JP2015053835A - ノイズフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のスイッチング素子と冷却器との間の浮遊容量を通じてアースに流れる漏れ電流を効果的に抑制する。
【解決手段】実施形態に係るノイズフィルタは、電力変換装置１〜３の出力側の電源ラインに接続され、コモンモード電流に対して低インピーダンスであり、コモンモード電流の抽出点２２を有するコモンモード電流抽出回路８と、前記電力変換装置の入力側の電源ラインに接続された第１相間コンデンサ７ａ〜７ｃと、前記第１相間コンデンサ７ａ〜７ｃから前記電力変換装置を経由して前記コモンモード電流抽出回路８に至る経路の任意の位置に直列に挿入された第１コモンモードチョークコイル６と、接地された前記電力変換装置の冷却器１１に接続されたコンデンサ１３とを備え、前記冷却器１１に一端が接続された前記コンデンサ１３の他端が、前記コモンモード電流抽出回路８が有するコモンモード電流の抽出点２２と前記第１相間コンデンサの中性点２３に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置で発生される高周波ノイズを抑制するノイズフィルタに関する。

インバータに代表される電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、直流から交流への電力変換を行っている。モータを駆動する三相ＰＷＭインバータを例にとると、出力しようとする電圧の指令値と三角波などのキャリアとを比較し、比較結果に基づき各相の半導体素子をスイッチングさせる。このとき、その原理上、三相のＵＶＷ相出力電圧の平均値を示すコモンモード電圧は、出力電圧波形が理想的な正弦波ではないためにゼロにはならず、キャリアに同期して大きな電圧が発生する。このコモンモード電圧は、モータの浮遊容量などを介してアースへと流れる漏れ電流（高周波ノイズ）の原因となる。漏れ電流は他の機器に障害をもたらすなどの問題となるため、漏れ電流対策は必須となっている。その有効な対策としてコイルやコンデンサなどの受動素子で構成されるフィルタ回路がある。

図７は、漏れ電流対策を施した電力変換装置の主回路構成の一例を示す。

図７（ａ）のように、三相交流電源５からコンバータ１までの入力電源ラインに、コモンモードチョークコイル６など高周波の漏れ電流に対して高インピーダンスとなるインダクタンス素子を挿入する。コモンモードチョークコイル６は、コモンモード電流に対して鉄心に同一方向磁束が発生するので、コモンモードノイズに対してのみ高インピーダンス素子（インダクタ）として作用する。コンバータ１は三相電力を直流電力に変換し、この直流電圧は平滑コンデンサ３にて平滑される。インバータ２はこの直流電圧を、所望の大きさ及び周波数の三相交流電圧に変換して負荷（モータ）４に供給する。

更にインダクタンス素子６とコモンモード電圧の発生源であるインバータ２のスイッチング素子とを含めたループ内に、コンデンサ７ａ〜７ｃ及びコモンモード電流抽出回路８などの低インピーダンス素子で構成される漏れ電流のバイパス回路が設けられる。コモンモード電流抽出回路８は図７（ｂ）のように、コンデンサ９ａ〜９ｃと単相リアクトル１０ａ〜１０ｃの３つの対を含み、コモンモード電圧に対する低
インピーダンス素子として作用する。

コモンモード電流抽出回路８は、第１〜第３コンデンサ９ａ〜９ｃと、鉄心を介して電磁結合する２つの巻線からそれぞれ構成される第１〜第３の単相リアクトル１０ａ〜１０ｃを有する。Ｕ相は、第１コンデンサ９ａ、第１単相リアクトル１０ａの一方の巻線及び第３単相リアクトル１０ｃの一方の巻線が直列接続された直列回路を有する。Ｖ相は、第２コンデンサ９ｂ、第２単相リアクトル１０ｂの一方の巻線及び第１単相リアクトル１０ａの他方の巻線が直列接続された直列回路を有する。Ｗ相は、第３コンデンサ９ｃ、第３単相リアクトル１０ｃの他方の巻線及び第２単相リアクトル１０ｂの他方の巻線が直列接続された直列回路を有する。

各単相リアクトルの２つの巻線は、コモンモード電流に対して鉄心の磁束を打ち消し合うように構成される。各相直列回路のコンデンサ側端部は、インバータ２の対応する相の出力に接続され、各相直列回路の他方の端部は１箇所で接続されて前記コモンモード電流の抽出点２２を形成し、コンデンサ７ａ〜７ｃの中性点２３に接続される。

尚、電力変換装置のスイッチング素子は発熱が大きいことから冷却器１１が付けられるが、この冷却器１１は、一般的に接地線２０で接地される電力変換装置の筐体１２に電気的に接続される。このため、冷却器１１も接地された構造であることが一般的である。

図７のようなタイプのフィルタ回路はコモンモードチョークコイル６が高インピーダンス特性となって、電力変換装置から電力ラインを伝って漏れ電流となるコモンモード電流の流れを抑えると共に、それでも抑え切れない漏れ電流は、コンデンサ７ａ〜７ｃ、コモンモード電流抽出回路８で形成されたバイパス回路を流れる。そのため、このような回路構成は漏れ電流の外部流出の抑制には非常に有効であり、更に他の類似フィルタ回路も提案されている。

特許第４３５１９１６号 特許第３５９６６９４号

しかし、このような構成のフィルタ回路では、電力変換装置のスイッチング素子と冷却器との間の浮遊容量を通してアースに流れる漏れ電流に対しては作用しないため、外部に漏れ電流（コモンモードノイズ）が伝導してしまう。外部に伝導した漏れ電流は他の機器に誤動作などの悪影響を与える。

そこで実施形態は、スイッチング素子と冷却器との間の浮遊容量を通じてアースに流れる漏れ電流を効果的に抑制することを目的とする。

一実施形態に係るノイズフィルタは、電源からの電力を電力変換して負荷に３相交流電力を供給する電力変換装置で発生されるＥＭＩノイズを抑制するノイズフィルタであって、前記電力変換装置の出力側の電源ラインに接続され、コモンモード電流に対して低インピーダンスであり、コモンモード電流の抽出点を有するコモンモード電流抽出回路と、前記電力変換装置の入力側の電源ラインに接続された第１相間コンデンサと、前記第１相間コンデンサから前記電力変換装置を経由して前記コモンモード電流抽出回路に至る経路の任意の位置に直列に挿入された第１コモンモードチョークコイルと、接地された前記電力変換装置の冷却器に接続されたコンデンサとを備える。前記冷却器に一端が接続された前記コンデンサの他端が、前記コモンモード電流抽出回路が有するコモンモード電流の抽出点と前記第１相間コンデンサの中性点に接続されている。

第１実施形態を示すノイズフィルタ（漏れ電流抑制回路）の構成図。 第２実施形態を示すノイズフィルタの構成図。 第３実施形態を示すノイズフィルタの構成図。 第４実施形態を示すノイズフィルタの構成図。 第５実施形態を示すノイズフィルタの構成図。 第６実施形態を示すノイズフィルタの構成図。 従来例を示すフィルタ回路の構成図。

以下、実施形態に係るノイズフィルタについて、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
先ず第１実施形態を図１を用いて説明する。

第１実施形態は図７の従来例に対して、コモンモード電流抽出回路８とコンデンサ７ａ〜７ｃと電力変換装置（１〜３）を含むコモンモード電流のバイパス路と、冷却器１１との間にコンデンサ１３を接続した構成となっている。尚、コンデンサ７ａ〜７ｃは相間コンデンサを構成する。つまりコンデンサ１３の一端は冷却器１１に接続され、他端は、相間コンデンサ７ａ〜７ｃの中性点２３とコモンモード電流抽出回路８のコモンモード電流の抽出点を結ぶ配線に接続されている。

コンデンサ１３がない場合、電力変換装置（主にインバータ２）のスイッチング素子から浮遊容量を介して冷却器１１に流れるコモンモード電流は、接地線２０、アースを通り、電源５、コンデンサ７ａ〜７ｃ、コモンモード電流抽出回路８を伝って電力変換装置へと戻る経路、あるいは電力変換装置から冷却器１１、接地線２０、アース、負荷４を介して電力変換装置へと戻る経路で流れる。このとき、例えば電源５に他の機器が接続されている場合、アースに流出した漏れ電流は他の機器を通り電源５経由で電力変換装置に帰還し、他の機器に悪影響を与える。このように、アースに漏れ電流が流れると、他の機器に悪影響を及ぼす可能性が生じる。従って、アースに流出する漏れ電流を抑制することが重要となる。

これに対して、冷却器１１とバイパス路とを、配線インダクタンスを極力排して直接コンデンサ１３で接続した場合、高周波のコモンモード電流に対して、このコンデンサ１３とコモンモード電流抽出回路８とで構成する低インピーダンスの経路ａを介して、冷却器１１と電力変換装置との間が接続される。このため、冷却器１１を通して流れるコモンモード電流はこの経路ａを主に流れることになり、その結果、アースを介して電源５あるいは負荷４に流れる漏れ電流（コモンモード電流すなわちコモンモードノイズ）は低減する。

尚、コモンモードチョークコイル６は、その漏れインダクタンス成分により、ノーマルモードノイズも低減できる。従って、図１に示すフィルタ回路は、コモンモードノイズとノーマルモードノイズを含めたＥＭＩ(electro-magnetic interference)ノイズを低減できる。また尚、電力変換装置とコモンモード電流抽出回路８の間の出力側電源ラインにコモンモードチョークコイルを設けてもよい。この場合でも、冷却器１１からのコモンモード電流はコンデンサ１３、コモンモード抽出回路８、コモンモードチョークコイル、電力変換装置を含む経路を流れ、外部に流出する漏れ電流（コモンモードノイズ）は低減する。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図２を用いて説明する。

本実施形態では、第１実施形態(図１)のコモンモード電流抽出回路８に換えて、電力変換装置（１〜３）の出力側回路の各相にはコンデンサ１４ａ〜１４ｃが接続され、それらの中性点２４はコンデンサ１３、入力側回路のコンデンサ７ａ〜７ｃの中性点２３に接続される。また、電力変換装置とコンデンサ１４ａ〜１４ｃとの間の各相にはリアクトル１５ａ〜１５ｃが接続される。

コンデンサ１４ａ〜１４ｃは相間コンデンサを構成する。つまりコンデンサ１３の一端は冷却器１１に接続され、他端は、相間コンデンサ７ａ〜７ｃの中性点２３と相間コンデンサ１４ａ〜１４ｃの中性点２４を結ぶ配線に接続される。

尚、図２では各相個別にリアクトルを接続した構成を示しているが、各相が結合して一体となっている、つまり３相で結合された鉄心を用いるノーマルモードに作用するリアクトルでももちろん構わない。このような構成のフィルタであっても、第１実施形態と同様、冷却器１１からのコモンモード電流に対して、コンデンサ１３とコンデンサ１４ａ〜１４ｃを含む低インピーダンスの回路が構成されるため、アースを介した外部への漏れ電流を低減することができる。尚、本実施形態の場合、スイッチング素子から浮遊容量を介して流れるコモンモード電流は電力変換装置（主にインバータ２）、冷却器１１、コンデンサ１３、コンデンサ１４ａ〜１４ｃ、リアクトル１５ａ〜１５ｃを含む経路ｂを主に流れ、外部に漏れ電流が流出することが抑制される。

（第３実施形態）
第３実施形態を図３を用いて説明する。

本実施形態では、インバータ２の出力回路側フィルタ構成は第２実施形態と同様で、電力変換装置が太陽光発電などの系統連系インバータの場合を表している。インバータ２の出力電力は、リアクトル１５ａ〜１５ｃを介して系統１９に供給される。太陽電池１８は、コモンモードチョークコイル６を介してチョッパ回路などのＤＣ／ＤＣ変換器２１に接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換器２１は、太陽電池１８の変動する出力電圧を、インバータ２用に所定範囲内の電圧に変換する。また太陽電池１８は、コンデンサ７ａ、７ｂを介してコンデンサ１３及びコンデンサ１４ａ〜１４ｃの中性点２４に接続される。

系統連系の場合に必要となる正弦波フィルタは、リアクトル１５ａ〜１５ｃとコンデンサ１４ａ〜１４ｃとで構成される。この場合も、インバータ２のスイッチング素子から浮遊容量を介して流れるコモンモード電流は、冷却器１１、コンデンサ１３、コンデンサ１４ａ〜１４ｃ、リアクトル１５ａ〜１５ｃを含む経路ｂを主に流れ、外部に漏れ電流が流出することが抑制される。同様に、ＤＣ／ＤＣ変換器２１のスイッチング素子から浮遊容量を介して流れるコモンモード電流は、冷却器１１、コンデンサ１３、コンデンサ７ａ、７ｃ、コモンモードチョークコイル６を含む経路ｂ２を主に流れ、外部に漏れ電流が流出することが抑制される。このように、電力変換装置が系統連系インバータの揚合であっても、本実施形態に係るフィルタ構成により、系統に流れる漏れ電流は低減される。

（第４実施形態）
第４実施形態を図４を用いて説明する。

本実施形態は第１実施形態に対して、電源５とコンデンサ７ａ〜７ｃとの間の電源ラインにコモンモードチョークコイル１６を挿入した構成である。この構成では、接地線２０、アースを通り、電源５、コンデンサ７ａ〜７ｃ、コモンモード電流抽出回路８を伝って電力変換装置へと戻るわずかに残るコモンモード電流に対して、このコモンモードチョークコイル１６が高インピーダンスとして作用するため、この経路の漏れ電流の低減に一層の効果が得られる。尚、コモンモードチョークコイル１６をコモンモード電流抽出回路８と負荷４の間の電源ラインに挿入すれば、負荷４への漏れ電流の低減に効果が得られる。コモンモードチョークコイル１６を用いた同様のフィルタ構成を、図２の第２実施形態や図３の第３実施形態に適用しても、同様な効果が得られる。

（第５実施形態）
第５実施形態を図５を用いて説明する。

本実施形態は図１の第１実施形態に対して、冷却器１１が電力変換装置の筐体１２に電気的に直接接続されずに、リアクトル１７を介して接続される構成となっている。このリアクトル１７は、図４のコモンモードチョークコイル１６と同様に、外部への漏れ電流流出を抑える作用があるが、このリアクトル１７一つで、電源側及び負荷側の両方に対する漏れ電流の抑制を達成できる。更に、コモンモードチョークコイル１６を用いた対策の場合、単相であれば巻線が２つ、三相であれば巻線が３つ必要なために、サイズが大きくなってしまうが、図５のようにリアクトル１７を適用すれば巻線が１つで済むために小型化に寄与する。

（第６実施形態）
第６実施形態を図６を用いて説明する。

本実施形態は図１の第１実施形態に対して、冷却器１１と電力変換装置の筐体１２とを絶縁した構成で、冷却器１１を通して流れる漏れ電流の経路を絶って、漏れ電流が外部へ流出するのを遮る効果がある。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

６…コモンモードチョークコイル、７ａ，７ｂ，７ｃ…相間コンデンサ、８…コモンモード電流抽出回路、９ａ，９ｂ，９ｃ…コンデンサ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…単相リアクトル、１１…冷却器、１２…筐体、１３…コンデンサ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…コンデンサ、１５ａ，５ｂ，１５ｃ…リアクトル、１６…コモンモードチョークコイル、１７…リアクトル。

Claims (7)

1. 電源からの電力を電力変換して負荷に３相交流電力を供給する電力変換装置で発生されるＥＭＩノイズを抑制するノイズフィルタであって、
   前記電力変換装置の出力側の電源ラインに接続され、コモンモード電流に対して低インピーダンスであり、コモンモード電流の抽出点を有するコモンモード電流抽出回路と、
   前記電力変換装置の入力側の電源ラインに接続された第１相間コンデンサと、
   前記第１相間コンデンサから前記電力変換装置を経由して前記コモンモード電流抽出回路に至る経路の任意の位置に直列に挿入された第１コモンモードチョークコイルと、
   接地された前記電力変換装置の冷却器に接続されたコンデンサとを備え、
   前記冷却器に一端が接続された前記コンデンサの他端が、前記コモンモード電流抽出回路が有するコモンモード電流の抽出点と前記第１相間コンデンサの中性点に接続されているノイズフィルタ。
2. 前記第１相間コンデンサの接続位置と前記電源の間、あるいは前記コモンモード電流抽出回路の接続位置と前記負荷の間のいずれか、あるいは両方にコモンモードチョークコイルを直列接続した請求項１記載のノイズフィルタ。
3. 前記冷却器と前記電力変換装置の筐体とがリアクトルで電気的に接続されている請求項１または２に記載のノイズフィルタ。
4. 前記冷却器がアースに対して絶縁されている請求項１または２に記載のノイズフィルタ。
5. 前記コモンモード電流抽出回路は、
   第１〜第３コンデンサと、
   鉄心を介して電磁結合する２つの巻線からそれぞれ構成される第１〜第３の単相リアクトルを具備し、
   前記第１コンデンサ、前記第１単相リアクトルの一方の巻線及び前記第３単相リアクトルの一方の巻線が直列接続されてＵ相直列回路を構成し、
   前記第２コンデンサ、前記第２単相リアクトルの一方の巻線及び前記第１単相リアクトルの他方の巻線が直列接続されてＶ相直列回路を構成し、
   前記第３コンデンサ、前記第３単相リアクトルの他方の巻線及び前記第２単相リアクトルの他方の巻線が直列接続されてＷ相直列回路を構成し、
   各単相リアクトルの２つの巻線は、コモンモード電流に対して鉄心の磁束を打ち消し合うように構成され、
   各相直列回路のコンデンサ側端部は、前記電力変換装置の対応する相の出力に接続され、前記各相直列回路の他方の端部は１箇所で接続されて前記コモンモード電流の抽出点を形成する請求項１記載のノイズフィルタ。
6. 電源からの電力を電力変換して負荷に３相交流電力を供給する電力変換装置で発生されるＥＭＩノイズを抑制するノイズフィルタであって、
   前記電力変換装置の入力側の電源ラインに接続された第１相間コンデンサと、
   前記第１相間コンデンサの前記電源ライン上の接続点と前記電力変換装置の入力端の間に直列接続された第１コモンモードチョークコイルと、
   前記電力変換装置の出力端と前記負荷の間に直列接続された各相のリアクトルと、
   前記各相のリアクトルと前記負荷の間の電源ラインに接続された第２相間コンデンサと、
   接地された前記電力変換装置の冷却器に接続されたコンデンサとを備え、
   前記冷却器に一端が接続された前記コンデンサの他端が、前記第１相間コンデンサの中性点と前記第２相間コンデンサの中性点に接続されているノイズフィルタ。
7. 前記第１相間コンデンサの接続位置と前記電源の間、あるいは前記第２相間コンデンサの前記電源ラインとの接続位置と前記負荷の間のいずれか、あるいは両方にコモンモードチョークコイルを直列接続した請求項６記載のノイズフィルタ。

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