JP2007236137A

JP2007236137A - ノイズフィルタ

Info

Publication number: JP2007236137A
Application number: JP2006056299A
Authority: JP
Inventors: Jiro Toyosaki; 次郎豊崎; Kazunari Ito; 一成伊藤
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】電力変換装置のノイズフィルタとして用いるコンデンサとして容量の大きなものを使用すると、数ＭＨｚ帯域まで容量成分として作用しないため、数ＭＨｚ帯域以上の高周波電流成分に対しては、バイパス経路の効果が低減し、高周波電流の低減効果が低下する。
【解決手段】交流を直流に、または直流を交流に、各々変換する電力変換装置に用いるノイズフィルタにおいて、ノイズフィルタに用いるコンデンサの構成を容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとを並列接続して用いることにより、容量の大きなコンデンサが容量性を果たさなくなる数ＭＨｚ帯域以上の高周波電流成分は容量の小さなコンデンサでバイパスさせ、ノイズ低減効果を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流を直流に、または直流を交流に、各々変換する電力変換装置に用いるノイズフィルタに関し、特にフィルタの周波数特性をスイッチ回路を用いずに広範囲に拡大する技術に関する。

図７にかかる電力変換回路に用いるノイズフィルタの従来例を示す。図７は特許文献１の図１として開示されているものである。図７において、Ｌ１〜Ｌ９はコイル、Ｃ１〜C３、Ｃ７〜Ｃ９、Ｃ１０１〜Ｃ１０３は線間コンデンサ、C４〜C６は接地コンデンサ、Ｔ１〜Ｔ３は入力端子、Ｔ４〜Ｔ６は出力端子をそれぞれ示している。図７の構成では、３つのコイル（Ｌ１〜Ｌ３、Ｌ４〜Ｌ６、Ｌ７〜Ｌ９）で構成されるコモンモードリアクトルと線間コンデンサがそれぞれ３段の構成となっており、大きな減衰量を確保する構成となっているが、基本的な回路構成は、図８に示すコモンモードリアクトル２１と接地コンデンサ２２ａ〜２２ｃと線間コンデンサ２３ａ〜２３ｃの１段回路構成である。以下、ノイズフィルタの動作を簡単に説明する。

図９にノイズフィルタを含むインバータを用いたモータ駆動システムの構成図を示す。図９の１は３相電源、２はノイズフィルタ、３はインバータ、４はモータをそれぞれ示す。３相電源１、ノイズフィルタ２、インバータ３、モータ４は、それぞれアース線５で接続されている。インバータ３は、ノイズフィルタ２を介して３相電源１の電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧をスイッチング素子を用いて所望の周波数と振幅を有する交流電圧に変換して出力し、モータ４を効率的に駆動することが可能である。しかし、スイッチング素子の高速スイッチング動作に伴い、各部の浮遊容量を通して高周波電流がアースに流れる。この高周波電流が主回路配線やアース線５を通して電源側に流れ込み、同一系統に接続されている電気機器の誤動作を引き起こすなどの問題が発生する。
この高周波電流の電源側への流出を防ぐためにノイズフィルタ２が用いられる。図９に示すノイズフィルタの構成では、主回路配線を通して電源側に流れ込む高周波電流については、線間コンデンサ２３ａ〜２３ｃでバイパス経路を形成するとともに、コモンモードリアクトル２１の漏れインダクタンス成分で電源側のインピーダンスを大きくすることで、電源側への流出を防ぐことができる。また、アース線５を通して電源側に流れ込む高周波電流については、接地コンデンサ２２ａ〜２２ｃでバイパス経路を形成するとともに、コモンモードリアクトル２１で電源側のインピーダンスを大きくし、電源側への流入を防ぐことができる。
このような動作は、図７に示す回路構成でも同様であり、主回路配線を通して電源側に流れ込む高周波電流については、線間コンデンサＣ７〜Ｃ９でバイパス経路を構成するとともに、コイルＬ４〜Ｌ６で構成するコモンモードリアクトルの漏れインダクタンス成分で電源側のインピーダンスを大きくし、電源側への流出量を低減している。また、それでも流出してしまう高周波電流に対しては、線間コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０３でバイパス経路を構成するとともに、コイルＬ１〜Ｌ３で構成するコモンモードリアクトルの漏れインダクタンス成分で電源側のインピーダンスを大きくし、電源側への流出量を低減している。さらに、それでも流出してしまう高周波電流に対しては、線間コンデンサＣ１〜Ｃ３でバイパス経路を構成するとともに、コイルＬ７〜Ｌ９で構成するコモンモードリアクトルの漏れインダクタンス成分で電源側のインピーダンスを大きくし、電源側への流出量をさらに低減している。
アース線を通して電源側に流れ込む高周波電流については、コイルＬ４〜Ｌ６で構成するコモンモードリアクトルで高周波電流経路のインピーダンスを大きくし、高周波電流の流出量を低減し、接地コンデンサＣ４〜Ｃ６でバイパス経路を構成するとともに、コイルＬ１〜Ｌ３およびＬ７〜Ｌ９で構成するコモンモードリアクトルで電源側のインピーダンスを大きくし、電源側への流出量を低減している。
商用周波数成分の漏洩電流を抑制する回路構成として、図５、図６に示す回路構成が知られている。どちらの回路も目的は、ノイズフィルタの接地コンデンサを通してアースに流れる電源周波数成分の漏洩電流を目的に応じて低減したい場合に、接地コンデンサの容量をスイッチ２７ａあるいは２７ｂを用いて変更して対応できるようにしたものである。図５では、目的に応じて接地コンデンサ２２ａと２２ｂを切替えて使用する構成となっている。図６では、スイッチ２７ｂを投入した場合に、接地コンデンサが並列に接続される形となる。しかし、図６の回路構成では、コンデンサの並列回路内にスイッチ２７ｂが挿入されており、このスイッチ２７ｂが接続されていないと目的を果たせない。これらの方式の目的は電源周波数成分の漏洩電流の低減であるので、スイッチが挿入されてインダクタンスが増加しても問題にならないが、数MHｚ〜１０MHｚ以上の周波数帯域での高周波電流の低減においては適用できない。尚、ここに説明した接地コンデンサの容量を目的に応じてスイッチで切替えて電源周波数成分の漏洩電流を抑制する方法の詳細は、特許文献２に記載されている。
特許第２６８５１４１号特開平１−２４３８４３号

上記、特許文献１に記載の構成では、インバータのスイッチング素子のスイッチング動作により発生する高周波電流が電源側に流出するのを低減することができるが、下記の問題がある。
（１）コンデンサとして容量の大きなものを使用すると、数ＭＨｚ帯域まで容量成分として作用しないため、数ＭＨｚ帯域以上の高周波電流成分に対しては、バイパス経路の効果が低減し、高周波電流の低減効果が低下する。
（２）数ＭＨｚ帯域以上の高周波電流成分を低減するために、コンデンサとして容量の小さなものを使用すると、その分、コモンモードリアクトルとして大型のものが必要となる。

また、特許文献２に記載の構成では、目的に応じてスイッチを投入遮断することにより商用周波数の漏洩電流を抑制することができるが、スイッチが必要なこと、配線長が長くなることなどにより、数ＭＨｚ帯以上の高周波電流成分に対してはノイズ低減効果が低下する課題が生じる。

従って、本発明が解決しようとする課題は、ノイズフィルタを大型化することなく、電源側に流出する数ＭＨｚ帯域以上の高周波電流成分を効果的に低減できるノイズフィルタの回路構成を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、交流を直流に、または直流を交流に、各々変換する電力変換装置に用いるノイズフィルタにおいて、ノイズフィルタに用いるコンデンサの構成を容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとを並列接続して用いる。

請求項２に記載の発明では、線間コンデンサは容量の大きなコンデンサのみで構成し、接地コンデンサは容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとを並列接続して用いる。

請求項３に記載の発明では、容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとをできるだけ直近に配設して並列接続する。

請求項４に記載の発明では、容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとの並列接続回路を１つのユニットとして用いる。

請求項５に記載の発明では、容量の大きなコンデンサとしてフィルムコンデンサを、容量の小さなコンデンサとしてセラミックコンデンサを用いる。

上記に記載の構成を用いれば、電源側に流出する数ＭＨｚ帯域以上の高周波電流を効果的に低減できる。これにより、ノイズフィルタを小型化、高性能化できる。

本発明は、容量の大きなコンデンサは周波数が高くなると容量性が失われ、コンデンサとしての高周波特性が悪くなる点と、容量の小さなコンデンサは高周波特性が良い点に着目してなされたもので、容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサを並列接続することにより、広範囲の周波数帯域で大きなフィルタ効果を得るようにしたものである。

図１に本発明の第１の実施例のノイズフィルタ回路構成を示す。図の２１’はコモンモードリアクトル、２２a’〜２２ｃ’は容量の大きな接地コンデンサ、２３ａ’〜２３ｃ’は容量の大きな線間コンデンサ、Ｔ１〜Ｔ３は入力端子、Ｔ４〜Ｔ６は出力端子である。一般的に、ノイズフィルタにおいては、コモンモードリアクトルを小型化するために、許容の範囲内でコンデンサ容量を大きくする。従って、コモンモードリアクトル２１’、接地コンデンサ２２a’〜２２ｃ’、線間コンデンサ２３ａ’〜２３ｃ’で構成される回路は、従来のノイズフィルタの回路構成と同一の構成と考えてよい。図１の回路構成では、容量の大きな接地コンデンサと線間コンデンサ各々に、容量の小さなコンデンサ２４ａ〜２４ｃおよび２５ａ〜２５ｃをそれぞれ並列に接続してあるのが特徴である。一般的に容量の大きなコンデンサは、高周波特性が悪い。例えば、ノイズフィルタのコンデンサとしてよく用いられる０.１μＦ〜２.２μＦ程度のコンデンサで考えると、数ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度の周波数で容量性の特性は失われ、それ以上の周波数帯域では、コンデンサとしての作用は示さなくなる。このため、高周波電流のバイパス経路としての作用が低下してしまい、結果的に電源側に高周波電流が流出してしまうことになる。

そこで、容量の大きなコンデンサに並列に容量の小さなコンデンサを接続する。この構成にすることにより、容量の大きなコンデンサが容量性の特性を示さなくなる数ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ以上の周波数帯域でも容量の小さなコンデンサが容量性の特性を示すようになり、インピーダンスが低下し、高周波電流のバイパス経路としての作用を維持することが可能となる。

図２に本発明の第２の実施例のノイズフィルタ回路構成を示す。図２では、線間コンデンサ２３ａ’〜２３ｃ’は容量の大きなコンデンサとし、接地コンデンサのみ、容量の大きなコンデンサ２２ａ’〜２２ｃ’に容量の小さなコンデンサ２４ａ〜２４ｃを並列接続する構成としている。１０ＭＨｚ以上の周波数帯域では、ノイズとしてはアース線を流れる高周波電流が支配的となる。よって、この周波数帯域でのコンデンサの作用を維持するためには、接地コンデンサのみに容量の大きなコンデンサに容量の小さなコンデンサを並列接続することで目的は達せられる。このように、低減したい高周波電流の周波数帯域と高周波電流経路に応じて、容量の小さなコンデンサを並列に接続する箇所やその容量を自由に設定することができる。これにより、より最適なノイズフィルタの回路構成が実現できる。

図３に本発明の第３の実施例のノイズフィルタ回路構成を示す。この構成は、線間コンデンサ２３ａ’〜２３ｃ’をスター結線とし、その中性点から接地コンデンサ２２と２４の並列回路をアースに取り付ける構成としている。このようにすることで、並列に接続する容量の小さなコンデンサの個数を低減している。

本発明の第４の実施例では、並列接続するコンデンサをお互いに配線長を極力短くして直近に接続する構成としている。このように接続することによって、配線の寄生インダクタンスによるコンデンサの特性低下（容量成分として作用する周波数帯域が狭まる）を抑えることができる。なお、主回路配線やアース線との接続もコンデンサの配線長を極力短くして接続することでコンデンサ単体としての特性低下は抑えられる。

本発明の第５の実施例を図４に示す。並列接続される２つのコンデンサを直近につけた状態で一つのユニット（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）として構成する。このようにすることで、並列接続されたコンデンサの特性が均一化されるとともに、取り付けが容易となる。

本発明の第６の実施例では、容量の大きなコンデンサとしてフィルムコンデンサを使用し、容量の小さなコンデンサとしてセラミックコンデンサを使用する構成とする。現状、ノイズフィルタのコンデンサとして最も多く使用されているのは、フィルムコンデンサである。また、周波数特性の良いコンデンサとしては、セラミックコンデンサが良く知られている。従って、容量の大きなコンデンサとしてフィルムコンデンサを使用し、容量の小さなコンデンサとしてセラミックコンデンサを使用する構成にすると、特殊な材料や材質のコンデンサを使用することなく、電源側に流出する数ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ以上の周波数帯域での高周波電流の低減が可能となる。

このように、容量の大きなコンデンサに並列に容量の小さなコンデンサを接続すると、容量の大きなコンデンサの周波数特性の悪化を容量の小さなコンデンサが補うことによって、電源側に流出する数MHｚ〜１０MHｚ以上の周波数帯域での高周波電流が低減できる。

本発明は、コンバータ、インバータなどの電力変換回路を用いた装置のノイズフィルタの他、直流電源の平滑フィルタ回路、制御回路プリント板におけるノイズ対策などにも適用可能である。

本発明の第１の実施例を示す回路構成本発明の第２の実施例を示す回路構成本発明の第３の実施例を示す回路構成本発明の第５の実施例を示す回路構成本発明と類似な従来例１を示す回路構成図本発明と類似な従来例２を示す回路構成図従来のノイズフィルタ回路構成図ノイズフィルタの基本回路構成図モータ駆動システム構成図

符号の説明

１・・・商用電源２・・・ノイズフィルタ３・・・インバータ
４・・・モータ５・・・アース線
２１、２１’・・・コモンモードリアクトル
２２、２２ａ〜２２ｃ、２２ａ’〜２２ｃ’、２４、２４ａ〜２４ｃ・・・接地コンデンサ
２３ａ〜２３ｃ、２３ａ’〜２３ｃ’、２５ａ〜２５ｃ・・・線間コンデンサ
２７ａ、２７ｂ・・・スイッチ
Ｌ１〜Ｌ９・・・コイル
Ｃ１〜Ｃ９、Ｃ１０１〜Ｃ１０３・・・コンデンサ
Ｔ１〜Ｔ３・・・入力端子Ｔ４〜Ｔ５・・・出力端子

Claims

交流を直流に，または直流を交流に、各々変換する電力変換装置に用いるノイズフィルタにおいて，ノイズフィルタに用いるコンデンサの構成を容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとを並列接続して用いることを特徴とする電力変換装置用ノイズフィルタ。
請求項１に記載のノイズフィルタにおいて，線間コンデンサは容量の大きなコンデンサのみで構成し，接地コンデンサは容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとを並列接続して用いることを特徴とする電力変換装置用ノイズフィルタ。
請求項１及び２に記載のノイズフィルタにおいて，容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとをできるだけ直近に配設して並列接続することを特徴とする電力変換装置用ノイズフィルタ。
請求項１〜３に記載のノイズフィルタにおいて，容量の大きなコンデンサと容量の小さなコンデンサとの並列接続回路を１つのユニットとして用いることを特徴とする電力変換装置用ノイズフィルタ。
請求項１〜４に記載のノイズフィルタにおいて，容量の大きなコンデンサとしてフィルムコンデンサを，容量の小さなコンデンサとしてセラミックコンデンサを用いることを特徴とする電力変換装置用ノイズフィルタ。