JP6485662B2

JP6485662B2 - コモンモードフィルターデバイス及び電気機器

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Publication number: JP6485662B2
Application number: JP2017544363A
Authority: JP
Inventors: ランボー、リュック; モロヴ、ステファン
Original assignee: Mitsubishi Electric R&D Centre Europe BV Netherlands
Current assignee: Mitsubishi Electric R&D Centre Europe BV Netherlands
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP2018511287A; US10476464B2; CN107810594B; CN107810594A; WO2016208762A1; EP3109987B1; EP3109987A1; US20180123543A1

Description

この発明はコモンモードフィルターデバイスに関し、また、そのようなコモンモードフィルターデバイスを備える電気機器に関する。

多くの電気装置が、高いスイッチング周波数を用いるスイッチング方式による電力変換器を組み込む。高速のスイッチング遷移に起因して、１つの装置内で実施されるスイッチング方式による動作は電磁干渉を引き起こし、電磁干渉は、この装置に電力を供給するために使用されるＡＣネットワークに送信され、他の装置にも送信される。詳細には、１つの装置によって生成されるコモンモード電流が、同じＡＣネットワークによって同じく電力を供給される他の装置への損傷を引き起こす場合がある。例えば、モーターの信頼性及び寿命が、そのようなコモンモード電流によって著しく影響を及ぼされる。実際には、モーターの固定子と回転子との間には容量性結合があり、その結果、コモンモード電流に起因する軸電圧が、モーター空隙を通しての放電を引き起こすおそれがあり、それにより、絶縁障壁を損傷するおそれがある。また、コモンモード電流によって、回転子ベアリングの機械的不平衡及び摩耗が引き起こされるおそれもある。

これらの理由のために、ＣＩＳＰＲ１１／ＥＮ５５０１１及びＣＩＳＰＲ２２／ＥＮ５５０２２等の電磁干渉(ＥＭＩ)標準規格が、電気装置によって送信され、電力供給ＡＣネットワークに戻されるコモンモード電流に関する制限を設定する。全ての周波数値に関するその大きさに起因して、コモンモード電流に対して複数形が使用される。それゆえ、これらの標準規格の要件を満たすために、電気装置の中には、コモンモードフィルターデバイスを備えなければならないものもある。

装置からＡＣネットワークへのコモンモード電流の送信に対する障壁を形成するように、そのようなコモンモードフィルターデバイスが装置とＡＣネットワークとの間に電気的に挿入される。そのような障壁は、産業用途の場合のコモンモード電流に対して有効でなければならないので、コモンモードフィルターデバイスは、一般的に１つ又は幾つかのローパスフィルターから構成され、各ローパスフィルターは、少なくとも１つのキャパシターと、少なくとも１つのインダクターとに基づく。例えば、電気ＡＣネットワークと電気装置との間に接続されるそのようなコモンモードフィルターデバイスは、
−ＡＣネットワークの接地端子を装置の共通端子に接続する専用の第１の電気的接続と、
−それぞれＡＣネットワークのそれぞれの相端子を装置のそれぞれの電源端子に接続するための少なくとも２つの第２の電気的接続と、
−第２の電気的接続ごとに別々に、直列に配置される２つのＬＣフィルターであって、各ＬＣフィルターは、この第２の電気的接続と第１の電気的接続との間に接続される別個のキャパシターを備え、また、各ＬＣフィルターは、ＡＣネットワークから装置への方向に対して、同じＬＣフィルターのキャパシターの上流において、第２の電気的接続内に配置される別個のコモンモードインダクターも備える、２つのＬＣフィルターと、
を備えることができる。

そのようなコモンモードフィルターデバイスはパッシブタイプからなる。このコモンモードフィルターデバイスは、各インダクター及び各キャパシターが大きな値を有するときに、装置によって生成されるコモンモード電流を低減するのに、より効率的であるが、その際、コモンモードフィルターデバイスの単価が高くなる。また、その場合、コモンモードフィルターデバイスは嵩張り、大きいので、結果として、電気機器が重く、扱いにくくなる。

また、アクティブフィルターも周知である。例えば、上記で示されたように接続される１つのインダクター及び１つのキャパシターから構成される１つのＬＣフィルターは、ＡＣネットワーク側において、フィルター出力における電圧又は電流を検知するために配置されるアクティブ回路を用いて完成することができる。その際、アクティブ回路は、ＡＣネットワークに並列に接続される電流源、又はＬＣフィルターとＡＣネットワークとの間に直列に接続される電圧源に等価である。いずれの場合も、アクティブ回路は、等価電流源又は等価電圧源が、送信され、ＡＣネットワークに戻されるコモンモード電流を低減するように設計される。そのようなアクティブコモンモードフィルターデバイスの主な利点は、コモンモード電流を低減するための実質的に一定の効率を保持しながら、ＬＣフィルターのインダクター及びキャパシターの値を低減できるようにすることである。結果として、コモンモードフィルターデバイスは小型化及び低廉化される。そのようなアクティブコモンモードフィルターデバイスが、非特許文献１において詳細に提示される。

詳細には、ＡＣネットワークに送信されるコモンモード電流を検知するための磁気的動作を実施するアクティブコモンモードフィルターデバイスが既に存在している。

Heldwein M.L.、Ertl H.、Biela J.及びKolar J.W「Implementation of a Transformerless Common-Mode Active Filter for Offline Converter Systems」Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 57, n°5, pp.1772-1786, May 2010

フィルターデバイスに関する一般的な問題は、絶縁の問題、障害の影響及び安定性の問題である。

絶縁の問題は、安全性を取り扱う。この目的を果たすために、ＡＣネットワークの相端子のいずれかを接地端子に接続する電気経路が存在しないデバイス設計に対する大きな関心がある。

障害の影響は、コモンモードフィルターデバイス自体が障害に直面するときでも、外乱を生じることなく継続する装置の動作を取り扱う。それは、使用される電気的コンポーネントと、コモンモードフィルターデバイス内のそれらの配置及び実装とによって決まる。

安定性の問題は、アクティブ回路を使用することに関連する。１つのコモンモードフィルターデバイスを備える電気装置の出力インピーダンスは、装置によって異なる。さらに、アクティブコモンモードフィルターは、可能な限り広いインピーダンス範囲内のどのようなＡＣネットワークインピーダンスであっても、コモンモード電流を低減するときに安定した状態を保たなければならない。

この状況から開始するとき、この発明の１つの目的は、送信され、ＡＣネットワークに戻されるコモンモード電流を、より大きく低減する新規のコモンモードフィルターデバイスを提供することにある。

この発明の他の目的は、上記で提示された絶縁の問題、障害の影響及び安定性の問題に関連する。

この発明の更に別の目的は、コモンモードフィルターデバイスの単価を下げ、幾何学的に小型化することに関連する。

これらの目的又は他の目的のうちの少なくとも１つを達成するために、この発明の第１の態様は、上記で提示されたタイプのコモンモードフィルターデバイスを提案し、このコモンモードフィルターデバイスは、電気ＡＣネットワークと電気装置との間の第２の電気的接続ごとに２つの直列に接続されるＬＣフィルターを備える。

この発明によれば、コモンモードフィルターデバイスは、２つの変圧器と、電流制御回路とを更に備える。その際、変圧器のうちの第１の変圧器の二次巻線が、第２の電気的接続内に存在するコモンモード電流を表す検出電圧を生成するように構成される。さらに、電流制御回路は、検出電圧を検知し、変圧器のうちの第２の変圧器の一次巻線内に制御電流を生成するように構成される。

この発明の更なる特徴によれば、第２の電気的接続ごとの装置に最も近いＬＣフィルターのコモンモードインダクターは、このコモンモードインダクター内に補償電流を生成するために、第２の電気的接続ごとに別々にある、第２の変圧器のそれぞれの二次巻線である。それゆえ、第２の変圧器は、電流制御回路によって電流供給される１つの一次巻線と、ＡＣネットワークの相端子の数と同じ数の二次巻線とを備える。

その際、電流制御回路及び両方の変圧器は、直前で補償電流として示された注入電流が、装置によってその電源端子から第２の電気的接続の中に送信される被検知コモンモード電流を少なくとも部分的に補償するように構成される。

したがって、この発明のコモンモードフィルターデバイスは、２つのＬＣフィルターに基づくパッシブフィルターデバイスと、アクティブ回路としての役割を果たす付加的な電流制御回路との特別な組み合わせである。

さらに、ＡＣネットワークに送信されるコモンモード電流を検知することと、補償電流を第２の電気的接続の中に注入することとの両方のために、磁気的動作が実施される。

また、この発明のコモンモードフィルターデバイスにおいて、電流制御回路は、別個の巻線を有する第１の変圧器及び第２の変圧器を通してのみ第２の電気的接続と相互作用するので、ＡＣネットワークの相端子から電気的に絶縁される。言い換えると、電流制御回路と、ＡＣネットワークの相端子との間にはガルバニック絶縁がある。

また、この発明のコモンモードフィルターデバイスにおいて、電流制御回路の動作障害によって、コモンモード電流が上昇するが、電気装置は、正常に機能し続ける。電磁干渉標準規格は、場合によってはもはや満たされなくなるが、装置の使用を妨げることはない。そのような状況は、装置の次の停止中にメンテナンス作業を必要とするだけあり、その一方で、両方のＬＣフィルターが、コモンモード電流を部分的に低減し続ける。

それゆえ、この発明のコモンモードフィルターデバイスの両方の変圧器は、耐障害多目的磁気的コンポーネントとしての役割を果たす。

この発明のコモンモードフィルターデバイスにおいて、補償電流は、この第２の電気的接続の両方のＬＣフィルターのそれぞれのキャパシター間のそれぞれの第２の電気的接続の中に注入される。したがって、装置に最も近いＬＣフィルターのキャパシターが、補償電流注入のために必要な電圧終端を与える。さらに、伝導されるコモンモード電流は、ＡＣネットワークとのこのインターフェースにおいて直ちに検知される。コモンモードフィルターデバイスの安定性は、コモンモードフィルターデバイスとＡＣネットワークとの間の給電線インピーダンスから独立している。

さらに、アクティブ回路としての電流制御回路によって、コモンモード電流のための低減効率を実質的に保持しながら、インダクター及びキャパシターの値を低減できるようになり、結果としてそれらを小型化できるようになる。したがって、コモンモードフィルターデバイスを小型化することができ、さらには、その単価を更に下げることができる。詳細には、コモンモードフィルターデバイスの電気的コンポーネントの大部分、又は全ての電気的コンポーネントを、ＰＣＢ実装コンポーネント(ＰＣＢはプリント回路基板を表す)、セラミック基板上に実装されるコンポーネント、又はシリコンウェハーと一体に形成されたコンポーネント等の、基板実装コンポーネントとすることができる。その際、コモンモードフィルターデバイスは、作業者によって実装される別個のコンポーネントを用いることなく、機械又はロボットを用いて作製することができる。

さらに、アクティブ回路の検知部及び補償部は、ＬＣフィルターのインダクターのコイルに追加される巻線から構成される。言い換えると、各変圧器は、対応するパッシブＬＣフィルターに関連し、さらには、コモンモード電流を検知するか、又は第２の電気的接続内のコモンモード電流を補償する機能ももたらす混成機能又は複合機能を有する。しかしながら、変圧器はそれぞれ、１つの単一コンポーネントとしてコモンモードフィルターデバイス内に実装され、別個のコンポーネントに比べて全体として小型化される。

この発明の幾つかの実施態様において、コモンモードフィルターデバイスは、少なくとも１つの減衰回路を更に備えることができ、この減衰回路は、直列に接続される減衰抵抗器及び減衰キャパシターを備える。また、第２の変圧器は、減衰抵抗器及び減衰キャパシターと閉ループにおいて接続される別の巻線を更に備えることができる。その際、減衰抵抗器及び減衰キャパシターは、コモンモードフィルターデバイスに対する挿入損失関数へのＬＣフィルターのうちの少なくとも１つの共振効果が低減又は抑圧されるように選択することができる。したがって、コモンモードフィルターデバイスの効率は、全周波数範囲にわたって、より向上する。

この発明の好ましい実施態様において、電流制御回路は、補償器と、電流バッファーとを備えることができる。補償器は、検出電圧の関数として変化する中間信号を電流バッファーに供給するように構成される。電流バッファーは、中間信号の関数として制御電流を出力する電流発生器としての役割を果たすように構成される。したがって、電流制御回路は、第２の変圧器とともに、補償電流を生成する電流源として動作する。この動作は、電気機器全体の安定性に及ぼす装置の出力インピーダンスの影響を更に低減する。したがって、１つの同じコモンモードフィルターデバイスを、更に多くの数の異なる装置とともに使用することができる。コンポーネントに対して一定の値を用いる大量生産が、コモンモードフィルターデバイスの単価を下げることに寄与する。

そのような実施態様のうちの最も好ましい実施態様において、電流制御回路は、任意選択で、
−直流信号抑圧モジュールであって、直流信号抑圧モジュールは、補償器と電流バッファーとの間の節点に接続される入力と、さらに、補償器の入力に接続される出力とを有し、中間信号の直流成分を低減又は消去するように構成される、直流信号抑圧モジュールと、
−制御電流の直流成分を低減又は消去するように構成される直流電流補償モジュールと、
−中間信号が制御電圧であるときの保護モジュールであって、この保護モジュールは、補償器と電流バッファーとの間の節点に接続され、第２の変圧器の一次巻線の出口端子にも接続され、この出口端子は、第２の変圧器の一次巻線のための電流バッファーの反対側に配置される、保護モジュールとを備えることができる。
一般的に、この発明において、第２の電気的接続ごとのＡＣネットワークに最も近いＬＣフィルターのコモンモードインダクターが、第１の変圧器のそれぞれの一次巻線を形成することができる。そのようなフィルター設計によれば、第１の変圧器は、ＡＣネットワークの相端子の数と同じ数の一次巻線と、１つの付加的な巻線を形成する二次巻線とを備える。

代替のフィルター設計によれば、検出電圧を生成する第１の変圧器の二次巻線は、ロゴスキータイプセンサー(Rogowski-type sensor)とすることができる。そのようなロゴスキータイプセンサーは、その際、ＡＣネットワークに最も近いＬＣフィルターのコモンモードインダクター内に存在するコモンモード電流を検出するために第２の電気的接続に配置される。

この発明の第２の態様は、電気装置と、この発明の第１の態様によるコモンモードフィルターデバイスとを備える電気機器を提案する。コモンモードフィルターデバイスは、その際、機器がＡＣネットワークに接続されるときに、ＡＣネットワークから装置に電力を伝達するように構成される。機器内で、装置の共通端子はコモンモードフィルターデバイスの第１の電気的接続に接続され、装置の電源端子はコモンモードフィルターデバイスの第２の電気的接続にそれぞれ接続される。そのような接続によれば、コモンモードフィルターデバイスは、装置によって生成され、第１の電気的接続及び第２の電気的接続に伝達されるコモンモード電流を補償するのに有効であり、その結果、ＡＣネットワークは補償済みのコモンモード電流を受信する。

電気機器の装置は、電気的回転機械を備えることができる。詳細には、電気的回転機械は、モータードライブユニットと結合されるモーターとすることができる。

代替的には、装置は、ＤＣ−ＡＣ発電機と結合される少なくとも１つの太陽電池パネルを含む太陽光発電システムを備えることができる。

この発明のこれらの特徴及び他の特徴が、ここで、添付の図面を参照しながら説明されることになり、図面は、この発明の好ましいが、非限定的な実施の形態に関連する。

この発明によるコモンモードフィルターデバイスを含む電気機器の図である。図１のコモンモードフィルターデバイスの損失関数への共振効果を回避するためのこの発明の改善を示す図である。コモンモードフィルターデバイスの検知部に関連するこの発明の代替の実施の形態を示す図である。この発明の好ましい実施の形態において使用することができる電流制御回路の図である。図４の電流制御回路が使用されるときの図１の電気機器の機能ブロック図である。

図１に示される参照符号は以下の意味を有する。
１電気装置に電力を供給するためのＡＣネットワーク
１０ＡＣネットワークの接地端子
１１、１２、１３三相ＡＣネットワークの場合のＡＣネットワークの相端子
２コモンモードフィルターデバイス
３電気装置、例えば、電気的回転機械又は太陽光発電システム
３０電気装置の共通端子
３１、３２、３３電気装置の電源端子
１００互いに接続されるコモンモードフィルターデバイス２及び電気装置３によって形成される電気機器
４０コモンモードフィルターデバイス２の第１の電気的接続
４１、４２、４３コモンモードフィルターデバイス２の第２の電気的接続
２１、２２第２の電気的接続４１〜４３ごとの２つのＬＣフィルター
２３第１の変圧器
２４電流制御回路
２５第２の変圧器
２１１、２２１ＬＣフィルター２１及び２２それぞれのキャパシター
２１２、２２２ＬＣフィルター２１及び２２それぞれのインダクター
２３１第１の変圧器２３の二次巻線
２３２、２５２第１の変圧器２３及び第２の変圧器２５の磁心
２５１第２の変圧器２５の一次巻線
Ｄ説明において使用される上流及び下流のような言葉を定義するための、ＡＣネットワーク１から電気装置３に向けられる回路方向

図において、異なる図に示される同じ参照符号は、要素のうちの、同じ機能を有する同じ要素を表す。

コモンモードフィルターデバイス２は、装置３とは別に購入される独立したデバイスとして提供することができる。代替的には、コモンモードフィルターデバイスは、電気装置３とともに電気機器１００を形成するために、この装置と組み合わせることができる。コモンモードフィルターデバイス２の寸法が小さいことにより、このデバイスを装置３のハウジング内に、特にこの装置の電力変換器と組み合わせて追加するのが容易になる。

第１の電気的接続４０は、ＡＣネットワーク１の接地端子１０を電気装置３の共通端子３０に電気的に接続する。

表されるＡＣネットワーク１は、一例として三相であるが、この発明は、第２の電気的接続４３を削除することによって、二相ＡＣネットワークの場合にも実現することができる。

第２の電気的接続４１は、ＡＣネットワーク１の相端子１１を電気装置３の電源端子３１に電気的に接続する。同様に、第２の電気的接続４２は、ＡＣネットワーク１の相端子１２を電気装置３の電源端子３２に電気的に接続する。二相ＡＣネットワークの場合、これが全てであるが、ＡＣネットワーク１が三相であるとき、更なる第２の電気的接続４３が、ＡＣネットワーク１の相端子１３を電気装置３の電源端子３３に電気的に接続する。電気的接続４０〜４３は、装置３の動作のために必要である電力を、ＡＣネットワーク１から装置端子３０〜３３に送信する。

インダクター２１２のうちの１つが第２の電気的接続４１内に配置され、１つのキャパシター２１１が、インダクター２１２の下流において、接続４０と４１との間に接続される。キャパシター２１１及びインダクター２１２は１つのＬＣフィルター２１を形成する。他の第２の電気的接続４２及び４３もそれぞれ、１つの別個のキャパシター２１１及び１つの別個のインダクター２１２に基づくそれぞれのＬＣフィルター２１を同様に備える。全てのキャパシター２１１は同じであり、全てのインダクター２１２は同じである。キャパシター２１１及びインダクター２１２は、各ＬＣフィルター２１が、数百ｋＨｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルターであるように選択することができる。その際、ＬＣフィルター２１は、高周波フィルターと呼ばれる場合があり、そのコンポーネント値は、本説明において後にｈｆを付される。

同様に、インダクター２２２のうちの１つが第２の電気的接続４１内に配置され、１つのキャパシター２２１が、インダクター２２２の下流において接続４０と４１との間に接続される。キャパシター２２１及びインダクター２２２は１つのＬＣフィルター２２を形成する。他の第２の電気的接続４２及び４３もそれぞれ、１つの別個のキャパシター２２１及び１つの別個のインダクター２２２に基づくそれぞれのＬＣフィルター２２を同様に備える。全てのキャパシター２２１は同じであり、全てのインダクター２２２は同じである。キャパシター２２１及びインダクター２２２は、各ＬＣフィルター２２が、数十ｋＨｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルターであるように選択することができる。その際、ＬＣフィルター２２は、中間周波フィルターと呼ばれる場合があり、そのコンポーネント値は、本説明において後にｍｆを付される。

方向Ｄに関して、ＬＣフィルター２１及び２２は接続４１〜４３ごとに直列に配置され、ＬＣフィルター２１はＬＣフィルター２２から上流にある。

しかし、ＬＣフィルター２１、２２はそれぞれ、よく知られている態様において共振を引き起こす場合があり、共振がカットオフ周波数におけるフィルタリング効率を下げる。言い換えると、フィルターデバイス２を使用しない場合の予想コモンモード電流値と、フィルターデバイス２を使用するときの被測定コモンモード電流値との比として定義される損失関数を考えるとき、フィルター共振は、カットオフ周波数を含むスペクトル範囲において損失関数値を下げる。そのような影響を回避するために、変圧器２５は、図２において表されるような付加的な巻線２５３を備えることができる。その際、全て閉ループにおいて直列に接続される、少なくとも１つの減衰抵抗器２６１と、少なくとも１つの減衰キャパシター２６２と、付加的な巻線２５３とを含む減衰回路２６を設けることができる。その際、減衰回路２６のこれらのコンポーネントのための値は、損失関数への共振効果を低減するために、電気技術分野の当業者によって容易に選択することができる。場合によって、ＬＣフィルター２１又はＬＣフィルター２２の共振効果を低減又は抑圧するために、単一のこの種の減衰回路が設けられる場合があるか、又はＬＣフィルター２１及びＬＣフィルター２２にそれぞれ専用の２つの減衰回路が並列に設けられる場合がある。

代替的には、ＬＣフィルター２２の共振効果を低減又は抑圧するために、３つの接続４１〜４３に対して、各キャパシター２２１と並列にＲＣ分岐を追加することもできる。ＬＣフィルター２１の共振効果を低減又は抑圧するために、類似のＲＣ分岐をキャパシター２１１と並列に追加することもできる。

図１に対応するこの発明のための第１の具現形態によれば、変圧器２３の３つの一次巻線を形成するように、この変圧器内で３つのインダクター２１２が更に組み合わされる。その際、変圧器２３は二次巻線２３１も備え、変圧器２３の全ての巻線は、二次巻線２３１が電流センサーとして動作するように配置され、二次巻線２３１は、抵抗器(図４において２４０で示され、以下において負荷抵抗と呼ばれる)に両端に、検出電圧Ｖ_ｉを生成し、この検出電圧は、方向Ｄに対して同じ向きを有する、３つのインダクター２１２内に別々に流れる電流の和に比例する。変圧器２３の全ての巻線を、共通の磁心２３２の周囲に配置することができる。磁心２３２は、詳細には、フェライトコアとすることができる。したがって、インダクター２１２の値は高くなる可能性があり、その結果、そのような設計は、小電流又は中程度の電流を実現する装置の場合に、より適合する。しかし、そのような制限された電流は、磁心２３２によって引き起こされる場合がある飽和効果を回避する。また、高いインダクター値は、ＬＣフィルター２１の場合に数百ｋＨｚの範囲内のカットオフ周波数を得るのにも適している。そのような設計によれば、変圧器２３は、３つのコモンモードインダクター２１２と、二次巻線２３１と、磁心２３２とを単一ユニットコンポーネント内に含むディスクリートコンポーネントである。変圧器２３は、それほど基板面積を占有することなく、ＬＣフィルター２１のために使用されるＰＣＢ基板上に実装することができる。

第１の具現形態の代替形態であり、図３に対応するこの発明の第２の具現形態によれば、二次巻線２３１は、図示されるように、ロゴスキーコイルとすることができる。そのようなコイルは、３つの接続４１〜４３が同じ電流の向きで、互いに接近して並列に延在する領域付近に配置される。ロゴスキーコイルは、いかなる磁心も実装しないので、非常に広い周波数範囲にわたって、飽和効果を伴わない。しかし、そのような二次巻線の相互誘導値は、その巻数によるが、一般的に極めて低い。したがって、そのような代替の設計は、大きな電流を伴う装置の場合に、より適合する。さらに、ロゴスキーコイルは、十分な基板表面が利用可能である場合には、ＰＣＢ基板内に容易に組み込むことができる。

一般的に、この発明において、変圧器２５の３つの二次巻線を形成するように、この変圧器内で３つのインダクター２２２が組み合わされる。その際、変圧器２５は、１つの一次巻線２５１(図１又は図３)も備え、変圧器２５の全ての巻線は、一次巻線２５１内に流れる制御電流Ｉ_ｃｏｍｐが、３つのインダクター２２２内に、等しく、Ｉ_ｃｏｍｐに比例し、方向Ｄに対して同じ向きを有する電流を生成するように構成される。

電気装置３によって電源端子３１〜３３から生成されるコモンモード電流Ｉ_ｃｍが、図１に示される。その際、電流制御回路２４は、インダクター２２２のそれぞれにおいて変圧器２５によって生成される電流が、対応する第２の電気的接続４１〜４３内のコモンモード電流Ｉ_ｃｍを少なくとも部分的に補償するように、検出電圧Ｖ_ｉに基づいて制御電流Ｉ_ｃｏｍｐを生成するように構成される。それゆえ、変圧器２５は電流注入器として動作し、変圧器２５によってインダクター２２２において生成される電流は、本説明の全般的な部分において補償電流と呼ばれてきた。

変圧器２３及び２５におけるその構成のために、インダクター２１２及び２２２は、コモンモードインダクターと呼ばれてきた。

電流制御回路２４の好ましい実施の形態が、ここで、図４を参照しながら説明される。電流制御回路２４の基本コンポーネントは、補償器２４１及び電流バッファー２４２である。

補償器２４１は、この補償器によって出力される中間信号が、コモンモードインダクター２１２内に流れるコモンモード電流に比例するような積分器機能を有する。例えば、第１の変圧器２３の二次巻線２３１は、負荷抵抗器２４０と閉ループにおいて接続することができ、補償器２４１の両方の入力が、負荷抵抗器２４０の両方の端子に接続される。補償器２４１は、比例積分及び／又は比例積分微分補償器ステージのうちの少なくとも１つを備えることができる。例えば、補償器２４１は、中間信号としてＶ_ｏで表される制御電圧を出力する。この制御電圧Ｖ_ｏは、その際、電流バッファー２４２に送信される。

電流バッファー２４２は、制御電圧Ｖ_ｏの関数として制御電流Ｉ_ｃｏｍｐを出力する電流発生器としての役割を果たす。したがって、ｍｆカットオフ周波数より高い各周波数の場合に、巻線２２２によって生成される補償電流は、検出電圧Ｖ_ｉに実質的に比例することができる。当業者によって設計することができる実施の形態において、電流バッファー２４２は、少なくとも１つのプッシュプルトランジスタアセンブリと、場合によって、１つ又は複数の駆動ステージとを備えることができる。参照符号２４５は、電流バッファー２４２の正常動作のために配置される負荷抵抗を表す。

しかし、場合によっては、そのような電流制御回路において、補償器２４１によって、及び／又は電流バッファー２４２によって生成される望ましくないオフセット信号成分から、障害が生じるおそれがある。

このため、電流制御回路２４は、直流信号抑圧モジュール２４３を更に備えることができる。この直流信号抑圧モジュール２４３は、制御電圧Ｖ_ｏ内に存在する可能性がある直流成分を低減又は消去する専用のモジュールである。このモジュールは、補償器２４１と電流バッファー２４２との間に位置する節点Ｎに接続される入力を有し、負帰還をかけるために補償器入力のうちの１つに接続される出力を有する。直流信号抑圧モジュール２４３のために、制御電圧Ｖ_ｏの直流成分を低減又は抑圧するのに効率的である任意のよく知られているＤＣ補償器構造を使用することができる。

直流信号抑圧モジュール２４３を実装するのとは別に、又はそれと組み合わせて、電流制御回路２４は、直流電流補償モジュール２４４を更に備えることができる。そのような直流電流補償モジュール２４４は、電流バッファー２４２によって出力される制御電流Ｉ_ｃｏｍｐの直流成分を低減又は抑圧する専用のモジュールである。このモジュールは、第２の変圧器２５の一次巻線２５１の出口端子に接続されるローパスフィルター２４４１を備えることができ、その結果、ローパスフィルター２４４１は、制御電流Ｉ_ｃｏｍｐ内に存在する低周波数成分を検知する。その際、直流電流補償モジュール２４４は、補償器２４１と電流バッファー２４２との間に接続される減算効果装置２４４２も備える。ローパスフィルター２４４１の出力端子は、制御電圧Ｖ_ｏから、制御電流内に存在する低周波数成分を表す信号を減算するように、減算効果装置に接続される。また、ローパスフィルター２４４１は、自ら比例積分補償器を備えることができる。

任意選択で、電流制御回路２４は、電流バッファー２４２が過度に大きな制御電流Ｉ_ｃｏｍｐを生成するのを回避する専用のモジュールである保護モジュール２４６を更に備えることができる。保護モジュール２４６は、補償器２４１と電流バッファー２４２との間の節点Ｎに接続され、第２の変圧器２５の一次巻線２５１の出口端子にも接続される。一次巻線２５１の出口端子への保護モジュール２４６の接続は、負荷抵抗器２４５を含むことができ、補償器２４１と電流バッファー２４２との間の保護モジュール２４６の接続は、減算効果装置２４４２が使用される場合には、この装置のいずれかの側に存在することができる。例えば、保護モジュール２４６は、並列に接続され、かつ反対の導通方向を有する２つのダイオードを備えることができ、このダイオードアセンブリは、図４において表されるように、抵抗器と直列に結合される。保護モジュール２４６のそのような構造は安価であるが、代替的には、他の構造、特に抵抗器を使用しない他の構造を使用することもできる。

以下の展開は、簡潔にするためにのみ二相ＡＣネットワークの枠組みにおいて、図１及び図４に従って実現されるような、コモンモードフィルターデバイスの効率を証明する。三相ＡＣネットワークであること以外は類似している展開を、そこから容易に推測することができる。

Ｖ_ｃｏｍｐが第２の変圧器２５の一次巻線２５１にかかる電圧を表す場合には、

Ｖ_ｃｏｍｐ＝Ｌ_ｐ・ｐ・Ｉ_ｃｏｍｐ＋Ｍ・ｐ・(Ｉ_ｉｎｔ１＋Ｉ_ｉｎｔ２)

である。ただし、Ｌ_ｐは一次巻線２５１のインダクタンス値であり、Ｍは一次巻線２５１と各コモンモードインダクター２２２との間の相互インダクタンスであり、ｐは周波数に関連付けられるラプラスパラメーターであり、Ｉ_ｉｎｔ１、Ｉ_ｉｎｔ２は、図１において示されるようなコモンモードインダクター２２２内の電流である。また、各コモンモードインダクター２２２にかかる電圧は、接続４１の場合に、

Ｖ_ｔ１＝Ｍ・ｐ・Ｉ_ｃｏｍｐ＋Ｌ_ｓ・ｐ・Ｉ_ｉｎｔ１＋ｍ・ｐ・Ｉ_ｉｎｔ２

であり、また、接続４２の場合に、

Ｖ_ｔ２＝Ｍ・ｐ・Ｉ_ｃｏｍｐ＋Ｌ_ｓ・ｐ・Ｉ_ｉｎｔ２＋ｍ・ｐ・Ｉ_ｉｎｔ１

である。ただし、Ｌ_ｓは、各インダクター２２２のインダクタンス値であり、ｍは２つのインダクター２２２間の相互インダクタンス値である。その際、係数ｋは以下の式を満たす。

Ｍ＝ｋ・(Ｌ_ｐ・Ｌ_ｓ)^１／２及びｍ＝ｋ・Ｌ_ｓ．

対称性の理由から、Ｉ_ｉｎｔ１＝Ｉ_ｉｎｔ２がＩ_ｉｎｔで表され、その結果、

Ｖ_ｃｏｍｐ＝Ｌ_ｐ・ｐ・Ｉ_ｃｏｍｐ＋２・Ｍ・ｐ・Ｉ_ｉｎｔ
Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｔ１＝Ｖ_ｔ２＝Ｍ・ｐ・Ｉ_ｃｏｍｐ＋(Ｌ_ｓ＋ｍ)・ｐ・Ｉ_ｉｎｔ

である。その際、装置３の電源端子３１〜３３のそれぞれから生じるコモンモード電流Ｉ_ｃｍは、

Ｉ_ｃｍ＝Ｉ_ｉｎｔ＋Ｃ_ｍｆ・ｐ・Ｖ_ＣｍｆでありＶ_Ｃｍｆ＝Ｖ_Ｃｈｆ＋Ｖ_ｔ

である。ただし、Ｃ_ｍｆは、各キャパシター２２１のキャパシター値であり、Ｖ_Ｃｍｆは、各キャパシター２２１にかかる電圧であり、Ｖ_Ｃｈｆは、各キャパシター２１１にかかる電圧である。これにより、

Ｉ_ｍｃ＝Ｉ_ｉｎｔ＋Ｃ_ｍｆ・ｐ・（Ｖ_Ｃｈｆ＋Ｖ_ｔ）

が導かれ、残りの電流式は、

Ｉ_ｉｎｔ＝Ｉ_ＬＩＳＮ＋Ｃ_ｈｆ・ｐ・Ｖ_Ｃｈｆ
Ｖ_Ｃｈｆ＝(Ｒ_ＬＩＳＮ＋Ｌ_ｈｆ・ｐ)・Ｉ_ＬＩＳＮ

であり、それらの式を組み合わせると、

Ｉ_ｉｎｔ＝Ｉ_ＬＩＳＮ・(１＋Ｒ_ＬＩＳＮ・Ｃ_ｈｆ・ｐ＋Ｃ_ｈｆ・Ｌ_ｈｆ・ｐ^２）

になる。ただし、Ｃ_ｈｆは各キャパシター２１１のキャパシター値であり、Ｉ_ＬＩＳＮは第２の電気的接続４１〜４３のそれぞれによって相端子１１〜１３にそれぞれ送信される電流の値であり、Ｒ_ＬＩＳＮは、相端子１１〜１３のそれぞれと接地端子１０との間のＡＣネットワーク１のために許容される入力抵抗値である。ＬＩＳＮは線路インピーダンス安定化ネットワークを表し、それは、電磁干渉及び適合試験を行うためにＥＭＩ標準規格によって規定される介在デバイスである。

全ての先行する式を解くことにより、コモンモード電流に関する以下の公式が導かれる。

Ｉ_ｃｍ＝Ｉ_ＬＩＳＮ・Ｆ_ｔ＋Ｍ・Ｃ_ｍｆ・ｐ^２・Ｉ_ｃｏｍｐ

ただし、

Ｆ_ｔ＝(１＋Ｒ_ＬＩＳＮ・Ｃ_ｈｆ・ｐ＋Ｃ_ｈｆ・Ｌ_ｈｆ・ｐ^２)[１＋(Ｌ_ｓ＋ｍ)・Ｃ_ｍｆ・ｐ^２]
＋Ｃ_ｍｆ・ｐ・(Ｒ_ＬＩＳＮ＋Ｌ_ｈｆ・ｐ)

である。Ｉ_ｃｍに関するこの公式から、

Ｉ_ＬＩＳＮ＝(Ｉ_ｍｃ−Ｍ・Ｃ_ｍｆ・ｐ^２・Ｉ_ｃｏｍｐ)／Ｆ_ｔ

が得られる。それゆえ、コモンモード電流の厳密な補償のための条件、すなわち、Ｉ_ＬＩＳＮ＝０の場合の条件は、

Ｉ_ｃｏｍｐ＝Ｉ_ｃｍ／(Ｍ・Ｃ_ｍｆ・ｐ^２)

である。これは、電流制御回路２４によってもたらされる動作特性である。これは、図５の機能ブロック図に対応し、ただし、記号Ｋはそれぞれの時点における乗算器タイプ演算子を示し、記号Σは加算器タイプの演算子を示す。この図は、コモンモード電流の補償が実際には、コモンモード電流とは反対方向に第２の電気的接続４１〜４３内に電流を注入することから生じることを示す。第２の電気的接続４１〜４３それぞれによってＡＣネットワーク１に送信される、結果として生じる電流は、それゆえ、コモンモード補償に対応して、全ての接続４１〜４３の場合に同程度だけ低減される。

この発明は、第２の態様を変更又は改変しながら、それでも、列挙された利点のうちの少なくとも幾つかを保ちながら、再現することができる。詳細には、中間信号は、制御電圧Ｖ_ｏの代わりに、電流とすることができる。そのような変更に関連する電流制御回路２４の必要な改変は、当業者の理解の範囲内にある。

この発明のコモンモードフィルターデバイス及び電気機器は、数多くの種類の分野におけるシステムに利用可能である。

Claims

電気のＡＣネットワークと電気装置との間に接続されるように構成されるコモンモードフィルターデバイスであって、
前記コモンモードフィルターデバイスは、
前記ＡＣネットワークの接地端子を前記電気装置の共通端子に接続するための専用の第１の電気的接続と、
それぞれ前記ＡＣネットワークのそれぞれの相端子を前記電気装置のそれぞれの電源端子に接続するための少なくとも２つの第２の電気的接続と、
第２の電気的接続ごとに別々に、直列に配置される２つのＬＣフィルターであって、各ＬＣフィルターは、前記第２の電気的接続と前記第１の電気的接続との間に接続される別個のキャパシターを備え、また、各ＬＣフィルターは、前記ＡＣネットワークから前記電気装置への方向に対して、同じＬＣフィルターのキャパシターの上流において前記第２の電気的接続内に配置される別個のコモンモードインダクターも備える、前記２つのＬＣフィルターと、
を備え、
前記コモンモードフィルターデバイスは、２つの変圧器と、電流制御回路とを更に備え、
前記変圧器のうちの第１の変圧器の二次巻線が、前記第２の電気的接続内に存在するコモンモード電流を表す検出電圧を生成するように構成され、
前記電流制御回路は、前記検出電圧を検知し、前記変圧器のうちの第２の変圧器の一次巻線内に制御電流を生成するように構成され、
第２の電気的接続ごとの前記電気装置に最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクターは、各第２の電気的接続の前記電気装置に最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクター内に補償電流を生成するように、前記第２の変圧器のそれぞれの二次巻線であり、
前記電流制御回路及び両方の変圧器は、前記補償電流が、前記電気装置によって前記電源端子から前記第２の電気的接続の中に送信される前記コモンモード電流を少なくとも部分的に補償するように構成され、
前記電流制御回路は補償器及び電流バッファーを備え、前記補償器は、前記電流バッファーに中間信号を供給するように構成され、前記中間信号は前記検出電圧の関数として変化し、前記電流バッファーは、前記中間信号の関数として前記制御電流を出力する電流発生器としての役割を果たすように構成され、
前記電流制御回路は、直流信号抑圧モジュールを更に備え、前記直流信号抑圧モジュールは、前記補償器と前記電流バッファーとの間の節点に接続される入力と、前記補償器の入力に接続される出力とを有し、前記中間信号の直流成分を低減又は消去するように構成される、コモンモードフィルターデバイス。
前記電流制御回路は、前記制御電流の直流成分を低減又は消去するように構成される直流電流補償モジュールを更に備える、請求項１に記載のコモンモードフィルターデバイス。
前記直流電流補償モジュールは、前記第２の変圧器の前記一次巻線の出口端子において接続されるローパスフィルターを備え、その結果、前記ローパスフィルターは、前記制御電流内に存在する低周波数成分を検知し、また、前記直流電流補償モジュールは、前記補償器と前記電流バッファーとの間に接続される減算効果装置も備え、前記ローパスフィルターの出力端子が、前記中間信号から前記制御電流内に存在する前記低周波数成分を表す信号を減算するように前記減算効果装置に接続される、請求項２に記載のコモンモードフィルターデバイス。
前記中間信号は制御電圧であり、前記電流制御回路は保護モジュールを更に備え、前記保護モジュールは、前記補償器と前記電流バッファーとの間の節点に接続され、前記電流バッファーの反対側に配置される、前記第２の変圧器の前記一次巻線の出口端子に接続される、請求項１から３までのいずれか１項に記載のコモンモードフィルターデバイス。
電気のＡＣネットワークと電気装置との間に接続されるように構成されるコモンモードフィルターデバイスであって、
前記コモンモードフィルターデバイスは、
前記ＡＣネットワークの接地端子を前記電気装置の共通端子に接続するための専用の第１の電気的接続と、
それぞれ前記ＡＣネットワークのそれぞれの相端子を前記電気装置のそれぞれの電源端子に接続するための少なくとも２つの第２の電気的接続と、
第２の電気的接続ごとに別々に、直列に配置される２つのＬＣフィルターであって、各ＬＣフィルターは、前記第２の電気的接続と前記第１の電気的接続との間に接続される別個のキャパシターを備え、また、各ＬＣフィルターは、前記ＡＣネットワークから前記電気装置への方向に対して、同じＬＣフィルターのキャパシターの上流において前記第２の電気的接続内に配置される別個のコモンモードインダクターも備える、前記２つのＬＣフィルターと、
を備え、
前記コモンモードフィルターデバイスは、２つの変圧器と、電流制御回路とを更に備え、
前記変圧器のうちの第１の変圧器の二次巻線が、前記第２の電気的接続内に存在するコモンモード電流を表す検出電圧を生成するように構成され、
前記電流制御回路は、前記検出電圧を検知し、前記変圧器のうちの第２の変圧器の一次巻線内に制御電流を生成するように構成され、
第２の電気的接続ごとの前記電気装置に最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクターは、各第２の電気的接続の前記電気装置に最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクター内に補償電流を生成するように、前記第２の変圧器のそれぞれの二次巻線であり、
前記電流制御回路及び両方の変圧器は、前記補償電流が、前記電気装置によって前記電源端子から前記第２の電気的接続の中に送信される前記コモンモード電流を少なくとも部分的に補償するように構成され、
前記電流制御回路は補償器及び電流バッファーを備え、前記補償器は、前記電流バッファーに中間信号を供給するように構成され、前記中間信号は前記検出電圧の関数として変化し、前記電流バッファーは、前記中間信号の関数として前記制御電流を出力する電流発生器としての役割を果たすように構成され、
前記電流制御回路は、前記制御電流の直流成分を低減又は消去するように構成される直流電流補償モジュールを更に備える、コモンモードフィルターデバイス。
前記直流電流補償モジュールは、前記第２の変圧器の前記一次巻線の出口端子において接続されるローパスフィルターを備え、その結果、前記ローパスフィルターは、前記制御電流内に存在する低周波数成分を検知し、また、前記直流電流補償モジュールは、前記補償器と前記電流バッファーとの間に接続される減算効果装置も備え、前記ローパスフィルターの出力端子が、前記中間信号から前記制御電流内に存在する前記低周波数成分を表す信号を減算するように前記減算効果装置に接続される、請求項５に記載のコモンモードフィルターデバイス。
前記中間信号は制御電圧であり、前記電流制御回路は保護モジュールを更に備え、前記保護モジュールは、前記補償器と前記電流バッファーとの間の節点に接続され、前記電流バッファーの反対側に配置される、前記第２の変圧器の前記一次巻線の出口端子に接続される、請求項５または６に記載のコモンモードフィルターデバイス。
電気のＡＣネットワークと電気装置との間に接続されるように構成されるコモンモードフィルターデバイスであって、
前記コモンモードフィルターデバイスは、
前記ＡＣネットワークの接地端子を前記電気装置の共通端子に接続するための専用の第１の電気的接続と、
それぞれ前記ＡＣネットワークのそれぞれの相端子を前記電気装置のそれぞれの電源端子に接続するための少なくとも２つの第２の電気的接続と、
第２の電気的接続ごとに別々に、直列に配置される２つのＬＣフィルターであって、各ＬＣフィルターは、前記第２の電気的接続と前記第１の電気的接続との間に接続される別個のキャパシターを備え、また、各ＬＣフィルターは、前記ＡＣネットワークから前記電気装置への方向に対して、同じＬＣフィルターのキャパシターの上流において前記第２の電気的接続内に配置される別個のコモンモードインダクターも備える、前記２つのＬＣフィルターと、
を備え、
前記コモンモードフィルターデバイスは、２つの変圧器と、電流制御回路とを更に備え、
前記変圧器のうちの第１の変圧器の二次巻線が、前記第２の電気的接続内に存在するコモンモード電流を表す検出電圧を生成するように構成され、
前記電流制御回路は、前記検出電圧を検知し、前記変圧器のうちの第２の変圧器の一次巻線内に制御電流を生成するように構成され、
第２の電気的接続ごとの前記電気装置に最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクターは、各第２の電気的接続の前記電気装置に最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクター内に補償電流を生成するように、前記第２の変圧器のそれぞれの二次巻線であり、
前記電流制御回路及び両方の変圧器は、前記補償電流が、前記電気装置によって前記電源端子から前記第２の電気的接続の中に送信される前記コモンモード電流を少なくとも部分的に補償するように構成され、
前記電流制御回路は補償器及び電流バッファーを備え、前記補償器は、前記電流バッファーに中間信号を供給するように構成され、前記中間信号は前記検出電圧の関数として変化し、前記電流バッファーは、前記中間信号の関数として前記制御電流を出力する電流発生器としての役割を果たすように構成され、
前記中間信号は制御電圧であり、前記電流制御回路は保護モジュールを更に備え、前記保護モジュールは、前記補償器と前記電流バッファーとの間の節点に接続され、前記電流バッファーの反対側に配置される、前記第２の変圧器の前記一次巻線の出口端子に接続される、コモンモードフィルターデバイス。
少なくとも１つの減衰回路を更に備え、前記減衰回路は、直列に接続される減衰抵抗器及び減衰キャパシターを備え、前記第２の変圧器は、前記減衰抵抗器及び前記減衰キャパシターと閉ループにおいて接続される別の巻線を更に備え、前記減衰抵抗器及び前記減衰キャパシターは、前記コモンモードフィルターデバイスに対する挿入損失関数への前記ＬＣフィルターのうちの少なくとも１つの共振効果が低減又は抑圧されるように選択される、請求項１から８までのいずれか一項に記載のコモンモードフィルターデバイス。
前記補償器は、少なくとも１つの比例積分又は比例積分微分補償器ステージを備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載のコモンモードフィルターデバイス。
第２の電気的接続ごとの前記ＡＣネットワークに最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクターは、前記第１の変圧器のそれぞれの一次巻線を形成する、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のコモンモードフィルターデバイス。
前記第１の変圧器の前記二次巻線は、前記ＡＣネットワークに最も近い前記ＬＣフィルターの前記コモンモードインダクター内に存在する前記コモンモード電流を検出するために前記第２の電気的接続に配置されるロゴスキータイプセンサーである、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のコモンモードフィルターデバイス。
前記コモンモードフィルターデバイスの全ての電気的コンポーネントが、基板実装コンポーネントである、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のコモンモードフィルターデバイス。
電気装置と、コモンモードフィルターデバイスとを備える電気機器であって、前記コモンモードフィルターデバイスは、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のものであり、前記電気機器がＡＣネットワークに接続されるときに、前記ＡＣネットワークから前記電気装置に電力を伝達するように構成され、前記電気装置の前記共通端子は前記コモンモードフィルターデバイスの前記第１の電気的接続に接続され、前記電気装置の電源端子はそれぞれ、前記コモンモードフィルターデバイスが、前記電気装置によって生成され、前記第１の電気的接続及び前記第２の電気的接続に伝達されるコモンモード電流を補償するのに有効であり、前記ＡＣネットワークが補償済みのコモンモード電流を受信するように、前記コモンモードフィルターデバイスの前記第２の電気的接続に接続される、電気機器。
前記電気装置は電気的回転機械を備える、請求項１４に記載の電気機器。
前記電気装置は太陽光発電システムを備え、前記太陽光発電システムは、ＤＣ−ＡＣ発電機と結合される少なくとも１つの太陽電池パネルを含む、請求項１４に記載の電気機器。