JP2016119662A - 同相雑音フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】既知の雑音フィルタの不利な点を克服する、同相雑音フィルタを提供することを目的とする。【解決手段】雑音源と負荷との間でそれぞれ直列に接続される第１および第２のインダクタを有する、前記雑音源と前記負荷との間で直列に接続されるように適合された同相雑音フィルタ。寄生インダクタンスを示すコンデンサは、第１および第２のインダクタの接合部に他方の端部が接続されている、第３のインダクタと直列に接続される。第１、第２、および第３のインダクタは、第３のインダクタの絶対値と、第１、第２、および第３のインダクタの相互インダクタンスから、コンデンサの寄生インダクタンスを差し引いたものが最小限に抑えられるようにして、選択され互いに対して位置付けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、全体として、電気系統用の同相雑音フィルタに関する。

電気雑音源を有する多くの既知の電気系統がある。電気雑音が排除されるか、または少なくとも低減されない限り、電気雑音は、電気系統自体の動作だけでなく、関連のまたは周辺の電気系統にも悪影響を及ぼす恐れがある。

例えば、電気自動車両またはハイブリッド自動車両では、スイッチング電源またはインバータが、一般的に、車両の電動機に電力供給するのに必要な電圧を発生させるために用いられる。従来、電源からの電力信号を作り出すのに、スイッチング電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＧＴＯ、またはＩＧＢＴが使用される。しかしこれらのＦＥＴでは、ＦＥＴがオン状態とオフ状態との間で切り替わるたびに、多量の電気雑音が発生する。

かかるシステムは、一般的に、伝搬路の点で互いと異なる２つの違うタイプの電気雑音を伴う。第一に、ソースおよび負荷に対して互いに反対方向で２つ以上のケーブルを電流が流れる、差動モード電流がある。第二に、２つ以上のケーブルを同じ方向で流れる同相モード電流がある。この同相モード電流は、一般的に高周波であり、２つの異なるタイプの電気雑音の中では、差動雑音よりも外部への影響が大きい。

同相雑音を低減する１つの既知の方法は、好ましくは雑音源の付近で電気系統に電気的に接続された、同相モードフィルタを利用するものである。これらの既知のフィルタは、一般的に、電気系統の各電力線と接地との間に接続された、同相モードチョークコイルＬおよびコンデンサを備える。同相モードチョークコイルとコンデンサにより、同相モード電流のみに作用するローパスフィルタとなる。

しかしながら、実際のコンデンサは、同相雑音フィルタの全体効率を減少させる寄生インダクタンス（ＥＳＬ）を示す。

例えば、フィルタ効率が縦軸にプロットされ、周波数が横軸にプロットされている、図１を参照されたい。雑音フィルタのコンデンサが寄生インダクタンスを含まない理想的なコンデンサであると仮定すると、フィルタは、グラフ１０に示されるように、雑音の周波数が増加するにしたがって、フィルタを通り抜ける雑音の量を継続的に低減する。しかし理想的なコンデンサは存在しないので、グラフ１２は、実際のコンデンサの寄生インダクタンス（ＥＳＬ）を考慮に入れた場合の、より低いフィルタ効率を示す。図１から明白に分かるように、ＥＳＬが存在する場合、フィルタを通り抜ける同相雑音の量は劇的に増加する。

フィルタのＥＳＬを減少させ、したがってフィルタを通り抜ける同相雑音の量を低減させる、既知の方法が多数知られている。例えば、フィルタを接地に接続するのに使用されるケーブル布線のケーブル長を減少させることで、コンデンサケーブルに寄生インダクタンスがあればその量が減少し、結果としてＥＳＬが低減されるであろう。例えば、図１のグラフ１４は、図１のグラフ１２に対して、コンデンサのケーブル長を短縮した場合のフィルタ性能を示す。

ＥＳＬを低減するさらなる別の方法はＥＳＬ相殺を使用することである。ＥＳＬ相殺では、同相モードフィルタの各フィルタインダクタは２つに分割され、それら２つのインダクタは互いと結合され、負性インダクタンスは２つの接続されたフィルタインダクタの中間点で現れる。その結果、容量を中間点と接地との間に付加することができる。インダクタは、理想的には、ＥＳＬおよび負性インダクタンスの和を用いてゼロに調整される。しかしながら、ＥＳＬ相殺を含む従来の同相モードＬＣフィルタは、多くのＬを含む大きな同相モードチョークコイルを使用する。その結果、負性インダクタンスも大きすぎ、相殺を同調させるために、容量のＥＳＬと直列に別のコイルを付加する必要がある。かかる相殺回路は、部品の全体数、サイズ、および雑音フィルタの重量の増加を必然的に伴う。さらに、コンデンサのインダクタンスが非常に精密なインダクタである場合であっても、インダクタンスの誤差によってフィルタ効率の大幅な減少を引き起こす場合がある。

本発明は、既知の雑音フィルタの上述の不利な点を克服する、同相雑音フィルタを提供する。

簡潔には、本発明の同相雑音フィルタは、雑音源と負荷との間でそれぞれ直列に接続された、第１および第２のインダクタを含む。第１のインダクタのインダクタンスは、第２のインダクタのインダクタンスよりもはるかに大きい。

次に、第３のインダクタは、第１および第２のインダクタ間の接合部に接続された第１の端部を有する。第３のインダクタの第２の端部は、コンデンサの一方の側に接続され、コンデンサの他方の側は接地される。

第１、第２、および第３のインダクタは、第１および第３のインダクタ間の相互インダクタンスＭ_１３によってインダクタンスＬ’＝ＥＳＬ＋Ｌ_３−Ｍ_１２−Ｍ_２３＋Ｍ_１３が小さくなりすぎるのを防ぐようにして、選択され互いに対して位置付けられる。実際上、第１および第２のインダクタと接地との間の接続によってインダクタンスＬ’およびＥＳＬを最小限に抑えることで、同相雑音フィルタの全体効率が向上するので、図１のグラフ１０で示される理想的なフィルタの特性に近づく。

１つの構成では、ワイヤは、強磁性材料で作られたリングなどの磁性構造の周りに巻かれる。第２のワイヤは、ワイヤの負荷端に隣接したタップによって第１のワイヤに電気的に接続され、次に第２のワイヤは、やはり磁性構造の周りに巻かれ、次に負荷端に電気的に接続される。第３のワイヤは第１と第２のワイヤの間にあるタップから始まり、第２のワイヤに沿ってともに磁性構造の周りを進む。次に、第３のワイヤはコンデンサに接続される。

雑音源と巻かれた第１のワイヤ上にある電気タップとの間のワイヤは、第１のインダクタＬ_１を形成し、タップから負荷までのワイヤは、第２のインダクタＬ_２を形成する。第３のワイヤによってもたらされる第３のインダクタＬ_３は、さらに、第２および第３のインダクタが相互インダクタンスによって良好に結合されるようにして、第２のインダクタに緊密に隣接して並走するように位置付けられる。

３つのインダクタはいずれも、互いに対する相互インダクタンスを示す。例えば、Ｍ_１２は第１および第２のインダクタ間の相互インダクタンスであり、Ｍ_２３は第２および第３のインダクタ間の相互インダクタンスであり、Ｍ_１３は第１および第３のインダクタ間の相互インダクタンスである。各インダクタンスは相互に結合され、極性も図３に示されている。

結果として、第１および第２のインダクタの接合部からコンデンサまでの経路のインダクタンスは、第３のインダクタの大きさをＬ_３とするＬ_３−Ｍ_１２−Ｍ_２３＋Ｍ_１３に等しい。理想的には、このインダクタンスはコンデンサに対するマイナスのＥＳＬに等しく、したがって理想的なフィルタに一層緊密に近似する。一般に、高周波電流がソースと負荷との間を進むのを阻止するために、Ｌ_１およびＬ_２は大きくあるべきであり、それによってＭ_１２およびＭ_２３も大きくなる。ＥＳＬは通常、Ｍ_１２およびＭ_２３よりもはるかに小さい値である。しかしＬ_３およびＭ_１３は、Ｌ_３−Ｍ_１２−Ｍ_２３＋Ｍ_１３がＥＳＬに対して小さくなりすぎるのを防ぐことができる。

本発明のフィルタは同相雑音フィルタとして使用するのに特に有用であるが、同相モードフィルタの一方の側が単に接地ラインである場合、ＥＳＬ相殺を含む差動雑音フィルタとして使用してもよい。

以下の詳細な説明を添付図面と併せ読んで参照することで、本発明についてのより良好な理解が得られるであろう。いくつかの図面を通して、同様の参照符号は同様の部分を指す。

理想的なフィルタおよび実際のフィルタの特性を示すグラフである。 雑音フィルタの好ましい一実施形態を示す側面図および部分概略図である。 雑音フィルタの回路図を示す概略図である。 端子間の各電圧差が互いに等価である、図３の等価回路を示す図である。 雑音フィルタの構造を示す斜視図である。 合計インダクタンスをゼロに同調させる、追加のインダクタンスを含む雑音フィルタの構造を示す別の斜視図である。

最初に図２および３を参照すると、雑音フィルタ２０は、ハイブリッド自動車または電気自動車のインバータなどの電気雑音源２２と、電気自動車またはハイブリッド自動車のバッテリーなどの負荷２４との間で相互接続されて示されている。雑音フィルタ２０は、好ましくは、電気雑音源２２に緊密に隣接して位置付けられる。

雑音フィルタ２０は、フェライトビーズなどの磁性構造２６を含む。ワイヤ２８および３０は、同相雑音電流を雑音源２２から負荷２４まで運ぶ。車両フレームなどの接地３２も雑音フィルタ２０と関連付けられる。

雑音源２２と負荷との間のワイヤ２８および３０はどちらも、磁性構造２６の周りに巻かれる。さらに、２つのワイヤ２８および３０は同一の形式で磁性構造２６の周りに巻かれ、同一の構成要素が関連付けられる。したがって、ワイヤ２８と関連付けられた設計および構成要素についてのみ、詳細に記載する。同一の記述はワイヤ３０の巻回にも当てはまるものとする。

再度図２および３を参照すると、ワイヤ２８は雑音源２２から延在し、ある巻数で磁性構造２６の周りに巻かれ、次に負荷２４に接続される。しかしながら、ワイヤタップ３４が、ワイヤ２８の磁性構造２６の周りに巻かれた部分に沿った中間点で、ワイヤ２８に形成される。さらに、このタップ３４は、雑音源２２よりも負荷２４の近くに位置付けられる。

タップ３４は、事実上、磁性構造２６の周りにある第１のワイヤ２８の巻回を、２つのインダクタＬ_１およびＬ_２に分割する。インダクタＬ_１およびＬ_２は、それぞれ雑音源２２と負荷２４との間で互いと直列に接続される。さらに、Ｌ_１のインダクタンスの大きさはインダクタＬ_２のインダクタンスを上回る。

第２のワイヤ３６は、インダクタＬ_１およびＬ_２間の接合点であるタップ３４に電気的に接続される。このワイヤ３６は磁性構造２６の周りに巻かれ、第３のインダクタＬ_３を形成する。第３のインダクタＬ_３はさらに、第２のインダクタＬ_２に緊密に隣接して位置付けられ、その結果、インダクタＬ_２およびＬ_３間の相互インダクタンスが増加する。したがって、インダクタＬ_３は、自らが相殺され、インダクタＬ_１およびＬ_２のインダクタンスに対して負性インダクタンスを引き起こすように巻かれる。

次に、ワイヤ３６はコンデンサ４０の一方の側に接続され、コンデンサ４０の他方の側は接地３２に電気的に接続される。コンデンサ４０は、その付属のワイヤ３６および接地３２への接続と併せて、寄生インダクタンスＥＳＬを示す。理想的には、インダクタンスＬ’−ＥＳＬ＝０なので、理想的な雑音フィルタに近似させるために、第１のインダクタＬ_１および第２のインダクタＬ_２および接地３２およびコンデンサ４０の間のタップ３４による等価回路の容量の直列インダクタンスはゼロに等しい。

しかし３つのインダクタＬ_１、Ｌ_２、およびＬ_３はそれぞれ、他の２つのインダクタからの相互インダクタンスによって影響される。したがって、図４の等価インダクタンスの３つの分岐Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、およびＬ_ｚの等価回路を仮定する。フィルタの３つの分岐Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、およびＬ_ｚの値は次式のように計算される。
Ｌ_ｘ＝Ｌ_１＋Ｍ_１２＋Ｍ_２３＋Ｍ_１３
Ｌ_ｙ＝Ｌ_２＋Ｍ_１２−Ｍ_２３−Ｍ_１３
Ｌ_ｚ＝Ｌ_３＋Ｍ_１２−Ｍ_２３＋Ｍ_１３
式中、Ｍは相互インダクタンスである。

図５は、図３の設計を示す。ワイヤ２８は１つの穴を有する強磁性ブロックの周りに巻かれる。タップ３４は端子Ｔ_ｐ１の側でワイヤ２８上にある。ワイヤ３６は強磁性ブロックの穴の中に入り、タップ３４とワイヤ２８のＴ_ｐ２との間のワイヤセグメントの近くに位置付けられる。この構成では、相互インダクタンスの各極性は図３のものに一致する。

理想的には、Ｌ_ｚ−ＥＳＬは０に等しい。実際の適用では、フィルタは、インダクタＬ_１、Ｌ_２、および／またはＬ_３の巻回の数を調節することによって、ならびに、磁性構造２６上におけるインダクタＬ_１およびＬ_２の磁路の長さと幅を調節することで、インダクタＬ_１およびＬ_２間の相互インダクタンスＭ_１２を調節することによって、同調してもよい。

次に図６を参照すると、３つのインダクタＬ_１、Ｌ_２、およびＬ_３の代替の設計が示される。各々の場合において、インダクタは巻回を含む。図６はまた、Ｌ_ｚ＋Ｌ_ｃ−ＥＳＬ＝０であるようにＬ_ｚを同調させる補償インダクタＬ_ｃを示す。図６では、Ｌ_ｃは、Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、およびＬ_ｚに対して直交する巻回の軸を有する。したがって、Ｌ_ｃが他のインダクタに近い場合であっても、Ｌ_ｃと他のものとの間の相互インダクタンスは一層小さくなり、他のインダクタンスとは独立している。したがって、Ｌ_ｃの値を選択するのは簡単である。

上述のことから、単純であるが非常に有効な同相雑音フィルタを本発明が提供することが分かる。同相雑音フィルタの概念は差動モードの電子電流中の雑音を減少させるのに使用してもよいが、同相雑音を低減するのに非常に有効であることが分かっている。

本発明について記載してきたが、添付の請求項の範囲によって定義されるような本発明の趣旨から逸脱することのない、本発明に対する多くの変形が、当業者には明白となるであろう。

Claims (8)

1. 雑音源と負荷との間でそれぞれ直列に接続される第１および第２のインダクタと、
   寄生インダクタンスを示すコンデンサと、
   前記第１および第２のインダクタの接合部に接続される第１の端部と、前記コンデンサの一方の側に接続される第２の端部とを有し、前記コンデンサの他方の側が接地に接続される、第３のインダクタとを備え、
   前記コンデンサの寄生インダクタンスと、前記第３のインダクタのインダクタンスから前記第１および第２のインダクタ間の相互インダクタンスを差し引き、前記第２および第３のインダクタ間の相互インダクタンスを差し引き、第１および第２のインダクタ間の相互インダクタンスを加えたものとの差が最小限に抑えられるようにして、前記第１、第２、および第３のインダクタが選択され互いに対して位置付けられる、雑音源と負荷との間で直列に接続するように適合された同相雑音フィルタ。
2. 前記第１、第２、および第３のインダクタが共通の磁性構造上に巻かれる、請求項１に記載の同相雑音フィルタ。
3. 前記磁性構造がリングを含む、請求項２に記載の同相雑音フィルタ。
4. 前記第１、第２、および第３のインダクタがそれぞれ磁性構造上の巻回を含む、請求項１に記載の同相雑音フィルタ。
5. 前記第３のインダクタが前記第２のインダクタに緊密に隣接して巻かれる、請求項４に記載の同相雑音フィルタ。
6. 前記第１および第２のインダクタが磁性構造上の巻回を含み、前記第３のインダクタの前記第１の端部が、前記巻回上の中間点にあるタップを含む、請求項１に記載の同相雑音フィルタ。
7. 前記第１のインダクタの値が前記第２および第３のインダクタ両方よりも大きい、請求項１に記載の同相雑音フィルタ。
8. 前記第１、第２、および第３のインダクタがそれぞれ軸を中心にした巻回を含み、追加の補償インダクタの軸が前記第１、第２、および第３のインダクタの軸に対して垂直である、請求項１に記載の同相雑音フィルタ。

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