JP2010183424A - フィルタ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ノイズ抑制効果を向上すると共に、部品点数の削減が可能なフィルタ回路を提供することを課題とする。
【解決手段】一つの相に接地コンデンサＣｙ１を接続し、接地コンデンサＣｙ１が接続されていない相にはノーマルモードリアクトルＬ１を接続する。これにより接地コンデンサＣｙ１を流れたコモンモード電流のうち電力変換装置に帰還する電流が増加して，フィルタリング特性を向上できるとともに、従来は各相に接続していた接地コンデンサを1つの相のみに接続するので，部品点数を削減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィルタ回路に関し、更に詳しくはノーマルモードとコモンモードのフィルタを組み合わせた構成のフィルタ回路に関する。

商用電源や電源装置内部、ＰＷＭ整流回路やインバータ回路の電力線やアース線等、大電流が流れる電源ライン上に発生する高周波ノイズやリプル成分が伝導することを抑制するノイズフィルタ回路が知られている。

以下に単相ＰＷＭ整流器、インバータ回路の入力側に用いるノイズフィルタ回路を例に説明する。
一般に、単相ＰＷＭ整流器、インバータ回路の入力フィルタは、同じ電源系統に接続されている他の電気・電子機器の誤動作を防止する目的で、電源とインバータ回路の間に挿入して使用される。

図８に一般的な単相ＰＷＭ整流器、インバータ回路の入力フィルタを示す。
この入力フィルタ回路１１０は、単相３線の電源１００の出力を入力として、単相ＰＷＭ整流器１２０及びインバータ回路１３０の前段に設けられている。なおインバータ回路１３０の後段にはモータなどの負荷１４０が接続される。

この入力フィルタ回路１１０は、図８に示すように、高周波ＥＭＩフィルタ１１１とリプル抑制用ノーマルモードフィルタ１１２で構成されるのが一般的である。
高周波ＥＭＩフィルタ１１１は、伝導ノイズ規制（１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚ）と放射ノイズ規制（３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）を満足するために接続されており、対象周波数帯で大きな減衰効果をもつように設計されている。

この高周波ＥＭＩフィルタ１１１の一般的な構成を図９に示す。
高周波ＥＭＩフィルタ１１１の一般的な構成としては、図９に示すように、コモンモードリアクトルＬｆ１の前段や後段にＲ相とＳ相をつなぐ線間コンデンサやＲ相、Ｓ相とＥ相（アース）をつなぐ接地コンデンサを設けた構成となっている。

高周波ＥＭＩフィルタ１１１の構成は、各相（Ｒ、Ｓ）がアース（Ｅ）に対して対称となるようにすることで、特性が改善されると言われている。そのため、線間コンデンサＣｘ１１をコモンモードリアクトルＬｆ１１の前段のＲ相とＳ相の間に設けると共に、コモンモードリアクトルＬｆ１１の後段のＲ相（Ｒ’）、Ｓ相（Ｓ’）それぞれに接地コンデンサＣｙ１１、Ｃｙ１２を設ける構成（図９（ａ））や、図９（ｂ）に示すようにＲ相（Ｒ’）、Ｓ相（Ｓ’）それぞれに設けた線間コンデンサＣｘ２１、Ｃｘ２２の中点に接地コンデンサＣｙ１３を接続する構成（図９（ｂ））が一般的である。

なお特許文献１には、１相のみに接地コンデンサを設ける構成よりも、各相に接地コンデンサを設ける構成のほうがノイズ抑制効果が高いことが記載されている。
次に一般的なリプル抑制用ノーマルモードフィルタ１１２について説明する。

図１０は、一般的なリプル抑制用ノーマルモードフィルタ１１２の構成例を示す図である。
リプル抑制用ノーマルモードフィルタ１１２は、スイッチング周波数帯（数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度）で大きな減衰効果をもつように設計されており、その一般的な構成としては、図１０（ａ）に示すように一つの相（同図ではＲ相）側にノーマルモードリアクトルＬ１１を挿入する構成となっている。ノイズフィルタは低廉化や小型化が要求されるため、ノーマルモードリアクトルは一つの相に接続するのが一般的である。

またノーマルモードフィルタ１１２の別構成としては、図１０（ｂ）に示すように、一つの相（同図ではＲ相）側にノーマルモードリアクトルＬ１１を設けると共に線間コンデンサＣ１１を設ける。この構成は、線間コンデンサＣ１１によってＲ相から線間コンデンサＣ１１を通ってＳ相へ抜ける経路が出来るので、図１０（ａ）の構成よりフィルタ性能が良いノーマルモードフィルタ１１２となる。

特開２００６−２９４５６１号公報

商用電源や電源装置内部、ＰＷＭ整流回路やインバータ回路の電力線やアース線等、大電流が流れる電源ライン上に発生する高周波ノイズやリプル成分が伝導することを抑制するノイズフィルタ回路が知られている。

電力線やアース線のノイズ対策と電源高調波対策を同時に実施しようとするときは、高周波ＥＭＩフィルタ１１１及びリプル抑制ノーマルモードフィルタ１１２の、減衰させようとする周波数帯域の異なる２種類のフィルタを組み合わせた入力フィルタ回路１１０を電源１００とＰＷＭ整流器１２０等の入力側との間に直列に挿入することになる。

この２種類のノイズフィルタ１１１、１１２は、できる限り最小の部品点数、サイズでスイッチングリプルや高周波ＥＭＩを所望の量に低減する等の性能を満足するように構成することが望まれる。しかしながら、特に高周波ＥＭＩ低減用ノイズフィルタは、幅広い周波数帯で規制の対象となることから設計が困難であり、規格を満足できずに部品点数の増加や大型化する原因になる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ノイズ抑制効果を向上すると共に、部品点数の削減が可能なフィルタ回路を提供することを課題とする。

本発明によるフィルタ回路は、交流電源に接続された一対の電力線および接地線とを有する電源ラインと、この電源ラインと負荷回路(なおここでは，電力変換装置や単なる電力を消費する負荷を含めて「負荷回路」とする)との間に介装されるフィルタ回路であって、
前記フィルタ回路は、前記電源ラインの一方の電力線と前記負荷回路との間に介装されるノーマルモードリアクトルと、前記電源ラインの他方の電力線と前記接地線とを接続する接地コンデンサと、を備え、前記ノーマルモードリアクトルが介装された前記一方の電力線と、前記接地線との間には、接地コンデンサを備えないことを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ抑制力を向上させると共に、部品点数の減少による装置の小型化及びコストダウンを実現することが出来る。

本実施形態のフィルタ回路の第１の構成例を示す図である。 従来の高周波ＥＭＩフィルタ１における接地コンデンサの接続の仕方を示す図である。 従来の高周波ＥＭＩフィルタの後段にスイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタを設けた構成を示す図である。 図３のフィルタ回路においてコモンモード電流が出力側に帰還しにくいことを示す図である。 図４の場合のコモンモード電流の流れを示す図である。 本実施形態のフィルタ回路の第２の構成例を示す図である。 本実施形態のフィルタ回路の第３の構成例を示す図である。 一般的な単相ＰＷＭ整流器、インバータ回路の入力フィルタを示す図である。 高周波ＥＭＩフィルタの一般的な構成を示す図である。 一般的なリプル抑制用ノーマルモードフィルタの構成例を示す図である。

図１は、本実施形態のフィルタ回路１０ａの構成例を示す図である。
同図に示すように、本実施形態のフィルタ回路１０ａは、単相３線の電源を入力とし、線間コンデンサＣｘ１をコモンモードリアクトルＬｆ１の前段のＲ相とＳ相の間に設けると共に、ノーマルモードリアクトルＬ１を設け、Ｒ相（Ｒ’）、Ｓ相（Ｓ’）のうちノーマルモードリアクトルＬ１を設けなかった方に接地コンデンサＣｙ１を設ける。図１の構成例ではＲ相（Ｒ’）にはノーマルモードリアクトルＬ１を設けるが接地コンデンサは設けず、逆にＳ相（Ｓ’）には接地コンデンサＣｙ１のみが設けてある。そしてこのフィルタ回路の出力には、ＰＷＭ整流器やインバータ回路等、電源線やアース線に大電流が流れる回路が接続される。

この図１の構成により、線間コンデンサＣｘ１、コモンモードリアクトルＬｆ１及び接地コンデンサＣｙ１によって、高周波ＥＭＩフィルタ１１として働いて高周波成分をフィルタリングすると共に、ノーマルモードリアクトルＬ１によって高調波成分をフィルタリングするスイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタ１２として働く。

また図１のフィルタ回路１０ａの構成は図９に示した従来の構成より、部品点数を減らすことが出来る。
そしてこのフィルタ回路１０ａの入力側に電源を接続すれば電源回路になり、更にフィルタ回路１０ａの出力側にＰＷＭ整流器及びインバータ回路を設ければ電力変換装置となる。

なお図１では、高周波ＥＭＩフィルタ１１とスイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタ１２は、説明のため図１内では別々に分けて記載されているが、実際は両方併せて一つのフィルタ回路１０ａとして電源装置等に実装されていても良い。

なお図１の構成において、線間コンデンサＣｘ１及びコモンモードリアクトルＬｆ１は、必須の構成要素ではなく、フィルタ回路１０ａの使用形態によっては線間コンデンサＣｘ１やコモンモードリアクトルＬｆ１は設けなくても良い。

次に図１に示した本実施形態のフィルタ回路１０ａの、ノイズのフィルタリングにおける優位点について説明する。
図２は、従来の高周波ＥＭＩフィルタ１１１における接地コンデンサの接続の仕方を示す図である。

図２（ａ）の高周波ＥＭＩフィルタ１１１ａは、図９（ａ）に示したように、各相に接地コンデンサＣｙ１１、Ｃｙ１２を設ける構成としたものである。また図２（ｂ）に示す高周波ＥＭＩフィルタ１１１ｂは、図９（ｂ）に示したように線間コンデンサＣｘ２１、Ｃｘ２２の中点に接地コンデンサＣｙ１３を設ける構成としたものである。この図２（ａ）の構成のフィルタ回路１１１ａでは、同図に矢印で示すように、接地コンデンサＣｙ２１、Ｃｙ２２は、アース線（Ｅ）を流れるコモンモード電流を出力側に帰還させる経路となることを狙いとしている。また図２（ｂ）の構成のフィルタ回路１１１ｂでも、同図に矢印で示すように接地コンデンサＣｙ１３及び線間コンデンサＣｘ１１、Ｃｘ１２を通って出力側に帰還することを狙いとしている。

図３（ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）、（ｂ）の従来の高周波ＥＭＩフィルタ１１１ａ、１１１ｂの後段にリプル抑制ノーマルモードフィルタ１１２を設けた構成を示す図である。図３（ａ）は、図２（ａ）の構成の高周波ＥＭＩフィルタ１１１ａの後段のＲ相にノーマルモードリアクトルＬ１１及び線間コンデンサＣ１１からなるリプル抑制ノーマルモードフィルタ１１２を接続した構成のフィルタ回路である。図３（ｂ）は、図２（ｂ）の高周波ＥＭＩフィルタ１１１ｂの後段にノーマルモードリアクトルＬ１１及び線間コンデンサＣ１１からなるリプル抑制ノーマルモードフィルタ１１２を設けた構成である。

これらの構成のフィルタ回路も、図３（ａ）、（ｂ）に矢印で示すようにアース線（Ｅ）を流れるコモンモード電流をリプル抑制ノーマルモードフィルタ１１２を介して出力側に帰還させることを狙いとしている。

しかしながら図３（ａ）、図３（ｂ）のフィルタ回路では、実際にはコモンモード電流は出力側には帰還しにくい。
図４は、この点を示す図である。

図４に示すように、スイッチングリプル抑制用ノーマルモードフィルタのノーマルモードリアクトルＬ１１が接続されている場合、ノーマルモードリアクトルＬ１１のインダクタンス値が大きいため、ノーマルモードリアクトルＬ１１が接続されている相（図４の場合、Ｒ相）では、コモンモード電流がノーマルモードリアクトルＬ１１を通過できず、出力側に帰還しにくくなる。

この図４の場合のコモンモード電流の流れを図５を参照しながら以下に詳細を説明する。
図５のような従来の構成のフィルタ回路１１０において、接地コンデンサＣｙ１２を流れるコモンモード電流は、図５中に矢印で示すように、ノーマルモードリアクトルＬ１１にはあまり流れずに、ノーマルモードリアクトルＬ１１よりインピーダンスが低い高周波ＥＭＩフィルタ１１１のコモンモードリアクトルＬｆ１を介して電源側に流れる。

このように、従来のフィルタ回路１１０では、ノーマルモードリアクトルＬ１１によるインピーダンスが原因で、コモンモード電流は、図３に矢印で示した狙い通りの経路を流れず、結果として電源側に流れてしまう。

さらにこの図５に矢印で示した経路にコモンモード電流が流れる場合には、コモンモードリアクトルＬｆ１１の漏れインダクタンスと接地コンデンサＣｙ１２が共振してしまう。そのためその共振周波数付近では高レベルのコモンモード電流が流れ、また共振周波数以上の周波数領域においてはノイズ抑制効果が低減してしまう。

それに対して、図１に示す本実施形態のフィルタ回路１０ａでは、接地コンデンサＣｙ１とノーマルモードリアクトルＬ１が同一相に設けられていない。そのため接地コンデンサＣｙ１が接続されている相（図１ではＳ相）では、コモンモードリアクトルＬｆ１の分、電源側のインダクタンスが下流側より常に大きいので、接地コンデンサＣｙ１を流れた電流は、常に下流側に流れる。したがってアース線（Ｅ）を流れるコモンモード電流の経路は、図１に矢印で示すようにＣｙ１を通る経路に限定することができる。これにより、コモンモード電流がコモンモードリアクトルＬｆ１や電源側を流れることがなくなる。したがって上述した図５のフィルタ回路のように、共振周波数付近で高レベルのコモンモード電流が流れたり、また共振周波数以上の周波数領域においてノイズ抑制効果が低減してしまったりすることがない。

さらに、図３（ａ）、（ｂ）の構成に比して、コンデンサの数を削減することができるため、従来のフィルタ回路より回路の低コスト化や小型化を実現することが出来る。
また図３（ａ）に示したスイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタ１１２が線間コンデンサＣ１１を備える場合の従来のフィルタ回路１１０では、コモンモード電流は線間コンデンサＣ１１を介して出力側に流れる。そのため、コモンモード電流が流れる経路には線間コンデンサＣ１１の図示しない寄生インダクタンス成分が加わることになる。そして寄生インダクタンスと線間コンデンサＣ１１によって共振が生じるので周波数特性が悪化する。このような微小な寄生インダクタンス成分に起因する高周波ＥＭＩフィルタ特性の悪化の原因は１０ＭＨｚ以上の領域に顕著な影響を与える。

なお、一般にＣ１１＞＞Ｃｙ１２であり、コモンモード電流が流れる経路のコンデンサの容量の大きさは線間コンデンサＣ１１の有無により殆ど変化しない。したがって線間コンデンサＣ１１の有無に関わらず，寄生インダクタンスによる共振に係るコンデンサ容量の大きさは、接地コンデンサＣｙ１２の値によって決まる。

また図３（ｂ）に示した、高周波ＥＭＩフィルタ１１１の接地コンデンサＣｙ１１を、線間コンデンサＣｘ２１とＣｘ２２の中点に接続する構成では、コモンモード電流が接地コンデンサＣｙ１１を介して流れる。そのため、コモンモード電流の経路には接地コンデンサＣｙ１１の図示しない寄生インダクタンス成分が加わり、共振が生じるので周波数特性が悪化する。このような微小な寄生インダクタンス成分に起因する高周波ＥＭＩフィルタ１１１の特性の悪化の原因は１０ＭＨｚ以上の領域に顕著な影響を与える。

なお、一般にＣｘ２２＞＞Ｃｙ１１であり、コモンモード電流経路のコンデンサの値はＣｘ２２の有無により殆ど変化しない。したがって、寄生インダクタンスによる共振に係るコンデンサ容量の大きさは、接地コンデンサＣｙ１１によって決まる。

また図３（ｂ）の構成は、Ｃｘ２１、Ｃｘ２２を追加することから、図１の構成に比べ、部品点数増加によるコストアップの原因となる。
このように本実施形態のフィルタ回路１０ａは、ノイズ抑制効果を向上させると共に部品点数の削減し回路規模を縮小することが出来る。

図６は本実施形態のフィルタ回路の別形態を示す図である。
同図のフィルタ回路１０ｂは、高周波ＥＭＩフィルタ１１ｂにおいて、線間コンデンサ、コモンモードリアクトル及び接地コンデンサを２段に接続してフィルタ特性を向上させた構成である。

同図のフィルタ回路１０ｂは、入力側から１段目に線間コンデンサＣｘ１、コモンモードリアクトルＬｆ１及び接地コンデンサＣｙ１を設け、２段目に線間コンデンサＣｘ２、コモンモードリアクトルＬｆ２及び接地コンデンサＣｙ２を設けている。このように高周波ＥＭＩフィルタ１１ｂに線間コンデンサ、コモンモードリアクトル及び接地コンデンサの構成を複数段設け、高周波のフィルタリング特性を向上させている。

このような構成においても、従来のフィルタ回路より部品点数を削減でき且つノイズ抑制効果を向上させることが出来る。
なお図６の構成において、接地コンデンサＣｙ１は、線間コンデンサＣｘ２とコモンモードリアクトルＬｆ２の間に設けたが、接地コンデンサＣｙ１の構成位置はこの位置に限定されるものではなく、コモンモードリアクトルＬｆ１と線間コンデンサＣｘ２の間に設けても良い。

図７は本実施形態のフィルタ回路の第３の構成例を示す図である。
同図のフィルタ回路１０ｃは、スイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタ１２ｃにおいて、線間コンデンサＣ１１を設けて、スイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタ１２ｃのフィルタリング特性を向上させたものである。

この図７のフィルタ回路１０ｃにおいても、従来のフィルタ回路より部品点数を削減でき且つノイズ抑制効果を向上させることが出来る。
なお本実施形態のフィルタ回路１０は、入力側に接続される電源の種類には制約されない。また出力側に接続されるコンバータやインバータの制御方式、変調方式にも制約されない。

また上記説明では、フィルタ回路１０をＰＷＭ整流器、インバータに用いた場合を例に説明したが、本実施形態のフィルタ回路１０が用いられる装置はこれらに限定されるものではなく、他の装置、例えば無停電電源装置等、大電流が流れる電源ラインを備える装置に使用することが出来る。

１０、１１０ フィルタ回路
１１、１１１ 高周波ＥＭＩフィルタ
１２、１２１スイッチングリプル抑制ノーマルモードフィルタ
１００ 電源
１２０ ＰＷＭ整流器
１３０ インバータ回路
１４０ 負荷
Ｃ１、Ｃ１１、Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｘ１１、Ｃｘ１２、Ｃｘ２１、Ｃｘ２２ 線間コンデンサ
Ｃｙ１、Ｃｙ２、Ｃｙ１１、Ｃｙ１２、Ｃｙ１３ 接地コンデンサ
Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ１１ コモンモードリアクトル
Ｌ１、Ｌ１１ ノーマルモードリアクトル

Claims (2)

1. 交流電源に接続された一対の電力線および接地線とを有する電源ラインと、この電源ラインと負荷回路との間に介装されるフィルタ回路であって、
   前記フィルタ回路は、前記電源ラインの一方の電力線と前記負荷回路との間に介装されるノーマルモードリアクトルと、
   前記電源ラインの他方の電力線と前記接地線とを接続する接地コンデンサと、
   を備え、
   前記ノーマルモードリアクトルが介装された前記一方の電力線と、前記接地線との間には、接地コンデンサを備えない
   ことを特徴とするフィルタ回路。
2. 前記フィルタ回路は、更に前記ノーマルモードリアクトルおよび前記接地コンデンサの前段に前記一対の電源ライン間を接続する線間コンデンサと、
   前記一対の電源ラインに介装されるコモンモードリアクトルと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ回路。

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