JP2004534500A - 伝導性電磁機器障害除去のためのアクティブコモンモードＥＭＩフィルタ（ＡｃｔｉｖｅＣｏｍｍｏｎＭｏｄｅＥＭＩＦｉｌｔｅｒｆｏｒＥｌｉｍｉｎａｔｉｎｇＣｏｎｄｕｃｔｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ） - Google Patents
伝導性電磁機器障害除去のためのアクティブコモンモードＥＭＩフィルタ（ＡｃｔｉｖｅＣｏｍｍｏｎＭｏｄｅＥＭＩＦｉｌｔｅｒｆｏｒＥｌｉｍｉｎａｔｉｎｇＣｏｎｄｕｃｔｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ） Download PDFInfo
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Abstract
本発明は伝導性電磁気障害除去のための能動形コモンモードＥＭＩフィルタに関わり、特に増幅器の電源としてシステム動作電圧とは関係ない別途の電源を用いることにより、低周波における絶縁と高周波における閉回路構成のために作動するカップリングキャパシタにより漏洩電流を内部で循環させるので、低電圧の増幅器素子を用いることが出来る。その結果、フィルタ回路より速い素子を使用することが可能であり、かつどのような直流端電圧の大きさと関係なく適用が可能である。本発明では、電流検出電流補償方式を用いながらも、従来技術による能動形EMIフィルタで、増幅器のpnp, npnトランジスタが全て全体直流電圧を耐えなければならないことから発生する問題点である耐電圧が大きいトランジスタを使用しなければならないという問題点を解決することが出来る。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は伝導性電磁気障害を除去するための能動形コモンモードＥＭＩフィルタに関わり、特に増幅器の電源としてシステム動作電圧とは関係ない別途の電源を用いることにより、低周波における絶縁と高周波における閉回路構成のために作動するカップリングキャパシタにより漏洩電流を内部で循環させるので、低電圧の増幅器素子を用いることの出来る電流検出、電流補償型能動形コモンモードEMIフィルタを提供する。
【背景技術】
【０００２】
電磁機器から発生する高周波電流は同じ電源に接続される異なる機器に電気的外乱として影響を与えるだけでなく、漏洩電流の場合、その電流が大地を通じて電源に還元されるので、正常的な動作電流についてアンテナとして作用して外部機器に電磁気的干渉現象である電磁気障害(Electromagnetic Interference：EMI)を発生させる。
【０００３】
先ず、電磁機器から発生する漏洩電流を例えて説明し、これを除去するための従来技術を説明する。
【０００４】
図1は、単相交流入力に連結されたPWM(Pulse Width Modulation：パルス幅変調)インバーターシステムにおける漏洩電流を説明するための図面である。図1は、単相交流システムに連結されたPWM インバーターの一般的な形態である。図1において、電源高調波に対する規制を満足させるために一般的に力率補償器(Power Factor Corrector: PFC)が単相ダイオード整流器と一緒に用いられる。PWM インバーターの負荷機器として交流電動機が使用される。電動機駆動システムにおいてPWMインバーターは通常1〜20kHzのスイッチング周波数で運転され、電力素子としてFETまたはIGBT が用いられる。FETまたはIGBTが速くスイッチングする場合、システムの寄生成分(Parasitic Components)と結合されて所望しない高周波電圧電流が発生することになる。具体的にはFETまたはIGBT のスイッチングにより高い電圧パルス波形がa地点、ｂ地点及びｃ地点に存在することになるが、図1において交流機器は接地ｇに連結されてはいないが、システムと接地の間の寄生キャパシタンス(Clg,Csg)のため、高いパルス形態の電圧が加えられる場合、大地を通じて電源に還元される漏洩電流が発生することになる。図1において電動機中性点ｓとDC電源の中性点ｎの間の電圧は図2においてvsg のように測定され、それに従う漏洩電流isg が図2のように測定される。
【０００５】
このような漏洩電流を抑制するための従来技術として、システムの電源入力或いは出力に図3のような受動形コモンモードフィルタを用いた。図3に示されたコモンモードチョーク(choke) は漏洩電流の経路の直列インピーダンスを増加させ、cyはシステムから発生された漏洩電流がシステム内部で容易に循環できるように高周波の漏洩電流に対して低いインピーダンスを有する経路を提供する。しかし、図3に図示された受動形フィルタだけで漏洩電流を抑制する場合、減衰率を大きくするためにフィルタのLC値を増加させなければならないが、特定分野においては安全問題によって用いられるcyの値に制限がある。この場合、フィルタの減衰率を増加させるためにコモンモードチョークのインダクタンス値を増加させなければならなので全体システムの体積及び価格上昇の直接的な原因になって来た。
【０００６】
このような受動形フィルタの問題点を解決するために、能動形コモンモードEMIフィルタに対する研究が進められてきた。
【０００７】
図4は、従来技術による能動形コモンモードEMIフィルタの概念図である。 能動形コモンモードEMIフィルタはスイッチング電源により発生される電流或いは電圧のリップルを能動的に抑制するためのものでスイッチング電流或いは電圧を検出して、ここに-Aに該当する利得をかけて電流或いは電圧を補償して電源側では結果的にスイッチングリップルを抑制されるようにするものである。元々差動モードノイズに対して考案されたものであるが、コモンモードノイズの場合にも類似に適用することが出来る。
【０００８】
図5は、PWMインバーターシステムに対して考案された能動形コモンモードEMIフィルタを図示したものである。図5a及び図5bは電圧検出、電圧補償の能動形コモンモード EMI フィルタであり、図5cは電流検出、電流補償の能動形コモンモードEMIフィルタである。
【０００９】
図5a及び図5bはPWMインバーターにより生成されたコモンモード電圧を測定してプッシュプルアンプを用いて反対の電圧を印加してコモンモード電圧が“0”となるように操作する回路である。しかし、電流電源の電圧が高くなると、耐圧性のよいpnpトランジスタが求め難いので、図5aのような回路具現が難しくなる。従って、図5bにおいては別途の直流電源(50V)を用いてこの問題を解決したのである。
【００１０】
図5cは電流検出、電流補償方式として、入力される漏洩電流であるコモンモード電流を検出して反対方向の電流を出力して漏洩電流を相殺させる回路である。図5cは図5a と同じく耐圧性のよい pnp トランジスタを使用しなければならないという問題点がある。一方、一般的に同じ電流容量を有するトタンジスタにおいて耐圧が高くなるほど帯域幅が制限されるので、漏洩電流 の容量が大きい場合、漏洩電流が相殺される周波数帯域幅が減る問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は前記したような従来技術の問題点を解決するためのものとして、本発明の目的は、低電圧素子を使用できる、漏洩電流を抑制するための能動形コモンモードＥＭＩフィルタとして、システムの動作電圧と関係なしに低電圧素子が使用可能な能動形コモンモードＥＭＩフィルタを提供することである。
【００１２】
本発明のもう一つの目的は、システムの動作電圧と関係ない能動形コモンモードＥＭＩフィルタでありながらも、電流補償型コモンモードＥＭＩフィルタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記したような目的を達成するために本発明による能動形コモンモードＥＭＩフィルタは、主電源と連結されており、各巻線に異なる方向の電流（ノーマル電流）が流れる場合、磁束を相殺し、同じ方向の電流（コモンモード電流）が流れる場合、インダクタとして作用するコモンモードインダクタ；電源側のコモンモード電流を検出するために、同一マグネチックコアに設けられた付加巻線；前記付加巻線に入力端が連結された増幅器；前記増幅端の電源として前記主電源と別個の増幅器直流電源；前記増幅器の出力と接地の間に設けられる出力端キャパシタ；及び前記増幅器直流電源と主電源回路の間に設けられ、高い周波数においては主電源と共に閉回路を構成し、低い周波数においてはフィルタ回路を主電源回路から分離させるように動作するカップリングキャパシタを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による能動形コモンモードＥＭＩフィルタにおいては、特に増幅器の電源としてシステム動作電圧とは関係ない別途の電源を用いることにより、低周波における絶縁と高周波における閉回路構成のために作動するカップリングキャパシタにより漏洩電流を内部で循環させるので、低電圧の増幅器素子を用いることが出来る。その結果、フィルタ回路より早い素子を使用することが可能であり、かつどのような直流端電圧の大きさと関係なく適用が可能である。本発明では、電流検出電流補償方式を用いながらも、従来技術による能動形EMIフィルタで、増幅器のpnp, npnトランジスタが全て全体直流電圧を耐えなければならないことから発生する問題点である耐電圧が大きいトランジスタを使用しなければならないという問題点を解決することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では、添付された図面を参照しながら、本発明による能動形コモンモードＥＭＩフィルタを詳細に説明する。
【００１６】
図6は、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタの概念図である。
【００１７】
図6において、LCMは電源(vs)の形態によりマグネチックコアに二線（単相交流或いは直流）、三線（３相交流）、または多重の入力巻線を同じ方向に設けて各巻線に異なる方向の電流（ノーマルモード電流）が流れる場合、互いに磁束を相殺し、同じ方向の電流（コモンモード電流）が流れる場合、一般的なインダクタで作用するコモンコードインダクタである。ここに負荷の巻線(60)を反対方向に設けて増幅器(61)の入力にする。増幅器の出力は出力端キャパシタ(Cc) を介して大地に接地されている。増幅器の電源は別途の直流電源(vｃ) が用いられる。増幅器電源(vｃ)と主電源(vs)の間に設けられるカップリングキャパシタ(C0) は低い周波数信号に対しては回路が断絶されて主電源(vs)を分離し、高い周波数信号では回路が連結されるようにする。
【００１８】
さらに詳細に説明すると、LCM はコモンモード電流が流れる場合にのみインダクタで作用し、コモンモード電流に比例する磁束がマグネチックコアに形成される。この磁束は反対方向に設けられた付加巻線に起電力を誘起させて、
誘起された起電力はトランスーコンダクタンス増幅器を駆動させる。増幅器の出力はコモンモード電流による補償電流を出力端キャパシタ(Cc) を介して供給することになる。
【００１９】
一方、カップリングキャパシタ(C0) は高い周波数でシステムとフィルタの電源端の間を短絡させて高い周波数で漏洩電流の閉回路を構成することになる。また、インダクタ(LCM )は高い周波数で電源からのインピーダンスを増加させて、結局、システムにより発生された高い周波数のコモンモード電流はカップリングキャパシタ(C0) 、増幅器、出力端キャパシタ(Cc) を通じてシステム内部にのみ循環することになり、電源(vs) から流入される漏洩電流の量は減少することになる。
【００２０】
図７乃至図11は、上述した本発明による能動形EMIフィルタの具体的な具現例を図示したものである。
【００２１】
図７は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として単相交流機器または直流機器のフィルタの例である。即ち、図7は単相交流または直流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。インダクタLCMが電源入力と機器の間に設けられ、カップリングキャパシタ(C0) が機器入力端に連結されており、機器は大地に接地されている。本発明によるフィルタはインダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と考案された回路の間にのみ漏洩電流が循環するようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。カップリングキャパシタ(C0) は機器入力の電源端電源と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成するようにする。
【００２２】
図８は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として単相交流機器または直流機器のフィルタの異なる例である。即ち、図8また図7と同様に、単相交流または直流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。図8においてはカップリングキャパシタ(C0) を機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）以後の直流電源端に連結した例である。インダクタLCMが交流または直流の電源入力と機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）の間に設けられており、機器はVdcで表現される直流電源端にまた異なるAD/DC或いはDC/DCの機器が接続されており、これらは大地に接地されている。図8に図示された回路はインダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と本発明によるフィルタ回路の間にのみ漏洩電流が循環するようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。この際に、カップリングキャパシタ(C0)は機器入力の電源端電圧と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成する。
【００２３】
図９は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として３相交流機器用フィルタの例である。即ち、図9は三相交流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。図9に図示された具現例では三相電源と増幅器電源の間を高周波から短絡させるために三相の各相に連結されたカップリングキャパシタ(C0) を介して増幅器電源に連結する。インダクタLCMが機器の電源入力と機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）の間に設けられ、機器は大地と接地されている。インダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と本発明によるフィルタ回路の間にのみ漏洩電流が循環するようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。この際に、カップリングキャパシタ(C0) は機器入力端の電源端電圧と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成する。
【００２４】
図10は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として３相交流機器用フィルタの異なる例である。図10また図9と同様に、三相交流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。図10においてはカップリングキャパシタ(C0) を機器内部の三相整流器（またはコンバータ）以後の直流電源端に連結した例である。インダクタLCMが電源入力と機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）の間に設けられ、機器はVdcで表現される直流電源端にまた異なるAD/DC或いはDC/DCの機器が接続されており、機器は大地に接地されている。インダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と本発明によるフィルタ回路の間にのみ漏洩電流が循環されるようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。この際に、カップリングキャパシタ(C0) は機器入力の電源端と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成する。
【００２５】
図11は、本発明の能動形コモンモードEMIフィルタのための付加出力フィルタを図示したものである。入力信号が速過ぎて、検出されたコモンモード電流に対して位相が不正確な補償電流を増幅器が生成する場合、能動形コモンモードEMIフィルタを備えても EMIがさらに悪化され得る。このような場合、増幅器の帯域幅以上の高い周波数を有する補償電流は抑制されなければならない。例えば、図11はLc及びrcを用いて高周波補償電流を抑制する一つの例を図示したものである。前記能動形フィルタ素子は本発明の図7乃至図10に図示された回路に適用可能である。
【００２６】
以下では、具体的なシステムに本発明による能動形コモンモードEMIフィルタを適用した実験例を説明する。
【００２７】
図12は、本実験で用いられたPWMインバーターシステムとして、エアコン用コンプレッサー駆動ユニットであり、EMI分析のためにフィルタステージが修正された。
【００２８】
図13は、本実験で用いられた本発明による能動形コモンモードEMIフィルタである。
実験対象システムの定数及び運転条件は次の表１の通りである。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図13に図示された本発明による能動形コモンモードEMIフィルタにおいては、電源電流リップルを感知するリップル電流を除去する技法に基づいており、フィルタ回路で生じる相遅延を最小化するために単一ステージプッシュープル増幅器を使用し、増幅器の電源として12Ｖの直流電圧を使用した。
【００３１】
電源側コモンモード電流は図13に図示されたコモンモードチョークに高周波のリップル磁束を作り、これは付加巻線に高周波電圧を作ることになる。高周波電圧は抵抗と増幅器の入力インピーダンスにより電流に変換される。増幅器は測定された信号に従って高周波電流に対してインバーターと電動機の間に低いインピーダンス経路を提供することになる。高周波電流の経路を形成するために直流端電圧と制御電源の間に二つのカップリングキャパシタ(C0) が使用された。これらのキャパシタは低い周波数で経路を遮断するために小さい値を使用しなければならない。このように、低い周波数ではカップリングキャパシタにより経路が遮断されるので、低い周波数のコモンモード電流を本発明によるフィルタで遮断されない。一方、出力端キャパシタ(Cc)または低い周波数の信号は遮断しながら、高い周波数で接地とフィルタ出力を連結する。
【００３２】
これから、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタによる伝導性EMIの減衰効果を説明する。
【００３３】
伝導性EMIの測定において、図12で50Ωのうちの一つはダミー(dummy)抵抗で、もう一つはスペクトラム分析器の入力インピーダンスで使用される。全体伝導性 EMI は正常モード EMI とコモンモードEMIの合であるので、図14のようなDMRN(Differential Mode Rejection Network)を用いて伝導性コモンモードEMIを分離し測定した。
【００３４】
図15は、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタがない場合、伝導性EMIスペクトラムとして、図15aは全体（ノーマルモードとコマンモードを含み）伝導性EMIスペクトラムであり、図15bはコモンモードEMI スペクトラムであり、図15cは電動機漏洩電流の波形である。全体EMIがコモンモードEMI に比べて若干大きいことが分ることが出来るが、その差が小さくてノーマルモードとコマンモード EMI のうち、どちらが支配的とは言えない。
【００３５】
図16は、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタにおいて、増幅器回路を除外してコモンモードインダクタンスLCMだけが追加された場合、伝導性EMIスペクトラムとして、図16aは全体（ノーマルモードとコマンモードを含み）伝導性EMIスペクトラムであり、図16bはコモンモードEMI スペクトラムであり、図16cは電動機漏洩電流の波形である。図15と比較してみる際に、コモンモードインダクタンスの漏洩インダクタンスにより全体EMIが若干減少したが、その減衰率はコモンモードの場合と同様ではない。コモンモードの場合、電流経路上のインピーダンスが大きく増加したので、図16cで見るように、漏洩電流のピーク値が減少したし、その周波数また若干緩やかになった。全体EMIとコマンモード EMI の差が10dBμV以下であるので、ノーマルモード EMI 減衰技法の適用を分離し考えるにはまだ十分でない。
【００３６】
図17は発明による能動形コモンモードEMIフィルタが設けられる場合、伝導性EMIスペクトラムとして、図17aは全体（ノーマルモードとコマンモードを含み）伝導性EMIスペクトラムであり、図17bはコモンモードEMI スペクトラムであり、図17cは電動機漏洩電流の波形である。図16に比べてコモンモーEMIが少なくとも10dBμV 以上減衰された。電源に還元される漏洩電流(図17c)で大部分の高周波電流は本発明によるフィルタにより消えることになり、低周波信号だけが残るようになる。図17aと図17bを比較すると、この場合にはコマンモード EMI(図17b)が全体 EMI (図17a)に比べて明らかに小さい状態になるので、確かにノーマルモード EMIが全体 EMIを決定することになる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る能動形コモンモードＥＭＩフィルタよれば、低電圧素子を使用でき、かつ漏洩電流を抑制するできるため、伝導性電磁機器障害を除去する電気機器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、単相交流入力に連結されたPWMインバーターシステムでの漏洩電流を説明するための図である。
【図２】図２は、図１における電動機中性点ｓと電源接地の間の電圧vsg とそれに従う漏洩電流 isg波形図である。
【図３】図3は、従来技術によるパッシブコモンモードフィルタの概念図である。
【図４】図4は、従来技術によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタの概念図である。
【図５】図5は、PWMインバーターシステムに対してアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示した図であり、図5a及び図5bは、コモンモード電圧を検出して補償するためのアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示した図で、図5cは顧問モード電力を検出して補償するためのアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示した図である。
【図６】図6は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタの概念図である。
【図７】図７は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として単相交流機器または直流機器のフィルタの例を示す図である。
【図８】図８は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として単相交流機器または直流機器のフィルタの他の例を示す図である。
【図９】図９は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として３相交流機器用フィルタの例を示す図である。
【図１０】図10は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として３相交流機器用フィルタの他の例を示す図である。
【図１１】図11は、本発明のための補助出力フィルタの例を示す図である。
【図１２】図12は、本実験に用いられたPWMインバーターシステムを示す図である。
【図１３】図13は、本実験で用いられた本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示す図である。
【図１４】図14は、本実験で伝導性コモンモードＥＭＩを別個に測定するために使用されたDMRN(Differential Mode Rejection Network)回路を示す図である。
【図１５】図15は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタがない場合、伝導性ＥＭＩスペクトラム及び漏洩電流波形を示す図である。
【図１６】図16は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタにおいて、増幅器回路が取り除かれ、コモンモードインダクタンスLCMだけが追加された場合、伝導性ＥＭＩスペクトラム及び漏洩電流波形を示す図である。
【図１７】図17は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタ全体を適用した場合、伝導性ＥＭＩスペクトラム及び漏洩電流波形を示す図である。
【０００１】
本発明は伝導性電磁気障害を除去するための能動形コモンモードＥＭＩフィルタに関わり、特に増幅器の電源としてシステム動作電圧とは関係ない別途の電源を用いることにより、低周波における絶縁と高周波における閉回路構成のために作動するカップリングキャパシタにより漏洩電流を内部で循環させるので、低電圧の増幅器素子を用いることの出来る電流検出、電流補償型能動形コモンモードEMIフィルタを提供する。
【背景技術】
【０００２】
電磁機器から発生する高周波電流は同じ電源に接続される異なる機器に電気的外乱として影響を与えるだけでなく、漏洩電流の場合、その電流が大地を通じて電源に還元されるので、正常的な動作電流についてアンテナとして作用して外部機器に電磁気的干渉現象である電磁気障害(Electromagnetic Interference：EMI)を発生させる。
【０００３】
先ず、電磁機器から発生する漏洩電流を例えて説明し、これを除去するための従来技術を説明する。
【０００４】
図1は、単相交流入力に連結されたPWM(Pulse Width Modulation：パルス幅変調)インバーターシステムにおける漏洩電流を説明するための図面である。図1は、単相交流システムに連結されたPWM インバーターの一般的な形態である。図1において、電源高調波に対する規制を満足させるために一般的に力率補償器(Power Factor Corrector: PFC)が単相ダイオード整流器と一緒に用いられる。PWM インバーターの負荷機器として交流電動機が使用される。電動機駆動システムにおいてPWMインバーターは通常1〜20kHzのスイッチング周波数で運転され、電力素子としてFETまたはIGBT が用いられる。FETまたはIGBTが速くスイッチングする場合、システムの寄生成分(Parasitic Components)と結合されて所望しない高周波電圧電流が発生することになる。具体的にはFETまたはIGBT のスイッチングにより高い電圧パルス波形がa地点、ｂ地点及びｃ地点に存在することになるが、図1において交流機器は接地ｇに連結されてはいないが、システムと接地の間の寄生キャパシタンス(Clg,Csg)のため、高いパルス形態の電圧が加えられる場合、大地を通じて電源に還元される漏洩電流が発生することになる。図1において電動機中性点ｓとDC電源の中性点ｎの間の電圧は図2においてvsg のように測定され、それに従う漏洩電流isg が図2のように測定される。
【０００５】
このような漏洩電流を抑制するための従来技術として、システムの電源入力或いは出力に図3のような受動形コモンモードフィルタを用いた。図3に示されたコモンモードチョーク(choke) は漏洩電流の経路の直列インピーダンスを増加させ、cyはシステムから発生された漏洩電流がシステム内部で容易に循環できるように高周波の漏洩電流に対して低いインピーダンスを有する経路を提供する。しかし、図3に図示された受動形フィルタだけで漏洩電流を抑制する場合、減衰率を大きくするためにフィルタのLC値を増加させなければならないが、特定分野においては安全問題によって用いられるcyの値に制限がある。この場合、フィルタの減衰率を増加させるためにコモンモードチョークのインダクタンス値を増加させなければならなので全体システムの体積及び価格上昇の直接的な原因になって来た。
【０００６】
このような受動形フィルタの問題点を解決するために、能動形コモンモードEMIフィルタに対する研究が進められてきた。
【０００７】
図4は、従来技術による能動形コモンモードEMIフィルタの概念図である。 能動形コモンモードEMIフィルタはスイッチング電源により発生される電流或いは電圧のリップルを能動的に抑制するためのものでスイッチング電流或いは電圧を検出して、ここに-Aに該当する利得をかけて電流或いは電圧を補償して電源側では結果的にスイッチングリップルを抑制されるようにするものである。元々差動モードノイズに対して考案されたものであるが、コモンモードノイズの場合にも類似に適用することが出来る。
【０００８】
図5は、PWMインバーターシステムに対して考案された能動形コモンモードEMIフィルタを図示したものである。図5a及び図5bは電圧検出、電圧補償の能動形コモンモード EMI フィルタであり、図5cは電流検出、電流補償の能動形コモンモードEMIフィルタである。
【０００９】
図5a及び図5bはPWMインバーターにより生成されたコモンモード電圧を測定してプッシュプルアンプを用いて反対の電圧を印加してコモンモード電圧が“0”となるように操作する回路である。しかし、電流電源の電圧が高くなると、耐圧性のよいpnpトランジスタが求め難いので、図5aのような回路具現が難しくなる。従って、図5bにおいては別途の直流電源(50V)を用いてこの問題を解決したのである。
【００１０】
図5cは電流検出、電流補償方式として、入力される漏洩電流であるコモンモード電流を検出して反対方向の電流を出力して漏洩電流を相殺させる回路である。図5cは図5a と同じく耐圧性のよい pnp トランジスタを使用しなければならないという問題点がある。一方、一般的に同じ電流容量を有するトタンジスタにおいて耐圧が高くなるほど帯域幅が制限されるので、漏洩電流 の容量が大きい場合、漏洩電流が相殺される周波数帯域幅が減る問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は前記したような従来技術の問題点を解決するためのものとして、本発明の目的は、低電圧素子を使用できる、漏洩電流を抑制するための能動形コモンモードＥＭＩフィルタとして、システムの動作電圧と関係なしに低電圧素子が使用可能な能動形コモンモードＥＭＩフィルタを提供することである。
【００１２】
本発明のもう一つの目的は、システムの動作電圧と関係ない能動形コモンモードＥＭＩフィルタでありながらも、電流補償型コモンモードＥＭＩフィルタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記したような目的を達成するために本発明による能動形コモンモードＥＭＩフィルタは、主電源と連結されており、各巻線に異なる方向の電流（ノーマル電流）が流れる場合、磁束を相殺し、同じ方向の電流（コモンモード電流）が流れる場合、インダクタとして作用するコモンモードインダクタ；電源側のコモンモード電流を検出するために、同一マグネチックコアに設けられた付加巻線；前記付加巻線に入力端が連結された増幅器；前記増幅端の電源として前記主電源と別個の増幅器直流電源；前記増幅器の出力と接地の間に設けられる出力端キャパシタ；及び前記増幅器直流電源と主電源回路の間に設けられ、高い周波数においては主電源と共に閉回路を構成し、低い周波数においてはフィルタ回路を主電源回路から分離させるように動作するカップリングキャパシタを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による能動形コモンモードＥＭＩフィルタにおいては、特に増幅器の電源としてシステム動作電圧とは関係ない別途の電源を用いることにより、低周波における絶縁と高周波における閉回路構成のために作動するカップリングキャパシタにより漏洩電流を内部で循環させるので、低電圧の増幅器素子を用いることが出来る。その結果、フィルタ回路より早い素子を使用することが可能であり、かつどのような直流端電圧の大きさと関係なく適用が可能である。本発明では、電流検出電流補償方式を用いながらも、従来技術による能動形EMIフィルタで、増幅器のpnp, npnトランジスタが全て全体直流電圧を耐えなければならないことから発生する問題点である耐電圧が大きいトランジスタを使用しなければならないという問題点を解決することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では、添付された図面を参照しながら、本発明による能動形コモンモードＥＭＩフィルタを詳細に説明する。
【００１６】
図6は、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタの概念図である。
【００１７】
図6において、LCMは電源(vs)の形態によりマグネチックコアに二線（単相交流或いは直流）、三線（３相交流）、または多重の入力巻線を同じ方向に設けて各巻線に異なる方向の電流（ノーマルモード電流）が流れる場合、互いに磁束を相殺し、同じ方向の電流（コモンモード電流）が流れる場合、一般的なインダクタで作用するコモンコードインダクタである。ここに負荷の巻線(60)を反対方向に設けて増幅器(61)の入力にする。増幅器の出力は出力端キャパシタ(Cc) を介して大地に接地されている。増幅器の電源は別途の直流電源(vｃ) が用いられる。増幅器電源(vｃ)と主電源(vs)の間に設けられるカップリングキャパシタ(C0) は低い周波数信号に対しては回路が断絶されて主電源(vs)を分離し、高い周波数信号では回路が連結されるようにする。
【００１８】
さらに詳細に説明すると、LCM はコモンモード電流が流れる場合にのみインダクタで作用し、コモンモード電流に比例する磁束がマグネチックコアに形成される。この磁束は反対方向に設けられた付加巻線に起電力を誘起させて、
誘起された起電力はトランスーコンダクタンス増幅器を駆動させる。増幅器の出力はコモンモード電流による補償電流を出力端キャパシタ(Cc) を介して供給することになる。
【００１９】
一方、カップリングキャパシタ(C0) は高い周波数でシステムとフィルタの電源端の間を短絡させて高い周波数で漏洩電流の閉回路を構成することになる。また、インダクタ(LCM )は高い周波数で電源からのインピーダンスを増加させて、結局、システムにより発生された高い周波数のコモンモード電流はカップリングキャパシタ(C0) 、増幅器、出力端キャパシタ(Cc) を通じてシステム内部にのみ循環することになり、電源(vs) から流入される漏洩電流の量は減少することになる。
【００２０】
図７乃至図11は、上述した本発明による能動形EMIフィルタの具体的な具現例を図示したものである。
【００２１】
図７は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として単相交流機器または直流機器のフィルタの例である。即ち、図7は単相交流または直流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。インダクタLCMが電源入力と機器の間に設けられ、カップリングキャパシタ(C0) が機器入力端に連結されており、機器は大地に接地されている。本発明によるフィルタはインダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と考案された回路の間にのみ漏洩電流が循環するようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。カップリングキャパシタ(C0) は機器入力の電源端電源と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成するようにする。
【００２２】
図８は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として単相交流機器または直流機器のフィルタの異なる例である。即ち、図8また図7と同様に、単相交流または直流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。図8においてはカップリングキャパシタ(C0) を機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）以後の直流電源端に連結した例である。インダクタLCMが交流または直流の電源入力と機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）の間に設けられており、機器はVdcで表現される直流電源端にまた異なるAD/DC或いはDC/DCの機器が接続されており、これらは大地に接地されている。図8に図示された回路はインダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と本発明によるフィルタ回路の間にのみ漏洩電流が循環するようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。この際に、カップリングキャパシタ(C0)は機器入力の電源端電圧と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成する。
【００２３】
図９は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として３相交流機器用フィルタの例である。即ち、図9は三相交流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。図9に図示された具現例では三相電源と増幅器電源の間を高周波から短絡させるために三相の各相に連結されたカップリングキャパシタ(C0) を介して増幅器電源に連結する。インダクタLCMが機器の電源入力と機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）の間に設けられ、機器は大地と接地されている。インダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と本発明によるフィルタ回路の間にのみ漏洩電流が循環するようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。この際に、カップリングキャパシタ(C0) は機器入力端の電源端電圧と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成する。
【００２４】
図10は、本発明による能動形EMIフィルタの具現例として３相交流機器用フィルタの異なる例である。図10また図9と同様に、三相交流機器の入力端に本発明による能動形EMIフィルタを装着した例である。図10においてはカップリングキャパシタ(C0) を機器内部の三相整流器（またはコンバータ）以後の直流電源端に連結した例である。インダクタLCMが電源入力と機器内部の入力端整流器（またはコンバータ）の間に設けられ、機器はVdcで表現される直流電源端にまた異なるAD/DC或いはDC/DCの機器が接続されており、機器は大地に接地されている。インダクタLCMを介して流れるコモンモード漏洩電流を検出して増幅器をしてカップリングキャパシタ(C0) 、出力端キャパシタ(Cc)を介して反対方向の補償電流を発生させて機器の接地と本発明によるフィルタ回路の間にのみ漏洩電流が循環されるようにし、電源からの漏洩電流の流入を抑制する。この際に、カップリングキャパシタ(C0) は機器入力の電源端と増幅器の電源電圧の間に、低い周波数では高いインピーダンスを提供して増幅器電源を入力電源と分離し、高い周波数では低いインピーダンスを提供して漏洩電流の閉回路を構成する。
【００２５】
図11は、本発明の能動形コモンモードEMIフィルタのための付加出力フィルタを図示したものである。入力信号が速過ぎて、検出されたコモンモード電流に対して位相が不正確な補償電流を増幅器が生成する場合、能動形コモンモードEMIフィルタを備えても EMIがさらに悪化され得る。このような場合、増幅器の帯域幅以上の高い周波数を有する補償電流は抑制されなければならない。例えば、図11はLc及びrcを用いて高周波補償電流を抑制する一つの例を図示したものである。前記能動形フィルタ素子は本発明の図7乃至図10に図示された回路に適用可能である。
【００２６】
以下では、具体的なシステムに本発明による能動形コモンモードEMIフィルタを適用した実験例を説明する。
【００２７】
図12は、本実験で用いられたPWMインバーターシステムとして、エアコン用コンプレッサー駆動ユニットであり、EMI分析のためにフィルタステージが修正された。
【００２８】
図13は、本実験で用いられた本発明による能動形コモンモードEMIフィルタである。
実験対象システムの定数及び運転条件は次の表１の通りである。
【００２９】
【表１】
図13に図示された本発明による能動形コモンモードEMIフィルタにおいては、電源電流リップルを感知するリップル電流を除去する技法に基づいており、フィルタ回路で生じる相遅延を最小化するために単一ステージプッシュープル増幅器を使用し、増幅器の電源として12Ｖの直流電圧を使用した。
【００３１】
電源側コモンモード電流は図13に図示されたコモンモードチョークに高周波のリップル磁束を作り、これは付加巻線に高周波電圧を作ることになる。高周波電圧は抵抗と増幅器の入力インピーダンスにより電流に変換される。増幅器は測定された信号に従って高周波電流に対してインバーターと電動機の間に低いインピーダンス経路を提供することになる。高周波電流の経路を形成するために直流端電圧と制御電源の間に二つのカップリングキャパシタ(C0) が使用された。これらのキャパシタは低い周波数で経路を遮断するために小さい値を使用しなければならない。このように、低い周波数ではカップリングキャパシタにより経路が遮断されるので、低い周波数のコモンモード電流を本発明によるフィルタで遮断されない。一方、出力端キャパシタ(Cc)または低い周波数の信号は遮断しながら、高い周波数で接地とフィルタ出力を連結する。
【００３２】
これから、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタによる伝導性EMIの減衰効果を説明する。
【００３３】
伝導性EMIの測定において、図12で50Ωのうちの一つはダミー(dummy)抵抗で、もう一つはスペクトラム分析器の入力インピーダンスで使用される。全体伝導性 EMI は正常モード EMI とコモンモードEMIの合であるので、図14のようなDMRN(Differential Mode Rejection Network)を用いて伝導性コモンモードEMIを分離し測定した。
【００３４】
図15は、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタがない場合、伝導性EMIスペクトラムとして、図15aは全体（ノーマルモードとコマンモードを含み）伝導性EMIスペクトラムであり、図15bはコモンモードEMI スペクトラムであり、図15cは電動機漏洩電流の波形である。全体EMIがコモンモードEMI に比べて若干大きいことが分ることが出来るが、その差が小さくてノーマルモードとコマンモード EMI のうち、どちらが支配的とは言えない。
【００３５】
図16は、本発明による能動形コモンモードEMIフィルタにおいて、増幅器回路を除外してコモンモードインダクタンスLCMだけが追加された場合、伝導性EMIスペクトラムとして、図16aは全体（ノーマルモードとコマンモードを含み）伝導性EMIスペクトラムであり、図16bはコモンモードEMI スペクトラムであり、図16cは電動機漏洩電流の波形である。図15と比較してみる際に、コモンモードインダクタンスの漏洩インダクタンスにより全体EMIが若干減少したが、その減衰率はコモンモードの場合と同様ではない。コモンモードの場合、電流経路上のインピーダンスが大きく増加したので、図16cで見るように、漏洩電流のピーク値が減少したし、その周波数また若干緩やかになった。全体EMIとコマンモード EMI の差が10dBμV以下であるので、ノーマルモード EMI 減衰技法の適用を分離し考えるにはまだ十分でない。
【００３６】
図17は発明による能動形コモンモードEMIフィルタが設けられる場合、伝導性EMIスペクトラムとして、図17aは全体（ノーマルモードとコマンモードを含み）伝導性EMIスペクトラムであり、図17bはコモンモードEMI スペクトラムであり、図17cは電動機漏洩電流の波形である。図16に比べてコモンモーEMIが少なくとも10dBμV 以上減衰された。電源に還元される漏洩電流(図17c)で大部分の高周波電流は本発明によるフィルタにより消えることになり、低周波信号だけが残るようになる。図17aと図17bを比較すると、この場合にはコマンモード EMI(図17b)が全体 EMI (図17a)に比べて明らかに小さい状態になるので、確かにノーマルモード EMIが全体 EMIを決定することになる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る能動形コモンモードＥＭＩフィルタよれば、低電圧素子を使用でき、かつ漏洩電流を抑制するできるため、伝導性電磁機器障害を除去する電気機器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、単相交流入力に連結されたPWMインバーターシステムでの漏洩電流を説明するための図である。
【図２】図２は、図１における電動機中性点ｓと電源接地の間の電圧vsg とそれに従う漏洩電流 isg波形図である。
【図３】図3は、従来技術によるパッシブコモンモードフィルタの概念図である。
【図４】図4は、従来技術によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタの概念図である。
【図５】図5は、PWMインバーターシステムに対してアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示した図であり、図5a及び図5bは、コモンモード電圧を検出して補償するためのアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示した図で、図5cは顧問モード電力を検出して補償するためのアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示した図である。
【図６】図6は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタの概念図である。
【図７】図７は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として単相交流機器または直流機器のフィルタの例を示す図である。
【図８】図８は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として単相交流機器または直流機器のフィルタの他の例を示す図である。
【図９】図９は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として３相交流機器用フィルタの例を示す図である。
【図１０】図10は、本発明によるアクティブＥＭＩフィルタの実施例として３相交流機器用フィルタの他の例を示す図である。
【図１１】図11は、本発明のための補助出力フィルタの例を示す図である。
【図１２】図12は、本実験に用いられたPWMインバーターシステムを示す図である。
【図１３】図13は、本実験で用いられた本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタを示す図である。
【図１４】図14は、本実験で伝導性コモンモードＥＭＩを別個に測定するために使用されたDMRN(Differential Mode Rejection Network)回路を示す図である。
【図１５】図15は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタがない場合、伝導性ＥＭＩスペクトラム及び漏洩電流波形を示す図である。
【図１６】図16は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタにおいて、増幅器回路が取り除かれ、コモンモードインダクタンスLCMだけが追加された場合、伝導性ＥＭＩスペクトラム及び漏洩電流波形を示す図である。
【図１７】図17は、本発明によるアクティブコモンモードＥＭＩフィルタ全体を適用した場合、伝導性ＥＭＩスペクトラム及び漏洩電流波形を示す図である。
Claims (8)
- 主電源と連結されており、各巻線に異なる方向の電流（ノーマルモード電流）が流れる場合、磁束を相殺し、同じ方向の電流（コモンモード電流）が流れる場合、インダクタとして作用するコモンモードインダクタ；
電源側のコモンモード電流を検出するために、同一マグネチックコアに設けられた付加巻線；
前記付加巻線に入力端が連結された増幅器；
前記増幅端の電源として前記主電源と別個の増幅器直流電源；
前記増幅器の出力と接地の間に設けられる出力端キャパシタ；及び
前記増幅器直流電源と主電源の間に設けられ、機器により生成される高い周波数のコモンモード電流に対しては主電源とフィルタ回路の間に低いインピーダンス経路を提供し、低い周波数においては主電源とフィルタ回路を分離させるカップリングキャパシタを含むことを特徴とする能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。 - 前記増幅器の帯域幅より高い周波数の補償電流生成を抑制するために、付加出力フィルタが出力キャパシタに対して直列に設けていることを特徴とする第1項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。
- 前記能動形コモンモードＥＭＩフィルタは、単相交流または直流機器入力端に装着されることを特徴とする第1項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。
- 前記コモンモードインダクタは、主電源と機器の間に設けられ、
前記カップリングキャパシタの一側は機器の入力端に連結し、他側は増幅器直流電源に連結されていることを特徴とする第３項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。 - 前記コモンモードインダクタは、主電源と機器内部の入力端整流器またはコンバータの間に設けられ、
前記カップリングキャパシタの一側は機器内部の入力端整流器またはコンバータ以後の直流電源端に連結し、他側は増幅器直流電源に連結されていることを特徴とする第３項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。 - 前記能動形コモンモードＥＭＩフィルタは、三相交流機器の入力端に装着されることを特徴とする第1項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。
- 前記コモンモードインダクタは、増幅器直流電源と機器内部の三相入力端整流器またはコンバータの間に設けられ、
前記カップリングキャパシタはコモンモードインダクタ以後の三相ラインの各相にＹ-連結され、前記Ｙ-連結の中性点は増幅器直流電源と連結されることを特徴とする第６項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。 - 前記コモンモードインダクタは、増幅器直流電源と機器内部の入力端整流器またはコンバータの間に設けられ、
前記カップリングキャパシタは、一側は機器内部の入力端整流器またはコンバータ以後の直流電源端に連結し、他側は増幅器直流電源に連結されていることを特徴とする第６項に記載の能動形コモンモードＥＭＩフィルタ。
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