JP6620119B2

JP6620119B2 - 伝導イミュニティ試験波形生成装置および伝導イミュニティ試験波形生成方法

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Publication number: JP6620119B2
Application number: JP2017019668A
Authority: JP
Inventors: ファーハンマハムド; 文彦石山; 雄一郎奥川; 岡本　健; 健岡本; 高谷　和宏; 和宏高谷
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-02-06
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2037-02-06
Also published as: JP2018128275A

Description

本発明の実施形態は、伝導イミュニティ試験波形生成装置および伝導イミュニティ試験波形生成方法に関する。

配線などを伝導して侵入する妨害波（伝導妨害波）によって、電気電子装置に誤作動が生じないことを確認するために、電気電子装置の妨害波に対する耐力（イミュニティ）試験（伝導イミュニティ試験）が行われている。伝導イミュニティ試験の方法は、国際電気標準会議（International Electrotechnical Commission: IEC）により規格化・規定されている。

電気電子装置は、一般的に商用電源により給電され、この商用電源が、電気電子装置の動作に必要な電圧や電流に変換されることで動作する。現在、この変換の効率を高める手段として、商用電源と電気電子装置との間に、インバータ、コンバータ等の電力変換回路を搭載した電力装置が多用されている。この電力装置は、内部の電力変換回路内におけるパワー半導体のスイッチング動作時に、スイッチング周波数に起因する基本波と、この高調波として伝導妨害波を当該電力装置のAC（交流）出力ポートやDC（直流）出力ポートに発することが知られている。

近年、電力装置の大容量化がトレンドとなっており、20kVA以上の大電力を定格とする電力装置が増えてきている。この場合、電力装置は、高いレベルの電圧／電流を、数十kHzの周波数範囲でスイッチングする。このため、電力装置は、スイッチング周波数を基本波とし、さらにこの高調波を成分とする、レベルが高い伝導妨害波を当該電力装置のAC出力ポートやDC出力ポートに発する。

電力装置のAC出力ポートが、様々な電気電子装置のAC入力ポートに直接接続されることを想定し、IECは、電力装置が2kHz〜150kHzの周波数範囲において電気電子装置のAC入力ポートに対して発する伝導妨害波を模擬した試験波形を用いる伝導イミュニティ試験を規定している（非特許文献１）。

非特許文献１において規定される試験波形（印加する妨害波の時間波形）は、電力装置が2kHz〜150kHzの周波数範囲において発する伝導妨害波を模擬する、パルス変調した連続波（Continuous Wave :CW）である。
しかし、電力装置内部の制御回路において用いられるパルス周波数変調（Pulse Frequency Modulation: PFM）や、パルス幅変調（Pulse Width Modulation: PWM）等の制御方式の影響により、支配的な周波数（スイッチング周波数の基本波とその高調波）やレベルが、時間に応じて変動するため、実際の電力装置が2kHz〜150kHzの周波数範囲において電気電子装置のAC出力ポートやDC出力ポートに発する伝導妨害波は、必ずしもパルス変調された連続波であるとは限らない。

このため、非特許文献１において規定される試験波形（パルス変調したCW）は、電力装置が現在発する伝導妨害波と必ずしも一致しておらず、実環境において、伝導イミュニティ試験結果と異なる事象（装置の誤動作）が生じることが懸念される。

そのため、従来から、電圧や電流などの任意の時間波形に対して、I成分（同相成分、In Phase）とQ成分（直交位相成分、Quadrature Phase）を抽出し、任意の時間波形を発生させることが可能な任意波形発生装置がある（非特許文献２）。

IEC-61000-4-196 (2014), "Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-19: Testing and measurement techniques - Test for immunity to conducted, differential mode disturbances and signalling in the frequency range 2 kHz to 150 kHz at a.c. power ports" キーサイト・テクノロジー合同会社、ファンクションジェネレータ／任意波形発生器、インターネット＜http://www.keysight.com/ja/pc-1000000231%3Aepsg%3Apgr/function-arbitrary-waveform-generators?cc=JP&lc=jpn＞、[２０１７年１月２４日検索］

しかし、I/Q形式のデータは振幅情報、周波数情報、位相情報を含むベクトルデータであるため、短い周期で変動する成分と長い周期で変動する成分とが混在した時間波形の特徴を取得しようとすると、膨大な容量のメモリが必要となる。このため、広帯域な信号から、例えば、2kHz〜150kHzの成分の特徴のみを再現しようとすると、高精度なバンドパスフィルタを用意して再計測する、または大容量のデータに対するディジタル処理が必要となる。

本発明の目的は、伝導イミュニティ試験に用いる伝導妨害波を、特徴を損なわせることなく再現することができる伝導イミュニティ試験波形生成装置および伝導イミュニティ試験波形生成方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置の第１の態様は、給電により動作する装置に対する伝導妨害波の時間波形を入力する波形データ入出力部と、前記入力した時間波形に対する第１の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し高速フーリエ変換処理を行ない、前記高速フーリエ変換処理の結果から、複数の高いレベルおよびこのレベルに対応する周波数を求め、前記求めた周波数に基づいて、前記第１の有限インパルス応答処理の結果に対する第２の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し短時間フーリエ変換処理を行ない、この処理結果から単位フレーム時間あたりのピークレベルおよびこのピークレベルに対応する周波数を解析結果として出力する波形解析部と、前記解析結果に基づいて前記伝導妨害波を模擬する、伝導イミュニティ試験のための試験波形を生成する波形生成部とを有する装置を提供する。

上記構成の伝導イミュニティ試験波形生成装置の第２の態様は、第１の態様において、前記波形解析部は、前記求めた各周波数について、この周波数に係数を掛けて求める周波数範囲において、前記第１の有限インパルス応答処理の結果に対する前記第２の有限インパルス応答処理を行なう装置を提供する。

本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成方法の態様は、伝導イミュニティ試験波形生成装置に適用される方法であって、給電により動作する装置に対する伝導妨害波の時間波形を入力し、前記入力した時間波形に対する第１の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し高速フーリエ変換処理を行ない、前記高速フーリエ変換処理の結果から、複数の高いレベルおよびこのレベルに対応する周波数を求め、前記求めた周波数に基づいて、前記第１の有限インパルス応答処理の結果に対する第２の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し短時間フーリエ変換処理を行ない、この処理結果から単位フレーム時間あたりのピークレベルおよびこのピークレベルに対応する周波数を解析結果として出力し、前記解析結果に基づいて前記伝導妨害波を模擬する、伝導イミュニティ試験のための試験波形を生成する方法を提供する。

本発明によれば、伝導イミュニティ試験に用いる伝導妨害波を、特徴を損なわせることなく再現することが可能になる。

本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置の機能構成例を示すブロック図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置による処理手順の一例を示すフローチャート。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するx(T)の特性の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するx'(T)の特性の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するX'(f)の特性の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列のq=4の場合の、レベル及び周波数の配列Pへの格納の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列のq=4の場合の、FIR処理結果のx_p'(T)への格納の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列のq=4の場合の、FIR処理結果のx_p-1'(T)への格納の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列のq=4の場合の、FIR処理結果のx_p-2'(T)への格納の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列のq=4の場合の、FIR処理結果のx_p-3'(T)への格納の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するx_p-r'(T)の解析区間の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するSV_p-r(t)の特性の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するSF_p-r(t)の特性の一例を示す図。本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するM_p-r(t)の特性の一例を示す図。

以下、この発明に係わる実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置の構成例を示す図である。
図１に示すように、伝導イミュニティ試験波形生成装置１０は、波形データ入出力部１１、波形解析部１２、波形生成部１３、試験波形出力部１４を有する。

この伝導イミュニティ試験波形生成装置１０では、現在の電力装置が当該電力装置の図示しないAC出力ポートやDC出力ポートに発する、伝導妨害波をCSV（Comma-Separated Values）形式やテキスト形式で保存した二次元の波形データ（時間、振幅）として波形データ入出力部１１が入力する。この伝導妨害波は、電気電子装置に対する妨害波である。電気電子装置は、給電により動作する装置であれば特に限られない。

また、伝導イミュニティ試験波形生成装置１０では、波形データ入出力部１１が入力した時間波形をもとに、波形解析部１２により時間情報と振幅情報のみにより波形データを解析し、波形生成部１３が試験波形を生成し、この生成結果を試験波形出力部１４が出力する。

これにより、従来の任意波形発生器では不可能であった、上記の伝導妨害波をCSV形式やテキスト形式で保存した二次元の波形データから、所望の特性を損なわせることなく模擬する試験波形を生成することを可能とする。

次に、伝導イミュニティ試験波形生成装置１０による動作の詳細について説明する。
波形データ入出力部１１は、図示しない外部端子接続ポート（例として、USB（Universal Serial Bus）ポート）を有する。波形データ入出力部１１には、伝導妨害波電圧の時間波形（１列目が時間に対応し、２列目が電圧レベルに対応するN×2行列）（Nはデータ長）をデータファイル（例として、CSV形式）として格納する記憶媒体（例として、USBメモリ）を接続することができる。これにより、波形データ入出力部１１は、記憶媒体内部に格納されるデータファイルを自動的に読み込み、波形解析部１２へ送る。

波形解析部１２は、以下のＳ１〜Ｓ９の処理を実行する。図２は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置による処理手順の一例を示すフローチャートである。
波形解析部１２は、波形データ入出力部１１より送られた時間波形のデータx(T)に対して、サンプリング間隔τ、サンプリング周波数f_s、データ長Nを、時間波形の時間軸より求める（Ｓ１）。このとき、f_sはf_s＝1/τで求められる。
図３は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するx(T)の特性の一例を示す図である。

波形解析部１２は、x(T)に対して、2kHz〜150kHzをバンドパスとするFIR（有限インパルス応答）処理（第１の有限インパルス応答処理）を実施し、この処理の結果をx'(T)として内部メモリに新たに格納する（Ｓ２）。
図４は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するx'(T)の特性の一例を示す図である。

波形解析部１２は、FIR処理の結果であるx'(T)に対してFFT（高速フーリエ変換）処理を実施し、この処理の結果をX'(f)として内部メモリに新たに格納する（Ｓ３）。
図５は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するX'(f)の特性の一例を示す図である。

波形解析部１２は、FFT処理の結果であるX'(f)において、ピークレベルをX'(f_p)、このピークレベルにおける周波数をf_pとする。波形解析部１２は、FFT処理の結果であるX'(f)において0.1X'(f_p)以上の複数のレベル（ピークレベルの１０分の１）X'(f_p), X'(f_p-1),… X'(f_p-(q-1))と、これらのレベルに対応する周波数f_p, f_p-1, …f_p-(q-1)を、レベルの高い順に、新たに配列P（１列目が周波数を示し、２列目が電圧レベルを示すq×2行列）として内部メモリに格納する（Ｓ４）。
図６は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列についてq=4の場合の、レベル及び周波数の配列Pへの格納の一例示す図である。

波形解析部１２は、配列Pのqの値を判別する（Ｓ５）。Ｓ５の結果、q=1（Pの行数が１）の場合、波形解析部１２は、FIR処理の結果であるx'(T)のファイル名をx_p'(T)に変更する（Ｓ６）。
一方、Ｓ５の結果、q>1（Pの行数が1より大きい）の場合、波形解析部１２は、配列Pのうち、各行1列目の周波数データf_p-r（ただし、r=0, 1, …q-1）を抽出し、FIR処理の結果であるx'(T)に対して、

をバンドパスとするFIR処理（第２の有限インパルス応答処理）を実施し、この処理の結果をx_p-r'(T)として新たに内部メモリに格納する（Ｓ７）。

図７、図８、図９、図１０は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するq×2行列のq=4の場合のx_p-r'(T)（ここでは、x_p'(T)、x_p-1'(T)、x_p-2'(T)、x_p-3'(T)）への格納の一例を示す図である。
具体的には、図７は、（１／（√２））f_p〜（√２）f_pの周波数範囲内でバンドパス処理を行った場合のx_p'(T)への格納の一例を示す図である。図８は、（１／（√２））f_p-1〜（√２）f_p-1の周波数範囲内でバンドパス処理を行った場合のx_p-1'(T)への格納の一例を示す図である。図９は、（１／（√２））f_p-2〜（√２）f_p-2の周波数範囲内でバンドパス処理を行った場合のx_p-2'(T)への格納の一例を示す図である。図１０は、（１／（√２））f_p-3〜（√２）f_p-3の周波数範囲内でバンドパス処理を行った場合のx_p-3'(T)への格納の一例を示す図である。

Ｓ６またはＳ７の後、波形解析部１２は、x_p-r'(T)に対して（Ｓ６の後はr=0として）、単位フレーム時間tのデータ長M=0.2N,オーバーラップ数O=0.5Mとした場合の短時間フーリエ変換処理を実施し、単位フレーム時間t毎のFFT処理結果fをS_p-r(t,f)に格納する（Ｓ８）。
図１１は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するx_p-r'(T)の解析区間の一例を示す図である。また、以下に、短時間フーリエ変換処理を実施するための数式の一例を、以下の式（１）、式（２）として示す。

波形解析部１２は、FFT処理結果fを格納したS_p-r(t,f)の単位フレーム時間tあたりのピークレベルをSV_p-r(t)とし、このピークレベルに対応する周波数をSF_p-r(t)として、これらを内部メモリに新たに格納し、これらの格納した結果を波形生成部１３に送る（Ｓ９）。
図１２は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するSV_p-r(t)の特性の一例を示す図である。図１３は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するSF_p-r(t)の特性の一例を示す図である。

波形生成部１３は、波形解析部１２から送られたSV_p-r(t),SF_p-r(t)を以下の式（３）の右辺に代入してM_p-r(t)を得て、この得た結果M_p-r(t)を波形データ入出力部１１、試験波形出力部１４に送る。図１４は、本発明の実施形態における伝導イミュニティ試験波形生成装置が解析するM_p-r(t)の特性の一例を示す図である。

M_p-r(t)=SV_p-r(t)cos{2πSF_p-r(t)t} …式（３）
波形データ入出力部１１は、波形解析部１２が求めたSV_p-r(t),SF_p-r(t)、および、波形生成部１３が求めたM_p-r(t)を、出力可能なデータファイル（例として、CSV形式）に変換する。また、波形データ入出力部１１は、このデータファイルを波形データ入出力部１１のUSBポートに接続されるUSBメモリやHDD（ハードディスクドライブ）に出力する。

試験波形出力部１４は、一般的な信号発生器と同等の機能を有しており、出力ポート（例として、BNC（細心同軸ケーブル）ポート）から、M_p-r(t)を再現して出力する。

従来のI/Qデータを用いた、伝導妨害波電圧の解析の場合は、I成分における振幅情報、周波数情報、位相情報や、Q成分における振幅情報、周波数情報、位相情報が必要となる。

一方で、本発明の実施形態における処理Ｓ２〜Ｓ４、Ｓ７〜Ｓ９では、時間情報と振幅情報のみを用いて伝導妨害波電圧の解析を行なうため、従来のI/Qデータを用いた解析と比較して、処理時間が少なくとも1/3程度に短縮される。

これにより、実環境に沿った伝導イミュニティ試験を実施する際、従来のI/Q形式のデータを用いた処理に比べて、解析等の処理時間を短縮して試験波形を生成できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

また、実施形態に記載した手法は、計算機（コンピュータ）に実行させることができるプログラム（ソフトウエア手段）として、例えば磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＭＯ等）、半導体メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等）等の記録媒体に格納し、また通信媒体により伝送して頒布することもできる。なお、媒体側に格納されるプログラムには、計算機に実行させるソフトウエア手段（実行プログラムのみならずテーブルやデータ構造も含む）を計算機内に構成させる設定プログラムをも含む。本装置を実現する計算機は、記録媒体に記録されたプログラムを読み込み、また場合により設定プログラムによりソフトウエア手段を構築し、このソフトウエア手段によって動作が制御されることにより上述した処理を実行する。なお、本明細書でいう記録媒体は、頒布用に限らず、計算機内部あるいはネットワークを介して接続される機器に設けられた磁気ディスクや半導体メモリ等の記憶媒体を含むものである。

１０…伝導イミュニティ試験波形生成装置、１１…波形データ入出力部、１２…波形解析部、１３…波形生成部、１４…試験波形出力部。

Claims

給電により動作する装置に対する伝導妨害波の時間波形を入力する波形データ入出力部と、
前記入力した時間波形に対する第１の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し高速フーリエ変換処理を行ない、前記高速フーリエ変換処理の結果から、複数の高いレベルおよびこのレベルに対応する周波数を求め、前記求めた周波数に基づいて、前記第１の有限インパルス応答処理の結果に対する第２の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し短時間フーリエ変換処理を行ない、この処理結果から単位フレーム時間あたりのピークレベルおよびこのピークレベルに対応する周波数を解析結果として出力する波形解析部と、
前記解析結果に基づいて前記伝導妨害波を模擬する、伝導イミュニティ試験のための試験波形を生成する波形生成部とを備える伝導イミュニティ試験波形生成装置。
前記波形解析部は、
前記求めた各周波数について、この周波数に係数を掛けて求める周波数範囲において、前記第１の有限インパルス応答処理の結果に対する前記第２の有限インパルス応答処理を行なう請求項１に記載の伝導イミュニティ試験波形生成装置。
伝導イミュニティ試験波形生成装置に適用される方法であって、
給電により動作する装置に対する伝導妨害波の時間波形を入力し、
前記入力した時間波形に対する第１の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し高速フーリエ変換処理を行ない、前記高速フーリエ変換処理の結果から、複数の高いレベルおよびこのレベルに対応する周波数を求め、前記求めた周波数に基づいて、前記第１の有限インパルス応答処理の結果に対する第２の有限インパルス応答処理を行ない、この処理結果に対し短時間フーリエ変換処理を行ない、この処理結果から単位フレーム時間あたりのピークレベルおよびこのピークレベルに対応する周波数を解析結果として出力し、
前記解析結果に基づいて前記伝導妨害波を模擬する、伝導イミュニティ試験のための試験波形を生成する伝導イミュニティ試験波形生成方法。