JP2020088627A - ノイズ抑制回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小規模な回路構成で設置面積を小さくしながら、コモンモードノイズ及びノーマルモードノイズの両方を十分に抑制することができるノイズ抑制回路を提供する。【解決手段】交流を供給する複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなる第１コモンコイルＣＣ１と、前記複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなり、前記第１コモンコイルよりも下流側に設けられた第２コモンコイルＣＣ２と、前記複数の母線にそれぞれ並列に設けられた複数のフィルタ回路１からなるアクティブフィルタＦと、を備え、前記フィルタ回路１が、前記第１コモンコイルＣＣ１よりも上流側の電圧が印加される第１キャパシタ２と、前記第１キャパシタ２の出力からノイズ成分を分離し、当該ノイズ成分を反転増幅する増幅部３と、前記増幅部３の出力に応じたノイズ抑制信号を前記第１コモンコイルＣＣ１と前記第２コモンコイルＣＣ２との間に印加する第２キャパシタ４と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズ抑制回路に関するものである。

例えば圧縮機のモータ等を制御するために用いられるインバータ装置は、ダイオードブリッジやスイッチング素子等によって商用の交流電圧を直流電圧に変換するインバータ装置を備えている。

このようなインバータ装置は、スイッチング素子の動作等に起因して、母線を伝わって他の電子機器に影響を与える伝導性ノイズを発生する。伝導性ノイズには、母線間で往復するノーモルノードノイズと、母線と接地との間を伝わるコモンモードノイズとがある。

これらのようなノイズによって他の電子機器に影響を与えないように、国際的な規制が定められており、この規制を満たすために例えば特許文献１に示されるようなノイズ抑制回路が搭載される。

しかしながら、特許文献１に示されるノイズ抑制回路ではノイズを検出するために特殊な検出トランスを用いているため、回路を小規模に構成することが難しい。このため、床面積を低減する要求の強いシステムエアコン等の用途にあったノイズ抑制回路にすることが難しい。さらに、上記のノイズ抑制回路はコモンモードノイズを検出するものであるため、ノーマルモードノイズを十分に抑制することは難しい。

特許５７０５１４４号公報

そこで、本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、小規模な回路構成で設置面積を小さくしながら、コモンモードノイズ及びノーマルモードノイズの両方を十分に抑制することができるノイズ抑制回路を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係るノイズ抑制回路は、交流を供給する複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなる第１コモンコイルと、前記複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなり、前記第１コモンコイルよりも下流側に設けられた第２コモンコイルと、前記複数の母線にそれぞれ並列に設けられた複数のフィルタ回路からなるアクティブフィルタと、を備え、前記フィルタ回路が、前記第１コモンコイルよりも上流側の電圧が印加される、又は、前記第１コモンコイル内の電圧が印加される第１キャパシタと、前記第１キャパシタの出力からノイズ成分を分離し、当該ノイズ成分を反転増幅する増幅部と、前記増幅部の出力に応じたノイズ抑制信号を前記第１コモンコイルと前記第２コモンコイルとの間に印加する第２キャパシタと、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、母線各相に独立して前記フィルタ回路が設けられているので、コモンモードノイズだけでなく、ノーマルモードノイズについても抑制が可能となる。

また、前記第１コモンコイルと前記第２コモンコイルとの間に前記増幅部で反転増幅された信号が前記第２キャパシタを介し、ノイズ抑制信号として印加されるように構成されているので、前記増幅部の負荷インピーダンスを高めて、当該増幅部への負荷を軽減することができる。したがって、ノイズ抑制回路を小規模の回路で実現することが可能となる。

前記増幅部におけるダイナミックレンジを狭く設定することができ、回路として小型化を実現しやすくするには、前記増幅部が、前記第１キャパシタの出力から電源ＡＣ成分を除去し、ノイズ成分を出力するＡＣ成分除去フィルタと、前記ＡＣ成分除去フィルタから出力されるノイズ成分を反転増幅する増幅器と、を備えたものであればよい。

さらにノーマルモードノイズの抑制効果を高められるようにするには、前記複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなるノーマルモードコイルをさらに備えたものであればよい。

本発明のノイズ抑制回路の具体的な適用例の１つとしては、前記複数の母線が接続される電源入力が単相であるものが挙げられる。

本発明のノイズ抑制回路の別の適用例としては、前記複数の母線が接続される電源入力が三相であるものが挙げられる。

前記フィルタ回路を小規模な回路で実現し、設置面積をより小さく構成できるようにするには、前記増幅器が、デジタル回路で構成されたものであればよい。

前記増幅器の具体例としては、トランジスタで構成されているものが挙げられる。

前記フィルタ回路の具体的な構成例としては、前記第１キャパシタが複数又は１つ設けられていればよい。

コモンモードノイズを正確に検出し、抑制効果を高められるようにするには、前記ＡＣ成分除去フィルタの基準電位、及び、前記増幅器の基準電位が、商用電源の接地電位であればよい。

ノイズ抑止回路が商用電源のインビーダンスの影響を受けにくくなり、低周波発振が生じるのを防ぐことができるようにするには、前記第１コモンコイルが、各母線に対してそれぞれ２つ直列に設けられたコイルで構成されており、前記第１キャパシタが、各母線に設けられた２つのコイル間の電圧が印加されるように接続されており、前記第１コモンコイルを構成する各コイルが磁気結合されていればよい。

このように本発明に係るノイズ抑制回路によれば、母線各相に独立して設けられた前記フィルタ回路によって、コモンモードノイズだけでなく、ノーマルモードノイズについても抑制が可能となる。また、前記第２キャパシタを介してノイズ抑制信号が、前記第１コモンコイルと第２コモンコイルとの間に印加することで、前記増幅部の負荷インピーダンスを高めて、当該増幅部への負荷を軽減しているので、ノイズ抑制回路を小規模の回路で実現することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るノイズ抑制回路を示す模式図。 第１実施形態のアクティブフィルタの簡易構成を示す模式図。 第１実施形態のアクティブフィルタの詳細構成を示す模式図。 第１実施形態におけるコモンモードノイズについて示す模式図。 第１実施形態におけるノーマルモードノイズについて示す模式図。 本発明の第２実施形態に係るノイズ抑制回路を示す模式図。 本発明の第３実施形態に係るノイズ抑制回路を示す模式図。 本発明の第４実施形態に係るノイズ抑制回路を示す模式図。 本発明のＡＣ成分除去部の別の構成例を示す模式図。 本発明のＡＣ成分除去部のさらに別の構成例を示す模式図。 第１実施形態のアクティブフィルタの別の構成例を示す模式図。 第２実施形態のアクティブフィルタの別の構成例を示す模式図。

本発明の第１実施形態に係るノイズ抑制回路１００について各図を参照しながら説明する。

第１実施形態のノイズ抑制回路１００は、単相の商用交流電源ＰＳと、交流電流を直流電流に変換して供給するインバータＩＮとの間を接続する各相の母線に対して設けられるものである。インバータＩＮは例えば空気調和装置の圧縮機ＰＭに接続される。

具体的にはノイズ抑制回路１００は、図１、図４及び図５に示すように交流電源ＰＳとインバータＩＮとの間の２相の母線に対して直列に接続される２つのコモンコイルと、２相の母線に対してそれぞれ並列に接続される２つのフィルタ回路１からなるアクティブフィルタＦと、を備えたものである。

すなわち、２つのコモンコイルは、第１コモンコイルＣＣ１と、第１コモンコイルＣＣ１よりも下流側に設けられた第２コモンコイルＣＣ２と、からなる。

第１コモンコイルＣＣ１、及び、第２コモンコイルＣＣ２は、それぞれＬ相及びＮ相の母線に対して設けられた２つのコイルからなる。これらのコイルは互いに磁気結合するように構成されている。

アクティブフィルタＦは、Ｌ相の母線に対して並列に設けられたＬ相フィルタ回路１と、Ｎ相の母線に対して並列に設けられたＮ相フィルタ回路１と、からなる。Ｌ相フィルタ回路１とＮ相フィルタ回路１の構成は母線に対する接続関係以外は共通しているので、以下ではフィルタ回路１として共通している部分について説明する。

フィルタ回路１は、第１コモンコイルＣＣ１より上流側の電圧が印加される第１キャパシタ２と、第１キャパシタ２の出力からノイズ成分を分離し、当該ノイズ成分を反転増幅する増幅部３と、増幅部３の出力に応じたノイズ抑制信号を第１コモンコイルＣＣ１と第２コモンコイルＣＣ２との間に印加する第２キャパシタ４と、を備えている。

増幅部３は、第１キャパシタ２の出力から電源ＡＣ成分を除去し、ノイズ成分を出力するＡＣ成分除去フィルタ３１と、ＡＣ成分除去フィルタ３１から出力されるノイズ成分を反転増幅する増幅器３２と、を備えたものである。

図２に示すように第１キャパシタ２の出力波形にはＡＣ振幅に対してノイズ振幅が重畳されている。具体的には図３に示すようにＡＣ成分除去フィルタ３１は、入力波形からＡＣ成分を分離するＡＣ成分分離部３１１と、入力波形入力波形とＡＣ成分分離部３１１で分離されたＡＣ成分を逆位相で差動合成し、ノイズ成分を反転させて出力する逆位相差動合成部３１２と、を備えている。増幅器３２は、逆位相差動合成部３１２の出力端子から出力されるノイズ成分の振幅を予め定められた所定倍率で拡大するノイズ成分拡大部３２１と、帯域を改善するための帰還容量補償部３２２と、駆動能力を確保するための駆動能力確保部３２２と、を備えている。ここで、所定倍率は例えば２００〜５００倍に設定される。

このようにして各フィルタ回路１は構成されており、各相の母線におけるノイズ成分を拡大して第２キャパシタ４を介して第１コモンコイルＣＣ１、及び、第２コモンコイルＣＣ２の間にノイズ抑制信号として入力されるようにしている。

このように構成された第１実施形態のノイズ抑制回路１００の効果について説明する。

図４に示すような電源、Ｌ相の母線、インバータＩＮ又は圧縮機ＰＭ、グラウンドを一巡するループ、電源、Ｎ相の母線、インバータＩＮ又は圧縮機ＰＭ、グラウンドを一巡するループでそれぞれ発生するコモンモードノイズは、各相の母線に対して並列に接続された各フィルタ回路１により、コモンモードノイズのノイズ成分が反転増幅されて各母線に第２キャパシタ４を介して入力される。このため、コモンモードノイズをフィードバック補正して各母線におけるコモンモードノイズを抑制することができる。

また、図５に示すような電源、Ｌ相の母線、インバータＩＮ、Ｎ相の母線を一巡するループで発生するノーマルモードノイズについても同様に各フィルタ回路１によって抑制することができる。

第１実施形態では、各母線に第１コモンコイルＣＣ１と第２コモンコイルＣＣ２が直列に二段設けられており、各フィルタ回路１が第１コモンコイルＣＣ１の上流側から分岐し、第１コモンコイルＣＣ１と第２コモンコイルＣＣ２間に合流するように接続されている。このため、単体でのアンプ負荷インピーダンスを高めつつ、第１コモンコイルＣＣ１と第２コモンコイルＣＣ２のそれぞれでのアンプ負荷インピーダンスを軽くすることができる。このため、アクティブフィルタＦにおける増幅器３２を小規模回路で実現することができる。

より具体的には、各フィルタ回路１が有効な帯域（例えば１５０ｋＨｚ〜４ＭＨｚ）において、良好なノイズ抑制効果を得ながら、カレントトランス等の特殊な部品を必要としない。

本発明の第２実施形態に係るノイズ抑制回路１００について図６を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各実施形態については第１実施形態において説明した部材に対応する部材については同じ符号を付すこととする。

図６に示すように第２実施形態のノイズ抑制回路１００は、３相４線電源に対して適用されたものである。

具体的には、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相、Ｎ相のそれぞれに並列にアクティブフィルタＦが設けられている。なお、第１コモンコイルＣＣ１と第２コモンコイルＣＣ２に対する各フィルタ回路１の接続関係については第１実施形態と同様である。

このような第２実施形態のノイズ抑制回路１００であれば、３相４線電源を用いる場合でもコモンモードノイズ、及び、ノーマルモードノイズについて小規模な回路構成で十分な抑制効果を得ることができる。

本発明の第３実施形態に係るノイズ抑制回路１００について図７を参照しながら説明する。

図７に示すように第３実施形態のノイズ抑制回路１００は、第２実施形態と比較して第２コモンコイルＣＣ２の下流側に各相の母線に設けられた複数のコイルからなるノーマルコイルをさらに備えている点で異なっている。

このような第３実施形態のノイズ抑制回路１００であれば、ノーマルモードノイズの抑制効果をさらに高めることができる。

本発明の第４実施形態に係るノイズ抑制回路１００について図８を参照しながら説明する。

図８に示すように第３実施形態のノイズ抑制回路１００は、第２実施形態と比較してアクティブフィルタＦの増幅器３２がアナログ回路ではなく、デジタル回路で構成されている。具体的には、増幅器３２はＦＰＧＡにより第２実施形態と同様の構成が実現されている。

このような第４実施形態のノイズ抑制回路１００であれば、さらにアクティブフィルタＦの回路構成を小規模化することができ、例えば家電等におけるフットプリントに関する制限がさらに厳しくなっても十分に対応することができる。

その他の実施形態について説明する。

フィルタ回路１において母線の入力波形からＡＣ成分を除去するＡＣ成分除去フィルタ３１の別の構成例については、図９に示すように２つのキャパシタで構成されたものであってもよい。具体的には、ＡＣ成分除去フィルタ３１は、第１キャパシタ２からの出力波形が入力される第１キャパシタ要素ＣＥ１と、第１キャパシタ要素ＣＥ１と並列に設けられた第２キャパシタ要素ＣＥ２とを備えたものであってもよい。このようなものであれば、例えば１５０ｋＨｚ以上のノイズ帯域の振幅は低減せずに、電源周波数であるＡＣ成分のみを除去することができる。

また、図１０に示すようにＡＣ成分除去フィルタ３１が第２キャパシタ要素ＣＥ２を省略して、３つの直列に設けられたキャパシタからなる３段のハイパスフィルタとして構成してもよい。

図１に示した第１実施形態のノイズ抑制回路１００における第１コモンコイルＣＣ１についてはこれに限られるものではない。すなわち、図１１に示すように第１コモンコイルＣＣ１が各母線Ｌ、Ｎに対してそれぞれ２つ直列に設けられたコイルから構成されており、全てのコイルが磁気結合するように構成してもよい。このように構成した場合には、フィルタ回路１の第１キャパシタ２については、各母線Ｌ、Ｎに設けられた２つのコイル間の電圧が印加されているように構成すればよい。また、第１コモンコイルＣＣ１のインダクタンスとしては例えば１００μＨ以上１ｍＨ以下にするのが好ましい。

また、図６に示した第２実施形態の３相４線方式のためのノイズ抑制回路１００についても図１１と同様の構成を有した第１コモンコイルＣＣ１を適用してもよい。具体的には図１２に示すように、第１コモンコイルＣＣ１が各母線Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｎに対してそれぞれ２つ直列に設けられたコイルから構成されており、全てのコイルが磁気結合するように構成してもよい。また、フィルタ回路１の第１キャパシタ２については、各母線Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｎに設けられた２つのコイル間の電圧が印加されているように構成すればよい。同様に第１コモンコイルＣＣ１のインダクタンスとしては例えば１００μＨ以上１ｍＨ以下程度にするのが好ましい。

図１１及び図１２に示すように構成すれば、商用電源のインビーダンスの影響を受けなくすることができ、ノイズ抑制回路１００において１０〜３０ｋＨｚ程度の低周波発振が生じるのを防止できる。

第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態については、それぞれ単相電源に同様の構成を適用したものであってもよい。

本発明に係るノイズ抑制回路は、圧縮機制御用のインバータと商用電源との間に設けられる物に限られない。例えば回路中に高速で駆動されるスイッチング素子を含むものに対して本発明に係るノイズ抑制回路を設けても構わない。すなわち、本発明に係るノイズ抑制回路の用途は家電製品等に限られず、様々なものに対して用いることができる。

その他、本発明の趣旨に反し無い限りにおいて各実施形態において示した構成要素を組み合わせたり、変形したりしても構わない。

１００・・・ノイズ抑制回路
Ｆ ・・・アクティブフィルタ
１ ・・・フィルタ回路
２ ・・・第１キャパシタ
３ ・・・増幅部
３１ ・・・ＡＣ成分除去フィルタ
３２ ・・・増幅器
４ ・・・第２キャパシタ
ＣＣ１・・・第１コモンコイル
ＣＣ２・・・第２コモンコイル
ＮＣ ・・・ノーマルコイル

Claims (11)

1. 交流を供給する複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなる第１コモンコイルと、
   前記複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなり、前記第１コモンコイルよりも下流側に設けられた第２コモンコイルと、
   前記複数の母線にそれぞれ並列に設けられた複数のフィルタ回路からなるアクティブフィルタと、を備え、
   前記フィルタ回路が、
   前記第１コモンコイルよりも上流側の電圧が印加される、又は、前記第１コモンコイル内の電圧が印加される第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタの出力からノイズ成分を分離し、当該ノイズ成分を反転増幅する増幅部と、
   前記増幅部の出力に応じたノイズ抑制信号を前記第１コモンコイルと前記第２コモンコイルとの間に印加する第２キャパシタと、を備えたことを特徴とするノイズ抑制回路。
2. 前記増幅部が、
   前記第１キャパシタの出力から電源ＡＣ成分を除去し、ノイズ成分を出力するＡＣ成分除去フィルタと、
   前記ＡＣ成分除去フィルタから出力されるノイズ成分を反転増幅する増幅器と、を備えた請求項１記載のノイズ抑制回路。
3. 前記複数の母線にそれぞれ設けられた複数のコイルからなるノーマルモードコイルをさらに備えた請求項１又は２記載のノイズ抑制回路。
4. 前記複数の母線が接続される電源入力が単相である請求項１乃至３いずれかに記載のノイズ抑制回路。
5. 前記複数の母線が接続される電源入力が三相である請求項１乃至３いずれかに記載のノイズ抑制回路。
6. 前記増幅器が、デジタル回路で構成された請求項１乃至５いずれかに記載のノイズ抑制回路。
7. 前記増幅器が、トランジスタで構成されている請求項６記載のノイズ抑制回路。
8. 前記フィルタ回路において前記第１キャパシタが複数設けられている請求項１乃至７いずれかに記載のノイズ抑制回路。
9. 前記フィルタ回路において前記第１キャパシタが１つ設けられている請求項１乃至７いずれかに記載のノイズ抑制回路。
10. 前記ＡＣ成分除去フィルタの基準電位、及び、前記増幅器の基準電位が、商用電源の接地電位である請求項２記載のノイズ抑制回路。
11. 前記第１コモンコイルが、各母線に対してそれぞれ２つ直列に設けられたコイルで構成されており、
    前記第１キャパシタが、各母線に設けられた２つのコイル間の電圧が印加されるように接続されており、
    前記第１コモンコイルを構成する各コイルが磁気結合されている請求項１乃至１０いずれかに記載のノイズ抑制回路。