JP2012110156A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２段フィルタの減衰特性悪化を防止することにより、小型なフィルタでノイズ規格をクリアできるようにする。
【解決手段】コモンチョークコイルＬ１，Ｌ２にアース電位相当の冷却フィン３を近接させる構成とすることにより、コモンチョークコイルＬ１，Ｌ２とアースとの静電結合を大きくし、コモンチョークコイルＬ１とＬ２間の静電結合を小さくし得るようにする。これにより、２段以上のフィルタの減衰特性悪化を防止できるようにし、小型なフィルタでノイズ規格をクリアできるようにする。
【選択図】図２

Description

この発明は、ノイズフィルタを筐体内部に内蔵する電力変換装置に関する。

図7は、三相の商用電源から電力を得る場合の、従来の一般的な電力変換装置を示す回路図である。ここに、電力変換装置２０は商用電源１０の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷３０へ供給する。電力変換装置内には、商用電源１０から入力した交流を全波整流する全波整流回路２０２と、全波整流回路２０２の出力する脈動波形を平滑化する平滑コンデンサ２０３と、平滑コンデンサ２０３の出力側に接続されて、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより、負荷の要求する電圧・電流を出力する電力変換回路２０４とを有している。

また、電力変換装置内で発生したノイズが商用電源側に伝わらないように設けられたノイズフィルタ回路２０１が、交流入力と全波整流回路２０２との間に接続されている。近年は、省スペースに対応するためや電力変換器と外付けノイズフィルタユニットとの配線の手間を省くために、ノイズフィルタを電力変換器の内部に設置したもの（フィルタ内蔵タイプ）が要求されてきている。

一方、フィルタ回路としてはコモンモードチョークコイル（以下、単にコモンチョークコイルともいう）と接地コンデンサ・線間コンデンサからなる1段フィルタ構成が主流であるものの、従来準拠してきたノイズ規格よりさらに厳しいノイズ規格に準拠する要求がある場合には、例えば特許文献１に開示される図８（ａ）のような２段フィルタを用いることもある。

特開２００９−２６７５９６号公報

しかしながら、２段フィルタを構成するためにコモンチョークコイルを２つ並べると、コモンチョークコイル間に形成される図８（ｂ）に示すような浮遊容量Ｃｓ１〜Ｃｓ３によって、ノイズフィルタの減衰特性が悪化し、本来得られるはずのノイズ減衰量より小さくなってしまう（図９特性Ｙ参照）。フィルタ回路を電力変換装置に内蔵する場合には、フィルタ回路の実装密度も高くなるため、コモンチョークコイル間の浮遊容量は大きくなり、減衰特性はさらに悪化する。このような場合、ノイズ規格に準拠するためには、コアを大型にしてインダクタンスを大きくする必要があり、その結果、装置が大型化してしまうという問題がある。また、この現象は２段フィルタに限らず、２段以上の複数段フィルタにも同様に生じる。

従って、この発明の課題は、電力変換装置に内蔵される２段以上の複数段フィルタの減衰特性悪化を防止し、小型なフィルタを構成することによって、ノイズが小さく、小型な電力変換装置を実現することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより所望の電圧、電流に変換する電力変換回路と、前記電力変換回路が発生するノイズを低減するためのノイズフィルタ回路とを備えた電力変換装置において、
前記半導体素子を冷却する冷却フィン上に、前記ノイズフィルタ回路を搭載するノイズフィルタ回路基板と、ノイズフィルタ回路以外の前記半導体素子を含む主回路部品を搭載する主回路基板とを分離して設置するとともに、前記ノイズフィルタ回路は少なくとも２つ以上のコモンチョークコイルと、少なくとも1つ以上の線間コンデンサと、前記２つのコモンチョークコイル間の接続点に少なくとも１つ以上の接地コンデンサとを含み、前記ノイズフィルタ回路基板の一方の面にはアース電位に接続されたベタアースパターンを布設し、このベタアースパターンと同一面には少なくとも１つ以上のコモンチョークコイルを実装し、上からノイズフィルタ回路基板、コモンチョークコイル、冷却フィンの順になるように配置されたことを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記主回路基板にのみ冷却フィンを対向配置し、前記ノイズフィルタ回路基板には冷却フィンに代えて筐体と同電位となる金属板を、前記コモンチョークコイル直下で絶縁を確保できる最小距離に、かつコモンチョークコイル実装面積より大きな面積となるように設置することができ（請求項２の発明）、この請求項２の発明においては、前記主回路基板および前記ノイズフィルタ回路基板を、共通の基板から構成することができる（請求項３の発明）。
以上のように、コモンチョークコイルにアース電位となる冷却フィンまたは金属板を近接させる構成とすることにより、コモンチョークコイルとアースの静電結合を大きくし、コモンチョークコイル間の静電結合を小さくし得るようにする。これにより、２段フィルタの減衰特性悪化を防止することができ、小型なフィルタでノイズ規格をクリアできるようになる。

フィルタ減衰特性悪化を防止することができるため、コア本来の特性を発揮することができる。悪化分を補うため従来行ってきたコアの大型化を行なう必要がなくなり、コアを小型化することができ、電力変換装置自身の大きさを小さくすることが可能である。
また、入力ラインの近傍にベタアースパターンを形成することで、モータ・ケーブル共振点での減衰特性を改善することができる。
この構成によりコモンチョークコイルの特性悪化を防止するだけでなく、ファンからの気流を利用してコモンチョークコイルや電解コンデンサを冷却することができる。

この発明の第１実施形態である電力変換装置を示す斜視図。 図１の断面図。 この発明の別の実施形態を示す斜視図。 図３の断面図。 この発明のさらに別の実施形態を示す斜視図。 図５の断面図。 従来の電力変換装置と、雑音端子電圧測定システムを示す回路図。 ２段フィルタの回路構成と、２つのコモンチョークコイル間の浮遊容量を示す回路構成図。 ２段フィルタ減衰特性の悪化を説明する特性図。

以下に、この発明の実施形態について図を参照して詳細に説明する。

図１にこの発明の実施形態となる電力変換器の斜視図を、図２に横方向からの断面図をそれぞれ示す。
図１，２のように主回路部１とフィルタ回路部２とを冷却フィン３上に配置する。冷却フィン３は一般的に筐体（図示なし）と接続されるため、アース電位となる。主回路基板１１は半田面が冷却フィン３と対向するように設置され、その裏面が部品実装面となる。一方、フィルタ基板２１は冷却フィンと対向する面にベタパターンが布設され、このベタパターンはケーブル等で冷却フィンに接続されアース電位となる（以下、ベタアースパターンともいう）。ベタアースパターン２３の裏面には電源ラインのパターン２２が実装される。コモンチョークコイル２４はベタアースパターン面に実装され、裏側の電源ラインパターン２２とビア（メッキ穴）を介して接続される。

したがって、コモンチョークコイル２４を接続するビアは電源電位となり、ベタアースパターン２３はアース電位となることから、これらの間は適切な絶縁距離をとったクリアランスをもってベタアースパターン２３が布設されている。このとき、フィルタ回路の線間コンデンサや接地コンデンサ（図示なし）は、基板のどちらの面に実装しても構わない。主回路基板１１と冷却フィン３との距離は、一般に冷却フィン上に直接実装された半導体モジュール（複数の半導体素子が１つにパッケージされたもの）１２の厚さと、半導体モジュール１２の入出力端子の高さで決まる。

一方、フィルタ回路側１は基板２１と冷却フィン３間にコモンチョークコイル２４を実装するため、コモンチョークコイル２４の厚さおよびコモンチョークコイルと冷却フィン間の絶縁距離分の空間が必要となる。したがって、冷却フィン上で、フィルタ基板２１と主回路基板１１とは異なる高さで設置される。フィルタ基板２１と主回路基板１１との間はブスバーまたはケーブル（図示なし）によって接続する。

以上の構成により、コモンチョークコイル２４は、上からベタアースパターン２３、下からアース電位となる冷却フィン３から挟まれ、アースと近接配置した構成となることで、コモンチョークコイルとアース電位との静電結合が大きくなり、その結果２つのコモンチョークコイル間の静電結合が小さくなり、フィルタ減衰特性の悪化を防止することができる。
また、電源ラインのパターン２２の直下にベタアースパターン２３を布設した構成となっていることから、容量結合および誘導結合に起因するノイズを減少させる効果も期待できる。

図３にこの発明の別の実施形態となる電力変換器の斜視図を、図４に横方向からの断面図を示す。
コモンチョークコイル間の静電容量を小さくするためには、コモンチョークコイルにアース電位となる金属面が近接する構成をしていればよく、それは必ずしも冷却フィンでなくともよい。

そこで、主回路基板１１は冷却フィン３上に設置し、フィルタ基板２１の設置する位置の直下には冷却フィンをおかず、アース電位と同電位なる金属板４を布設し、フィルタ基板２１と主回路基板１１とはブスバーまたはケーブルで接続する構成とする。このとき、フィルタ基板２１と主回路基板１１との実装方法は図１と同様とする。また、コモンチョークコイル２４と冷却フィン３の櫛状形状部分を隣接させて設置することにより、ファンからの気流をコモンチョークコイル２４に当てる構成となり、コモンチョークコイル２４の発熱を抑えることができる。

一方、金属板４はコイルとの絶縁距離を確保した最小距離の位置に、冷却ファンからの気流を妨げないよう底面からの金属板支持部はフィンの櫛状形状部と同方向になるように設置する。これによって、コモンチョークコイル間の結合よりも、コモンチョークコイルとアース間の結合の方が強くなるため、コモンチョークコイル間の静電結合が弱くなり、フィルタの減衰特性の悪化を防止することができる。また、金属板４はコモンチョークコイル２４の実装面積よりも大きな面積となるように設置する。

以上、フィルタ回路基板と主回路基板が分離している場合について説明したが、フィルタ回路と主回路基板が１つの基板に集約されている場合の実施形態について説明する。
図５にこの発明のさらに別の実施形態となる電力変換器の斜視図を、図６に横方向からの断面図を示す。

絶縁基板６は設置するときに冷却フィンと相対する面を半田面、その裏面を実装面とする。このとき、フィルタ回路部分の半田面にはベタアースパターン２３を布設し、実装面に電源ラインのパターン２２を布設し、半田面にコモンチョークコイル２４を実装する。一方、主回路部分では、実装面に部品を実装する。コモンチョークコイル実装位置の直下には冷却フィン３はなく、代わりに冷却フィン（アース電位）と同電位となる金属板４が、冷却の気流を乱さないような構造となるように設置されている。

絶縁基板６と冷却フィン間の距離は、冷却フィン上に直接実装される半導体モジュール１２の厚さと入出力端子の高さで決定する。この場合、基板６と冷却フィン３の間の距離は短くなるため、この距離にコモンチョークコイルを設置することは出来ない。したがって、フィルタ回路部分には冷却フィンは設置せず、冷却フィン３と同電位となる金属板４を設置する。このとき、この金属板４はコモンチョークコイル２４から適切な絶縁距離を取った最小距離の位置に設置し、筐体５の底面と接続する金属板支持部は冷却用ファンからの気流を妨げないようにフィンの櫛型形状と同じ向きに設置する。また、金属板４はコモンチョークコイル２４の実装面積よりも大きな面積となるように設置する。

このような構成にすることで、コモンチョークコイル２４は上からベタアースパターン２３、下からアース電位となる金属板４に近接しているため、コモンチョークコイルとアース電位との静電結合が大きくなり、コモンチョークコイル間の静電結合を小さくすることが可能となり、フィルタの減衰特性悪化を防止することができる。さらに、ファンからの気流がコモンチョークコイルにあたることで発熱を抑えることが可能となる。

１…主回路部、２…フィルタ回路部、３…冷却フィン、４…金属板、５…筐体、６…絶縁基板、１１…主回路基板、１２…半導体モジュール、２１…フィルタ基板、２２…電源ラインパターン、２３…ベタアースパターン、２４，２４ａ…コモンモードチョークコイル（コモンチョークコイル）、２５…入力端子台、２６…アース線。

Claims (3)

1. 少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより所望の電圧、電流に変換する電力変換回路と、前記電力変換回路が発生するノイズを低減するためのノイズフィルタ回路とを備えた電力変換装置において、
   前記半導体素子を冷却する冷却フィン上に、前記ノイズフィルタ回路を搭載するノイズフィルタ回路基板と、ノイズフィルタ回路以外の前記半導体素子を含む主回路部品を搭載する主回路基板とを分離して設置するとともに、前記ノイズフィルタ回路は少なくとも２つ以上のコモンチョークコイルと、少なくとも1つ以上の線間コンデンサと、前記２つのコモンチョークコイル間の接続点に少なくとも１つ以上の接地コンデンサとを含み、前記ノイズフィルタ回路基板の一方の面にはアース電位に接続されたベタアースパターンを布設し、このベタアースパターンと同一面には少なくとも１つ以上のコモンチョークコイルを実装し、上からノイズフィルタ回路基板、コモンチョークコイル、冷却フィンの順になるように配置された電力変換装置。
2. 前記主回路基板にのみ冷却フィンを対向配置し、前記ノイズフィルタ回路基板には冷却フィンに代えて筐体と同電位となる金属板を、前記コモンチョークコイル直下で絶縁を確保できる最小距離に、コモンチョークコイル実装面積より大きな面積となるように設置する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記主回路基板および前記ノイズフィルタ回路基板を、共通の基板から構成する請求項２に記載の電力変換装置。