УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2018 года по МПК H02M7/48 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству преобразования мощности для преобразования мощности постоянного тока аккумулятора в мощность переменного тока или преобразования напряжения мощности постоянного тока.

Уровень техники

[0002] Системы автомобильной силовой электроники для использования в электромобилях и гибридных автомобилях в основном состоят из аккумулятора, который подает мощность постоянного тока, инвертора, который выполняет преобразование постоянного тока в переменный, и электромотора, который получает движущую силу из электрической выходной мощности инвертора. Инвертор в этом случае представляет собой устройство преобразования мощности.

[0003] Устройство преобразования мощности включает переключатели, сформированные из силовых полупроводниковых элементов, и в случае инвертора, преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока посредством размыкания и замыкания переключателей, и в случае преобразователя, преобразует напряжение посредством размыкания и замыкания переключателей.

[0004] Возникают случаи, когда флуктуация напряжения, получающаяся в результате размыкания и замыкания переключателей, излучается в качестве синфазного шума и оказывает негативное влияние на прослушивание бортовой радиостанции и других цифровых инструментов. Чтобы разрешать это, в современном уровне техники, линия, которая подает мощность в устройство преобразования мощности, и заземляющая поверхность соединяются посредством конденсатора, чтобы разряжать синфазный шум на потенциал земли (например, патентный документ 1).

Список библиографических ссылок

Патентные документы

[0005] Патентный документ 1. Публикация заявки на патент (Япония) номер 2004-7888

Сущность изобретения

Техническая задача

[0006] Тем не менее, возникают случаи, когда синфазный шум, разряженный на потенциал земли, утекает на корпус устройства преобразования мощности. Это приводит к такой проблеме, что канал, через который синфазный шум утекает на корпус, выступает в качестве антенны, излучающей необязательные электромагнитные волны (шум излучения), и это излучение вызывает неисправность других устройств, таких как бортовая радиостанция.

[0007] Настоящее изобретение осуществлено с учетом вышеизложенной проблемы, и его задача заключается в том, чтобы предоставлять устройство преобразования мощности, которое обеспечивает возможность уменьшения утечки синфазного шума на корпус.

Решение задачи

[0008] Устройство преобразования мощности согласно одному аспекту настоящего изобретения включает в себя первую шину подачи электрической мощности, вторую шину подачи электрической мощности, переключающий элемент, первый конденсатор, второй конденсатор, заземляющий элемент и проводящий элемент. Первая шина подачи электрической мощности размещается со стороны положительного электрода источника электрической мощности, вторая шина подачи электрической мощности размещается со стороны отрицательного электрода источника электрической мощности, и переключающий элемент предоставляется между первой шиной подачи электрической мощности и второй шиной подачи электрической мощности. Один конец первого конденсатора соединяется с первой шиной подачи электрической мощности, и один конец второго конденсатора соединяется со второй шиной подачи электрической мощности. Заземляющий элемент соединяется между противоположным концом первого конденсатора и противоположным концом второго конденсатора. Кроме того, в устройстве преобразования мощности согласно настоящему изобретению, проводящий элемент разводится вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины подачи электрической мощности и второй шины подачи электрической мощности и соединяется между заземляющим элементом и потенциалом земли.

Краткое описание чертежей

[0009] Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 1 преобразования мощности в первом варианте осуществления.

Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей устройство 1 преобразования мощности со схемными обозначениями.

Фиг. 3 является схемой, поясняющей паразитный конденсатор C_pm2 в устройстве 1 преобразования мощности.

Фиг. 4 является графиком, иллюстрирующим примеры, сравниваемые между собой в синфазном шуме.

Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 2 преобразования мощности, которое представляет собой устройство 1 преобразования мощности, модифицированное в преобразователь.

Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 3 преобразования мощности во втором варианте осуществления.

Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей устройство 3 преобразования мощности со схемными обозначениями.

Фиг. 8 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 4 преобразования мощности в третьем варианте осуществления.

Часть (a) по фиг. 9 иллюстрирует размеры двух проводящих объектов пластинчатой формы, тогда как часть (b) по фиг. 9 является графиком, иллюстрирующим тенденции изменения взаимоиндуктивности M относительно этих размеров.

Фиг. 10 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 5 преобразования мощности в четвертом варианте осуществления.

Фиг. 11 является схемой, иллюстрирующей другой пример конфигурации устройства 5 преобразования мощности в четвертом варианте осуществления.

Фиг. 12 является видом в поперечном сечении, иллюстрирующим пример соотношения между проводящим элементом 14, первой шиной 10 подачи электрической мощности и второй шиной 11 подачи электрической мощности в разведенном состоянии.

Фиг. 13 является графиком, иллюстрирующим соотношение между балансом CL_BAL в электрических свойствах между проводящими линиями (10, 11, 14) на фиг. 11 и интенсивностью шума для синфазного шума.

Фиг. 14 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 6 преобразования мощности в пятом варианте осуществления.

Фиг. 15 является видом в поперечном сечении, иллюстрирующим пример соотношения между проводящими элементами 14a, 14b, первой шиной 10 подачи электрической мощности и второй шиной 11 подачи электрической мощности в разведенном состоянии.

Фиг. 16 является видом в поперечном сечении, иллюстрирующим другой пример соотношения между проводящими элементами 14a, 14b, первой шиной 10 подачи электрической мощности и второй шиной 11 подачи электрической мощности в разведенном состоянии.

Фиг. 17 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства 7 преобразования мощности в шестом варианте осуществления.

Фиг. 18 является набором схем, поясняющих работу и преимущество, достигаемые посредством задания длины проводящего элемента 14 равной λ/4 от длины λ волны высокочастотного сигнала с синфазным напряжением (током).

Подробное описание вариантов осуществления

[0010] Ниже описываются варианты осуществления со ссылкой на чертежи. Идентичные части в иллюстрации чертежей обозначаются посредством идентичных ссылок с номерами, и их описание опускается.

[0011] Первый вариант осуществления

Пример конфигурации устройства 1 преобразования мощности в первом варианте осуществления проиллюстрирован на фиг. 1. Устройство 1 преобразования мощности в этом варианте осуществления поясняется с примером инвертора, который преобразует мощность постоянного тока аккумулятора в мощность переменного тока, например, в системе автомобильной силовой электроники.

[0012] Устройство 1 преобразования мощности включает в себя первую шину 19 подачи электрической мощности, вторую шину 11 подачи электрической мощности, силовой модуль 12 (переключающий элемент), элемент 13 потенциала земли и корпус 15.

[0013] Первая шина 10 подачи электрической мощности подает в устройство 1 преобразования мощности источник положительной мощности (на стороне положительного электрода) источника 16 электрической мощности (аккумулятора), который подает мощность постоянного тока. Вторая шина 11 подачи электрической мощности подает в устройство 1 преобразования мощности источник отрицательной мощности (на стороне отрицательного электрода) источника 16 электрической мощности. Первая шина 10 подачи электрической мощности и вторая шина 11 подачи электрической мощности могут размещаться из любой части системы подачи электрической мощности.

[0014] Силовой модуль 12 предоставляется между первой шиной 10 подачи электрической мощности и второй шиной 11 подачи электрической мощности и снабжается мощностью постоянного тока из источника 16 электрической мощности. Силовой модуль 12, например, представляет собой инвертор, который преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока посредством поочередного размыкания и замыкания переключателей посредством управляющего сигнала, иллюстрация которого опускается.

[0015] Элемент 13 потенциала земли соединяет каждую из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности и корпус 15, который соединяется с потенциалом земли. Это соединение означает соединение переменного тока через реактивное сопротивление. Ниже описываются подробности.

[0016] Проводящий элемент 14 разводится вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности и соединяет элемент 13 потенциала земли и корпус 15 около силового модуля 12. Таким образом, первая шина 10 подачи электрической мощности и вторая шина 11 подачи электрической мощности соединяются с потенциалом земли посредством элемента 13 потенциала земли и проводящего элемента 14.

[0017] Здесь, "разведенный вдоль" означает, что проводящий элемент 14 идет около, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности, каждая из которых идет в форме линии, без оставления большого зазора между ними на определенную длину. Ниже описывается конкретный пример.

[0018] Далее кратко описывается синфазный шум. Синфазный шум задается как шум, который распространяется через линии в устройстве синфазно, шумы, которые распространяются через поверхность потенциала земли (заземленную поверхность), и т.п. Более конкретно, синфазный шум представляет собой шум, сформированный, когда переключающие элементы в силовом модуле 12 соединяются и разъединяются, и протекает через первую шину 19 подачи электрической мощности и вторую шину 11 подачи электрической мощности в идентичном направлении.

[0019] В устройстве 1 преобразования мощности, когда переключатели в силовом модуле 12 размыкаются и замыкаются, протекает синфазный ток, который заряжает и разряжает паразитный конденсатор между выходным узлом силового модуля 12, иллюстрация которого опускается на фиг. 1, и потенциалом земли. Этот синфазный ток протекает через первую шину 19 подачи электрической мощности и вторую шину 11 подачи электрической мощности одновременно и протекает через два канала: первый контур R₁ (штрихпунктирная линия), проходящий через проводящий элемент 14, и второй контур R₂ (пунктирная линия), проходящий через корпус 15.

[0020] Чем больше паразитный конденсатор между выходным узлом и потенциалом земли, тем больше синфазный ток. Синфазный ток представляет собой высокочастотную волну, так что канал для синфазного тока, протекающего через второй контур R₂, может становиться рамочной антенной и излучать необязательные электромагнитные волны (синфазный шум) из корпуса 15.

[0021] Проводящий элемент 14 в этом варианте осуществления разводится вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности. Таким образом, посредством эффекта взаимоиндуктивности M между ними, индуктивность проводящего элемента 14 может задаваться небольшой. Следовательно, импеданс проводящего элемента 14 уменьшается, так что синфазный ток, который представляет собой источник синфазного шума, протекает предпочтительно через проводящий элемент 14, за счет этого уменьшая синфазный ток во втором контуре R₂, который утекает на корпус 15 и т.п. Ниже подробно описывается взаимоиндуктивность M.

[0022] Как описано выше, устройство 1 преобразования мощности уменьшает утечку синфазного тока на корпус 15 и ввиду этого подавляет излучение необязательных электромагнитных волн вследствие синфазного шума, сформированного посредством этого канала распространения. Следует отметить, что корпус 15, который размещает силовой модуль 12 и другие компоненты, может не предоставляться. Вместо корпуса 15, проводящие линии или проводящие пластины могут использоваться для того, чтобы заземлять первую шину 19 подачи электрической мощности и вторую шину 11 подачи электрической мощности. Ниже также подробно описывается работа устройства 1 преобразования мощности в этом варианте осуществления со ссылкой на другие чертежи.

[0023] Схема, иллюстрирующая фиг. 1 со схемными обозначениями, проиллюстрирована на фиг. 2. Силовой модуль 12, проиллюстрированный на фиг. 2, представляет пример инвертора, состоящего, например, из переключающего элемента 12a с электродом коллектора, соединенным с источником положительной мощности, и переключающего элемента 12b с электродом эмиттера, соединенным с источником отрицательной мощности. Электрод эмиттера переключающего элемента 12a и электрод коллектора переключающего элемента 12b соединяются с возможностью формировать выходной узел 12c. Диоды D1 и D2 соединяются с переключающим элементом 12a и 12b, соответственно, в обратно-параллельной конфигурации.

[0024] Элемент 13 потенциала земли состоит из первого конденсатора 13a, второго конденсатора 13b и заземляющего элемента 13c. Один конец первого конденсатора 13a соединяется с первой шиной 10 подачи электрической мощности. Один второго конденсатора 13b соединяется со второй шиной 11 подачи электрической мощности.

[0025] Противоположный конец каждого первого конденсатора 13a и второго конденсатора 13b соединяется с заземляющим элементом 13c, который заземляется. Хотя заземляющий элемент 13c проиллюстрирован прямоугольным, заземляющий элемент 13c может иметь любую форму.

[0026] Проводящий элемент 14 соединяет заземляющий элемент 13c и внутреннюю сторону низа корпуса 15 около выходного узла 12c силового модуля 12. Проводящий элемент 14 разводится вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности. Здесь, около средства выходного узла 12c означает около нижеупомянутого полупроводникового кристалла, в котором формируются переключающие элементы 12a, 12b.

[0027] Паразитный конденсатор C_pm2 формируется между этим выходным узлом 12c и корпусом 15, с которым соединяется проводящий элемент 14. Синфазный ток, который протекает через паразитный конденсатор C_pm2 после размыкания и замыкания переключающих элементов 12a, 12b, протекает через первый контур R₁, проиллюстрированный посредством штрихпунктирной линии, и второй контур R₂, проиллюстрированный посредством пунктирной линии. Синфазный ток также протекает через вторую шину 11 подачи электрической мощности. Иллюстрация синфазного тока, протекающего через вторую шину 11 подачи электрической мощности, опускается, поскольку это затрудняет просмотр чертежа.

[0028] Ниже описывается паразитный конденсатор C_pm2, сформированный между силовым модулем 12 и корпусом 15, со ссылкой на фиг. 3. Фиг. 3 иллюстрирует конструкцию в поперечном сечении силового модуля 12. Силовой модуль 12 включает в себя, например, полупроводниковый кристалл 120, в котором формируются IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и т.п., медный рисунок 121, на котором монтируется этот полупроводниковый кристалл 120, керамическую подложку 122, с которой соединен проводами медный рисунок 121, и медную основу 123, закрепляющую керамическую подложку 122.

[0029] Емкость паразитного конденсатора C_pm2 между выходным узлом 12c силового модуля 12 и потенциалом земли вычисляется с использованием следующего уравнения между медным рисунком 121 и медной основой 123.

Математическое выражение 1

,

где S является площадью поверхности участков медного рисунка 121 и медной основы 123, обращенных друг к другу, d является расстоянием между медным рисунком 121 и медной основой 123, и ε_r является относительной диэлектрической проницаемостью керамической подложки 122.

[0030] Первый контур R₁ представляет собой канал, проходящий через первую шину 19 подачи электрической мощности, вторую шину 11 подачи электрической мощности, первый конденсатор 13a, второй конденсатор 13b и проводящий элемент 14. Второй контур R₂ представляет собой канал, проходящий через первую шину 19 подачи электрической мощности, вторую шину 11 подачи электрической мощности, первый конденсатор 13a, второй конденсатор 13b, заземляющий элемент 13c и корпус 15 через конденсатор, работающий в буферном режиме в местоположении заземляющего элемента 13c, или через элемент 13 потенциала земли.

[0031] Здесь, импеданс между заземляющим элементом 13c и корпусом 15 задается как Z₁. Импеданс Z₁ содержит реактивное сопротивление, получающееся в результате конденсатора, работающего в буферном режиме посредством заземляющего элемента 13c, и реактивное сопротивление, получающееся в результате индуктивности элемента 13 потенциала земли. Кроме того, импеданс проводящего элемента 14 задается как Z₂. Кроме того, импеданс корпуса 15 задается как Z₃. Посредством разведения проводящего элемента 14 вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности, устройство 1 преобразования мощности поддерживает эти импедансы в соотношении, описанном посредством следующего неравенства, чтобы уменьшать утечку синфазного тока на корпус 15.

Математическое выражение 2

[0032] Пример сравниваемый в синфазном шуме со случаем без использования этого варианта осуществления, проиллюстрирован на фиг. 4. Фиг. 4 иллюстрирует примеры утечки синфазного шума на корпус 15. Горизонтальная ось по фиг. 4 представляет время, тогда как вертикальная ось представляет уровень шума.

[0033] Форма β сигнала (пунктирная линия), проиллюстрированная на фиг. 4, указывает уровень утечки шума на корпус устройства преобразования мощности в сравнительном примере. В качестве сравнения с уровнем шума в сравнительном примере, уровень утечки шума на корпус 15 устройства 1 преобразования мощности в этом варианте осуществления указывается посредством формы α сигнала (сплошная линия). Как продемонстрировано, устройство 1 преобразования мощности в этом варианте осуществления уменьшает уровень шума посредством уменьшения утечки синфазного тока на корпус 15.

[0034] Модификация

Пример модификации этого варианта осуществления в повышающий преобразователь проиллюстрирован на фиг. 5. Фиг. 5 иллюстрирует пример конфигурации устройства 2 преобразования мощности для преобразования (повышения) напряжения источника 16 электрической мощности до большего напряжения.

[0035] Фиг. 5 отличается от конфигурации на фиг. 2, поясненной с примером инвертора, тем, что первая шина 10 подачи электрической мощности соединяется с выходным узлом 12c, с которым соединяются электрод эмиттера переключающего элемента 12a и электрод коллектора переключающего элемента 12b. В этом случае, электрод коллектора переключающего элемента 12a представляет собой повышенный вывод.

[0036] Таким образом, вышеописанная идея может применяться к преобразователю. В частности, посредством задания импеданса Z₂ первого контура R₁, в котором протекает синфазный ток, меньшим импеданса (Z₁+Z₃) второго контура R₂, который покрывает корпус 15, устройство 2 преобразования мощности может уменьшать утечку синфазного тока на корпус 15.

[0037] Второй вариант осуществления

Пример конфигурации устройства 3 преобразования мощности во втором варианте осуществления проиллюстрирован на фиг. 6. Устройство 3 преобразования мощности в этом варианте осуществления отличается от устройства 1 преобразования мощности (фиг. 1) тем, что включен охлаждающий элемент 30.

[0038] Устройство 3 преобразования мощности может охлаждаться посредством охлаждающего элемента 30, поскольку силовой модуль 12 вырабатывает тепло. Охлаждающий элемент 30 изолирован от силового модуля 12 и расположен около него. Например, охлаждающий элемент 30 располагается между медной основой 123 и корпусом 15 на фиг. 2.

[0039] Поверхность охлаждающего элемента 30 заземляется и имеет участок 30a, с которым соединяется проводящий элемент 14. Участок 30a предоставляется на поверхности охлаждающего элемента 30 ближе к силовому модулю 12, чем к корпусу 15.

[0040] Участок 30a присутствует в позиции выше низа корпуса 15 и близко к силовому модулю 12. Соответственно, длина проводящего элемента 14, соединяющего участок 30a и один конец заземляющего элемента 13c, может быть меньше кратчайшего расстояния от элемента 13 потенциала земли до участка 30a через корпус 15. Это означает то, что Z₃, или импеданс корпуса 15, задается большим в относительном смысле.

[0041] Схема, иллюстрирующая фиг. 6 со схемными обозначениями, проиллюстрирована на фиг. 7. Фиг. 6 отличается от фиг. 2 только тем, что включен охлаждающий элемент 30. Охлаждающий элемент 30 вставляется и располагается между силовым модулем 12 и корпусом 15. Это позволяет задавать длину проводящего элемента 14 короче длины на фиг. 2, т.е. усиливает соотношение Z₃>Z₂.

[0042] Как описано выше, устройство 3 преобразования мощности усиливает соотношение вышеуказанного неравенства (1) и ввиду этого дополнительно уменьшает утечку синфазного тока на корпус 15. Кроме того, соединение проводящего элемента 14 с участком 30a охлаждающего элемента 30 исключает необходимость в монопольном элементе для обеспечения потенциала земли для проводящего элемента. Следовательно, устройство 3 преобразования мощности обеспечивает преимущество уменьшения числа элементов, а также преимущество простого обеспечения потенциала земли для проводящего элемента 14.

[0043] Третий вариант осуществления

Пример конфигурации устройства 4 преобразования мощности в третьем варианте осуществления проиллюстрирован на фиг. 8. Конфигурация устройства 4 преобразования мощности в этом варианте осуществления является идентичной устройству 1 преобразования мощности (фиг. 2).

[0044] Устройство 4 преобразования мощности отличается от устройства 1 преобразования мощности тем, что устройство 4 преобразования мощности имеет такую конфигурацию, в которой, при замене импедансов элемента 13 потенциала земли, проводящего элемента 14 и корпуса 15 индуктивностями L1, L2, L3, соотношение между этими индуктивностями может выражаться посредством неравенства (3). Утечка синфазного тока на корпус 15 уменьшается посредством задания индуктивности L2 проводящего элемента 14 меньшей суммы индуктивностей элемента 13 потенциала земли и корпуса 15 (L1+L3). Следует отметить, что индуктивности L1, L2, L3 не являются сосредоточенными константами.

Математическое выражение 3

[0045] Индуктивность каждого из элемента 13 потенциала земли и проводящего элемента 14, которая может получаться в случае, если их форма поперечного сечения является, например, пластинчатой формой, описывается в уравнении (4), где l является длиной проводящего объекта пластинчатой формы, h является толщиной проводящего объекта пластинчатой формы, w является шириной проводящего объекта пластинчатой формы, и μ₀ является магнитной проницаемостью.

Математическое выражение 4

[0046] Взаимоиндуктивность M между проводящим элементом 14 и первой шиной 10 подачи электрической мощности и взаимоиндуктивность M между проводящим элементом 14 и второй шиной 11 подачи электрической мощности могут вычисляться посредством следующего уравнения. В части (a) по фиг. 9 проиллюстрированы размеры двух проводящих объектов пластинчатой формы, разведенных поверх друг друга с расстоянием d между ними. Один из проводящих объектов имеет ширину w, толщину h и длину l. Другой проводящий объект имеет идентичную ширину и толщину и разводится с обращением к одному проводящему объекту с расстоянием d между ними. Тенденции изменения взаимоиндуктивности M между этими двумя проводящими объектами проиллюстрированы в части (b) по фиг. 9.

Математическое выражение 5

[0047] Горизонтальная ось части (b) по фиг. 9 представляет отношение длины l проводящего объекта к ширине w (l/w), и вертикальная ось представляет взаимоиндуктивность M. Кроме того, каждый параметр (0,25, 0,5, 1,0, 2,5, 5, 10) представляет отношение расстояния d к ширине w (d/w). Кроме того, отношение толщины h проводящего объекта к ширине w (h/w) задается фиксированно равным 0,25. Взаимоиндуктивность M увеличивается по мере того, как длина l проводящего объекта становится большей (больше l/w). Кроме того, взаимоиндуктивность M увеличивается по мере того, как ширина w проводящего объекта становится больше, и по мере того, как расстояние d между проводящими объектами становится короче (меньше d/w).

[0048] Соотношения, проиллюстрированные в части (b) по фиг. 9, указывают то, что сокращение расстояния между проводящим элементом 14 и первой шиной 10 подачи электрической мощности или между проводящим элементом 14 и второй шиной 11 подачи электрической мощности может увеличивать значение взаимоиндуктивности M между ними. Если синфазные токи вследствие синфазного шума протекают через первую шину 19 подачи электрической мощности и вторую шину 11 подачи электрической мощности в состоянии, в котором расстояние между проводящим элементом 14 и первой шиной 10 подачи электрической мощности или второй шиной 11 подачи электрической мощности является коротким, дифференциальные токи протекают через первую шину 19 подачи электрической мощности или вторую шину 11 подачи электрической мощности и проводящий элемент 14. В случае если эти дифференциальные токи протекают, индуктивность проводящего элемента 14 может уменьшаться посредством эффекта взаимоиндуктивности M. Следовательно, импеданс проводящего элемента 14 уменьшается. Это позволяет уменьшать утечку синфазного тока.

[0049] В общем, взаимоиндуктивность M между проводящим элементом 14 и первой шиной 10 подачи электрической мощности или второй шиной 11 подачи электрической мощности может задаваться большой посредством разведения проводящего элемента 14 вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности. Следовательно, синфазный ток может принудительно протекать предпочтительно через проводящий элемент 14, за счет этого уменьшая утечку синфазного тока на корпус 15. Следовательно, устройство 4 преобразования мощности подавляет излучение необязательных электромагнитных волн вследствие синфазного шума.

[0050] Следует отметить, что хотя предпочтительно соединять проводящий элемент 14 с центральным участком заземляющего элемента 13c, конфигурация не обязательно ограничена этим; проводящий элемент 14 может соединяться с участком заземляющего элемента 13c, отличным от центрального участка, при условии что проводящий элемент 14 разводится вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности.

[0051] В общем, посредством разведения проводящего элемента 14 вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности, индуктивность проводящего элемента 14 может задаваться меньше индуктивности заземляющего элемента 13c независимо от того, с каким участком соединяется проводящий элемент 14. Следовательно, синфазный ток, который представляет собой источник синфазного шума, может принудительно протекать предпочтительно через проводящий элемент 14.

[0052] Четвертый вариант осуществления

Пример конфигурации устройства 5 преобразования мощности в четвертом варианте осуществления проиллюстрирован на фиг. 10. В устройстве 5 преобразования мощности в этом варианте осуществления, конденсатор, работающий в буферном режиме между заземляющим элементом 13c и корпусом 15 устройства 4 преобразования мощности (фиг. 8), задается как C_b.

[0053] Если C_b выступает в качестве конденсатора между заземляющим элементом 13c и корпусом 15, вышеуказанное неравенство (3) может выражаться как следующее неравенство. Посредством удовлетворения следующему неравенству, устройство 5 преобразования мощности может уменьшать утечку синфазного тока в конкретной полосе частот на корпус 15.

Математическое выражение 6

[0054] Следует отметить, что хотя паразитный конденсатор C_b проиллюстрирован на фиг. 10 с возможностью последовательно соединяться с индуктивностью L1 элемента 13 потенциала земли, конфигурация не обязательно ограничена этим; паразитный конденсатор C_b может быть проиллюстрирован с возможностью соединяться параллельно с индуктивностью L1, как проиллюстрировано на фиг. 11.

[0055] Кроме того, как проиллюстрировано на фиг. 12, в устройстве 5 преобразования мощности, проводящий элемент 14 разводится вдоль первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности таким образом, что расстояние между проводящим элементом 14 и первой шиной 10 подачи электрической мощности и расстояние между проводящим элементом 14 и второй шиной 11 подачи электрической мощности равны друг другу. Фиг. 12 является видом в поперечном сечении вдоль направления, перпендикулярного направлению прохождения каждой проводящей линии (10, 11, 14) (соответствующего поперечному сечению A-A на фиг. 10). Фиг. 12 представляет пример, в котором форма каждой проводящей линии (10, 11, 14) является плоской пластинчатой формой, и первая шина 10 подачи электрической мощности и вторая шина 11 подачи электрической мощности разведены с одной поверхностью, обращенной к одной поверхности проводящего элемента 14.

[0056] Посредством разведения каждой проводящей линии (10, 11, 14) аналогично этому примеру, междуфазная емкость C11 между первой шиной 10 подачи электрической мощности и проводящим элементом 14 и междуфазная емкость C22 между второй шиной 11 подачи электрической мощности и проводящим элементом 14 задаются равномерными. Если L11 является индуктивностью первой шины 10 подачи электрической мощности, а L22 является индуктивностью второй шины 11 подачи электрической мощности, баланс CL_BAL в электрических свойствах между проводящими линиями может выражаться посредством следующего уравнения.

Математическое выражение 7

[0057] Как ясно из уравнения (7), баланс CL_BAL равен 0, если C11 и C22 или L11 и L22 равны по абсолютной величине, тогда как значение баланса CL_BAL является большим, если C11 и C22 или L11 и L22 плохо сбалансированы по абсолютной величине.

[0058] Соотношение между балансом CL_BAL и интенсивностью шума для синфазного шума проиллюстрировано на фиг. 13. Горизонтальная ось по фиг. 13 представляет значение баланса CL_BAL, тогда как вертикальная ось представляет интенсивность шума. Интенсивность шума демонстрирует такие характеристики, что значение баланса CL_BAL линейно увеличивается после превышения 1 и выравнивается после достижения 2,5. Интенсивность шума может быть низкой посредством задания значения баланса CL_BAL таким образом, что CL_BAL≤2. Другими словами, устройство 5 преобразования мощности дополнительно может уменьшать синфазный шум посредством задания значения баланса CL_BAL небольшим.

[0059] Следует отметить, что выведение проводящего элемента 14 из центрального участка заземляющего элемента 13c имеет важность при задании баланса CL_BAL небольшим. Этот выведенный участок указывается посредством знака γ на фиг. 8. Выведение проводящего элемента 14 из центрального участка заземляющего элемента 13c способствует заданию абсолютных величин C11 и C22 равными и заданию абсолютных величин L11 и L22 равными.

[0060] Пятый вариант осуществления

Пример конфигурации устройства 6 преобразования мощности в пятом варианте осуществления проиллюстрирован на фиг. 14. Устройство 6 преобразования мощности в этом варианте осуществления отличается от устройства 3 преобразования мощности (фиг. 7) тем, что проводящий элемент 14 состоит из двух проводящих элементов 14a, 14b.

[0061] Проводящие элементы 14a и 14b представляют собой проводящие линии, например, с плоской пластинчатой формой. Использование двух проводящих элементов 14a, 14b упрощает задание равномерной междуфазной емкости (C11) между первой шиной 10 подачи электрической мощности и проводящим элементом 14a и междуфазной емкости (C22) между второй шиной 11 подачи электрической мощности и проводящим элементом 14b.

[0062] На фиг. 15 проиллюстрирован вид в поперечном сечении вдоль направления, перпендикулярного направлению прохождения каждой проводящей линии (10, 11, 14a, 14b) (соответствующего поперечному сечению B-B на фиг. 14). Как проиллюстрировано на фиг. 15, формы поперечного сечения проводящих элементов 14a, 14b, первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности являются идентичными.

[0063] Проводящий элемент 14a, первая шина 10 подачи электрической мощности, вторая шина 11 подачи электрической мощности и проводящий элемент 14b горизонтально размещаются в этом порядке с разнесением друг от друга таким образом, чтобы формировать одну плоскость. Кроме того, они разводятся таким образом, что расстояние между проводящим элементом 14a и первой шиной 10 подачи электрической мощности и расстояние между проводящим элементом 14b и второй шиной 11 подачи электрической мощности равны друг другу.

[0064] Посредством такого разведения, могут задаваться небольшими емкостная связь между первой шиной 10 подачи электрической мощности и проводящим элементом 14a и емкостная связь между второй шиной 11 подачи электрической мощности и проводящим элементом 14b. Кроме того, посредством эффекта взаимоиндуктивности M между каждой парой, индуктивность проводящих элементов 14a и 14b может уменьшаться.

[0065] Посредством разведения каждой проводящей линии, как проиллюстрировано на фиг. 15, значения в балансе CL_BAL задаются равномерными посредством небольших значений. Следовательно, устройство 6 преобразования мощности дополнительно уменьшает интенсивность шума.

[0066] Альтернативно, проводящие элементы 14a, 14b, первая шина 10 подачи электрической мощности и вторая шина 11 подачи электрической мощности могут разводиться, как проиллюстрировано на фиг. 16. При таком разведении, устройство 6 преобразования мощности эффективнее использует эффект взаимоиндуктивности M.

[0067] Первая шина 10 подачи электрической мощности и вторая шина 11 подачи электрической мощности, проиллюстрированные на фиг. 16, представляют собой проводящие линии плоской пластинчатой формы. Одна поверхность первой шины 10 подачи электрической мощности обращена к проводящему элементу 14a, а также обращена ко второй шине 11 подачи электрической мощности. Одна поверхность второй шины 11 подачи электрической мощности обращена к первой шине 10 подачи электрической мощности, а также обращена к проводящему элементу 14b.

[0068] Когда первая шина 10 подачи электрической мощности и проводящий элемент 14a обращены друг к другу, и вторая шина 11 подачи электрической мощности и проводящий элемент 14b обращены друг к другу, как проиллюстрировано на фиг. 16, взаимоиндуктивность M между ними задается большой (уравнение (5)). Следовательно, с эффектом взаимоиндуктивностей M, устройство 6 преобразования мощности уменьшает индуктивности проводящих элементов 14a, 14b и ввиду этого подавляет излучение необязательных электромагнитных волн вследствие синфазного шума.

[0069] Между тем, в случае если проводящий элемент 14a, первая шина 10 подачи электрической мощности, вторая шина 11 подачи электрической мощности и проводящий элемент 14b располагаются на одной плоскости (фиг. 15), проводящие линии (10, 11, 14a, 14b) преимущественно разведены таким образом, что они имеют равные между собой расстояния от корпуса 15. В частности, расстояние до каждой проводящей линии (10, 11, 14a, 14b) от верхней стенки внутренней части корпуса 15 задается как y1, расстояние до каждой проводящей линии (10, 11, 14a, 14b) от нижней стенки внутренней части корпуса 15 задается как y2, расстояние до проводящего элемента 14a от одной боковой стенки внутренней части корпуса 15 задается как x1, и расстояние до проводящего элемента 14b от противоположной боковой стенки внутренней части корпуса 15 задается как x2.

[0070] Затем проводящие линии (10, 11, 14a, 14b) располагаются в центральном участке внутренней части корпуса 15 посредством удовлетворения y1=y2 и x1=x2. Расположение проводящих линий (10, 11, 14a, 14b) в центральном участке внутренней части корпуса 15 балансирует паразитные импедансы, сформированные между проводящими линиями (10, 11, 14a, 14b) и корпусом 15. Это позволяет эффективнее использовать эффект задания значения баланса CL_BAL небольшим (фиг. 13).

[0071] Вышеуказанное применяется также к случаю разведения проводящих линий (10, 11, 14a, 14b), как проиллюстрировано на фиг. 16. Расстояния до проводящих элементов 14a и 14b от внутренних поверхностей корпуса 15 задаются как y1 и x1, и расстояния до первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности от внутренних поверхностей корпуса 15 задаются как y1 и x2. Далее, разность между x1 и x2 задается равной расстоянию, существенно меньшему x1 (x2). Другими словами, проводящие линии (10, 11, 14a, 14b) располагаются в центральном участке внутренней части корпуса 15 посредством задания количественного отношения разности достаточно небольшим. Это позволяет задавать значение баланса CL_BAL небольшим и ввиду этого уменьшать интенсивность шума для синфазного шума.

[0072] Шестой вариант осуществления

Пример конфигурации устройства 7 преобразования мощности в шестом варианте осуществления проиллюстрирован на фиг. 17. Устройство 7 преобразования мощности отличается от устройства 3 преобразования мощности (фиг. 6) тем, что длина проводящего элемента 14 в устройстве 3 преобразования мощности задается равной 1/4 от длины λ волны высокочастотного сигнала с синфазным напряжением (током), сформированным посредством размыкания и замыкания переключающих элементов 12a, 12b.

[0073] Для частоты высокочастотного сигнала с синфазным напряжением, имеется две частоты: резонансная частота с компонентом индуктивности и компонентом емкости вышеуказанного первого контура R₁ и второго контура R₂ и частота стоячей волны, сформированной на поверхности охлаждающего элемента 30 с резонансной частотой в качестве триггера. Устройство 7 преобразования мощности уменьшает интенсивность шума синфазного шума посредством задания длины проводящего элемента 14 равной 1/4 от длины λ волны высокочастотного сигнала с синфазным напряжением.

[0074] Ниже описывается работа и преимущество проводящего элемента 14, имеющего длину λ/4, со ссылкой на фиг. 18. Часть (a) по фиг. 18 является схемой, схематично иллюстрирующей разводку для распространения для достижения охлаждающего элемента 30 посредством синфазного напряжения Vn через проводящий элемент 14. Часть (b) по фиг. 18 является схемой, концептуально иллюстрирующей ослабление синфазного напряжения Vn.

[0075] По мере того, как синфазное напряжение Vn распространяется в охлаждающий элемент 30, формируется стоячая волна, соответствующая размеру (размерам) охлаждающего элемента, указываемому посредством формы δ сигнала (сплошная линия). Стоячая волна распространяется через проводящий элемент 14 и отражается в проводящем элементе 14. Затем посредством формирования разветвленного канала с длиной, которая составляет 1/4 от длины λ волны стоячей волны, отраженная волна обращенной фазы формируется в проводящем элементе 14, и стоячая волна и отраженная волна компенсируют друг друга, так что стоячая волна подавляется. Другими словами, посредством задания длины проводящего элемента 14 равной λ/4 от длины 4 от длины λ волны стоячей волны, сформированной в охлаждающем элементе 30, отраженные волны компенсируют друг друга, как проиллюстрировано посредством формы сигнала ε (пунктирная линия), так что стоячая волна подавляется.

[0076] Между тем, длина проводящего элемента 14 может задаваться равной 1/4 от длины λ волны резонансной частоты с компонентом индуктивности и компонентом емкости первого контура R₁ и второго контура R₂. Высокочастотный сигнал с синфазным напряжением, распространяющийся через первую шину 19 подачи электрической мощности и вторую шину 11 подачи электрической мощности, отражается в проводящем элементе 14. Таким образом, аналогично вышеописанной стоячей волне, синфазный шум может подавляться посредством задания длины проводящего элемента 14 равной λ/4 от длины λ волны частоты высокочастотного сигнала с синфазным напряжением.

[0077] Как описано выше, длина проводящего элемента 14 может составлять либо 1/4 от длины λ волны резонансной частоты с компонентом индуктивности и компонентом емкости первого контура R₁ и второго контура R₂, либо 1/4 от длины λ волны частоты стоячей волны, сформированной на поверхности охлаждающего элемента 30. В общем, длина λ волны может просто быть длиной волны, соответствующей частоте синфазного шума, сформированного посредством размыкания и замыкания переключающих элементов. Между тем, для длины λ волны и нечетного числа n, аналогичная работа и преимущество может достигаться посредством задания длины проводящего элемента 14 равной nλ/4.

[0078] Как описано выше, варианты осуществления позволяют добиваться следующих операций и преимуществ.

[0079] Поскольку проводящий элемент 14 разводится вдоль, по меньшей мере, одной из первой шины 10 подачи электрической мощности и второй шины 11 подачи электрической мощности, индуктивность проводящего элемента 14 может уменьшаться посредством эффекта взаимоиндуктивности M между проводящим элементом 14 и первой шиной 10 подачи электрической мощности или второй шиной 11 подачи электрической мощности. Таким образом, импеданс проводящего элемента 14 уменьшается, обеспечивая возможность синфазному току протекать предпочтительно через проводящий элемент 14 и уменьшая утечку синфазного тока на корпус 15. Следовательно, устройство 1 преобразования мощности подавляет излучение необязательных электромагнитных волн вследствие синфазного шума и ввиду этого не оказывает негативное влияние на операции периферийных электронных устройств.

[0080] Кроме того, устройство 3 преобразования мощности, которое включает в себя охлаждающий элемент 30, имеет проводящий элемент 14, соединенный с участком 30a охлаждающего элемента 30, который заземляется. Это исключает необходимость элемента специально для обеспечения потенциала земли для проводящего элемента 14. Другими словами, устройство 3 преобразования мощности обеспечивает преимущество уменьшения синфазного тока, а также преимущество упрощения обеспечения потенциала земли.

[0081] Кроме того, устройство 3 преобразования мощности, которое включает в себя охлаждающий элемент 30, может сокращать длину проводящего элемента 14 посредством толщины охлаждающего элемента 30. В частности, длина проводящего элемента 14 может быть задана меньше длины канала, достигающего участка 30a из заземляющего элемента 13c через корпус 15. Соответственно, импеданс проводящего элемента 14 уменьшается, обеспечивая возможность синфазному току протекать предпочтительно через проводящий элемент 14 и уменьшая утечку синфазного тока на корпус 15.

[0082] Кроме того, в устройстве 4 преобразования мощности, индуктивность заземляющего элемента 13c, проводящего элемента 14 и корпуса 15 задается равной L1, L2, L3, соответственно. Устройство 4 преобразования мощности уменьшает утечку синфазного тока на корпус 15 посредством задания индуктивности L2 проводящего элемента 14 меньшей суммы индуктивностей заземляющего элемента 13c и корпуса 15 (L1+L3).

[0083] Кроме того, устройство 5 преобразования мощности, в котором конденсатор C_b работает в буферном режиме между заземляющим элементом 13c и корпусом 15, уменьшает утечку синфазного тока в конкретной полосе частот на корпус 15 посредством удовлетворения вышеуказанному неравенству (6).

[0084] Кроме того, устройство 5 преобразования мощности, сконфигурированное таким образом, что форма каждой проводящей линии является плоской пластинчатой формой, и первая шина 10 подачи электрической мощности и вторая шина 11 подачи электрической мощности разводятся с одной поверхностью, обращенной к одной поверхности проводящего элемента 14, может задавать баланс CL_BAL в электрических свойствах небольшим, причем баланс CL_BAL может вычисляться с использованием импедансов проводящих линий. Следовательно, устройство 5 преобразования мощности может задавать интенсивность шума для синфазного шума низкой (фиг. 12).

[0085] Кроме того, в случае если проводящий элемент 14 состоит из двух проводящих элементов 14a, 14b, взаимоиндуктивности M между проводящими элементами 14a, 14b и первой шиной 10 подачи электрической мощности и второй шиной 11 подачи электрической мощности могут задаваться большими. Следовательно, устройство 6 преобразования мощности уменьшает индуктивности проводящих элементов 14a, 14b с эффектом взаимоиндуктивностей M.

[0086] Кроме того, посредством задания длины проводящего элемента 14 равной nλ/4 от длины λ волны синфазного шума, сформированного посредством размыкания и замыкания переключателей силового модуля 12, отраженные волны компенсируют друг друга. Следовательно, интенсивность шума для синфазного шума может уменьшаться.

[0087] Хотя содержание настоящего изобретения описано для вариантов осуществления, специалистам в данной области техники должно быть ясным, что настоящее изобретение не ограничено этими описаниями, и возможны различные изменения и модификации.

[0088] Например, вариант осуществления, который эффективно использует эффект взаимоиндуктивности M посредством использования двух проводящих элементов 14a, 14b, может применяться к любому из вышеописанных устройств 1-5 преобразования мощности. Кроме того, вариант осуществления, который задает длину проводящего элемента 14 равной nλ/4 от длины λ волны высокочастотного сигнала с синфазным напряжением (током), может применяться к любому из устройств 1-6 преобразования мощности.

[0089] Вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения могут применяться к инверторам и преобразователям и широко используются для устройств преобразования мощности в вариантах применения, которые требуют подавления излучения необязательных электромагнитных волн.

Список ссылочных обозначений

[0090] 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - устройство преобразования мощности

10 - первая шина подачи электрической мощности

11 - вторая шина подачи электрической мощности

12 - силовой модуль

12a, 12b - переключающий элемент

13a - первый конденсатор

13b - второй конденсатор

13c - заземляющий элемент

14 - проводящий элемент

15 - корпус

16 - источник электрической мощности

30 - охлаждающий элемент

30a - участок

Изобретение относится к области электротехники. Предложено устройство преобразования мощности, включающее в себя: силовой модуль (12), предоставленный между первой шиной (10) подачи электрической мощности, которая подает источник положительной мощности, и второй шиной (11) подачи электрической мощности, которая подает источник отрицательной мощности; первый конденсатор (13a) с одним концом, соединенным с первой шиной (10) подачи электрической мощности; второй конденсатор (13b) с одним концом, соединенным со второй шиной (11) подачи электрической мощности; заземляющий элемент (13c), соединенный между противоположным концом первого конденсатора (13a) и противоположным концом второго конденсатора (13b); и проводящий элемент (14), разведенный вдоль по меньшей мере одной из первой шины (10) подачи электрической мощности и второй шины (11) подачи электрической мощности и соединяющий заземляющий элемент (13c) и потенциал земли. 6 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Устройство преобразования мощности, содержащее

первую шину подачи электрической мощности, размещаемую со стороны положительного электрода источника электрической мощности;

вторую шину подачи электрической мощности, размещаемую со стороны отрицательного электрода источника электрической мощности;

переключающий элемент, предоставленный между первой шиной подачи электрической мощности и второй шиной подачи электрической мощности;

первый конденсатор с одним концом, соединенным с первой шиной подачи электрической мощности;

второй конденсатор с одним концом, соединенным со второй шиной подачи электрической мощности;

заземляющий элемент, соединенный между противоположным концом первого конденсатора и противоположным концом второго конденсатора; и

проводящий элемент, разведенный вдоль по меньшей мере одной из первой шины подачи электрической мощности и второй шины подачи электрической мощности и соединяющий заземляющий элемент и потенциал земли.

2. Устройство преобразования мощности по п. 1, содержащее охлаждающий элемент, который охлаждает переключающий элемент,

при этом поверхность охлаждающего элемента заземляется, и охлаждающий элемент включает в себя участок на поверхности, с которым соединяется проводящий элемент.

3. Устройство преобразования мощности по п. 2, содержащее

корпус, на котором закрепляется охлаждающий элемент; и

элемент потенциала земли, соединяющий заземляющий элемент и корпус,

при этом длина проводящего элемента меньше кратчайшего расстояния от заземляющего элемента до участка посредством корпуса.

4. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-3, в котором проводящий элемент разводится таким образом, что междуфазная емкость между первой шиной подачи электрической мощности и проводящим элементом и междуфазная емкость между второй шиной подачи электрической мощности и проводящим элементом являются равномерными.

5. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-3, в котором проводящий элемент разводится таким образом, что расстояние между первой шиной подачи электрической мощности и проводящим элементом и расстояние между второй шиной подачи электрической мощности и проводящим элементом равны.

6. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-3, в котором

проводящий элемент представляет собой две проводящие линии плоской пластинчатой формы,

первая шина подачи электрической мощности представляет собой проводящую линию плоской пластинчатой формы и обращена к одной из проводящих линий проводящего элемента, а также обращена ко второй шине подачи электрической мощности со своей идентичной поверхностью, обращенной к проводящему элементу, и

вторая шина подачи электрической мощности представляет собой проводящую линию плоской пластинчатой формы и обращена к другой проводящей линии проводящего элемента со своей идентичной поверхностью, обращенной к первой шине подачи электрической мощности.

7. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-3, в котором длина проводящего элемента составляет nλ/4, где λ является длиной волны синфазного шума, сформированного посредством размыкания и замыкания переключающего элемента, и n является нечетным числом.