JP5381005B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、１以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムに関する。

電力変換装置が発生する伝導ノイズ、放射ノイズによる障害が多々発生している。このことから、電力変換装置が発生するノイズは、ＣＩＳＰＲ（国際無線障害特別委員会）やＶＣＣＩ（情報処理装置等電波障害自主規制協議会）により規制の対象になっている。
図９は、電力変換装置の具体例としての三相モータの速度制御システムを示しており、同時に汎用インバータの雑音端子電圧測定システムを図示する。この図９に示す構成は、三相電源１、インピーダンス整合のための擬似電源回路網（ＬＩＳＮという）２、ダイオード整流器３、平滑コンデンサ４、スイッチング素子であるＩＧＢＴとそれと逆並列接続されたダイオードとを１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを三相分３列備えた汎用インバータ５、汎用インバータ５の各スイッチングアームの中点から導出されるケーブル６、このケーブル６に接続されてスイッチング素子のスイッチングにて駆動電流を制御して速度制御が行われる三相モータ７を備え、更にＬＩＳＮ２内の各相ラインから接地ラインに接続したインピーダンス素子の端子電圧を取得するスペクトラムアナライザ（妨害波強度計）８を備える。

汎用インバータの場合、コモンモード成分（浮遊容量を介して流れる高周波漏れ電流をノイズ源とする成分）が支配的なノイズであると一般的に言われている。そして、この高周波漏れ電流の動作を簡易的に表す方法として、図１０に示すコモンモード等価回路を用いることが多い。
この図１０では、図９の電力変換装置を、中性点電位変動Ｅ（Ｖ）、漏れ電流経路のインダクタンスＬ（Ｈ）、漏れ電流経路の抵抗分Ｒ（Ω）、浮遊容量Ｃ（Ｆ）の直列回路として簡略して表示する。ここで、図１０は図９のモデルを大幅に簡略した構成であるが、ケーブルの浮遊容量や、ＩＧＢＴモジュールの浮遊容量を考慮したモデルも構成できる。しかしながら、どのようなモデルであっても、高周波漏れ電流はアース線を流れる電流と定義されることから、評価装置（汎用インバータやモータ）内部に形成される浮遊容量を介して流れることになる。

また、評価装置には様々な個所に浮遊容量が形成されるものの、高周波漏れ電流の主要な導通経路となる個所は、図９のインバータを形成する３つのスイッチングアームの中点とアース間に形成される浮遊容量となる。また、３スイッチングアームの中点と接続されるケーブル、モータとアース間に形成される浮遊容量も前記アーム中点とアース間の浮遊容量も、前記３スイッチングアームの中点と接続されるケーブル、モータとアース間に形成される浮遊容量も、前記アーム中点とアース間の浮遊容量と並列に接続されることから、主要な高周波漏れ電流経路となる。

すなわち、図９の点線で囲まれる領域９とアース間に形成される浮遊容量が高周波漏れ電流の主要経路となり（具体的には、ＩＧＢＴモジュールの３スイッチングアームの中点とアース間（３個所）、ケーブル（ＲＳＴ相）とアース間、モータ巻線とアース間に夫々形成される浮遊容量）、他の個所に形成される浮遊容量は存在するものの、高周波の電位変動が印加されないことから、主要な漏れ電流経路にはならないとされている。

また、以上は伝導ノイズについて記述しているが、放射ノイズは伝導ノイズが流れることにより発生することから、伝導ノイズを対策することは、放射ノイズを対策することに相当する。
そして、この高周波漏れ電流を効果的に低減する方法については、従来、スイッチングアームの中点に三相一括短絡回路を接続してインバータ出力の３相を短絡し、この短絡点を電位固定回路にて固定することで中性点の電位変動を低く固定しノイズを低減する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、モータフレームと接地ラインとの間、電力変換器の冷却フィンと接地ラインとの間、ＡＣリアクトルと接地ラインとの間、それぞれにダンピングインピーダンスを挿入して、ノイズ電流を抑制する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
更に、電源の次段にコモンモードトランスを介在させ、この二次巻線とコンデンサとの共振周波数をコモンモード成分の周波数帯域に設定して、ノイズを抑制する方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。

なおさらに、インバータの中点各相にリアクトルであるコモンモードチョークを接続してノイズピークの抑制を図ることも知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００４−２２２４２１号公報 特開２００６−２５４６７号公報 特開２００６−１３６０５８号公報 「電圧形ＰＷＭインバータが発生する高周波漏れ電流のモデリングと理論解析」小笠原・藤田・赤木、電学論Ｄ，１１５巻１号７７−８３頁、平成７年

上述の文献にも開示されているようにコモンモード成分のノイズ低減のための方策は、主にスイッチングアームの中点と接地ラインとの間の浮遊容量に着目してこれに流れる高周波漏れ電流を抑制しようとするものである。
ここで、今までの高周波漏れ電流の主要経路となる浮遊容量は、前述したように主にスイッチングアームの中点と接地ラインとの間の浮遊容量（この浮遊容量と並列なケーブルと接地ラインとの浮遊容量並びに三相モータの巻線と接地ラインとの浮遊容量も含む）であり、この浮遊容量が高周波漏れ電流の主要な経路とされてきた。他の個所にも浮遊容量は存在するものの、高周波の電位変動が印加されないことから、主要な漏れ電流経路にはならないとされている。

このため、上記従来例では、電力変換装置を構成する各スイッチングアームの中点と接地ラインとの間の浮遊容量に流れる高周波漏れ電流を抑制するために、インバータの出力側に出力短絡回路とこの出力短絡回路の電位を固定する電位固定回路とを接続してモータ中性点の電位変動を抑制したり（特許文献１）、モータフレーム、電力変換機の冷却フィン及びＡＣリアクトルとアースとの間にそれぞれダンピングインピーダンスを挿入したり（特許文献２）、電源とコンバータとの間に介装したコモンモードトランスのニ次巻線とコンデンサとから形成されるＬＣ並列共振回路の共振周波数をコモンモードノイズの周波数帯域に設定したり（特許文献３）、インバータの出力側にコモンモードチョークとＬＣフィルタを介して誘導電動機を接続し、ＬＣフィルタのフィルタコンデンサの中性点を、コンデンサを介してインバータの直流側（Ｎ側）に接続したりしている（非特許文献１）。

しかしながら、上記各従来例では、上述したように、漏れ電流の主要経路が、スイッチングアームの中点と接地ラインとの間の浮遊容量に流れる高周波漏れ電流であることに着目しているので、電力変換装置が前述した図９に示すように各スイッチングアームの中点と接地ラインとの間の浮遊容量を通じて高周波漏れ電流が流れる回路構成である場合には効果的であるが、主要な漏れ電流経路が上記とは異なり、特定のスイッチングアームで中点と接地ラインとの間の浮遊容量以外の浮遊容量が主要な漏れ電流経路となる場合には適用することができないという未解決の課題がある。

特に、図９の汎用インバータにおける複数のスイッチングアームの両端電圧（Ｐ−Ｎ間電圧）を確保するために、バッテリ等の蓄電装置から直流電圧を供給するモードを持つ例えば無停電電源装置（ＵＰＳ）のような電力変換システムがある。この電力変換システムにおいては、一般的にバッテリ電圧とＰ−Ｎ間電圧とは異なることから（Ｐ−Ｎ電圧の方が高い）、バッテリと汎用インバータとの間に、変圧機能を有する第２の電力変換装置が追加される。

このように電力変換システムを構成した場合には、制御回路とアース間の浮遊容量のみならず、第２の電力変換装置とアース間の浮遊容量、さらにバッテリとアース間の浮遊容量が伝導ノイズ源となる高周波漏れ電流経路となり、大幅にノイズが増加するという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、第１の電力変換装置とこの第１の電力変換装置のスイッチングアームの両端に蓄電装置からの電力を変換して供給する第２の電力変換装置とを有する場合で、スイッチングアームの中点と接地ラインとの浮遊容量が高周波漏れ電流の主要経路にならず、特定のスイッチングアームで中点と接地ラインとの浮遊容量以外の浮遊容量が主要な漏れ電流経路となる場合に、浮遊容量を低減してノイズの小さな電力変換システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る電力変換システムは、１以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムであって、前記第１の電力変換装置、前記第２の電力変換装置及び前記蓄電装置は放射ノイズの外部への放射を防止する金属筐体に収納され、該金属筐体は前記第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板を収納する基板収納領域と前記蓄電装置を収納する蓄電装置収納領域とを仕切る仕切り部を漏れ電流経路となる浮遊容量を低減する絶縁材料で形成したことを特徴としている。

この請求項１に係る発明では、第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板と蓄電装置とを金属筐体に収納することにより、第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置で発生する放射ノイズが外部に放射されることを防止し、プリント基板と蓄電装置との間の仕切り部を絶縁材料で形成するので、漏れ電流経路となる浮遊容量を低減して伝導ノイズの低減を図る。

本発明の請求項２に係る電力変換システムは、１以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムであって、
前記第１の電力変換装置、前記第２の電力変換装置及び前記蓄電装置は放射ノイズの外部への放射を防止する金属筐体に収納され、前記蓄電装置の内部電極と対向する位置に絶縁部材を配置して、前記蓄電装置の内部電極と前記金属筐体との間に形成される平行平板コンデンサの電極面積を小さくし、漏れ電流経路となる浮遊容量を低減したことを特徴としている。

この請求項２に係る発明では、蓄電装置の内部電極と対向する位置に絶縁部材が配設されているので、この絶縁部材によって、バッテリの内部電極と金属筐体を電極とする平行平板コンデンサが形成されるときに、絶縁部材によって対向する電極面積を小さくすることができ、浮遊容量を小さくして、伝導ノイズを低減することができる。
本発明の請求項３にかかる電力変換システムは、１以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムであって、前記第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板を放射ノイズの外部への放射を防止するシールド用の金属箱内に収納し、該金属箱及び前記蓄電装置を絶縁材料で形成した筐体内に収納して、前記金属箱の１面と蓄電装置との間で、高周波漏れ電流の主要経路となる浮遊容量を決定することを特徴としている。

この請求項３に係る発明では、第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板を金属箱内に収納し、この金属箱及び蓄電装置を絶縁材料で形成した筐体内に収納することにより、金属箱で放射ノイズ源となるスイッチング素子が実装されたプリント基板をシールドして、放射ノイズの外部への放射を防止し、筐体全体を絶縁材料で形成することにより、蓄電装置と金属箱の１面との間で、高周波漏れ電流の主要経路となるバッテリとアース間の浮遊容量が決定されて、伝導ノイズを大幅に減少させることができる。

本発明によれば、第１の電力変換装置及び蓄電装置からの電力を変換して前記第１の経電力変換装置のスイッチングアームに供給する第２の電力変換装置を備えた電力変換システムを構成する場合に、第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板と蓄電装置との間の浮遊容量、蓄電装置と金属筐体との浮遊容量等を減少させて伝導ノイズを低減させることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の原理を示す電力変換装置として単相ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータを例示した回路図である。この回路図を用いて本発明者が見出したスイッチングアームの中点と接地ラインとの浮遊容量が高周波漏れ電流の主要経路にならない場合について述べる。まずは、図１の回路について述べる。

図１において、単相の交流電源１０から出力される単相交流電力がインピーダンス整合のための疑似電源回路網（以下、ＬＩＳＮと称す）１１に供給されている。このＬＩＳＮ１１の出力側のＲ相はノーマルリアクトル１２を介して単相ＰＷＭコンバータで構成される第１の電力変換装置１３に接続され、またＳ相は直接第１の電力変換装置１３に接続されている。

第１の電力変換装置１３は、２列のスイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２を有し、各列のスイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２の中点にＬＩＳＮ１１のＲ相ライン及びＳ相ラインがそれぞれ接続されている。
スイッチングアームＳＡ１は、直列に接続された例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されるスイッチング素子Ｓ１及びＳ２と、各スイッチング素子Ｓ１及びＳ２に個別に逆並列接続されたダイオードＤ１及びＤ２とで構成されている。

同様に、スイッチングアームＳＡ２も、直列に接続された例えばＩＧＢＴで構成されるスイッチング素子Ｓ３及びＳ４と、各スイッチング素子Ｓ３及びＳ４に個別に逆並列に接続されたダイオードＤ３及びＤ４とで構成されている。各スイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２のスイッチング素子及びダイオード並列回路が１つのアームを構成している。
そして、スイッチングアームＳＡ１のスイッチング素子Ｓ１及びＳ２の中点にＬＩＳＮ１１のＲ相がノーマルリアクトル１２を介して接続され、スイッチングアームＳＡ２のスイッチング素子Ｓ３及びＳ４の中点がＬＩＳＮ１１のＳ相に接続されている。また、スイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２のスイッチング素子Ｓ１及びＳ３のコレクタが正極ラインＰに接続され、スイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２のスイッチング素子Ｓ２及びＳ４のエミッタが負極ラインＮに接続されている。そして、出力側の正極ラインＰ及び負極ラインＮ間に平滑用コンデンサＣｄｃが接続されている。

この第１の電力変換装置１３では、各スイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２を構成する各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を入力される交流電力に応じて同一スイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４が同時にオン状態とならないようにＰＷＭ制御によるオンオフ制御を行なうことにより正極ラインＰ及び負極ラインＮに直流電力を出力する。なお、この回路では、第１の電力変換装置１３の負荷側から電源側への電力の回生についても電力変換を行なうことができる。

このような図１に示す回路において、高速スイッチングに基づく高周波漏れ電流の主要経路について述べる。スイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２でのスイッチングにより浮遊容量を通って流れる高周波漏れ電流は、このスイッチングによるスイッチングアーム中点の電位変動によって引き起こされる。従って、この電位変動を抑制できれば浮遊容量を充放電する高周波漏れ電流は低減できることになる。ここにおいて、Ｒ相ラインに接続されるスイッチングアームＳＡ１のスイッチングとＳ相ラインに接続されるスイッチングアームＳＡ２のスイッチングとは、回路構成上ノーマルリアクトル１２の有無が異なっており、この有無によりスイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２の中点の電位変動が異なる。

（Ｒ相ラインに接続されるスイッチングアームのスイッチング）
スイッチング素子Ｓ１またはＳ２のスイッチングで発生する高周波漏れ電流は、スイッチングアームＳＡ１の中点と接地ラインとの浮遊容量Ｃｓ２を通って流れる。すなわち、接地ラインの電位はＬＩＳＮ１１内部の回路構成上Ｒ相電位及びＳ相電位の中性点の電位であり、このためＲ相電位及びＳ相電位にスイッチングによる高周波電位変動が生じてもそれは大きなものではない。しかも、Ｒ相にスイッチングにて高周波電位変動が生じてもこの電位変動についてはノーマルリアクトル１２と浮遊容量Ｃｓ２とで電圧分担が行われる。従って、この分担された電位変動は、浮遊容量Ｃｓ２のみを充放電しこれを介して高周波漏れ電流となって接地ラインに流れる。この点、スイッチングアームの中点と接地ラインとの浮遊容量が高周波漏れ電流の主要経路となることは図６の場合と同じである。
（Ｓ相ラインに接続されるスイッチングアームのスイッチング）
スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のスイッチングによって発生する高周波漏れ電流については、次のようになる。前述したように接地ラインの電位はＬＩＳＮ１１内部の回路構成上Ｒ相電位及びＳ相電位の中性点の電位であり、このためＲ相電位及びＳ相電位にスイッチングによる高周波電位変動が生じても大きなものではない。すなわち、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４からなるスイッチングアームＳＡ２の中点電位は、安定電位となるＳ相電位であり大きな電位変動は生ずることなく浮遊容量Ｃｓ４には大きな高周波漏れ電流は生じない。

ところが、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４からなるスイッチングアームＳＡ２と正極ラインＰ及び負極ラインＮとを含むブロック全体を見るとき、大きな電位変動が生ずる。この場合、正極ラインＰ及び負極ラインＮ間の電位変動は、平滑用コンデンサＣｄｃの端子間電圧である直流中間電圧Ｖｃｄｃに相当する。すなわち、次のような動作となる。
＜Ｓ３オン、Ｓ４オフの場合＞
正極ラインＰの電位変動はＳ相電位であり、Ｎラインの電位変動はＳ相電位−直流中間電圧Ｖｃｄｃである。

＜Ｓ３オフ、Ｓ４オンの場合＞
正極ラインＰの電位変動はＳ相電位＋直流中間電圧Ｖｃｄｃであり、負極ラインＮの電位変動はＳ相電位である。
従って、スイッチングアームＳＡ２の中点の電位は、スイッチング状態により正極ラインＰか負極ラインＮの電位となり、電位変動は、直流中間電圧Ｖｃｄｃになる。

この結果、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のスイッチングアームＳＡ１がスイッチングした場合には、前述のように高周波電位変動に基づく高周波漏れ電流は浮遊容量Ｃｓ２を主要回路として流れるのに対し、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のスイッチングアームＳＡ２がスイッチングした場合には、高周波電位変動が正極ラインＰ及び負極ラインＮに波及し、浮遊容量Ｃｓ４以外のたとえばスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３のコレクタと接地ラインとの浮遊容量Ｃｓ１、Ｃｓ３等、全てのスイッチング素子と接地ラインＥとの浮遊容量を主要経路とする高周波漏れ電流が流れる（ここで、スイッチング素子Ｓ１及びＳ２で構成されるスイッチングアームＳＡ１の中点電位は常に正極ラインＰまたは負極ラインＮに接続されることからこの中点と接地ラインＥとの間に生じる浮遊容量Ｃｓ２も高周波漏れ電流経路となる）。

従って、スイッチングアームＳＡ２の中点と接地ラインとの浮遊容量が高周波漏れ電流の主要経路にならない場合でも、他の浮遊容量によって高周波漏れ電流の主要経路が形成されることとなり、この他の浮遊容量を介して最も大きな高周波漏れ電流が流れることになる。
また、図１の負極ラインＮは、一般に制御回路の基準電位と等しくなる場合が多い。このときには、制御回路の配線と接地ラインＥとの間の浮遊容量も高周波漏れ電流の主要経路となり、多くの回路構成やプリントパターンがコモンモード成分の影響を受けることになる。

図２は、単相無停電電源装置のコンバータ及びインバータを取り出して例示したものである。この図２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれフィルタとなるリアクトルＬ１〜Ｌ３の設置位置が異なる例を示している。なお、図１の例からも判明するが、図１でもＲ相ラインのみならずＳ相ラインにもノーマルリアクトルを介装することにより、他の浮遊容量による高周波漏れ電流の防止対策も普通考えるところである。しかし、実際問題として大型のノーマルリアクトルを複数設置することは、電力変換装置の嵩が大きなものとなって装置の小型化に逆行する。このためになるべくリアクトルを少なくしようとすると、上述のように他の浮遊容量によって高周波漏れ電流の主要経路が形成されるという問題が顕在化する。その点、図２の例示も同じであり、図２（ａ）〜（ｃ）は少なくとも１つのスイッチングアームがリアクトル（すなわちインピーダンス素子）を接続せず相対的にインピーダンスが小さいスイッチングアームとなるものである。

図２（ａ）〜（ｃ）において、単相電源２０にはＬＩＳＮ２１が接続され、ＬＩＳＮ２１のＲ相ラインは第１の電力変換装置としてのコンバータ２２に接続されている。このコンバータ２２は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２とこれに逆並列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とからなるスイッチングアームＳＡ１及びスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６とこれと逆並列接続されたダイオードＤ５，Ｄ６からなるスイッチングアームＳＡ３がそれぞれ中点を中心に上下に２個直列に接続された２列のスイッチングアームからなる構造である。そして、Ｒ相ライン及びＳ相ラインはこのスイッチングアームＳＡ１及びＳＡ２の中点に接続されている。また、このコンバータ２２内には平滑用コンデンサＣｄｃが備えられている。

コンバータ２２の次段には、インバータ２３が配置される。このインバータ２３では、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６とこれと逆並列接続されたダイオードＤ５，Ｄ６からなるアームがそれぞれ中点を中心に上下に２個直列に接続されたスイッチングアームＳＡ３をコンバータ２２と共用し、このスイッチングアームＳＡ３と並列に、スイッチング素子Ｓ７、Ｓ８とこれと逆並列接続されたダイオードＤ７，Ｄ８からなるアームがそれぞれ中点を中心に上下に２個直列に接続されたスイッチングアームＳＡ４が接続されている。すなわち、このインバータ２３は２列のスイッチングアームＳＡ３及びＳＡ４を有し、各スイッチングアームＳＡ３及びＳＡ４にはスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６及びＳ７，Ｓ８とこれに逆並列接続されたダイオードＤ５，Ｄ６及びＤ７，Ｄ８とからなるアームが中点を中心に上下に２個直列に接続されている。ここで、インバータ２３の出力側のスイッチングアームＳＡ４の中点は負荷２４に接続されている。また、この回路にはコンバータ２２の入力側及びインバータ２３の出力側それぞれにＲ相及びＳ相間にフィルタとなるコンデンサＣ１、Ｃ２が備えられている。

更に、図２（ａ）において、コンバータ２２の入力側スイッチングアームＳＡ１の中点、及びインバータ２３の出力側スイッチングアームＳＡ４の中点にはそれぞれリアクトルＬ１、Ｌ３が備えられ、コンバータ２２及びインバータ２３の共用スイッチングアームＳＡ３の中点は直接Ｓ相ラインに直結されている。
また、図２（ｂ）において、共用スイッチングアームＳＡ３の中点とＳ相ラインとはリアクトルＬ２を介して接続され、インバータ２３の出力側スイッチングアームＳＡ４の中点にはリアクトルＬ３が備えられる。

更に、図２（ｃ）において、コンバータ２２の入力側スイッチングアームＳＡ１の中点にはリアクトルＬ１が備えられ、共用スイッチングアームＳＡ３の中点とＳ相ラインとはリアクトルＬ２を介して接続されている。
従って、この図２（ａ）〜図２（ｃ）の各回路には、それぞれリアクトルに接続されないスイッチングアームすなわち接続されるインピーダンスが相対的に小さいスイッチングアームの中点が存在することになる。そして、そのリアクトルすなわちインピーダンス素子が接続されないスイッチングアームの中点は、電気的には図１に示す第１の電力変換装置１３のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４のスイッチングアームＳＡ２の中点と同様の動作となる。

すなわち、図２（ａ）では、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６を有するスイッチングアームＳＡ３のスイッチングにより、図２（ｂ）では、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を有するスイッチングアームＳＡ１のスイッチングにより、図２（ｃ）では、スイッチング素子Ｓ７、Ｓ８を有するスイッチングアームＳＡ４のスイッチングにより、それぞれのスイッチングアームの中点と接地ラインＥとの間に形成される浮遊容量が主要経路とならないような最も大きな高周波漏れ電流が流れる。

前述したように、図１の負極ラインＮは、一般に、制御回路の基準電位と等しくなる場合が多い。これは、負極ラインＮを制御電源の基準電位と同一とすることで、図１中の下アームのスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４を、絶縁することなく駆動できるためである。しかしながら、この場合、制御回路部（プリントパターンやスイッチング素子、受動素子を含むすべて）とアースとの間の浮遊容量すべてが高周波漏れ電流の主要経路となることから、大幅に伝導ノイズが増加する。

また、図１や図２に示す回路構成において、スイッチングアームＳＡ１〜ＳＡ４の両端電圧（Ｐ−Ｎ間の電圧）を確保するために、第１の電力変換装置１３又は第１の電力変換装置としてのコンバータ２２と並列にバッテリ等の蓄電装置から供給するモードを持つ電力変換装置を接続する構成が知られている。
その代表的な装置は、無停電電源装置（UPS:Uninterruptible Power Supply）である。

ここで、一般的に、バッテリ等の蓄電装置の蓄電電圧と正極ラインＰ及び負極ラインＮ間の電圧とは値が異なる。すなわち、バッテリ等の蓄電装置の出力電圧値よりも正極ラインＰ及び負極ラインＮ間の電圧値の方が高い。このため、バッテリ等の蓄電装置と図１、図２の第１の電力変換装置１３との間に、変圧機能を持つ第２の電力変換装置が追加される。

すなわち、図３に示すように、第１の電力変換装置１３の出力側にバッテリ等の蓄電装置３９に接続された第２の電力変換装置４０が並列に接続されている。
この第２の電力変換装置４０は、バッテリなどの蓄電装置３９によって充電されるコンデンサ４１と、蓄電装置３９の出力を二次側に伝達するトランス４２と、トランス４２に直列に接続されたトランジスタ及びそれと逆並列接続されたダイオードＤからなるスイッチング素子Ｓと、トランス４２の二次側に接続された整流ダイオード４３と、平滑コンデンサ４４とを含んで構成されている。そして、平滑コンデンサ４４の両端が第１の電力変換装置１３の出力側の正極ラインＰ、負極ラインＮに接続される。

また、第２の電力変換装置を図４に示すように構成してもよい。この場合の第２の電力変換装置４０は、バッテリなどによる蓄電装置３９によって充電されるコンデンサ４１と、スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄとこれらに逆並列接続されたダイオードＤａ、Ｄｂ、Ｄｃ及びＤｄによって構成されるトランジスタブリッジＴＢと、スイッチング素子Ｓａ及びＳｂの接続点とスイッチング素子Ｓｃ及びＳｄ（の接続点に接続されたトランス４２と、トランス４２の二次側に接続されたダイオードブリッジ４５とを含んで構成されている。そして、ダイオードブリッジ４５の両端が図１中の第１の電力変換装置１３の出力側の正極ラインＰ、負極ラインＮに接続される。

ここで、図３及び図４に示す第２の電力変換装置４０にもスイッチング素子が含まれている。このとき、図３及び図４中の負極ラインＮ′と、第１の電力変換装置（図１、図２）に接続される負極ラインＮとは、制御回路を介して同電位となる場合が多い。
これは、図３及び図４の第２の電力変換装置４０に含まれているトランス４２が、絶縁を目的としたものではなく、変圧作用を目的としていることに起因し、制御回路と非絶縁で接続しスイッチング素子を駆動した方が、制御回路を簡単化でき、コストダウンできるためである。

しかしながら、このような構成とした場合、上述した制御回路とアースとの間の浮遊容量のみならず、第２の電力変換装置４０とアースとの間の浮遊容量も、伝導ノイズ源となる高周波漏れ電流経路となり、大幅にノイズが増加する懸念がある。
これを解決するためには、前述した図３の回路構成において、図５に示すように、前述した第１の電力変換装置１３及び第２の電力変換装置４０等をプリント基板５０に実装し、このプリント基板５０を金属筐体５１内の上方寄りに形成した基板収納領域５０ａに収納するとともに、蓄電装置３９を金属筐体５１内の下方寄りに形成した蓄電装置収納領域５０ｂに収納する。そして、プリント基板５０を収納した基板収納領域５０ａと蓄電装置３９を収納した蓄電装置収納領域５０ｂとの間にプラスチック等の絶縁材料で形成された仕切り部５２を設ける。ここで、仕切り部５２は、蓄電装置３９の交換時にプリント基板５０部分に接触しないことを目的に仕切り部５２と蓄電装置３９との間隔が比較的広く設定されている。

このように、プリント基板５０と蓄電装置３９との間に絶縁材料で形成された仕切り部５２を設けることにより、蓄電装置３９とアースとなる金属筐体５１との間に生じる浮遊容量を低減させることができ、高周波漏れ電流の経路となる浮遊容量の低減によって伝導ノイズの低減を図ることができる。このとき、第１の電力変換装置１３及び第２の電力変換装置４０を実装したプリント基板５０及び蓄電装置３９を含む装置全体を金属筐体５１内に収納することにより、放射ノイズをシールドして装置外部へ放射される放射ノイズの増加を防止することができる。

因みに、従来では、仕切り部５２は蓄電装置３９の交換時にプリント基板５０に接触しないように設けられ、またバッテリ給電線への放射ノイズ重量を防止するため、金属筐体５１と同様に金属材料で構成し、金属筐体５１と電気的に接続することが多い。このようにすると、蓄電装置３９が近接した金属性の仕切り部で取り囲まれることになり、前述のように主要な漏れ電流の経路である蓄電装置３９と筐体５１間の浮遊容量を増加させて、ノイズが増大する原因となる。しかしながら、本実施形態では、プリント基板５０と蓄電装置３９との間に絶縁材料で形成された仕切り部５２が設けられていることにより、蓄電装置３９と金属筐体５１との間浮遊容量を減少することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図６について説明する。
この第２の実施形態では、蓄電装置３９のプリント基板５０と対向する面以外の面と筐体との間の浮遊容量を減少させるようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図６に示すように、少なくとも蓄電装置３９の内部電極板３９ａに対向する面にプラスチック等の絶縁材料で形成された絶縁部材６０を配設している。ここで、絶縁部材６０は、蓄電装置３９の内部電極板３９ａと対向する左右端部６０ａ，６０ｂとこれらを蓄電装置３９の上方側で連結する連結板部６０ｃとから断面コ字状に形成され、左端部６０ａが金属筐体５１の一部として構成され、右端部６０ｂが蓄電装置３９と金属筐体５１との間に介在されている。

このように蓄電装置３９を、その内部構造を考慮して絶縁部材６０で覆うことにより、蓄電装置３９と最も大きく浮遊容量が形成される個所に着目して浮遊容量を低減することで蓄電装置３９とアースとの間の浮遊容量を減少させることができる。すなわち、蓄電装置３９を鉛蓄電池で構成した場合には、図７に示すように、電槽６５内に複数の例えば６個のセル６６ａ〜６６ｆが形成され、左端のセル６６ａに二酸化鉛で構成されるプラス電極６７が配設され、右端のセル６６ｆに鉛で構成されるマイナス電極６８が配設されている。各セル６６ａ〜６６ｆ内には、セパレータ６９及びガラスマット７０が配設されている。各セル６６ａ〜６６ｆの隣接するセル間には、両者を直列に接続するための負極７１ｎ及び正極７１ｐが配設され、これら負極７１ｎ及び正極７１ｐによって各セル６６ａ〜６６ｆが直列に接続されている。各セル６６ａ〜６６ｆは数Ｖ（例えば２Ｖ）を出力するので、６個のセル６６ａ〜６６ｆで１２Ｖを出力することができる。

ところで、各セル６６ａ〜６６ｆにはセル間を直列に接続するための負極７１ｎ及び正極７１ｐとプラス電極６７及びマイナス電極６８との計１２個の電極が存在し、これらは鉛や二酸化鉛などの金属で構成される。各電極はセル６６ａ〜６６ｆを直列に接続するため、外部出力に接続するプラス電極６７及びマイナス電極６８と、各セル間の負極７１ｎ及び正極７１ｐを直列に接続して支持する導電体と見做すことが可能な５組の絶縁仕切板７２とで計７個の金属体が蓄電装置３９の内部に存在する。これらが筐体との間に浮遊容量を形成することになる。

バッテリ電圧をＰ−Ｎ間電圧へ昇圧する回路の方式や蓄電装置３９による給電時間の仕様によって上記の蓄電装置３９を複数個直列に接続して構成する場合もあり、この場合浮遊容量はさらに大きくなる。
ここで、平行平板コンデンサの静電容量は、電極面積に比例し、電極間距離に反比例する。蓄電装置３９と筐体５１間の浮遊容量は、蓄電装置３９の電極と筐体５１を電極とする平行平板コンデンサと見做すことができるため、対向する電極面積を小さくすることで、浮遊容量を小さくすることができる。

そこで、蓄電装置３９の内部電極と対向する位置にある筐体５１の一部を絶縁部材６０の左端部６０ａとすることで、蓄電装置３９とアース間の浮遊容量を小さくすることができ、ノイズの小さな無停電電源装置を実現することができる。
なお、上記第２の実施形態においては、絶縁部材６０の左端部６０ａのみを金属筐体５１の一部として構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、右端部６０ｂも金属筐体５１の一部として構成することもできる。

次に、本発明の第３の実施形態を図８について説明する。
この第３の実施形態では、前述した第２の実施形態においては、金属筐体５１の蓄電装置３９の内部電極に対向する位置に絶縁部材６０ａを配設することにより、蓄電装置３９の内部電極とアースとの間の浮遊容量を低減する場合について説明したが、この場合には、金属筐体５１の一部を絶縁部材６０ａで形成することにより、放射ノイズのシールド効果が小さくなり、放射ノイズが増加する可能性があるが、これを抑制するようにしたものである。

すなわち、第３の実施形態では、図８に示すように、蓄電装置３９とアース間の浮遊容量を低減しながら、放射ノイズの装置外への漏洩を防止する目的で、第１の電力変換装置１３及び第２の電力変換装置４０を実装するプリント基板５０を金属箱８０内に収納し、この金属箱８０と蓄電装置３９とをプラスチック等の絶縁材料で構成する絶縁筐体８１内に収納する構成とされている。ここで、金属箱８０は放射ノイズ源となるスイッチング素子等が実装されたプリント基板５０をシールドする目的で用いているため、アース電位への接続の有無は問わない。

この第３の実施形態によると、高周波漏れ電流の主要経路となる蓄電装置３９とアースとの間の浮遊容量は、絶縁筐体８１全体をプラスチック等の絶縁材料で構成することによって、蓄電装置３９と金属箱８０とが対向する１面との配置で決定されることから、伝導ノイズを大幅に減少させることが可能となる。このような構成を採用することで、伝導ノイズ及び放射ノイズの小さな無停電電源装置を実現することができる。

本発明は、第１及び第２の電力変換装置や蓄電装置が発生する伝導ノイズ及び放射ノイズなどの対策に利用することができる。

本発明の実施形態を説明するためのコンバータの概略構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態としての電力変換装置の概略構成を示す回路図である。 本発明を適用し得る無停電電源装置を示す回路図である。 第２の電力変換装置の他の例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態の筐体構成を示す模式的斜視図である。 本発明の第２の実施形態の筐体構成を示す模式的斜視図である。 本発明に適用し得る蓄電装置の一例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の筐体構成を示す模式的斜視図である。 従来例の電力変換装置を示す回路図である。 高周波漏れ電流を簡易的に表すコモンモード等価回路図である。

符号の説明

１…三相電源、２…擬似電源回路網、３…ダイオード整流器、４…平滑コンデンサ、５…汎用インバータ、６…ケーブル、７…三相モータ、８…スペクトラムアナライザ、１０…交流電源、１２…ノーマルリアクトル、１３…第１の電力変換装置、２０…単相電源、２２…コンバータ、２３…インバータ、２４…負荷、３９…蓄電装置、４０…第２の電力変換装置、４１…コンデンサ、４２…トランス、４３…整流ダイオード、４４…平滑コンデンサ、４５…ダイオードブリッジ、５０…プリント基板、５１…金属筐体、５２…仕切り部、６０…絶縁部材、６０ａ…左端部、６０ｂ…右端部、６０ｃ…連結端部、６５…電槽
６６ａ〜６６ｆ…セル、６７…プラス電極、６８…マイナス電極、７１ｎ…負極、７１ｐ…正極、７２…絶縁仕切板、８０…金属箱、８１…絶縁筐体、Ｌ…インダクタンス、Ｌ１〜Ｌ３…リアクトル、Ｓ、Ｓ１〜Ｓ８、Ｓａ〜Ｓｄ…スイッチング素子、ＳＡ１〜ＳＡ４…スイッチングアーム

Claims (3)

1. １以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムであって、
   前記第１の電力変換装置、前記第２の電力変換装置及び前記蓄電装置は放射ノイズの外部への放射を防止する金属筐体に収納され、該金属筐体は前記第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板を収納する基板収納領域と前記蓄電装置を収納する蓄電装置収納領域とを仕切る仕切り部を漏れ電流経路となる浮遊容量を低減する絶縁材料で形成したことを特徴とする電力変換システム。
2. １以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムであって、
   前記第１の電力変換装置、前記第２の電力変換装置及び前記蓄電装置は放射ノイズの外部への放射を防止する金属筐体に収納され、前記蓄電装置の内部電極と対向する位置に絶縁部材を配置して、前記蓄電装置の内部電極と前記金属筐体との間に形成される平行平板コンデンサの電極面積を小さくし、漏れ電流経路となる浮遊容量を低減したことを特徴とする電力変換システム。
3. １以上のスイッチング素子を１アームとして２アームを直列に接続したスイッチングアームを複数列並列に接続した第１の電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換して前記スイッチングアームの両端に供給する第２の電力変換装置とを有する電力変換システムであって、
   前記第１の電力変換装置及び第２の電力変換装置を実装するプリント基板を放射ノイズの外部への放射を防止するシールド用の金属箱内に収納し、該金属箱及び前記蓄電装置を絶縁材料で形成した筐体内に収納して、前記金属箱の１面と蓄電装置との間で、高周波漏れ電流の主要経路となる浮遊容量を決定することを特徴とする電力変換システム。

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