JP2010045940A - 電圧形電力変換器のemi抑制回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電源装置1、電圧形電力変換器3および負荷としてモータ4で構成される電気回路において、電圧形電力変換器3のシャーシに接地線9を接続して1次2次側結合トランス(WLT:Winding-Linked-Transformer)10を介して大地に接地し、同様に、モータ4のフレームに接地線11を接続してWLT12を介して接地することで、接地線に流れるコモンモード電流を高インピーダンスのWLTで抑制してEMIノイズを軽減する。
【選択図】 図1
Description
また、従来発明は、主回路中のコモンモード電流を抑制することを目的としており、接地線から電源装置に還流するコモンモード電流により放射されるEMIノイズを直接抑制する構成とはなっていない。
1次2次側結合トランスは電圧形電力変換器の接地線および負荷の接地線にそれぞれ配すことができる。また、電圧形電力変換器の接地線と負荷の接地線を連結し、かかる連結点と接地点との間に1次2次側結合トランスを挿入してもよい。
本発明の電圧形電力変換器のEMI抑制回路は、電圧形電力変換器を主要素とする電気回路に高インダクタンスの1次2次側結合トランスを挿入することで、電圧形電力変換器から接地線に流れるコモンモード電流のピーク振幅値および高周波成分を低減する。
また、1次2次側結合トランスに抵抗を備えないため、抵抗による電力消費を削減し、電力効率を向上することができる。
本形態とすれば、電圧形電力変換器からの高周波電流により駆動されるモータ等から発生し接地線に流れるコモンモード電流も抑制することができる。
なお、負荷のみに本発明の1次2次側結合トランスを備えても、負荷から接地線に流れるコモンモード電流の抑制に効果を発揮することができる。
以下、図面を用い実施形態に基づいて本発明の電圧形電力変換器のEMI抑制回路を詳細に説明する。
図1は本発明の1実施形態における1実施態様に係る電圧形電力変換器のEMI抑制回路の回路図である。電源装置1がVinの電圧を発生しており、電源装置1は接地線2によって接地されている。電源装置1には電圧形電力変換器3が接続されている。電圧形電力変換器3は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)とダイオードからなる6個のスイッチング素子5で構成されている。電圧形電力変換器3からインダクタ7、キャパシタ8を介してモータ4が配されている。
後述するように、コモンモード電流流路にインダクタを挿入することで、ピーク振幅値を抑制し低周波数化することができる。本実施態様に用いたWLTは、2個のインダクタの相互インダクタンスを効果的に用いるため、小型のインダクタでも高インピーダンスを得ることができ、効率的にEMIノイズを抑制することができる。また、抵抗に電流を流すことによりコモンモード電流を抑制するものではないため、抵抗での電力損失が少ない。
図3は、図1に示す本実施態様のEMI抑制回路の適用対象であって、コモンモード電流解析のためのシミュレーションモデルの回路図である。図3に示した回路は、図1の回路からWLTを除いたものになっている。なお、簡便のため図1と同等の各要素に対しては図1と同じ番号を付番している。
(1) ic=(Vin/3s)・sCc/(LcCcs2+RcCcs+1)
(2) ic=Vin/{(1−ζ2)1/2Z0}・ε−ζωntsin{(1−ζ2)1/2ωnt}
ここで、ωn=1/(LcCc)1/2、ζ=Rc/2・(Cc/Lc)1/2、Z0=(Lc/Cc)1/2
である。
ωnは固有角周波数すなわち共振角周波数、ζは減衰係数、Z0は特性インピーダンスを意味する。この特性インピーダンスは減衰振動電流の振幅を決定する。減衰係数が小さい(1≫ζ2)場合には、減衰振動電流icは(3)式で表現される。
(3)式より、振動電流のピーク値はVin/Z0で近似できる。このコモンモード電流解析式より、コモンモード電流のピーク振幅値抑制および低周波数化には、コモンモード電流の流れる経路にインピーダンスの大きなインダクタを挿入すればよいことがわかる。
図7に示した回路において、電圧形電力変換器3のスイッチング素子5がスイッチングすると、電力変換器3の接地線9を通してコモンモード電流iccが流れ、電圧形電力変換器3で駆動されるモータ4についても、コモンモード電流iclがモータ4の接地線11に流れる。
従来のCMT30は、1次巻線31に対して電磁的に結合する2次巻線32を配し、2次巻線32の両端に抵抗33を接続したものである。接地線9に1次巻線31を直列に接続し、2次巻線32は接地線9と接続せずコモンモード電流iccの流路外に配される。モータ4についても、同様に、接地線11にCMTが設けられる。
ここで、抵抗Rcは2次側に挿入されるRtと比較し十分小さいため考慮されない。(4)式の特性方程式は、(5)式で表現される。
(5) LtLcCcs3+(Lt+Lc)RtCcs2+Lts+Rt=0
の3次方程式となり、3つの根を持つ。Lt≫Lcであることを考慮すれば、判別式は(6)式で表現される。
(6) D=4/LtLc・Rt 4−1/LcCc・Rt 2+4/Cc 2=0
(7) Rt=2Zc0、または、Rt=1/2Zc∞
となる。したがって、抵抗Rtの大きさを適切な値に設定することでコモンモード電流の振舞いを変化させることが可能となることが分かる。
Rt=0〜2Zc0の場合(I)、コモンモード電流は高周波の減衰振動波形となり、Rt=2Zc0〜1/2Zc∞の場合(II)は指数関数状の波形、Rt>1/2Zc∞の場合(III)は低周波の振動波形となる。(III)の場合におけるコモンモード電流のピーク値低減効果は大きいが、振動周波数の減衰効果が低いため実効値計算において、(II)の場合と比較し大きくなる。したがって、CMTでは(II)の場合を選択し、抵抗Rtの値をRt=2Zc0〜1/2Zc∞となるように調整する。
(8) ic=Vin/{(1−ζ2)1/2Z0}・ε−ζωntsin{(1−ζ2)1/2ωnt}
ここで、ωn=1/{(Lc+2M+L1+L2)Cn}1/2、
ζ=Rc/2・{Cc/(Lc+2M+L1+L2)}1/2、
Z0={(Lc+2M+L1+L2)/Cc}1/2
である。
図11は本実施形態における第2の実施態様に係る電圧形電力変換器のEMI抑制回路の回路図である。図1に示した第1実施態様のEMI抑制回路では、電圧形電力変換器に接続した接地線と、モータに接続した接地線はそれぞれ独立に1次2次側結合トランス(WLT)を介して大地に接地されているが、図11に示した本実施態様のEMI抑制回路は、電圧形電力変換器3のシャーシに接続された接地線9とモータ4のフレームに接続された接地線11が連結点41で連結され、1本の接地線42として大地に接地している。連結点41と大地との間にWLT43が挿入されている。コモンモード電流は電圧形電力変換器3側と負荷であるモータ4側のコモンモード電流が合成された一括コモンモード電流ictとしてWLT43を流れる。
電力変換器3側とモータ4側の接地線がそれぞれ接地されている場合と比較すると、二つの接地線が接続されて1本の接地線として大地に接地される場合の方が、スイッチング信号と同期したピーク電流及び衰退時における振動電流の周波数の低下が大きい。それぞれのコモンモード電流が合流して一括コモンモード電流ictとなるからである。一括コモンモード電流ictの流れる1本の接地線42にWLT43を適用することにより、図12に見るように、一括コモンモード電流ictの電流波形はさらに振幅が小さくなり周波数が低くなる。
このように、電力変換器3側とモータ4側の接地線を連結して連結点41より下流にWLT43を挿入することで、コモンモード電流をより効果的に抑制することが可能になるばかりか、WLTの個数を節約し、回路の規模を縮小することができる。
図13は本実施形態における第3の実施態様に係る電圧形電力変換器のEMI抑制回路の回路図である。本実施態様における電圧形電力変換器3は、電源装置1と電圧形電力変換器3の間にLCネットワーク部50が形成されたZソースインバータとなっている。また、電圧形電力変換器3のシャーシに接続された接地線9とモータ4のフレームに接続された接地線11が連結点41で連結され、1本の接地線42としてWLT43を介して接地している。2つの接地線9,11が連結した後の接地線42には電力変換器側のコモンモード電流とモータ側のコモンモード電流が合流した一括コモンモード電流ictが流れる。
また、比較のために、コモンモード電流抑制のための付加回路を備えない状態の図15に示すシミュレーションモデル回路におけるコモンモード電流の波形図を図16に示し、さらにCMTを備えたEMI抑制回路を適用した図17に示す回路におけるコモンモード電流の波形を図18に示す。
図16から、Zソースインバータを用いたモータ負荷回路では、シュートスルー動作の際に1.5〜2.5A程度のピーク振幅が現れ、電圧形電力変換器を用いた回路と同様、500kHz程度の高調波成分を含んでいることが確認できる。
以上のように、Zソースインバータを用いたモータ負荷回路においては、従来型のCMTに比較して、ピーク振幅値の抑制、波形の低周波数化の両方において本実施態様のWLTを利用したEMI抑制回路が遥かに優れていることがわかる。
上記のシミュレーションにより、1次2次側結合トランス(WLT)を各接地線側に接続することで、コモンモード電流の最大ピーク振幅値を1/20〜1/40に抑制し、高周波成分の周波数をおよそ1/100に低減することが可能であることを確認した。
2、9、11、42 接地線
3 電圧形電力変換器
4 モータ
5 スイッチング素子
7 インダクタ
8 キャパシタ
10、12、43 WLT
13、14 漂遊キャパシタ
20、31 1次巻線
21、32 2次巻線
22、23 自己インダクタンス
24 相互インダクタンス
30 CMT
33 抵抗
40 LCネットワーク
41 連結点
Claims (5)
- 一端が電圧形電力変換器のシャーシに接続され他端が接地されてコモンモード電流の経路となる接地線に、第1巻線と第2巻線が加極性を有する向きに直列に接続された1次2次側結合トランス(WTL)を直列に接続して形成される、電圧形電力変換器のEMI抑制回路。
- 前記電圧形電力変換器に駆動される負荷を備え、該負荷に、一端が該負荷に接続され他端が接地されている負荷側接地線が配されており、該負荷側接地線中に負荷側第1巻線と負荷側第2巻線が直列に加極性に結合して形成される負荷側1次2次側結合トランスが直列に接続されていることを特徴とする請求項1記載の電圧形電力変換器のEMI抑制回路。
- 前記電圧形電力変換器に駆動される負荷および負荷側接地線を備え、該負荷側接地線が、一端が該負荷に接続され、他端が前記電圧形電力変換器のシャーシに接続された変換器接地線の前記1次2次側結合トランスとの接続部に接続されていることを特徴とする請求項1記載の電圧形電力変換器のEMI抑制回路。
- 電圧形電力変換器に駆動される負荷に、一端が該負荷に接続され他端が接地されている負荷側接地線が配されており、該負荷側接地線中に第1巻線と第2巻線が直列に加極性に結合して形成される1次2次側結合トランスが直列に接続されている電圧形電力変換器のEMI抑制回路。
- 前記電圧形電力変換器がZソースインバータであることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電圧形電力変換器のEMI抑制回路。
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