CN102668355A - 电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种廉价并且小型地抑制通过与外部设备连接的控制布线传播而混入装置内的噪声电流或电压的电力变换装置。该电力变换装置具备：框体；设置在上述框体上的连接端子；设置在上述框体的内部的控制电路部；将上述连接端子与上述控制电路部连接的布线；连接在上述布线与上述框体的接地电位之间的第一噪声除去单元；在上述布线与上述框体的接地电位之间，与上述第一噪声除去单元并联连接的第二噪声除去单元。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种廉价并且小型地抑制通过与外部设备连接的控制布线传播而混入装置内的噪声电流或电压的电力变换装置。

背景技术

从电池等直流电源生成交流电压的逆变器等电力变换装置构成为具备：具有开关元件等而构成的主电路（电力模块）；生成对该开关元件进行驱动的信号的驱动电路（栅极驱动器）；平滑电容器；生成向该驱动电路等发送的动作信号的控制电路（电动机控制器）等。

这种电力变换装置通过控制布线将装置内部的控制电路与多个外部设备、传感器连接起来进行信号的发送接收，但有以下的问题，即由于在该控制布线中传播而混入装置内的噪声电流或电压，装置内的控制电路或传感器电路产生误动作。因此，要求对用于降低混入装置内的噪声电流和电压的电路或构造进行研究。

为了降低经由控制布线而混入装置内的控制电路等的电磁噪声，有将损失成分或噪声滤波器（电容器）插入控制布线与装置内的基板等的连接部的方法。

例如，已知专利文献1（日本特开平7-307637号公报），具有“一种印刷布线基板用噪声滤波器，其特征在于：在细长的长方形基板上按照一定间隔设置许多贯通型噪声滤波器，该贯通型噪声滤波器是将电抗器元件和与所需要的基板垂直地贯通基板的导线结合起来而成的，并且将该贯通型噪声滤波器的各导线的一端与设置在印刷布线基板上的多个印刷布线的各连接端连接，进而将贯通型噪声滤波器中的各导线的另一端与设置在其他印刷布线基板上的多个印刷布线的各连接端连接起来”。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7-307637号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1（日本特开平7-307637号公报）所记载的结构中，由于电抗器元件的价格高，所以有装置成本高等问题。另外，在基板上配置了噪声滤波器（电容器）的情况下，噪声电流会经由该电容器注入到基板GND，因此有装置内的传感器或该基板上的电路会进行误动作的问题。另外，在将噪声滤波器（电容器）插入到控制布线与装置内的基板等的连接部的情况下，具有以下问题点，即由于通过噪声滤波器后的基板内布线长度，电磁噪声降低效果大大恶化。

因此，在本发明中，其目的在于提供一种电力变换装置，其能够廉价并且小型地抑制通过与外部设备连接的控制布线传播而混入装置内的噪声电流或电压。

用于解决课题的手段

如果简单地说明，则在本申请中揭示的发明中的代表性发明的概要如下。

（1）一种电力变换装置，具备：框体；设置在上述框体上的连接端子；设置在上述框体的内部的控制电路部；将上述连接端子与上述控制电路部连接的布线；连接在上述布线与上述框体的接地电位之间的第一噪声除去单元；在上述布线与上述框体的接地电位之间，与上述第一噪声除去单元并联连接的第二噪声除去单元。

（2）在（1）记载的电力变换装置中，其特征在于，连接上述第一噪声除去单元的上述布线位置与连接上述第二噪声除去单元的上述布线位置之间的距离是比应该除去的噪声的最大频率的波长的1/2小的距离。

（3）在（1）或（2）记载的电力变换装置中，其特征在于，连接上述第一噪声除去单元的上述布线位置与连接上述第二噪声除去单元的上述布线位置之间的距离是应该除去的噪声的最大频率的波长的1/4。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够廉价并且小型地抑制通过与外部设备连接的控制布线传播而混入装置内的噪声电流或电压的电力变换装置。

附图说明

图1是本发明的电力变换装置的实施例1的说明图。

图2是本发明的电力变换装置的实施例2的说明图。

图3是本发明的电力变换装置的实施例3的说明图。

图4是表示现有的电力变换装置中的模拟模型的图。

图5是表示本发明的电力变换装置中的模拟模型的图。

图6是表示本发明的电力变换装置中的模拟模型的图。

图7是表示本发明的电力变换装置中的模拟结果的图。

图8是本发明的电力变换装置的实施例4的说明图。

图9是本发明的电力变换装置的实施例5的说明图。

图10是本发明的电力变换装置的实施例5的说明图。

图11是本发明的电力变换装置的实施例6的说明图。

图12是表示本发明的车载电力变换装置的构造的图。

图13是表示本发明的车载电力变换装置的结构的图。

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明的电力变换装置的实施方式的一个例子。另外，在用于说明实施例的全部图中，原则上对相同的部件赋予相同的符号，并省略其重复的说明。

在以下说明的实施例中，作为适用本发明的电力变换装置，特别列举对外来噪声的耐性（immunity）很严格的车载用逆变器装置为例子进行说明。车载用逆变器装置作为对车载电动机（motor）的驱动进行控制的控制装置而包含在车载电机系统中，将从构成车载电源的车载电池供给的直流电力变换为预定的交流电力，将所得到的交流电力供给车载电动机，由此来控制车载电动机的驱动。在此，车载用逆变器装置为了确保安全性和可靠性，各厂商根据ISO-11452等标准独自地确定噪声耐性基准，比一般的电子设备更严格。例如在使用双锥形天线、喇叭天线向被试验对象照射强电场并确认有无错误的放射耐性试验中，向一般电子设备照射的电场强度约为3～10V/m，与之相对，向车载用逆变器装置照射的电场强度为10倍以上，约为70～150V/m。例如，作为试验的一个例子，有时向控制布线照射200MHz～1GHz的电场。通过该照射，频率相同的电流噪声经由控制布线混入到车载用逆变器装置，由此大多引起装置内电路的误动作。在该情况下，作为产生误动作的频率，大多为400MHz～1GHz。这可以认为因车载用逆变器装置的外壳大小造成的空洞共振是一个因素。

另外，以下列举车载用逆变器装置作为例子进行说明，但并不限于此，也可以适用于DC/DC变换器、直流斩波器等直流-直流电力变换装置、交流-直流电力变换装置等。另外，以下说明的结构也可以适用于被用作对工厂的设备进行驱动的电动机的控制装置的工业用电力变换装置、在家庭的太阳能发电系统中使用的或在对家庭的电器产品进行驱动的电动机的控制装置中使用的家庭电力变换装置等。特别优选应用于以低成本化和小型化为目标的电力变换装置。

首先，使用图12和图13说明电力变换装置的结构。图12是表示本发明的车载电力变换装置的构造的图，图13是表示本发明的车载电力变换装置和外围装置的电气连接的等价电路图。

图12的电力变换装置构成为具备：电力模块209；高速并且低噪声地进行开关时的电荷供给的平滑电容器207；对安装在电力模块209上的开关元件的栅极进行驱动的栅极驱动器211；对电力模块209或平滑电容器207等进行冷却的冷却机构210；外部设备连接用连接器208；和在电力变换器外部连接的高电压的电池连接的DC终端204和DC连接器206；被用作向电力模块209和平滑电容器207等供给高电压的布线的母线214；将被变换为交流的电流连接到电动机的AC终端或AC连接器212；散热片203；安装了用于将电动机控制信号传送到栅极驱动器211的控制电路的控制电路基板202；安装控制电路基板202的电路基板用基座205；将各部件容纳在一个框体中的外壳213；密封框体的盖子201。

另外，该电力变换装置设想了具有2个要驱动的电动机的情况，设为能够安装2组电力模块209和栅极驱动器211的构造，但它们的数量依存于所要驱动的电动机或与之相当的负载的数量，因此并不限于2组。

在此，进行开关动作的电力系统电路容易产生噪声，因此，理想的是从容易受到噪声的影响的弱电系统的线束电缆（harness cable）、基板等远离进行配置。即，将电力模块209、栅极驱动器211、冷却机构210、平滑电容器207、母线214、AC终端212、DC终端204全部安装在被安装控制电路基板202的电路基板用基座205隔开的外壳213下方的空间中是理想的，控制电路基板202被安装在电路基板用基座205上方的空间中，配置在前后左右由电力变换器的外壳213封闭、上部由电力变换器的盖子201封闭的空间中。同样，用于将控制电路基板202和电力变换器外部的设备连接起来的外部连接用连接器208被安装在控制电路基板202或连接器专用的基板上，控制电路基板202同样被安装在电路基板用基座205的上方的空间中。通过这样的结构，能够取得难以受到因电力系统电路造成的噪声的影响的效果。

在图13的表示本发明的电力变换装置和外围设备的电气连接的等价电路图中，使用屏蔽电缆231将作为负载的电动机232以及高电压电池227与电力变换装置100连接起来，该电缆231GND和电动机232的框体与底盘GND228连接。高压电池227的框体和高压DC电缆226的GND同样都与该GND228连接。

在此，控制电路基板10基于从车载的12V（或24V）电池224经由电源布线223供给的12V（或24V）电源进行动作，在控制电路基板10上安装用于检测电动机232的旋转角度的角度检测电路、用于与电力变换器外部的设备进行通信的无线电收发机、用于对它们进行控制的微控制器等。另外，在外壳11内具有用于检测流过电动机232的电流的电流检测电路。由于这些电路在5V以下的低电源电压下动作，所以有可能由于外来噪声而引起误动作。特别是电动机角度检测电路（旋转变压器电路）、电动机电流检测电路具有将电压或电流的模拟值变换为数字值并经由信号线传送到微控制器的功能，这些模拟值容易由于噪声的重叠而引起性能恶化、误动作。

在此，控制电路基板10经由控制布线222与引擎控制器等外部装置221连接，因此可知车辆内的噪声会经由该控制布线222传播到基板电路10，为了车辆的安全性，要求阻止因这些噪声造成的误动作。

在此，电力模块230（相当于图12的209）如图13所示，具有多个IGBT等半导体电力开关元件、续流二极管等。栅极驱动器211经由基板连接线225从控制电路基板10接收开关元件的ON/OFF（开/关）控制信号，进行电力模块230的开关控制。另外，在使用MOSFET作为电力开关元件等情况下，也可以不使用续流二极管。

另外，理想的是基座205为金属等具有比控制电路基板10（相当于图12的202）更高的导电性的材料，外壳213、盖子201、基座205以及冷却机构210全都物理并且电气连接，外壳213、11例如在连接点229与车辆等的底盘GND228（相当于图1的12）连接，由此基座205也成为GND电位。

实施例1

使用图1说明本发明的实施例1。图1是本发明的电力变换装置的第一实施例的说明图，是卸下了图12的电力变换装置的盖子201的情况下的俯视图。

电力变换装置的外壳11（相当于图12中的213）在接点12（相当于图13中的229）处与图13的底盘GND228进行GND连接，如上所述经由电路基板用基座（相当于图12的205）从外壳11供给控制电路基板10（相当于图12的202）的外壳GND13a～13f。用于连接电力变换装置外部的设备的控制布线1和外部连接用连接器2、基板连接器7经由外壳11内的信号布线（18或）6连接，基板连接器7与放大器9通过控制电路基板10内的信号布线8连接。在此，作为与控制布线1连接的控制电路基板10上的电路例子，记载了放大器9，但并不限于放大器，除此以外，也可以应用微计算机、无线电收发机、比较器等。

在此，在本实施例1中，以并联在信号布线6与连接点3之间的形式具备噪声除去成分4、5。在图1中，作为噪声除去成分4、5表示了电容器，但噪声除去成分并不限于电容器，也可以是具有寄生电容的其他结构。通过以并联在信号布线6与连接点3之间的形式具备噪声除去成分4、5，能够消除现有技术中的由于通过噪声滤波器后的基板内布线长度而使电磁噪声降低效果大大恶化的问题，能够抑制噪声降低效果的恶化。其结果是能够提供一种实现了逆变器的耐性性能的提高的电力变换装置。

进而，在现有的电力变换装置中，在将放大器9的输入阻抗假定为高（Hi）阻抗的情况下有以下的问题，即在信号布线8的布线长度相对于噪声的波长为1/4波长的频率，以用于与GND短路的电容器为节点的驻波出现在信号布线8中，而在控制电路基板10中混入很大的噪声，但在本实施例1中，通过将两个噪声除去成分4、5之间的信号布线6的长度设定为比噪声的最大频率的1/2波长短的线路电气长度，能够抑制该驻波。

这是因为：如果将信号布线6的线路电气长度设定为比驻波的1/2波长短，则在高频中，噪声除去成分4、5与向GND的连接点3短路，因此能够抑制在信号布线8中传播的驻波，抑制侵入控制电路基板10的噪声。具体地说，在抑制对象的噪声所传播的线路中，即使在噪声除去成分4位于对象噪声的节点的部分中时，噪声除去成分5也使不同时成为节点的振幅点与GND短路，因此能够抑制噪声的传播，能够防止噪声电流波形如从14a到14b那样降低。

进而，将信号布线6的线路长度设为驻波的1/4波长是理想的。在将信号布线6的线路长度设为驻波的1/4波长的情况下，能够得到更大的噪声传播抑制效果。这是因为：即使噪声除去成分4位于对象噪声的节点，噪声除去成分5也使最大振幅点与GND短路，因此噪声传播的抑制效果最大。

在此，要注意在信号布线6的线路电气长度与成为问题的噪声频率的1/2波长相等的情况下，噪声除去成分4和5同时使驻波的节点的部分与GND短路，因此，通过布线8的线路电气长度无法抑制噪声振幅。

实施例2

使用图2说明本发明的实施例2。图2是本发明的电力变换装置的第二实施例的说明图，是卸下了图12的电力变换装置的盖子201的情况下的俯视图。

在图2的电力变换装置中，与图1的不同点在于：在信号布线18与连接点3之间具备噪声除去成分16。噪声除去成分16的一方与信号布线18连接，另一方不与控制电路基板10上的GND连接，而是在连接点3与外壳11连接。由此，在从噪声除去成分16到放大器9的输入为止的线路电气长度比在控制布线1中传播而混入电力变换装置内的噪声电流的1/4波长充分短的情况下，噪声电流经由噪声除去成分16直接流到外壳11，因此，能够降低噪声电流混入控制电路基板10的GND而使电路进行误动作的情况。

在此，如果把从噪声除去成分16到放大器9的输入为止的线路的电气长度视为单极天线，则在与噪声电流的1/4波长相等时产生驻波，噪声电流不流向噪声除去成分16。另外，在与噪声电流的3/4波长、5/4波长……相等时也同样。这表示如果噪声电流的频率为高频（作为波长则变短），则无法降低噪声。

实施例3

使用图3说明本发明的实施例3。图3是本发明的电力变换装置的第三实施例的说明图，是卸下了图12的电力变换装置的盖子201的情况下的俯视图。

在图3的电力变换装置中，与图1的不同点在于：在电力变换装置的外壳11内部，以包围噪声除去成分4、5和信号布线6的方式具备屏蔽17。通过以包围噪声除去成分4、5和布线6的方式追加屏蔽17，能够防止从信号布线6再次发射噪声。

接着，使用图4～图7说明从外部连接用连接器2到放大器9的电流传输特性模拟结果。图4是表示现有的电力变换装置中的模拟模型的图，图5和图6是表示本发明的电力变换装置中的模拟模型的图，图7是表示本发明的电力变换装置中的模拟结果的图。

在图4～图6中，电流源31和输出电阻32表示噪声电流源，外部连接用连接器2和基板连接器7之间的信号布线33（相当于图1的信号布线6），噪声的最大频率为1GHz的1/4波长即250ps，特性阻抗为300Ω。

控制基板电路上的信号布线36，延迟时间为300ps，特性阻抗为50Ω，放大器9的输入电阻为3kΩ。假设噪声除去成分34被安装在控制电路基板上，噪声除去成分C38、C39、C40分别与外壳GND连接。在此，噪声除去成分34、38为100pF，噪声除去成分39、40为50pF。电感35、35a、35b是GND布线的寄生电感。

图7表示不同的3个频率响应特性中的电流量。51表示流过图4的噪声除去成分34的电流，52表示流过图5的输入电阻37的电流，53表示流过图6的输入电阻37的电流。关于1MHz附近的频率，可知如该图的52和53所示那样，信号几乎不恶化。在此，如果关注于在耐性试验中容易引起误动作的400MHz～1GHz，则与其他结构相比，能够将53的噪声电流值降低20dB以上。因此，确认了通过本发明能够抑制混入装置的噪声，可以预见能够降低装置内电路的误动作。

实施例4

使用图8说明本发明的实施例4。图8是本发明的电力变换装置的第四实施例的说明图，是在将图12的外部连接用连接器101直接安装到控制电路基板106上时卸下电力变换装置的盖子201的情况下的俯视图。

在图8的电力变换装置中，与图1的不同点在于：控制电路基板10的GND图案通过缝隙107分离。对于本实施例4，噪声除去成分103、105分别与GND连接，并与将外部连接用连接器101与放大器9连接的信号布线104并联连接。

在此，控制电路基板10与外壳GND13a、13b连接，外部连接用连接器101与外壳GND102连接。噪声除去成分103、105和信号布线104被安装在外部连接用连接器101侧，由此，能够成为与图1相同的结构。进而，在该控制电路基板101为4层以上的层结构的情况下，通过将信号布线104设为带状线，能够具有图3所示的屏蔽效果。

实施例5

使用图9和图10说明本发明的实施例5。通过图9和图10说明本发明的电力变换装置的第五实施例。图9是用FPC（Flexible-Printed-Circuits：挠性印刷基板）那样的布线材料113将外部连接用连接器111和控制电路基板10连接起来的电力变换装置，图10是从横向看布线材料113的图。

在图9的电力变换装置中，与图1的不同点在于：在信号布线与接点之间不具备电容器等噪声除去元件，在将外部连接用连接器111与基板连接器7连接的信号布线114的两端具备接地图案115a、b、c、d和用于包覆信号布线114的布线材料113。

在此，布线材料113具有2层以上的层结构，例如如图10所示的布线材料113的截面图那样，在信号布线114的上下配置接地图案115a～115d，由此能够使其具有对GND的寄生电容成分（噪声除去成分），能够实现与图1一样的结构。

实施例6

使用图11说明本发明的实施例6。图11是本发明的电力变换装置的第六实施例的说明图，是将外部连接用连接器101直接安装在连接器基板121上时的俯视图。

在图11的电力变换装置中，与图1的不同点在于：外部连接用连接器101与基板连接器122通过信号布线104连接，基板连接器122与基板连接器7通过信号布线123连接，连接器基板121与控制电路基板10分别与不同的GND连接。

将噪声除去成分103、105和信号布线104配置在连接器基板121上，由此能够实现与图1一样的结构。

以上，根据实施方式具体说明了由本发明人提出的发明，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内，当然可以进行各种变更。

另外，作为本发明中的噪声除去单元，在附图中记载了电容器，但并不限于电容器，也可以是其他的能够除去噪声成分的单元。

另外，本发明的电力变换装置也可以是组合本实施例1～6的各个实施例的结构。

符号说明

1：控制布线；2、111：外部连接用连接器；3：连接点；13a～13f、102、112：外壳GND；4、5、16、34、38、39、40、103、105：噪声除去成分；6、8、18、33、36、104、108、114、123：信号布线；7、122：基板连接器；9：放大器；10、106、202：控制电路基板；11：外壳；12：底盘GND；14a、14b：噪声电流波形；31：电流源；32：输出电阻；35、35a、35b：寄生电感；51、52、53：电流；113：布线材料；115a～115d：接地图案（接地）平面；121：连接器基板；201：盖子；203：散热片；204：DC终端；205：电路基板用基座；206：DC连接器；207：平滑电容器；208：外部设备连接用连接器；209、230：电力模块；210：水冷机构；211：栅极驱动器（基板）；212：AC连接器；213：外壳；214：DC母线（正侧）；221：外部设备；222：信号布线；223：电源布线；224：12V电池；225：基板连接线；226：高压DC电缆；228：底盘GND；229：电力变换器GND（连接点）；231：电动机电缆（屏蔽电缆）；232：电动机。

Claims (12)

1.一种电力变换装置，其特征在于，包括：

框体；

设置在上述框体上的连接端子；

设置在上述框体的内部的控制电路部；

将上述连接端子与上述控制电路部连接的布线；

连接在上述布线与上述框体的接地电位之间的第一噪声除去单元；以及

在上述布线与上述框体的接地电位之间，与上述第一噪声除去单元并联连接的第二噪声除去单元。

2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

连接上述第一噪声除去单元的上述布线的位置与连接上述第二噪声除去单元的上述布线的位置之间的距离是比应该除去的噪声的最大频率的波长的1/2小的距离。

3.根据权利要求1或2所述的电力变换装置，其特征在于，

连接上述第一噪声除去单元的上述布线的位置与连接上述第二噪声除去单元的上述布线的位置之间的距离是应该除去的噪声的最大频率的波长的1/4。

4.根据权利要求1～3的任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，

在上述框体的内部以包围上述第一噪声除去单元、上述第二噪声除去单元和上述布线的至少一部分的方式具备屏蔽。

5.根据权利要求1～4的任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，

在包围上述第一噪声除去单元、上述第二噪声除去单元、上述布线和上述控制电路部的控制电路基板上设置有GND图案，上述GND图案被缝隙分离为多个GND图案。

6.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，

通过上述缝隙分离为包围上述第一噪声除去单元、上述第二噪声除去单元和上述布线的一部分的第一GND图案和包围上述控制电路部的第二GND图案这至少2个GND图案。

7.根据权利要求1～6的任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，

在为了将该电力变换装置和外部设备连接而设置在该电力变换装置中的连接器与上述连接端子之间设置布线材料。

8.根据权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于，

上述布线材料具有2层以上的层结构。

9.根据权利要求7或8所述的电力变换装置，其特征在于，

上述布线材料是FPC。

10.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

上述连接端子具有第一连接端子和第二连接端子这至少2个，

上述第一连接端子与上述第二连接端子通过信号布线连接，

上述第一连接端子被配置在比上述第二连接端子更接近上述连接器的位置，

具有以包围从上述连接器到上述第一连接端子的方式设置的第一GND图案和以包围从上述第二连接端子到上述控制电路的方式设置的第二GND图案。

11.根据权利要求1～10的任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，

上述控制电路部是微计算机、无线电收发机、比较器的任意一个。

12.根据权利要求1～11的任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，

上述第一噪声除去单元和上述第二噪声除去单元是电容器。

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