JP7095711B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、スナバ回路を備えたスイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置では、スイッチング素子のスイッチング時にＬＣＲ共振（リンギング）が発生し、電磁ノイズが放射されてしまう場合がある。非特許文献１の例に示すように、高位電源線と低位電源線との間にスナバ回路を挿入することで、リンギングのエネルギーを消費し、電磁ノイズを抑制する技術が知られている。

Kenichi Yatsugi, Katsuya Nomura, Yoshiyuki Hattori, "Analytical technique for designing an RC snubber circuit for ringing suppression in a phase-leg configuration", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 33, 4736 (2018)

非特許文献１の例に示すようなスナバ回路では、高位電源線と低位電源線との接続経路上にスナバコンデンサが配置されている。このスナバコンデンサが絶縁破壊した場合に、高位電源線と低位電源線とがショートしてしまう。

本明細書が開示するスイッチング電源装置の一実施形態は、主回路とスナバ回路を備える。主回路は、スイッチング素子を備える。スナバ回路は、抵抗部と容量部と結合部が直列接続された閉回路を備える。スナバ回路は、主回路と絶縁されている。結合部は、主回路が備える第１導電線と磁気的または電気的に結合している。

主回路が備える第１導電線に、スナバ回路が結合している。そのため、主回路のスイッチング素子から発生するリンギングのエネルギーを、結合したスナバ回路によって消費することができる。また、結合によりエネルギーを消費する形態であるため、高位電源線と低位電源線との接続経路上に容量部を配置する必要がない。容量部の絶縁破壊によるショート発生の事態を回避することが可能となる。

第１導電線は、少なくとも一部に第１平面部を備えていてもよい。結合部は、第２平面部を備えた導電線であってもよい。第２平面部が第１平面部に対して絶縁されているとともに略平行に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

主回路の損失率をγ_１とし、スナバ回路の損失率をγ_２とした場合に、結合部と第１導電線との磁気結合定数κは、κ＞（γ_１－γ_２）／２の関係が成立してもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

結合部は、スナバ回路と第１導電線とを接続するコンデンサであってもよい。

主回路は、スイッチング素子が配置された制御部と、平滑コンデンサが配置された平滑部と、を備えていてもよい。第１導電線は、制御部と平滑部との間を接続するバスバー、または、前滑部と外部負荷との間を接続するバスバーであってもよい。

主回路は、スイッチング素子と接続される導電板と、スイッチング素子、および、スイッチング素子と導電板との接続部を覆う樹脂部と、を備えていてもよい。第１導電線は、導電板のうち樹脂部で覆われた領域であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

電動システム１の概略回路図である。 スイッチング電源２の一部の概略構成図である。 比較例のスイッチング電源１０２の概略回路図である。 パワーモジュール３０の一部の概略断面図である。 スイッチング電源２ｂの一部の概略構成図である。

（電動システム１の構成）
図１に、車載の電動システム１の概略回路図を示す。電動システム１は、スイッチング電源２、インバータ３、モータ４、コントローラ５を備える。スイッチング電源２は、バッテリ１１の電圧を昇圧し、外部負荷であるインバータ３に印加する。インバータ３は、直流を３相交流に変換し、モータ４に印加する。コントローラ５は、スイッチング電源２およびインバータ３の動作を制御する。

（スイッチング電源２の構成）
スイッチング電源２は、バッテリ１１、制御部１２、スナバ回路１３、平滑部１４、バスバー２１および２２を備える。制御部１２、平滑部１４、バスバー２１および２２によって、主回路が構成されている。バスバー２１および２２は、銅板である。制御部１２は、バスバー２１および２２の間に直列接続された、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２を備える。バッテリ１１の正端子は、インダクタＬ１を介して、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の中間接続ノードに接続されている。バッテリ１１の負端子は、バスバー２２に接続されている。バスバー２２は基準電圧部位ＧＮＤに接続されている。バスバー２２は低位電源線であり、バスバー２１は高位電源線である。また制御部１２は、寄生インダクタンスＬ_ｐ３を有している。

制御部１２の出力端子は、バスバー２１および２２を介して、平滑部１４およびインバータ３に接続されている。バスバー２１は、寄生インダクタンスＬ_ｐ１を有している。平滑部１４は、バスバー２１および２２の間に直列接続された、コンデンサＣ１および等価直列抵抗Ｒ_ＥＳＲを備えている。平滑部１４は、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２のオン／オフ時に生じるサージ電圧等を平滑化する。

スナバ回路１３は、抵抗部Ｒ_ｓｎｂ、容量部Ｃ_ｓｎｂ、寄生インダクタンスＬ_ｐ２、が、導電板２３によって直列接続された閉回路である。スナバ回路１３は、主回路（制御部１２、平滑部１４、バスバー２１および２２）と絶縁されている。またスナバ回路１３は、基準電圧部位ＧＮＤに接続されている。導電板２３は、寄生インダクタンスＬ_ｐ２を有している。寄生インダクタンスＬ_ｐ２は、バスバー２１の寄生インダクタンスＬ_ｐ１と磁気結合している。

図２に、電動システム１の一部の概略構成図を示す。電動システム１は、制御部１２と平滑部１４とインバータ３とがバスバー２１によって接続されている構成を備えている。またバスバー２１のうち、制御部１２と平滑部１４との間を接続する領域に近接して、スナバ回路１３が配置されている構成を備えている。なお、図２ではバスバー２１を１つの部品として簡略記載しているが、実際には複数の部品から構成されていてもよい。バスバー２１は、ｘｙ平面に平行な第１平面部Ｐ１を備えている。第１平面部Ｐ１の表面には、絶縁シートＩＳが配置されている。絶縁シートＩＳは、バスバー２１に巻き付けられていてもよい。第１平面部Ｐ１上には、絶縁シートＩＳを介してスナバ回路１３が配置されている。スナバ回路１３は、絶縁シートＩＳによって主回路と絶縁されている。

スナバ回路１３は、導電板２３を環状に加工して形成されている。導電板２３には、ｙ方向に伸びるスリットＳ１およびＳ２によって切断されている。また、スリットＳ１およびＳ２をまたぐように、容量部Ｃ_ｓｎｂおよび抵抗部Ｒ_ｓｎｂが接続されている。また導電板２３は、バスバー２１と対向している領域に、ｘｙ平面に平行な第２平面部Ｐ２を備えている。第２平面部Ｐ２は、第１平面部Ｐ１に対して略平行に配置されている。これにより、前述したように、寄生インダクタンスＬ_ｐ１およびＬ_ｐ２によって、スナバ回路１３と主回路とは磁気結合している。なお、スナバ回路１３と主回路との磁気結合定数κを高めるための磁性体は配置されていない。磁気結合定数κは、第１平面部Ｐ１と第２平面部Ｐ２とが重複する面積や、第１平面部Ｐ１と第２平面部Ｐ２との距離によって、調整可能である。

（磁気結合定数）
磁気結合定数κについて説明する。スナバ回路１３の共振モードをａ_１、主回路（制御部１２、平滑部１４、バスバー２１および２２）の共振モードをａ_２とする。この場合、系全体の振る舞いは、下式１で表される。

ここで、κは結合定数、ω_１は主回路の共振周波数、ω_２はスナバ回路の共振周波数、γ_１は主回路の損失率、γ_２はスナバ回路の損失率である。損失率γ_１およびγ_２は、下式２および式３で表される。

上式１は、下式４に書き換えられる。

ここでω_０は、ω_１＝ω_２としたときの共振周波数である。また、β、χ、Ａ_１およびＡ_２は、下式で表される。

上式４の右辺第１項の２×２行列の固有値が実数となるとき、主回路とスナバ回路１３との共振エネルギーが等しくなる。すなわち、スナバ回路１３へ伝達されるエネルギーが最大となる。固有値は、下式で表される。ここでωは、ω_１＝ω_２としたときの共振周波数である。

従って、スナバ回路１３に効率よくエネルギーを伝達する条件は、κ＞βである。すなわち、主回路の損失率がγ_１であり、スナバ回路１３の損失率がγ_２である場合に、磁気結合定数κに、κ＞（γ_１－γ_２）／２の関係が成立すればよい。

（効果）
図３に、比較例のスイッチング電源１０２を示す。比較例のスイッチング電源１０２は、バスバー２１（高位電源線）とバスバー２２（低位電源線）との間に、スナバ回路１１３を接続している。スナバ回路１１３は、抵抗部Ｒ_１００、容量部Ｃ_１００、寄生インダクタンスＬ_１００が直列接続された構成を有する。スナバ回路１１３によりリンギングのエネルギーを消費し、電磁ノイズを抑制することができる。しかし、バスバー２１と２２との接続経路上に容量部Ｃ_１００が配置されている。この容量部Ｃ_１００が絶縁破壊した場合に、バスバー２１と２２とがショートしてしまう。一方、本実施例に係るスイッチング電源２（図１）では、主回路が備えるバスバー２１に、スナバ回路１３が磁気結合している構造を有する。主回路のスイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２から発生するリンギングのエネルギーを、磁気結合したスナバ回路１３によって消費することができる。そしてスナバ回路１３は、磁気結合によりエネルギーを消費する形態であるため、バスバー２１と２２との接続経路上に容量部Ｃ_ｓｎｂを配置する必要がない。容量部Ｃ_ｓｎｂの絶縁破壊によるショート発生の事態を回避することが可能となる。

磁性体を用いてスナバ回路を主回路に磁気結合させる場合には、磁気飽和が問題となる。車載の電動システムでは大電流を用いるためである。またスイッチング周波数が比較的低いため、寄生インダクタンスに流れる電流が直流とみなせるためである。本実施例に係るスイッチング電源２（図２）では、スナバ回路１３の第２平面部Ｐ２と、バスバー２１の第１平面部Ｐ１とを平行に近接配置している。これにより、磁性体を用いずに、スナバ回路１３を主回路に磁気結合させることが可能となる。磁気飽和現象を抑制することができる。

実施例２では、本明細書に係るスナバ回路を、パワーモジュールに内蔵した態様を説明する。図４に、パワーモジュール３０の一部の概略断面図を示す。パワーモジュール３０は、前述した制御部１２に搭載される部品である。パワーモジュール３０は、放熱板３１、リード線３２および３６、はんだ層３３および３５、パワー素子３４、スナバ回路１３、樹脂層３７を備える。なおスナバ回路１３の構造については、実施例１で説明済みである。

パワー素子３４は、略直方体状に形成されており、前述したスイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２やダイオードを複数収容している。パワー素子３４の表面には、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極など（図示省略）が設けられている。ゲート電極には、はんだ層３３によってリード線３２の一端が接続されている。リード線３２の他端は、前述したコントローラ５と接続されている。また、ソース電極およびドレイン電極の各々には、はんだ層３５によってリード線３６の一端が接続されている。リード線３６の他端は、前述したバスバー２１や２２と接続されている。図４では、簡略化のため、ドレイン電極に接続されているリード線３６のみを示している。

リード線３６は、ｘｙ平面に平行な第１平面部Ｐ１ａを備えている。第１平面部Ｐ１ａの表面上には、絶縁シートＩＳを介してスナバ回路１３が配置されている。スナバ回路１３が備える導電板２３は、リード線３６と対向している領域に、ｘｙ平面に平行な第２平面部Ｐ２ａを備えている。 第２平面部Ｐ２ａと第１平面部Ｐ１ａとは、略平行に配置されている。これにより、スナバ回路１３とリード線３６とが、磁気結合している。

樹脂層３７は、充填された液状樹脂（例：エポキシ樹脂）が硬化することによって形成されている。樹脂層３７は、パワー素子３４、スナバ回路１３、リード線３２および３６の端部を覆うように形成されている。具体的には、リード線３６とパワー素子３４との接続部の近傍が、樹脂層３７に覆われている。そして、樹脂層３７で覆われた領域内に、スナバ回路１３が配置されている。

（効果）
スナバ回路１３を、パワーモジュール３０内部のリード線３６を介して主回路に結合させることができる。スナバ回路１３をパワーモジュール３０に内蔵できるため、スイッチング電源２の小型化が可能となる。

図５に、実施例３に係るスイッチング電源２ｂの一部の概略構成図を示す。実施例３のスイッチング電源２ｂは、実施例１のスイッチング電源２（図２）に比して、結合コンデンサＣ_ｃを備える点が異なる。両者で共通する部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。

バスバー２１と、スナバ回路１３の導電板２３とは、結合コンデンサＣ_ｃを介して電気的に結合している。またスナバ回路１３は、基準電圧部位ＧＮＤに接続されておらず、フローティング状態とされている。

（効果）
制御部１２内のスイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２から発生するリンギングのエネルギーを、結合コンデンサＣ_ｃによって電気的に結合しているスナバ回路１３によって消費することができる。また、スナバ回路１３はフローティング状態であるため、容量部Ｃ_ｓｎｂが絶縁破壊した場合においても、ショートの発生を回避することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
スナバ回路１３は、主回路が備えているバスバー２１の経路上であれば、何れの位置に配置されていてもよい。すなわちスナバ回路１３の配置位置は、バスバー２１のうち、制御部１２と平滑部１４との間を接続する領域（図２）に限られない。例えば、バスバー２１のうち、平滑部１４とインバータ３との間を接続する領域にスナバ回路１３を配置してもよい。

実施例１のスナバ回路１３（図１）は、基準電圧部位ＧＮＤに接続されていないフローティング状態であってもよい。

本明細書のスイッチング電源２は、車載システムに限らず、様々な用途に適用可能である。

制御部１２、平滑部１４、バスバー２１および２２は、主回路の一例である。導電板２３および結合コンデンサＣ_ｃは、結合部の一例である。バスバー２１は、第１導電線の一例である。リード線３６は、導電板の一例である。インバータ３は、外部負荷の一例である。

１：電動システム ２：スイッチング電源 １１：バッテリ １２：制御部 １３：スナバ回路 １４：平滑部 ２１および２２：バスバー ２３：導電板 ＳＷ１およびＳＷ２：スイッチング素子 Ｌ_ｐ１～Ｌ_ｐ３：寄生インダクタンス Ｒ_ｓｎｂ：抵抗部、Ｃ_ｓｎｂ：容量部

Claims (6)

1. スイッチング素子を備えた主回路と、抵抗部と容量部と結合部が直列接続された閉回路を備えるスナバ回路と、を備えるスイッチング電源装置であって、
   前記スナバ回路は、前記主回路と絶縁されており、
   前記結合部は、前記主回路が備える第１導電線と磁気的または電気的に結合している、スイッチング電源装置。
2. 前記第１導電線は、少なくとも一部に第１平面部を備えており、
   前記結合部は、第２平面部を備えた導電線であり、
   前記第２平面部が前記第１平面部に対して絶縁されているとともに略平行に配置されている、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記主回路の損失率をγ_１とし、前記スナバ回路の損失率をγ_２とした場合に、前記結合部と前記第１導電線との磁気結合定数κは、κ＞（γ_１－γ_２）／２の関係が成立する、請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記結合部は、前記スナバ回路と前記第１導電線とを接続するコンデンサである、
   請求項１に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記主回路は、前記スイッチング素子が配置された制御部と、平滑コンデンサが配置された平滑部と、を備えており、
   前記第１導電線は、前記制御部と前記平滑部との間を接続するバスバー、または、前記平滑部と外部負荷との間を接続するバスバーである、請求項１～４の何れか１項に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記主回路は、
   前記スイッチング素子と接続される導電板と、
   前記スイッチング素子、および、前記スイッチング素子と前記導電板との接続部を覆う樹脂部と、
   を備えており、
   前記第１導電線は、前記導電板のうち前記樹脂部で覆われた領域である、請求項１～５の何れか１項に記載のスイッチング電源装置。

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