JP5071197B2 - 減衰特性測定方法および減衰特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は減衰特性測定方法および減衰特性測定装置に関し、特に、電力変換装置に用いられるノイズフィルタの減衰特性測定方法に適用して好適なものである。

一般に、市販されている電力変換回路用のノイズフィルタは、周波数ごとに減衰量を示すノイズフィルタ減衰特性がカタログなどに公開され、ユーザはそのカタログを参照することでノイズフィルタを選定することができる（非特許文献１）。
このカタログに記載された減衰特性の導出方法において、雑音端子電圧の規格範囲である１５０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの幅広いレンジに渡ってノイズフィルタ減衰特性を求める場合、特定の入出力インピーダンスを持ち、２端子対回路の伝達特性を測定可能なシステムが一般的に用いられる。

そのようなシステムとして、ネットワークアナライザを用いる方法や、送信側にトラッキングジェネレータ、受信側にスペクトラムアナライザを用いる方法などがあり、その入出力インピーダンスは５０Ω系であることが多い。
図７および図８は、従来のノイズフィルタの減衰特性測定方法を示すブロック図である。

図７および図８において、ノイズフィルタの減衰特性測定装置には、スペクトラムアナライザ１２のスイープに合わせて周波数を変化させた信号を発生するトラッキングジェネレータ１１および信号の周波数特性を解析するスペクトラムアナライザ１２が設けられている。
ここで、トラッキングジェネレータ１１には、可変周波数入力電圧Ｖ₀を発生させる電圧源１３および入力抵抗１４が設けられ、入力抵抗１４は電圧源１３の後段に直列接続されている。スペクトラムアナライザ１２には、出力電圧Ｖ₁を測定する測定器１６および出力抵抗１７が設けられ、出力抵抗１７は測定器１６の前段に直列接続されている。なお、入力抵抗１４および出力抵抗１７の抵抗値は、５０Ωに設定することができる。

そして、図８のノイズフィルタ１８の減衰特性を測定する場合、図７に示すように、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ１８を介在させることなく、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２とを直接接続する。そして、トラッキングジェネレータ１１にて可変周波数入力電圧Ｖ₀を印加し、ノイズフィルタ１８がない時の出力電圧Ｖ₁をスペクトラムアナライザ１２にて測定する。

次に、図８に示すように、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ１８を接続する。そして、トラッキングジェネレータ１１にて可変周波数入力電圧Ｖ₀を印加し、ノイズフィルタ１８がある時の出力電圧Ｖ₂をスペクトラムアナライザ１２にて測定する。
そして、以下の（１）式に示すように、ノイズフィルタ１８がない時の出力電圧Ｖ₁と、ノイズフィルタ１８がある時の出力電圧Ｖ₂との比を求め、その値をデシベルに換算することで、ノイズフィルタ１８単体の減衰特性を測定することができる。
ノイズフィルタ減衰量（ｄＢ）＝２０・ｌｏｇ₁₀（Ｖ₂／Ｖ₁） ・・・（１）
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｋａｙａｅｌｅｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｃａｔａｌｏｇ／ｆｉｌｔｅｒ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ．岡谷電機産業カタログ「岡谷のＥＭＣ ノイズフィルタ」Ｐ．７

しかしながら、カタログに記載された減衰特性の導出方法と、ノイズフィルタの実際の使用方法とには決定的な差異があることから、実際に電力変換装置と組み合わされたノイズフィルタの減衰特性と、カタログに記載された減衰特性とは大きく異なるという問題があった。
すなわち、実際に電力変換装置にノイズフィルタを組み合わせた場合には、入力となるノイズ発生源は、インバータなどの電力変換装置であることから、半導体素子とインダクタやコンデンサや抵抗などとの組み合わせから成り立っており、図７の電圧源１３および入力抵抗１４がノイズフィルタ１８に接続された状態と異なる。

一方、出力は擬似電源回路網（ＬＩＳＮ）によって測定されるが、擬似電源回路網のインピーダンスはほぼ５０Ωとみなすことができる。従って、ノイズフィルタの静特性と動特性とが異なる原因は、入力の状態が異なっていることにあり、ノイズフィルタが電力変換装置に接続される場合には、電圧源と５０Ωの抵抗が接続されている状態ではないことにある。
これまでにも、非特許文献１に開示されているように、電力変換装置にノイズフィルタを組み合わせた時の動特性を求めるために、入力側にノイズシミュレータを接続し、出力側に擬似電源回路網を接続して測定する試みが行われている。

しかしながら、この測定方法では、ノイズフィルタに実際に定格電流を流すための負荷抵抗や擬似電源回路網が必要になることから、測定作業が煩雑化するという問題があった。また、ノイズシミュレータの出力インピーダンスは一般に５０Ωであることから、結局入力側のノイズ源として電圧源と５０Ωの抵抗が接続された状態で測定が行われ、動特性を正確に測定する支障になるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、電力変換装置の実態に即したノイズ源を与えることで、ノイズフィルタの減衰特性の測定精度を向上させることが可能な減衰特性測定方法および減衰特性測定装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の減衰特性測定方法によれば、特定の入出力インピーダンスを持ち、２端子対回路の伝達特性を測定可能なシステムを用いた電力変換回路用のノイズフィルタの減衰特性測定方法において、前記システムの送信側の少なくとも一方の端子と、前記ノイズフィルタとの間に、前記電力変換回路の浮遊容量を模擬したコンデンサが直列接続されることを特徴とする。

また、請求項２記載の減衰特性測定方法によれば、前記システムは、発振器とスペクトラムアナライザとの組み合わせまたはネットワークアナライザであることを特徴とする。
また、請求項３記載の減衰特性測定方法によれば、前記コンデンサは、雑音端子電圧規格周波数範囲において容量性を保持することを特徴とする。
また、請求項４記載の減衰特性測定方法によれば、前記コンデンサの静電容量は、前記ノイズフィルタの接地コンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする。

また、請求項５記載の減衰特性測定方法によれば、前記コンデンサの静電容量は、前記電力変換回路のスイッチング素子またはスイッチングモジュールと対地間の浮遊容量に相当する値であることを特徴とする。
また、請求項６記載の減衰特性測定装置によれば、信号の周波数特性を解析するスペクトラムアナライザと、前記スペクトラムアナライザのスイープに合わせて周波数を変化させた信号を発生するトラッキングジェネレータと、前記トラッキングジェネレータの送信側の端子と、減衰特性の測定対象となる電力変換回路用のノイズフィルタとの間に直列接続された、前記電力変換回路の浮遊容量を模擬したコンデンサとを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ノイズフィルタの減衰特性を測定するシステムとノイズフィルタとの間に、電力変換回路の浮遊容量を模擬したコンデンサを直列接続することにより、電力変換回路の浮遊容量の充放電電流をノイズ源としたコモンモードのフィルタ減衰特性を求めることができる。このため、フィルタ減衰特性の測定系の構成の複雑化を抑制しつつ、電力変換装置の実態に即したノイズ源を与えることができ、測定作業の煩雑化を防止しつつ、ノイズフィルタの減衰特性の測定精度を向上させることが可能となることから、ノイズフィルタを接続した時に電子機器が発生する伝導ノイズ量を正確に推定することができる。

以下、本発明の実施形態に係る減衰特性測定方法および減衰特性測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係るノイズフィルタの減衰特性測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、ノイズフィルタの減衰特性測定装置には、トラッキングジェネレータ１１およびスペクトラムアナライザ１２が設けられ、トラッキングジェネレータ１１の後段にはコンデンサ１５が設けられている。なお、コンデンサ１５は、電力変換回路に含まれるスイッチング素子またはスイッチングモジュールとアースとの間の浮遊容量に相当することができる。

そして、図２のノイズフィルタ１８の減衰特性を測定する場合、図１に示すように、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ１８を介在させることなく、コンデンサ１５を介してトラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２とを接続する。そして、トラッキングジェネレータ１１にて可変周波数入力電圧Ｖ₀を印加し、ノイズフィルタ１８がない時の出力電圧Ｖ₁をスペクトラムアナライザ１２にて測定する。

次に、図２に示すように、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ１８を接続する。ここで、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ１８を接続する場合、トラッキングジェネレータ１１とノイズフィルタ１８との間にコンデンサ１５を直列接続する。また、ノイズフィルタ１８の入出力の電力供給ラインは相間を短絡し、入力側にコンデンサ１５、出力側にスペクトラムアナライザ１２を接続することができる。また、ノイズフィルタ１８のアースラインは接地することができる。

そして、トラッキングジェネレータ１１にて可変周波数入力電圧Ｖ₀を印加し、ノイズフィルタ１８がある時の出力電圧Ｖ₂をスペクトラムアナライザ１２にて測定する。
なお、可変周波数入力電圧Ｖ₀の周波数範囲は、雑音端子電圧規格周波数範囲＝１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚとすることができる。
そして、（１）式に示すように、ノイズフィルタ１８がない時の出力電圧Ｖ₁と、ノイズフィルタ１８がある時の出力電圧Ｖ₂との比を求め、その値をデシベルに換算することで、ノイズフィルタ１８単体の減衰特性を測定する。

これにより、トラッキングジェネレータ１１とノイズフィルタ１８との間にコンデンサ１５を直列接続することで、電力変換回路の浮遊容量の充放電電流をノイズ源としたコモンモードのフィルタ減衰特性を求めることができる。このため、フィルタ減衰特性の測定系の構成の複雑化を抑制しつつ、電力変換装置の実態に即したノイズ源を与えることができ、測定作業の煩雑化を防止しつつ、ノイズフィルタ１８の減衰特性の測定精度を向上させることが可能となることから、ノイズフィルタ１８を接続した時に電子機器が発生する伝導ノイズ量を正確に推定することができる。

コンデンサ挿入によってコモンモードフィルタ減衰特性が正確に測定できる理由を以下に示す。
図３は、上下２アーム直列回路が搭載されたインバータを用いた電力変換装置の一例を示す図である。
図３において、三相交流電源１４１は、整流器１４２および平滑コンデンサＣ４を介してインバータ１４３に接続され、インバータ１４３はモータ１４４に接続されている。そして、三相交流電源１４１の各相は、コモンモードノイズを低減するために、接地コンデンサＣ１〜Ｃ３をそれぞれ介して接地されている。ここで、インバータ１４３には、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６およびスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６にそれぞれ逆並列接続された帰還ダイオードＤ１１〜Ｄ１６が設けられている。

なお、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６としては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴを用いることができる。
ここで、各スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６と各帰還ダイオードＤ１１〜Ｄ１６の組で基本回路（アーム）が構成され、インバータ１４３は、このアームを６個用いることで構成することができる。そして、各スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６とこれに逆並列に接続された各帰還ダイオードＤ１１〜Ｄ１６とを１アームとすると、スイッチング素子Ｍ１１、Ｍ１４にて上下２アーム直列回路を構成し、スイッチング素子Ｍ１２、Ｍ１５にて上下２アーム直列回路を構成し、スイッチング素子Ｍ１３、Ｍ１６にて上下２アーム直列回路を構成することができる。そして、これら３組の上下２アーム直列回路を３並列接続することでインバータ１４３を構成することができる。

なお、インバータモジュールは、上下２アーム分を１組（２ｉｎ１タイプ）とするか、あるいは６アーム分を１組（６ｉｎ１タイプ）として構成することができ、３相インバータでは、２アームの組を３並列接続するか、６アームの組をそのまま用いることができる。
また、インバータモジュールは、冷却のためにヒートシンク１４５上に設置され、このヒートシンク１４５は、安全性を確保するためアース電位に接続される。

図４は、２素子構成のインバータを用いた場合におけるコモンモード電流経路を示す回路図である。
図４において、インバータモジュールは、アース電位と同電位のヒートシンク１４５上に実装され、上アーム側のＩＧＢＴのコレクタと銅ベースとの間および下アーム側のＩＧＢＴのコレクタと銅ベースとの間に形成される浮遊容量Ｃ５、Ｃ６もアース電位に接続される。そして、コモンモード電流は、浮遊容量Ｃ５、Ｃ６を通るコモンモード電流経路ＲＣを介して主に流れる。

ただし、ＩＧＢＴが実際にスイッチング動作した場合、浮遊容量Ｃ５では理想的には電位変動がないため充放電電流が流れることはなく、主として浮遊容量Ｃ６に流れる充放電電流がコモンモード電流となる。
この充放電電流の積分値は、他の経路のインピーダンスに依存することなく、浮遊容量Ｃ６と電位変動に依存することから、電流源のような挙動を示す。以上より、ノイズフィルタ１８の入力側のノイズ源について、モード別に考えると、ノーマルモードノイズよりもコモンモードノイズの方が、静特性と動特性の測定におけるノイズ源の差異の影響をより顕著に受ける。

従って、浮遊容量Ｃ６を模擬するコンデンサ１５の充放電電流をノイズ源としてノイズフィルタ１８の減衰特性を測定することにより、ノイズフィルタ１８の減衰特性（特にコモンモードの減衰特性）の測定精度を向上させることが可能となる。
なお、図１および図２のコンデンサ１５は、ノイズ源となる浮遊容量Ｃ６の周波数特性が反映されるように選択することができる。例えば、コンデンサ１５は、雑音端子電圧規格周波数範囲である１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚにおいて容量性が保持されるように選択することができる。

すなわち、従来例では、浮遊容量が接地されている場合について示したが、それ以外では、デバイスの浮遊容量は空間的な結合が主であり、３０ＭＨｚ以下の帯域では容量性を保持している場合が多い。これに対して、実際のコンデンサには、プラスチックフィルムコンデンンサ、セラミックコンデンサ、マイカコンデンサ、電解コンデンサなど様々な種類があり、その種類により周波数特性が異なることから、３０ＭＨｚ以下の帯域でも、配線インダクタンスの影響で誘導性を示すものもある。

このようなコンデンサをコンデンサ１５に使用すると、コンデンサが誘導性を示す高周波帯域では浮遊容量Ｃ６の充放電電流を模擬できなくなり、実際のノイズフィルタ１８の減衰特性とは異なる測定結果になる。
従って、高周波帯域においても浮遊容量Ｃ６の充放電電流を模擬できるようにするためには、雑音端子電圧規格周波数範囲である１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚにおいて容量性が保持されるようにコンデンサ１５を選択する必要がある。
雑音端子電圧規格周波数範囲である１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚにおいて容量性が保持されるようにコンデンサ１５を選択することで、高周波帯域においても浮遊容量Ｃ６の充放電電流を模擬することができ、ノイズフィルタ１８の減衰特性の測定精度を高周波帯域に渡って向上させることが可能となる。

図５は、本発明の第３実施形態に係るノイズフィルタの減衰特性測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図５において、ノイズフィルタの減衰特性測定装置には、トラッキングジェネレータ１１およびスペクトラムアナライザ１２が設けられ、トラッキングジェネレータ１１の後段にはコンデンサ１５が設けられている。また、ノイズフィルタ２０には、接地コンデンサ２１およびコモンモードチョークコイル２２が設けられ、ＬＣフィルタ（系統電源に接続される側から見た時にＬＣ構成になっているフィルタ）が構成されている。なお、コンデンサ１５の静電容量は、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量より小さい値に設定することができる。

そして、ノイズフィルタ２０の減衰特性を測定する場合、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ２０を介在させることなく、コンデンサ１５を介してトラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２とを接続する。そして、トラッキングジェネレータ１１にて可変周波数入力電圧Ｖ₀を印加し、ノイズフィルタ２０がない時の出力電圧Ｖ₁をスペクトラムアナライザ１２にて測定する。

次に、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ２０を接続する。ここで、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２との間にノイズフィルタ２０を接続する場合、トラッキングジェネレータ１１とノイズフィルタ２０のコモンモードチョークコイル２２との間にコンデンサ１５を直列接続する。

そして、トラッキングジェネレータ１１にて可変周波数入力電圧Ｖ₀を印加し、ノイズフィルタ２０がある時の出力電圧Ｖ₂をスペクトラムアナライザ１２にて測定する。
なお、変周波数入力電圧Ｖ₀の周波数範囲は、雑音端子電圧規格周波数範囲＝１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚとすることができる。
そして、（１）式に示すように、ノイズフィルタ２０がない時の出力電圧Ｖ₁と、ノイズフィルタ２０がある時の出力電圧Ｖ₂との比を求め、その値をデシベルに換算することで、ノイズフィルタ２０単体の減衰特性を測定する。
ここで、トラッキングジェネレータ１１とノイズフィルタ２０のコモンモードチョークコイル２２との間に直列接続されたコンデンサ１５は、コモンモードフィルタ減衰特性のカットオフ周波数に寄与する。

図６は、本発明の一実施形態に係るコモンモードフィルタ減衰特性を示す図である。
図６において、コンデンサ１５の静電容量は、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量より十分大きい場合、コモンモードフィルタ減衰特性のカットオフ周波数は低域側にシフトする。一方、コンデンサ１５の静電容量が、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量の１／１０以下になると、コモンモードフィルタ減衰特性のカットオフ周波数のシフト量は小さくなり、ほぼ無視できるようになる。

ここで、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量は、一般的には１０００ｐＦ以上であるのに対し、デバイスの浮遊容量は、接地状態や構造によって異なるが、２ｉｎ１モジュール構成のＩＧＢＴを接地した場合には、数１００ｐＦ程度、接地しない場合には、その値より小さくなる。このため、デバイスの浮遊容量は、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量よりも小さく、コモンモードフィルタ減衰特性のカットオフ周波数に及ぼす影響はほとんど無視できる場合が多い。

従って、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量より小さな静電容量を持ち、３０ＭＨｚ以下で容量性を保持するようなコンデンサ１５を選択することで、デバイスの浮遊容量の充放電電流の特徴を模擬することができ、動特性によく一致した減衰特性を測定することができる。
なお、電力変換回路のスイッチング素子またはスイッチングモジュールの浮遊容量が、ノイズフィルタ２０の接地コンデンサ２１の静電容量と比べて無視できない大きさを持つ場合、電力変換回路のスイッチング素子またはスイッチングモジュールの浮遊容量と同程度の静電容量を持つコンデンサ１５を選択するようにしてもよい。

ここで、電力変換回路のスイッチング素子またはスイッチングモジュールの浮遊容量を実際に測定できる場合、実測値に近い値の静電容量を持つコンデンサ１５を選択することで、デバイスの浮遊容量の充放電電流の特徴を模擬することができ、動特性によく一致した減衰特性を測定することができる。
一方、電力変換回路のスイッチング素子またはスイッチングモジュールの浮遊容量を実際に測定できない場合、一般的にデバイスの浮遊容量の値は、１００ｐＦ以下の値になる場合が多いことから、数１００ｐＦ程度の静電容量を持ち、３０ＭＨｚ以下で容量性を保持するようなコンデンサ１５を選択することで、デバイスの浮遊容量の充放電電流の特徴を模擬することができ、動特性によく一致した減衰特性を測定することができる。

また、上述した実施形態では、ノイズフィルタ１８、２０の減衰特性を測定するシステムとして、トラッキングジェネレータ１１とスペクトラムアナライザ１２とを用いる方法について説明したが、ノイズフィルタ１８、２０の減衰特性を測定するシステムは、特定の入出力インピーダンスを持ち、２端子対回路の伝達特性を測定可能なシステムならば他の装置でもよく、例えば、発振器とスペクトラムアナライザとの組み合わせまたはネットワークアナライザを用いるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係るノイズフィルタの減衰特性測定装置（ノイズフィルタありの時）の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るノイズフィルタの減衰特性測定装置（ノイズフィルタなしの時）の概略構成を示すブロック図である。 上下２アーム直列回路が搭載されたインバータを用いた電力変換装置の一例を示す図である。 図３の２素子構成のインバータを用いた場合におけるコモンモード電流経路を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係るノイズフィルタの減衰特性測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るコモンモードフィルタ減衰特性を示す図である。 従来のノイズフィルタの減衰特性測定方法（ノイズフィルタありの時）を示すブロック図である。 従来のノイズフィルタの減衰特性測定方法（ノイズフィルタなしの時）を示すブロック図である。

符号の説明

１１ トラッキングジェネレータ
１２ スペクトラムアナライザ
１３ 電圧源
１４ 入力抵抗
１５ コンデンサ
１６ 測定器
１７ 出力抵抗
１８、２０ ノイズフィルタ
２１ 接地コンデンサ
２２ コモンモードチョークコイル

Claims (6)

1. 特定の入出力インピーダンスを持ち、２端子対回路の伝達特性を測定可能なシステムを用いた電力変換回路用のノイズフィルタの減衰特性測定方法において、
   前記システムの送信側の少なくとも一方の端子と、前記ノイズフィルタとの間に、前記電力変換回路の浮遊容量を模擬したコンデンサが直列接続されることを特徴とする減衰特性測定方法。
2. 前記システムは、発振器とスペクトラムアナライザとの組み合わせまたはネットワークアナライザであることを特徴とする請求項１記載の減衰特性測定方法。
3. 前記コンデンサは、雑音端子電圧規格周波数範囲において容量性を保持することを特徴とする請求項１または２記載の減衰特性測定方法。
4. 前記コンデンサの静電容量は、前記ノイズフィルタの接地コンデンサの静電容量より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の減衰特性測定方法。
5. 前記コンデンサの静電容量は、前記電力変換回路のスイッチング素子またはスイッチングモジュールと対地間の浮遊容量に相当する値であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の減衰特性測定方法。
6. 信号の周波数特性を解析するスペクトラムアナライザと、
   前記スペクトラムアナライザのスイープに合わせて周波数を変化させた信号を発生するトラッキングジェネレータと、
   前記トラッキングジェネレータの送信側の端子と、減衰特性の測定対象となる電力変換回路用のノイズフィルタとの間に直列接続された、前記電力変換回路の浮遊容量を模擬したコンデンサとを備えることを特徴とする減衰特性測定装置。

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