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JP5705349B2 - Noise analysis design method and noise analysis design apparatus - Google Patents

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JP5705349B2 JP2014090881A JP2014090881A JP5705349B2 JP 5705349 B2 JP5705349 B2 JP 5705349B2 JP 2014090881 A JP2014090881 A JP 2014090881A JP 2014090881 A JP2014090881 A JP 2014090881A JP 5705349 B2 JP5705349 B2 JP 5705349B2
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Description

本発明は、電気装置のノイズ解析設計技術に関し、特に、自動車用インバータなどのEMC(Electro Magnetic Compatibility:電磁界)解析設計方法に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a noise analysis design technique for electrical devices, and more particularly to a technique that is effective when applied to an EMC (Electro Magnetic Compatibility) analysis design method such as an inverter for an automobile.

本発明者が検討したところによれば、電気装置のノイズ解析設計技術に関しては、例えば特許文献1,2に記載される技術などが挙げられる。   According to a study by the present inventor, for example, techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 can be cited as noise analysis design techniques for electrical devices.

特許文献1には、コンピュータの使用するメモリ量、およびシミュレーション計算時間の大幅な削減をする電磁界解析装置において、シミュレーションによる電磁界計算結果と、実際の電磁界計算結果との誤差が極小となるようにする技術が記載されている。   In Patent Document 1, in an electromagnetic field analysis device that greatly reduces the amount of memory used by a computer and simulation calculation time, an error between an electromagnetic field calculation result by simulation and an actual electromagnetic field calculation result is minimized. Techniques for doing so are described.

特許文献2には、プリント配線板およびマルチチップモジュール基板の設計において、波形、熱、タイミング、電磁放射などの各種シミュレーションを高精度に行う配線板設計装置が記載されている。   Patent Document 2 describes a wiring board design apparatus that performs various simulations such as waveforms, heat, timing, and electromagnetic radiation with high accuracy in designing a printed wiring board and a multichip module substrate.

特開2006−209590号公報JP 2006-209590 A 特開平9−245076号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-245076

ところで、前記のような電気装置のノイズ解析設計技術に関して、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。たとえば、上記特許文献1は、モデルの簡略化はビア(多層基板の層間を導通接続する穴)のリターン電流のみを考慮し、基板間、基板−ケーブル間については記載されておらず、また、寄与度の高い部位(主経路)の抽出が行われていない。また、上記特許文献2は、EMCシミュレーションの高速化については記載されていない。   By the way, as a result of examination by the present inventor regarding the noise analysis design technique of the electric device as described above, the following has been clarified. For example, in the above-mentioned Patent Document 1, simplification of the model is based on only the return current of vias (holes for conductive connection between layers of a multilayer board), and is not described between boards and between boards and cables. A part (main route) having a high contribution is not extracted. Moreover, the said patent document 2 is not described about speeding up of EMC simulation.

また、従来技術における電気装置のノイズ解析設計技術において、自動車用インバータでは、EMC設計を電磁界解析にて求める場合、例えば100kWクラスのインバータの設計では1nWと小さい許容漏洩電力以下に抑えるには、その2つの比である10の−14乗以下の抑制が必要で、その解析精度が必要とされ、計算機コストをかけても実用時間内に計算が終わらなかった。   In addition, in the noise analysis design technology for electric devices in the prior art, in the case of an automotive inverter, when EMC design is obtained by electromagnetic field analysis, for example, in the design of an inverter of a 100 kW class, to suppress the allowable leakage power below 1 nW or less, It is necessary to suppress the ratio of the two to 10 −14 or less, the analysis accuracy is required, and the calculation is not completed within the practical time even if the computer cost is increased.

そこで、本発明の目的は、製品設計の上流段階で、熱、振動、EMCのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a simulation technique for ending heat, vibration, and EMC multiphysics analysis in a practical time and at a low cost calculation process at an upstream stage of product design.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

すなわち、代表的なものの概要は、自動車用インバータなどの電気装置のノイズ解析設計方法において、この電気装置には、1つ以上のエネルギー源と、エネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路と、伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位とがあり、計算機を用いて、ユーザから指定された経路を解析して発生放射ノイズなどの発生ノイズを推定するステップを有し、このユーザから指定された経路は伝搬経路を流れるエネルギーの経路であることを特徴とする。   That is, a typical outline is a noise analysis design method for an electric device such as an inverter for an automobile. The electric device includes one or more energy sources, a propagation path through which energy from the energy source propagates, and a propagation There is a noise generation site where electromagnetic radiation noise is generated by energy transmitted from the route, and using a computer, the route specified by the user is analyzed to estimate the generated noise such as the generated radiation noise. The path specified by the user is a path of energy flowing through the propagation path.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

すなわち、代表的なものによって得られる効果は、製品設計の上流段階で、熱、振動、EMCのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供することができる。   That is, the effect obtained by the representative one can provide a simulation technique that can end the multi-physics analysis of heat, vibration, and EMC in a practical time and in a low-cost calculation process in the upstream stage of product design.

本発明の一実施の形態であるEMC設計方法のフローおよびEMC設計装置の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the EMC design method which is one embodiment of this invention, and the structure of an EMC design apparatus. 本発明の一実施の形態において、ひな型等価回路化の詳細フローを説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a diagram for explaining a detailed flow of the model equivalent circuit. 本発明の一実施の形態において、マルチフィジックス解析による設計フローを説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a figure for demonstrating the design flow by multiphysics analysis. 本発明の一実施の形態において、インバータの構造を説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a diagram for explaining the structure of an inverter. 本発明の一実施の形態において、自動車用インバータのEMC設計を説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a diagram for explaining the EMC design of the inverter for automobiles. 本発明の一実施の形態において、インバータの断面を説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a diagram for explaining a cross section of an inverter. 本発明の一実施の形態において、要素ごとの等価モデルを説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining an equivalent model for each element in an embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態において、インバータのひな型等価回路を説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a diagram for explaining a model equivalent circuit of the inverter. 本発明の一実施の形態において、回路定数データベースの作成を説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a diagram for explaining the creation of a circuit constant database. 本発明の一実施の形態において、EMC設計装置の入力インタフェースを説明するための図である。In one embodiment of the present invention, it is a figure for explaining an input interface of an EMC design device.

<実施の形態の概要>
本発明の実施の形態における電気装置のノイズ解析設計技術の概要を説明する。本実施の形態においては、EMC高速解析技術を実現するために回路解析を用いる。
<Outline of the embodiment>
An outline of a noise analysis design technique for an electric device according to an embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, circuit analysis is used to realize an EMC high-speed analysis technique.

EMCは、元来、電磁現象の問題であるから電磁界解析を解くのが普通であるが、本実施の形態では、それを電気回路で解析することで高速化するという発想の転換を行っている。これが可能となる前提は、製品のノイズメカニズムが明らかであり、寄生成分を含むノイズ伝搬経路が明らかになっていることである。これにより、EMC回路解析における等価回路化が可能となる。   Since EMC is originally a problem of electromagnetic phenomena, it is common to solve electromagnetic field analysis, but in this embodiment, the idea of speeding up by analyzing it with an electric circuit is changed. Yes. The premise that this is possible is that the noise mechanism of the product is clear and the noise propagation path including parasitic components is clear. Thereby, an equivalent circuit in the EMC circuit analysis can be realized.

このEMC回路解析の考え方は、基本方程式として、E=SPA、すなわち、放射強度であるエミッション(E)は、ノイズ源のソース(S)と、伝搬経路(P)、及びアンテナ(A)の積で表せるという考え方に基づいている。自動車用インバータでは、インバータを構成するそれぞれの部位が、このE=SPAのどこの部分に対応するかというメカニズムを解明する。そして、このメカニズムに対応した等価回路を作成し、回路解析を行うことによってEMCの電界強度が計算できるようになる。   The concept of this EMC circuit analysis is that, as a basic equation, E = SPA, that is, emission (E), which is radiation intensity, is a product of a source (S) of a noise source, a propagation path (P), and an antenna (A). This is based on the idea that In the inverter for automobiles, the mechanism of which part of the E = SPA corresponds to each part constituting the inverter is clarified. Then, by creating an equivalent circuit corresponding to this mechanism and performing circuit analysis, the electric field strength of EMC can be calculated.

以下において、本実施の形態の概要に基づく、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention based on the outline of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

<EMC設計方法のフローおよびEMC設計装置の構成>
図1は、本発明の一実施の形態であるEMC設計方法のフローおよびEMC設計装置の構成を説明するための図である。
<Flow of EMC design method and configuration of EMC design apparatus>
FIG. 1 is a diagram for explaining the flow of an EMC design method and the configuration of an EMC design apparatus according to an embodiment of the present invention.

本実施の形態のEMC設計方法は、回路解析に先立って、ひな型等価回路化を行い(ステップ301)、これを回路定数化して(ステップ308)、回路定数データベースを作成する(ステップ309)。このように、回路定数データベースを回路解析に先立って予め用意する。   Prior to circuit analysis, the EMC design method of this embodiment performs a template equivalent circuit (step 301), converts it into a circuit constant (step 308), and creates a circuit constant database (step 309). Thus, a circuit constant database is prepared in advance prior to circuit analysis.

この回路定数データベースが用意できたら、まず、ユーザによりノイズ源情報と構造の寸法が入力される(ステップ302,303)。これらの入力情報と予め作成された回路定数データベースの情報に基づいて等価回路を作成し(ステップ304)、回路解析を行う(ステップ305)。そして、電界強度を表示し(ステップ306)、回路解析の結果を判定し(ステップ307)、この判定の結果、目標が達成しなかったら、ステップ302に戻り、ステップ302からステップ306までの処理を繰り返す。そして、ステップ307の判定の結果で目標が達成したら、EMC設計は終了となる。ここで、電界強度表示(ステップ306)に先立ち、あるいは同時に、回路解析(ステップ305)の結果を回路図に対応させて表示させることで、目標未達成の部位を明示してもよい。この場合、目標未達成部位が回路図のどこに対応するのかを、すなわち構造のどこに対応するのかをユーザは容易に推定できる。   When this circuit constant database is prepared, first, noise source information and structure dimensions are input by the user (steps 302 and 303). An equivalent circuit is created based on the input information and information of a circuit constant database created in advance (step 304), and circuit analysis is performed (step 305). Then, the electric field strength is displayed (step 306), and the result of the circuit analysis is determined (step 307). If the target is not achieved as a result of this determination, the process returns to step 302, and the processing from step 302 to step 306 is performed. repeat. When the target is achieved as a result of the determination in step 307, the EMC design is finished. Here, prior to or simultaneously with the display of the electric field strength (step 306), the result of the circuit analysis (step 305) may be displayed in correspondence with the circuit diagram to clearly indicate the part that has not achieved the target. In this case, the user can easily estimate where in the circuit diagram the target unachieved part corresponds, that is, where in the structure.

以上のようなEMC設計方法は、中央処理装置や記憶装置などから構成される計算機を用いて実現される。すなわち、本実施の形態のEMC設計装置は、計算機を用いて、記憶装置に記憶されているEMC設計方法のアルゴリズムを記述したプログラムを中央処理装置上で実行することで、ひな型等価回路化のための機能部、回路定数化のための機能部、ノイズ源情報入力のための機能部、構造寸法入力のための機能部、等価回路作成のための機能部、回路解析のための機能部、回路解析結果判定のための機能部、電界強度表示のための機能部などが構築される。また、EMC設計装置には、記憶装置上に回路定数データベースも構築されている。   The EMC design method as described above is realized using a computer including a central processing unit and a storage device. That is, the EMC design apparatus according to the present embodiment uses a computer to execute a program describing the algorithm of the EMC design method stored in the storage device on the central processing unit, so that a template equivalent circuit can be realized. Function part, circuit part conversion function part, noise source information input function part, structural dimension input function part, equivalent circuit creation function part, circuit analysis function part, circuit A functional unit for determining the analysis result, a functional unit for displaying the electric field strength, and the like are constructed. In the EMC design apparatus, a circuit constant database is also built on the storage device.

<ひな型等価回路化の詳細フロー>
図2は、本実施の形態において、ひな型等価回路化の詳細フローを説明するための図である。
<Detailed flow of model equivalent circuit construction>
FIG. 2 is a diagram for explaining a detailed flow of forming a template equivalent circuit in the present embodiment.

図1に示したステップ301のひな型等価回路化は、ユーザにより伝搬の主経路が入力される(ステップ3011)。この場合に、ユーザが電気エネルギーの伝搬の主経路を抽出して、この伝搬の主経路を定義する。例えば、後述する自動車用インバータの場合には、このインバータに、エネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路、この伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位があり、伝搬経路を流れるエネルギーの経路が伝搬の主経路として定義される。   In the template equivalent circuit formation in step 301 shown in FIG. 1, the main path of propagation is input by the user (step 3011). In this case, the user extracts the main path of propagation of electric energy and defines the main path of propagation. For example, in the case of an automotive inverter described later, this inverter has a propagation path through which energy from an energy source propagates, and a noise generation site where electromagnetic radiation noise is generated by energy transmitted from this propagation path. The path of flowing energy is defined as the main path of propagation.

この定義された伝搬の主経路に基づいて、伝搬の主経路を分割し(ステップ3012)、この分割された部位をS(ノイズ源)、P(経路)、A(アンテナ)に割り付ける(ステップ3013)。すなわち、E(放射電界)を回路解析により求めるために、製品の各部位をE=SPAに分類する。そして、E=SPAの分類に従ったひな型等価回路を作成する(ステップ3014)。   Based on the defined propagation main path, the propagation main path is divided (step 3012), and the divided parts are assigned to S (noise source), P (path), and A (antenna) (step 3013). ). That is, in order to obtain E (radiated electric field) by circuit analysis, each part of the product is classified as E = SPA. Then, a template equivalent circuit according to the E = SPA classification is created (step 3014).

以上のようにして、ひな型等価回路化が行われる。その後、前述したステップ308の回路定数化が行われ、そして、前述したステップ309において、入力形状に依存した回路定数のデータベース化が行われる。さらに、前述したステップ305の回路解析において、入力形状により放射電界が計算される。   As described above, the template equivalent circuit is formed. Thereafter, the circuit constants in step 308 described above are performed, and in step 309 described above, a circuit constant database depending on the input shape is generated. Further, in the circuit analysis in step 305 described above, the radiation electric field is calculated based on the input shape.

<マルチフィジックス解析による設計フロー>
図3は、本実施の形態において、マルチフィジックス解析による設計フローを説明するための図である。
<Design flow by multiphysics analysis>
FIG. 3 is a diagram for explaining a design flow by multiphysics analysis in the present embodiment.

マルチフィジックス解析による設計フローでは、市場ニーズをもとにコンセプト仕様を策定し、機器の構想設計を行う。インバータでは、この段階で、コンセプト仕様に基づいた回路設計と構造設計を行い、熱、振動、EMCの観点で後戻りとならないように部品の大まかな構造を決定する。その後、詳細設計、試作評価、量産というフローで製品出荷される。   In the design flow based on multi-physics analysis, concept specifications are formulated based on market needs, and equipment is designed. In the inverter, at this stage, circuit design and structural design are performed based on the concept specification, and a rough structure of the component is determined so as not to be reversed from the viewpoint of heat, vibration, and EMC. After that, products are shipped in the flow of detailed design, trial manufacture evaluation, and mass production.

ここの設計上流である機器構想設計段階において、熱ルール、振動ルール、EMCルールの各ルールに従った複数の構造案を抽出する。このルールベースの設計は、過去の蓄積をもとにした概略設計が可能である。この複数の構造案に対して、個別に定量解析することで、この構造案がそれぞれの目標を達成できるかどうかが得られる。   In the device concept design stage, which is an upstream of the design, a plurality of structure plans in accordance with the heat rule, vibration rule, and EMC rule are extracted. This rule-based design can be roughly designed based on past accumulation. By analyzing each of the plurality of structure plans individually, it is possible to determine whether the structure plan can achieve each target.

例えば、従来技術においても、熱解析、振動解析をフルに解くことは難しいが、設計の上流段階であれば、エネルギーの伝搬主経路を部分的にモデル化することによって実用的な値を実用時間内で計算することができる。   For example, even in the prior art, it is difficult to fully solve the thermal analysis and vibration analysis, but at the upstream stage of the design, a practical value can be obtained from the practical time by partially modeling the energy propagation main path. Can be calculated within.

しかしながら、従来技術におけるEMC解析では、定量的な解析ができていないため、複数の構造案の中から1つを選び絞り込むということができなかった。すなわち、EMC解析の場合、100kWから1nWと非常に大きな桁数の電力を扱わなければならず、また1nWオーダの漏洩経路計算には、静電結合や誘導結合といった寄生成分の取り扱いが必要であるため、全空間の解析が必要になる。そのため、膨大なメッシュの解析が必要となり、実用時間内のEMCの解析ができないといった難しさがあった。   However, in the EMC analysis in the prior art, since quantitative analysis has not been performed, it has been impossible to select and narrow down one of a plurality of structure plans. That is, in the case of EMC analysis, it is necessary to handle a very large number of powers from 100 kW to 1 nW, and in order to calculate a leakage path of the order of 1 nW, it is necessary to handle parasitic components such as electrostatic coupling and inductive coupling. Therefore, it is necessary to analyze the entire space. Therefore, analysis of a huge mesh is required, and there is a difficulty that EMC analysis cannot be performed within a practical time.

そこで、本実施の形態の設計フローでは、このルールベース設計から得られた複数の構造案から、EMC解析を高速に定量判断ができるようにすることで、熱設計、振動設計とともにEMC設計を満足する構造案を決定できるようにする。すなわち、本実施の形態の設計フローにおける目標は、マルチフィジックスの定量解析を可能とするEMCの高速解析の実現にある。   Therefore, the design flow of the present embodiment satisfies the EMC design as well as the thermal design and vibration design by enabling quantitative analysis of the EMC analysis at high speed from a plurality of structure plans obtained from the rule-based design. To be able to determine the structure plan to be That is, the goal in the design flow of the present embodiment is to realize high-speed EMC analysis that enables multiphysics quantitative analysis.

以上のマルチフィジックス解析による設計フローにおいて、EMCルールを指針とした構造案のEMC解析の部分が、前述した図1及び図2に示したEMC設計方法のフローに対応する部分である。   In the design flow based on the above multiphysics analysis, the part of the EMC analysis of the structure plan based on the EMC rule is a part corresponding to the flow of the EMC design method shown in FIG. 1 and FIG.

<インバータの構造>
図4は、本実施の形態において、インバータの構造を説明するための図である。
<Inverter structure>
FIG. 4 is a diagram for explaining the structure of the inverter in the present embodiment.

インバータ100は、筐体101内に収納され、制御回路が形成されたLSI102と、このLSI102が実装された基板103と、2個のパワーモジュール104と、このパワーモジュール104に接続されたバスバー105と、このバスバー105に接続されたモータケーブル110と、LSI102が実装された基板103に接続された制御ケーブル111などから構成される。モータケーブル110と制御ケーブル111は、それぞれ、筐体101の側面に形成された開口部112,113を通じて外部に引き出されている。なお、図示しないが、前記基板103の裏面にはグランド板が配置されている。   The inverter 100 is housed in a housing 101 and includes an LSI 102 on which a control circuit is formed, a substrate 103 on which the LSI 102 is mounted, two power modules 104, and a bus bar 105 connected to the power module 104. The motor cable 110 is connected to the bus bar 105, and the control cable 111 is connected to the substrate 103 on which the LSI 102 is mounted. The motor cable 110 and the control cable 111 are drawn out through openings 112 and 113 formed on the side surface of the housing 101, respectively. Although not shown, a ground plate is disposed on the back surface of the substrate 103.

このインバータ100において、パワーモジュール104は1つ以上のエネルギー源として機能し、バスバー105及び制御ケーブル111はエネルギー源からのエネルギーが伝搬する伝搬経路として機能し、制御ケーブル111は伝搬経路から伝わったエネルギーにより電磁放射ノイズが発生するノイズ発生部位として機能する。このようなインバータ100において、伝搬経路を流れるエネルギーの経路がユーザから指定され、このユーザから指定された経路を解析することで発生放射ノイズが推定される。   In the inverter 100, the power module 104 functions as one or more energy sources, the bus bar 105 and the control cable 111 function as a propagation path through which energy from the energy source propagates, and the control cable 111 transmits energy transmitted from the propagation path. It functions as a noise generation site where electromagnetic radiation noise is generated. In such an inverter 100, a path of energy flowing through the propagation path is designated by the user, and generated radiation noise is estimated by analyzing the path designated by the user.

<自動車用インバータのEMC設計>
図5は、本実施の形態において、自動車用インバータのEMC設計を説明するための図である。
<EMC design of inverters for automobiles>
FIG. 5 is a diagram for explaining the EMC design of the inverter for automobiles in the present embodiment.

自動車用インバータにおいては、前述した図4に示したようなインバータ100からなり、このインバータ100に電池150が接続される。また、インバータ100には、このインバータ100から引き出されたモータケーブル110がタイヤ160を駆動するモータ170に接続され、制御ケーブル111がECU(Engine Control Unit)180に接続される。   The inverter for automobiles includes the inverter 100 as shown in FIG. 4 described above, and a battery 150 is connected to the inverter 100. In addition, a motor cable 110 drawn from the inverter 100 is connected to a motor 170 that drives the tire 160, and a control cable 111 is connected to an ECU (Engine Control Unit) 180.

自動車の場合、タイヤ160をモータ170で駆動するために電池150から直流電流を交流に変換するインバータ100が用いられる。ここでは、自動車を加速することや、減速させることなどの制御信号をECU180から制御ケーブル111を介してインバータ100に伝達され、これに従ってインバータ100はパルス変調によるトルク制御を行う。   In the case of an automobile, an inverter 100 that converts direct current from the battery 150 into alternating current is used to drive the tire 160 with the motor 170. Here, control signals for accelerating or decelerating the vehicle are transmitted from the ECU 180 to the inverter 100 via the control cable 111, and the inverter 100 performs torque control by pulse modulation in accordance therewith.

このインバータ100のパルス変調時にノイズが生じ、これが部分的に外部に漏れて、そこからノイズ放射が生じる。電界アンテナでの電界強度が規制値を超えないようにするためには、許容される漏洩電力は1nWに相当する。他方、インバータ100の最大出力は100kWクラスであり、出力電圧をこの許容漏洩電力以下に抑えるには、その2つの比である10の−14乗以下の電力抑制量が必要となる。すなわち、このインバータ100の装置外部への漏洩を抑えて放射ノイズを規制値以下にするEMC設計では、漏洩電力を出力の14桁以下に抑えなければならないという難しさがある。   Noise is generated during the pulse modulation of the inverter 100, which partially leaks to the outside, and noise radiation is generated therefrom. In order to prevent the electric field intensity at the electric field antenna from exceeding the regulation value, the allowable leakage power corresponds to 1 nW. On the other hand, the maximum output of the inverter 100 is a 100 kW class, and in order to suppress the output voltage below this allowable leakage power, a power suppression amount of 10 −14 or less, which is the ratio of the two, is required. That is, in the EMC design in which the leakage of the inverter 100 to the outside of the device is suppressed to reduce the radiation noise to a regulation value or less, there is a difficulty that the leakage power must be suppressed to 14 digits or less of the output.

このため、従来技術では、前述したように、このEMC設計で計算機コストをかけても実用時間内に計算が終わらなかったが、本実施の形態においては、前述したような図1及び図2に示したEMC設計方法を適用することで、実用時間内で、かつ低価格で計算処理を終わらせることができる。   For this reason, in the prior art, as described above, the calculation was not completed within the practical time even when the computer cost was spent in this EMC design. However, in the present embodiment, the above-described FIG. 1 and FIG. By applying the EMC design method shown, the calculation process can be completed within a practical time and at a low price.

<インバータの断面>
図6は、本実施の形態において、インバータの断面を説明するための図である。
<Cross section of inverter>
FIG. 6 is a diagram for explaining a cross section of the inverter in the present embodiment.

前述した図4に示したインバータ100の断面は、図6のようになる。図6に示すように、LSI102が実装された基板103と、パワーモジュール104に接続されたバスバー105との間に容量性結合が発生する。さらに、基板103とグランド板との間に誘導性結合、基板103と筐体101との間に導電性結合が発生する。   The cross section of the inverter 100 shown in FIG. 4 is as shown in FIG. As shown in FIG. 6, capacitive coupling occurs between the substrate 103 on which the LSI 102 is mounted and the bus bar 105 connected to the power module 104. Further, inductive coupling occurs between the substrate 103 and the ground plate, and conductive coupling occurs between the substrate 103 and the housing 101.

このような断面構造のインバータ100において、ノイズの伝搬経路を特定する方法として以下のような方法がある。例えば、基板103の電流解析では、磁界センサを用いて基板103の真上をスキャンすることで、基板103を流れるノイズ電流の分布を測定することができる。また、基板103と筐体101などの部品間を流れる電流の測定についても、ネジ電流プローブを用いることで測定が可能になる。これは、基板103と筐体101をつなぐネジを取り巻くようにコイル状配線を微小基板上に作成し、ネジを流れる電流を測定するという技術である。また、筐体101の表面の高感度磁界センサにて電流分布を測定する技術も3GHzの定在波が測定できる。   In the inverter 100 having such a cross-sectional structure, there are the following methods for specifying a noise propagation path. For example, in the current analysis of the substrate 103, the distribution of the noise current flowing through the substrate 103 can be measured by scanning directly above the substrate 103 using a magnetic field sensor. Further, the current flowing between components such as the substrate 103 and the housing 101 can also be measured by using a screw current probe. This is a technique in which a coiled wiring is formed on a minute substrate so as to surround a screw connecting the substrate 103 and the housing 101, and a current flowing through the screw is measured. The technique of measuring the current distribution with a high-sensitivity magnetic field sensor on the surface of the housing 101 can also measure a standing wave of 3 GHz.

これらの計測技術により、実装状態に大きく依存する製品固有のノイズ電流の伝搬経路を特定することができる。次に、この特定されたノイズ電流の伝搬経路を、後述するように要素ごとの等価モデルを結合して等価回路化を行う。   With these measurement techniques, it is possible to specify the propagation path of the noise current unique to the product, which greatly depends on the mounting state. Next, the propagation path of the identified noise current is converted into an equivalent circuit by combining an equivalent model for each element as will be described later.

<要素ごとの等価モデル>
図7は、本実施の形態において、要素ごとの等価モデルを説明するための図である。
<Equivalent model for each element>
FIG. 7 is a diagram for explaining an equivalent model for each element in the present embodiment.

ノイズ電流の伝搬経路を等価回路化するに際し、図6に示すように特定された寄生成分あるいはノイズ経路は、図7に示すように、その部位ごとに等価回路化される。例えば、パワーモジュール104であれば、要素S(ノイズ源)としてインピーダンスを有する電流源で等価表現する。また、制御ケーブル111と大電力を伝搬するバスバー105間は、要素P1(電流による容量性結合)としてキャパシタで等価表現する。また、基板103とグランド板間は、要素P2(電流による誘導性結合)としてインダクタで等価表現する。また、基板103と筐体101間のネジならば、要素P3(ネジを通じて流れる電流による導電性結合)として抵抗で等価表現する。そして、制御ケーブル111ならば、要素A(ノイズ電流によるアンテナ)としてアンテナの放射効率であるアンテナ効率を従属電源で表現する。   When the noise current propagation path is converted into an equivalent circuit, the parasitic component or noise path specified as shown in FIG. 6 is converted into an equivalent circuit for each part as shown in FIG. For example, in the case of the power module 104, the equivalent expression is expressed by a current source having impedance as the element S (noise source). Further, the equivalent between the control cable 111 and the bus bar 105 that propagates large power is expressed by a capacitor as an element P1 (capacitive coupling by current). In addition, the equivalent between the substrate 103 and the ground plate is expressed by an inductor as an element P2 (inductive coupling by current). Further, in the case of a screw between the substrate 103 and the housing 101, it is equivalently expressed by a resistance as an element P3 (conductive coupling by a current flowing through the screw). In the case of the control cable 111, the antenna efficiency, which is the radiation efficiency of the antenna, is expressed by the subordinate power source as the element A (antenna by noise current).

以上により、各ノイズ経路や部位を等価回路化することができる。次に、要素ごとの等価回路を結合することで、後述するような1つのひな型等価回路が得られる。   As described above, each noise path and part can be converted into an equivalent circuit. Next, by combining equivalent circuits for each element, one template equivalent circuit as described later is obtained.

<インバータのひな型等価回路>
図8は、本実施の形態において、インバータのひな型等価回路を説明するための図である。
<Inverter template equivalent circuit>
FIG. 8 is a diagram for explaining a model equivalent circuit of an inverter in the present embodiment.

前述した図7に示した要素ごとの等価回路を結合することで、図8に示すように、1つのひな型等価回路が得られる。例えば、パワーモジュール104の部分は、インピーダンスを有する電流源で表すことができる。バスバー105の部分は、インダクタで表すことができる。モータ170の部分は、インダクタとキャパシタで表すことができる。制御ケーブル111は、アンテナ係数(電源)と放射電界(E)の空間インピーダンスで表すことができる。また、制御ケーブル111とバスバー105の間は、容量性結合によるキャパシタ201で表すことができる。基板103とグランド板の間は、誘導性結合によるインダクタ202で表すことができる。基板103と筐体101の間は、導電性結合による抵抗203で表すことができる。実際のインバータ100からモータへは3相交流で電力供給されているが、ひな型等価回路は3相交流を示す回路網で記述しても良い。   By combining the equivalent circuits for each element shown in FIG. 7 as described above, one template equivalent circuit can be obtained as shown in FIG. For example, the portion of the power module 104 can be represented by a current source having impedance. The portion of the bus bar 105 can be represented by an inductor. The portion of the motor 170 can be represented by an inductor and a capacitor. The control cable 111 can be represented by a spatial impedance of an antenna coefficient (power source) and a radiation electric field (E). The space between the control cable 111 and the bus bar 105 can be represented by a capacitor 201 by capacitive coupling. A space between the substrate 103 and the ground plate can be represented by an inductor 202 by inductive coupling. A space between the substrate 103 and the housing 101 can be represented by a resistor 203 by conductive coupling. Although power is actually supplied from the inverter 100 to the motor by three-phase AC, the model equivalent circuit may be described by a circuit network showing three-phase AC.

このように、インバータ100のEMCメカニズムをひな型等価回路で表すことができる。次に、この得られたひな型等価回路について、後述するように回路定数データベース化を行う。   Thus, the EMC mechanism of the inverter 100 can be represented by a model equivalent circuit. Next, the obtained template equivalent circuit is made into a circuit constant database as will be described later.

<回路定数データベースの作成>
図9は、本実施の形態において、回路定数データベースの作成を説明するための図である。
<Creation of circuit constant database>
FIG. 9 is a diagram for explaining the creation of a circuit constant database in the present embodiment.

ひな型等価回路を回路定数データベース化するに際し、この等価回路の定数は部品の位置や部品間の寸法で変化する。そこで、例えば図9に示すように、制御ケーブル111とバスバー105間の寄生容量Cの算出の場合、まず、断面構造において、制御ケーブル111とバスバー105の距離hやバスバー105の幅wといった実装可能な範囲を求める。この実装可能な範囲内で、結合容量の解析式や2次元の電磁界解析などを用いて定数を算出する。その定数の値は、制御ケーブル111とバスバー105の位置に対しての値を持つので、Cとhとwの関係を実装構造に対するデータベースとすることができる。   When the model equivalent circuit is made into a circuit constant database, the constant of the equivalent circuit changes depending on the position of the part and the dimension between the parts. Therefore, for example, as shown in FIG. 9, when calculating the parasitic capacitance C between the control cable 111 and the bus bar 105, first, in the cross-sectional structure, the distance h between the control cable 111 and the bus bar 105 and the width w of the bus bar 105 can be mounted. Find the right range. Within this mountable range, a constant is calculated using an analytical expression for coupling capacitance, a two-dimensional electromagnetic field analysis, and the like. Since the constant value has a value for the position of the control cable 111 and the bus bar 105, the relationship between C, h, and w can be used as a database for the mounting structure.

同様に、基板103とグランド板間の誘導性結合、基板103と筐体101間の導電性結合についても、各構造の寸法に対応したデータベースを作成することができる。   Similarly, for inductive coupling between the substrate 103 and the ground plate and conductive coupling between the substrate 103 and the housing 101, a database corresponding to the dimensions of each structure can be created.

この回路定数データベースを用いて回路解析をすることで、EMCを解析することができる。   EMC can be analyzed by performing circuit analysis using this circuit constant database.

<EMC設計装置の入力インタフェース>
図10は、本実施の形態において、EMC設計装置の入力インタフェースを説明するための図である。
<Input interface of EMC design equipment>
FIG. 10 is a diagram for explaining an input interface of the EMC design apparatus in the present embodiment.

前述したように、製品のノイズ伝搬経路に対するひな型等価回路を作成し、回路定数データベースを作成する。それ以降は、実装可能範囲の寸法情報を入力することで、回路定数の自動引用と等価回路作成と回路解析、及び出力表示としての放射ノイズの電界強度を計算することができるようになる。   As described above, a model equivalent circuit for a noise propagation path of a product is created, and a circuit constant database is created. After that, by inputting the dimension information of the mountable range, it becomes possible to calculate the automatic citation of circuit constants, the creation of an equivalent circuit, circuit analysis, and the electric field strength of radiated noise as an output display.

このEMC設計装置の入力インタフェースには、図10に示すような入力画面がある。例えば、ユーザによりノイズ源情報を入力するノイズ源情報入力部には、パワーモジュール波形情報として、スルーレート、高圧バッテリ電圧、サージ電圧、スイッチング周波数、最大電流の各入力項目がある。また、構造の寸法を入力する構造の寸法入力部(伝搬経路・放射部位)には、バスバー構造(パワーモジュールPM1)として、区間1と区間2のそれぞれに、バスバー長さ、バスバー幅、P−N間距離、制御ケーブルとの距離の各入力項目がある。   The input interface of this EMC design apparatus has an input screen as shown in FIG. For example, a noise source information input unit that inputs noise source information by a user includes input items of slew rate, high voltage battery voltage, surge voltage, switching frequency, and maximum current as power module waveform information. Also, in the dimension input part (propagation path / radiation part) for inputting the dimension of the structure, the bus bar structure (power module PM1) has a bus bar length, a bus bar width, P- There are input items for the distance between N and the distance to the control cable.

このような入力画面から、ノイズ波形の立ち上がり及び立ち下がり時間や最大電流値や制御ケーブルやバスバーなどの寸法制約情報などを入力する。この入力インタフェースを用いることで、1構造当たり数分のオーダで高速にEMCの電界強度を計算することができる。   From such an input screen, the rising and falling times of the noise waveform, the maximum current value, dimensional constraint information such as control cables and bus bars, and the like are input. By using this input interface, the EMC electric field strength can be calculated at a high speed on the order of several minutes per structure.

<効果>
以上説明したように、本実施の形態によれば、ユーザが定義した電気エネルギーの伝搬の主経路に基づいて、放射電界を回路解析により求めて製品の各部位をE=SPAの各4つに分類し、この分類に従ったひな型等価回路化を行い、入力形状に依存した回路定数のデータベース化を行い、入力形状により放射電界の計算を行うことにより、EMC解析が短時間で可能となる。よって、短時間にEMC解析を行うことで、多数の構造案のEMCを評価できる。
<Effect>
As described above, according to this embodiment, based on the main path of propagation of electrical energy defined by the user, the radiated electric field is obtained by circuit analysis, and each part of the product is divided into four parts of E = SPA. By classifying, making a template equivalent circuit according to this classification, creating a database of circuit constants depending on the input shape, and calculating the radiation electric field based on the input shape, EMC analysis becomes possible in a short time. Therefore, EMC of many structure plans can be evaluated by performing EMC analysis in a short time.

さらに、EMC解析に加えて、熱解析、振動解析を行う場合には、同じ構造であるので、新たな入力が不要になるという効果が得られる。   Furthermore, in the case of performing thermal analysis and vibration analysis in addition to EMC analysis, since the structure is the same, there is an effect that a new input becomes unnecessary.

この結果、製品設計の上流段階で、熱、振動、EMCのマルチフィジックス解析を実用時間で、かつ低価格計算処理で終わらせるシミュレーション技術を提供することができる。   As a result, it is possible to provide a simulation technique in which multi-physics analysis of heat, vibration, and EMC is completed in a practical time and at a low cost calculation process at an upstream stage of product design.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明は、電気装置のノイズ解析設計技術に関し、特に、自動車用インバータなどのEMCノイズ解析設計方法に利用可能である。   The present invention relates to a noise analysis design technique for an electric device, and is particularly applicable to an EMC noise analysis design method for an inverter for an automobile.

100…インバータ、101…筐体、102…LSI、103…基板、104…パワーモジュール、105…バスバー、110…モータケーブル、111…制御ケーブル、112,113…開口部、
150…電池、160…タイヤ、170…モータ、180…ECU、
201…キャパシタ、202…インダクタ、203…抵抗。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Inverter, 101 ... Housing, 102 ... LSI, 103 ... Board, 104 ... Power module, 105 ... Bus bar, 110 ... Motor cable, 111 ... Control cable, 112, 113 ... Opening,
150 ... battery, 160 ... tyre, 170 ... motor, 180 ... ECU,
201 ... capacitor, 202 ... inductor, 203 ... resistance.

Claims (3)

電気装置のノイズ解析設計方法において、
電気装置の指定された電気エネルギーの伝搬の主経路を、部位に分割するステップと、
前記分割された各部位を、要素に分類するステップと、
前記分類に基づいて、前記各部位の等価回路を作成するステップと、
前記等価回路の回路定数を算出し、回路定数データベースを作成するステップと、
入力された解析対象の電気装置の情報と、前記回路定数データベースとに基づいて、電界強度を算出するステップとを、計算機が行い、
前記要素は、ノイズ源、伝搬経路及びアンテナを含むことを特徴とするノイズ解析設計方法。
In the noise analysis design method for electrical equipment,
Dividing a main path of propagation of designated electrical energy of an electrical device into parts;
Classifying each of the divided parts into elements;
Creating an equivalent circuit for each part based on the classification;
Calculating a circuit constant of the equivalent circuit and creating a circuit constant database;
The computer performs the step of calculating the electric field strength based on the input information of the electric device to be analyzed and the circuit constant database,
The element includes a noise source, a propagation path, and an antenna.
請求項1において、
前記解析対象の電気装置の情報は、ノイズ源の情報と、前記各部位の寸法の情報とを含むことを特徴とするノイズ解析設計方法。
In claim 1,
The information on the electric device to be analyzed includes information on a noise source and information on the dimensions of each part.
電気装置のノイズを解析するノイズ解析設計装置において、
電気装置の電気エネルギー伝搬の経路が部位ごとに等価回路化され、その要素及び回路定数を含む等価回路のデータを格納した回路定数データベースを有する記憶手段と、
入力された解析対象の電気装置の情報と、前記回路定数データベースとに基づいて、前記電気装置の電気エネルギー伝搬の経路が発生する電界強度を算出する演算手段とを備え、
前記要素は、ノイズ源、伝搬経路及びアンテナを含むことを特徴とするノイズ解析設計装置。
In the noise analysis design device that analyzes the noise of electrical equipment,
Storage means having a circuit constant database in which the path of electric energy propagation of the electric device is converted into an equivalent circuit for each part, and data of an equivalent circuit including its elements and circuit constants is stored;
Computation means for calculating the electric field intensity generated by the electric energy propagation path of the electric device based on the input information of the electric device to be analyzed and the circuit constant database,
The element includes a noise source, a propagation path, and an antenna.
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