、他端は上面の前方にそれぞれ形成されている。
【0023】
正電源配線100及び負電源配線101は、帯状の金属板からなるバスバーである。並列接続用配線112は、帯状の金属板からなるバスバーである。並列接続用配線113は、インダクタンスLs1を有するように帯状の金属板をU字状に屈曲成形して構成されたバスバーである。
【0024】
コンデンサ111の一端は正電源配線100に、他端は負電源配線101にそれぞれ接続されている。コンデンサ110の一端は、左右方向に延在する並列接続用配線112によってコンデンサ111の一端に接続されている。また、コンデンサ110の他端は、左右方向に延在するU字状に屈曲成形された並列接続用配線113によってコンデンサ111の他端に接続されている。
【0025】
これにより、並列接続用配線113のインダクタンスLs1及びコンデンサ110、111がループ状に接続され、LC共振回路が構成される。
【0026】
図1に示すインバータ回路12は、電源配線10に接続され、平滑コンデンサ10によって平滑化された直流電圧をスイッチングして3相交流電圧に変換し、車両駆動用モータM1に供給する装置である。インバータ回路12は、IGBT120〜125を備えている。
【0027】
IGBT120〜125は、ゲートの電圧を制御することで駆動され、スイッチングすることで平滑コンデンサ10に平滑化された直流電圧を3相交流電圧に変換するためのスイッチング素子である。IGBT120、123、IGBT121、124及びIGBT122、125はそれぞれ直列接続されている。具体的には、IGBT120〜122のエミッタが、IGBT123〜125のコレクタにそれぞれ接続されている。直列接続された3組のIGBT120、123、IGBT121、124及びIGBT122、125は並列接続されている。IGBT120〜122のコレクタは正電源配線100に、IGBT123〜125のエミッタは負電源配線101にそれぞれ接続されている。また、IGBT120〜125のゲートとエミッタは、制御回路13にそれぞれ接続されている。さらに、直列接続されたIGBT120、123、IGBT121、124及びIGBT122、125の直列接続点は、車両駆動用モータM1にそれぞれ接続されている。
【0028】
制御回路13は、IGBT120〜125を制御する装置である。制御回路13は、IGBT120〜125のゲートとエミッタにそれぞれ接続されている。
【0029】
ところで、インバータ回路12を構成するIGBT120〜125がスイッチングすると、それに伴ってサージ電圧が発生する。並列接続用配線113のインダクタンスLs1及びコンデンサ110、111によって構成されるLC共振回路の共振周波数が、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線113のインダクタンスLs1、コンデンサ110、111の容量が調整されている。
【0030】
次に、図1、図3及び図4を参照してモータ制御装置の動作について説明する。ここで、図3は、LC共振回路のインピーダンス特性を示すグラフである。図4は、LC共振回路の有無による電圧の違いを説明するためのグラフである。
【0031】
車両のイグニッションスイッチ(図略)がオンすると、図1に示すモータ制御装置1が動作を開始する。高電圧バッテリB1の直流高電圧は、平滑コンデンサ10によって平滑化される。制御回路13は、外部から入力される指令に基づいて、インバータ回路12を構成するIGBT120〜125を制御する。具体的には、IGBT120〜125を所定周期でスイッチングする。インバータ回路12は、平滑コンデンサ10によって平滑化された直流高電圧を3相交流電圧に変換して車両駆動用モータM1に供給する。このようにして、モータ制御装置1が車両駆動用モータM1を制御する。
【0032】
インバータ回路12を構成するIGBT120〜125がスイッチングすると、それに伴ってサージ電圧が発生する。しかし、正電源配線100と負電源配線10の間に、並列接続用配線113のインダクタンスLs1及びコンデンサ110、111によって構成されるLC共振回路が設けられている。しかも、LC共振回路の共振周波数は、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるように調整されている。そのため、図3に示すように、抑制しようとする所定周波数において、LC共振回路のインピーダンスを大きくすることができる。その結果、スイッチングサージを抑えることができる。これにより、サージ電圧が低下し、図4に示すように、LC共振回路がない場合に比べ、車両用動用モータM1の巻線間電圧の最大値を抑えることができる。従って、車両駆動用モータM1の巻線の絶縁破壊を抑えることができる。
【0033】
次に、効果について説明する。第1実施形態によれば、平滑コンデンサ11は、コンデンサ110、111を並列接続して構成される。その結果、並列接続用配線113のインダクタンスLs1及びコンデンサ110、111によって、LC共振回路を構成することができる。そのため、新たな部品を追加することなく、スイッチングサージを抑えることができる。
【0034】
また、第1実施形態によれば、並列接続用配線113の長さを調整することでインダクタンスLs1を調整する。そのため、並列接続用配線113のインダクタンスLs1を確実に調整することができる。
【0035】
さらに、第1実施形態によれば、スイッチングサージを抑えることにより、車両用動用モータM1の巻線間に加わる最大電圧を抑えることができる。そのため、車両駆動用モータM1の巻線の絶縁破壊を抑えることができる。
【0036】
なお、第1実施形態では、平滑コンデンサ11が、2つのコンデンサ110、111を並列接続して構成される例を挙げているが、これに限られるものではない。コンデンサ110、111の少なくともいずれかが、複数のコンデンサを並列接続して構成されていてもよい。容量を適切に調整することができる。そのため、LC回路の共振周波数が抑制しようとする周波数になるように確実に調整することができる。
【0037】
また、第1実施形態では、LC共振回路の共振周波数が、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線113のインダクタンスLs1、コンデンサ110、111の容量がともに調整されている例を挙げているが、これに限られるものではない。共振周波数が、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線113のインダクタンスLs1、コンデンサ110、111の容量の少なくともいずれかが調整されていればよい。
【0038】
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のモータ制御装置について説明する。第2実施形態のモータ制御装置は、第1実施形態のモータ制御装置が、平滑コンデンサを構成する2つのコンデンサを独立した並列接続用配線によって並列接続するのに対して、電源配線の一部分を並列接続用配線として共用して並列接続するようにしたものである。第2実施形態のモータ制御装置は、2つのコンデンサの並列接続の構成を除いて第1実施形態のモータ制御装置と同一構成である。
【0039】
まず、図5及び図6を参照して平滑コンデンサの構成について説明する。ここで、図5は、第2実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。図6は、図5における平滑コンデンサ周辺の斜視図である。なお、図6における前後方向及び左右方向は、方向を区別するために便宜的に導入したものである。
【0040】
図5に示すモータ制御装置2は、電源配線20と、平滑コンデンサ21と、インバータ回路22(電力変換回路)と、制御回路23とを備えている。電源配線20、インバータ回路22及び制御回路23は、第1実施形態の電源配線10、インバータ回路12及び制御回路13と同一構成である。
【0041】
平滑コンデンサ21は、コンデンサ210(第1コンデンサ)、211(第2コンデンサ)を並列接続用配線212、213によって並列接続して構成されている。
【0042】
コンデンサ211の一端は正電源配線200に、他端は負電源配線201にそれぞれ接続されている。コンデンサ210の一端は、並列接続用配線212によってコンデンサ211の一端に接続されている。また、コンデンサ210の他端は、負電源配線201に接続され、負電源配線201の一部分を並列接続用配線213として用い、コンデンサ211の他端に接続されている。並列接続用配線213は、インダクタンスLs2を有するように配線の長さが調整されている。
【0043】
図6に示すように、コンデンサ210の一端は上面の右後方に、他端は上面の左前方にそれぞれ形成されている。コンデンサ211の一端は上面の後方に、他端は上面の前方にそれぞれ形成されている。
【0044】
コンデンサ211の一端は正電源配線200に、他端は負電源配線201にそれぞれ接続されている。コンデンサ210の一端は、左右方向に延在する並列接続用配線212によってコンデンサ211の一端に接続されている。また、コンデンサ210の他端は、負電源配線201に接続され、負電源配線201の一部分を並列接続用配線213として用い、コンデンサ211の他端に接続されている。並列接続用配線213は、インダクタンスLs2を有するように、コンデンサ210の他端との接続点とコンデンサ211の他端との接続点との間の距離、つまり配線の長さが調整されている。
【0045】
これにより、並列接続用配線213のインダクタンスLs2及びコンデンサ210、211がループ状に接続され、LC共振回路が構成される。また、LC共振回路の共振周波数が、サージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする所定周波数になるように、並列接続用配線213のインダクタンスLs2、コンデンサ210、211の容量が調整されている。
【0046】
動作については、第1実施形態のモータ制御装置と同一であるため、説明を省略する。
【0047】
次に、効果について説明する。第2実施形態によれば、負電源配線201の一部分を並列接続用配線213として共用する。そのため、並列接続用配線の量を抑えることができる。従って、装置を小型化できるとともに、コストを抑えることができる。
【0048】
また、第2実施形態によれば、コンデンサ210の他端の接続点とコンデンサ211の他端の接続点の間の距離、つまり並列接続用配線213の配線の長さを調整することで、インダクタンスLs2を調整する。そのため、並列接続用配線213のインダクタンスLs2を確実に調整することができる。
【符号の説明】
【0049】
1、2・・・モータ制御装置(電力変換回路)、10、20・・・電源配線、100、200・・・正電源配線、101、201・・・負電源配線、11、21・・・平滑コンデンサ、110、111、210、211・・・コンデンサ(第1コンデンサ、第2コンデンサ)、112、113、212、213・・・並列接続用配線、12、22・・・インバータ回路(電力変換回路)、120〜125、220〜225・・・IGBT、13、23・・・制御回路、B1、B2・・・高電圧バッテリ(直流電源)、M1、M2・・・モータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源に接続される電源配線と、
前記電源配線に接続され、前記直流電源の出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記電源配線に接続され、前記平滑コンデンサによって平滑化された直流電圧をスイッチングして異なる電圧に変換する電力変換回路と、
を備えた電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは、第1コンデンサと第2コンデンサを並列接続用配線によって並列接続して構成され、
前記並列接続用配線のインダクタンス、前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサによって構成される共振回路の共振周波数が、前記電力変換回路のスイッチングに伴って発生するサージ電圧に含まれる周波数成分のうち、抑制しようとする周波数になるように前記並列接続用配線のインダクタンス、前記第1コンデンサの容量、及び、前記第2コンデンサの容量の少なくともいずれかが調整されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
前記並列接続用配線の長さを調整することで、前記並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記電源配線のいずれかの部分が前記並列接続用配線として用いられていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記電源配線のうち、前記並列接続用配線として用いられている部分の長さを調整することで、前記並列接続用配線のインダクタンスを調整することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサの少なくともいずれかは、複数のコンデンサを並列接続して構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記直流電源の出力する直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2012−231593(P2012−231593A)
【公開日】平成24年11月22日(2012.11.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−98111(P2011−98111)
【出願日】平成23年4月26日(2011.4.26)
【出願人】(000004695)株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】(000004260)株式会社デンソー (27,639)
【Fターム(参考)】