JP6680534B2 - 電磁干渉をフィルタリングするためのデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、頭文字をとってＥＭＩとして知られる電磁干渉のフィルタリングに関する。そのような電磁干渉は、例えば、約１ｋＨｚの周波数で発生し、そのような周波数は例えばソリッドステートコンバータのスイッチング周波数に対応する。そのようなＥＭＩ干渉は、コモンモード電流及び差動モード電流に結び付けられる。

本発明は、例えば、電気的ネットワークと電気エネルギー蓄積ユニットとの間の電気エネルギーの交換において発生する電磁干渉をフィルタリングするために適用し、電気エネルギー蓄積ユニットは特に、電気自動車またはハイブリッド自動車に搭載される。電気エネルギー蓄積ユニットは、例えば、車両を推進させるのに使用される電気モーターに電力を供給するために使用される。

そのような電磁干渉を受動フィルターを使用して低減する方法が知られている。そのような受動フィルターの例のいくつかが、図１から３に示されており、これらのフィルターは、ネットワークと電気エネルギー蓄積ユニットとの間で電気エネルギーを伝送するために使用される電気配線に配置される。

図１は、ここでは電圧源の形態で表された電気的ネットワーク１０１を、ここでは電流源の形態で表された電気エネルギー蓄積ユニット１０２に接続する配線の各電気伝導体のための従来のＬＣフィルタを実装する電磁干渉フィルタリングデバイス１００を表している。デバイス１００は、コイル１０３及びキャパシタ１０４を含む。このＬＣフィルタは、カットオフ周波数で顕著な共振を発生させるという欠点を有する。

この現象を修正するために、他の電磁干渉フィルタリングデバイスが知られている。

図２は、追加的なブランチ１１１がキャパシタ１０４に並列に接続されたそのようなデバイス１１０を表している。従来のＬＣフィルタの共振の減衰は、追加的なブランチのキャパシタの静電容量値とキャパシタ１０４の静電容量値との間の比の選択に依存する。

図３は、追加的なブランチ１２１が、配線の各電気伝導体に関して提供された、他のデバイス１２０を表しており、この追加的なブランチ１２１はこの伝導体のコイル１０３と並列に接続される。追加的なブランチ１２１のそれぞれは、この例では、追加的なコイル１２３及び抵抗１２４を含む。追加的なコイル１２３は互いに磁気的に結合され、コイル１０３と結合される。フィルター１２０は、カットオフ周波数をシフトさせることなく、デバイス１００に従うＬＣフィルターのカットオフ周波数における共振を減衰させるために使用される。

デバイス１１０及び１２０は、デバイス１００のＬＣフィルターのカットオフ周波数に見られる共振を減衰させるために、ある数の追加的な構成要素を追加する必要があり、これはコストがかかり、他の欠点を発生させる可能性がある。例えば、フィルター１２０の場合には、コイル１０３に並列に接続された追加的なブランチ１２１のそれぞれが浮遊容量を発生させてコイル１０３の共振の挙動に影響を与え、そのためデバイス１２０の動作を劣化させる可能性がある。

国際公開第２０１０／０５７８９３号明細書

前述の欠点の全てまたはいくつかを単純かつ安価に改善する電磁干渉フィルタリングデバイスからの効果が必要である。

本発明の目的は、この必要性に対応することであり、電磁干渉をフィルタリングするためのデバイスを用いて、その態様の１つに従ってこれを達成し、このデバイスは、
−並列に接続された複数の電気伝導体であって、各伝導体は、伝導体の第１の端部と第２の端部との間に配置された第１のコイルを含み、この第１のコイルは互いに磁気的に結合され、同一の第１の巻き数を有し、伝導体の第１の端部及び第２の端部はそれぞれ、デバイスのための第１の端子及び第２の端子を画定する、複数の電気伝導体と、
−複数のキャパシタであって、各キャパシタは、電気伝導体の第２の端部とデバイスの第３の端子との間に接続される、複数のキャパシタと、
−第１のコイルと磁気的に結合され、第２の巻き数を有する第２のコイルを含む追加的な回路であって、この回路がさらに追加的なコイルを含む、追加的な回路と、を含む。本発明によれば、追加的な回路は、図２及び３のデバイスの欠点を有することなく、図１のＬＣフィルタの共振問題を改善することが可能である。

本発明に従うデバイスは、コモンモード干渉を受動的にフィルタリングすることが可能となる。

追加的な回路は、いかなるオペアンプ、トランジスタまたはその他の制御可能な電子回路も有する必要がない。

追加的な回路は、抵抗、コイル及び／またはキャパシタのような受動素子のみを用いて形成されうる。

追加的な回路は、「ＬＲ」型の減衰を実装し、考えられる抵抗は、追加的なコイルの内部抵抗及び／または第２のコイルの内部抵抗であることができ、この場合追加的な回路はいかなる専用の抵抗形成素子も有さない。

変形例として、追加的な回路は、抵抗、例えば第２のコイル及び追加的なコイルと直列に接続された抵抗を含むことができる。

この「ＬＲ」型の減衰は、フィルター１２０ですでに知られている利点を提供する。

さらに、追加的な回路がデバイスの残りの部分に電気的に接続されていないが、第１のコイルと第２のコイルとの間の磁気的結合によってのみ接続されている場合には、高い周波数におけるこの結合の低減は、追加的な回路が、これらの周波数に関して、デバイスの残りの部分に対して比較的透過性であるようにすることができ、または追加的な回路が、これらの周波数に関してデバイスの残りの部分から切断されたかのように考えることさえ可能となる。そのため、追加的な回路が、デバイスの他の要素と相互作用したり、高い周波数で共振を発生させる可能性を防ぐことができる。さらに、追加的な回路は、図３のフィルター１２０のように複数の第２のコイル１２３ではなく、第１のコイルと磁気的に結合された単一の第２のコイルのみを実装することができる。さらに、追加的な回路は、図２のフィルター１１０と異なり、追加的なキャパシターを必要としなくなりうる。

伝導体の数は、２つ以上とすることができる。この数は、例えば電気エネルギーが単層信号の形態で伝送される場合には２つに等しく、このとき伝導体の１つは信号の位相を形成し、もう一方の伝導体はこの信号の中性線を形成する。

変形例として、２つより多い導体、例えば電気エネルギーの伝送が三相信号の形態でなされる場合には３つの導体を使用可能である。

第２の巻き数は、第１の巻き数と異なるものとすることができる。第１の巻き数と第２の巻き数との間の比は、１より大きくすることができ、特に、３より大きくすることができる。１つの特定の例において、第１の巻き数は１４に等しく、第２の巻き数は４に等しい。そのような比の値により、追加的なコイルのインダクタンス値を低減することが可能である。そのため、より低いインダクタンスの追加的なコイルを使用することが可能であり、これによってこの追加的なコイルによって被るコスト及び容積を制限することができる。

第１の巻き数と第２の巻き数との間の比に関して選択された値によって、追加的な回路に関連する浮遊容量を低減することも可能となる。このとき、この低い浮遊容量値は、磁気的に結合された第１のコイルに既に存在するものと比較して無視できることとなる。さらに、そのため追加的な回路は、磁気的に結合した第１のコイルの差動モードの挙動に影響を与えないようにすることができる。

第１のコイル及び第２のコイルは、同じ磁心に巻きつけることができ、そのため前述の磁気的結合を形成することができる。例えば、これはナノ結晶又はフェライト磁心である。

この場合、磁心は、１０ｋＨｚの周波数で１ｍＨから１０ｍＨの間、例えば１０ｋＨｚで８．５ｍＨのオーダーの相互インダクタンス値を示すように構成可能である。追加的なコイルはこのときこの同じ周波数で１００μＨのインダクタンスを示すことができる。

上記によれば、追加的な回路はデバイスの残りの部分に電気的に接続されず、第２のコイルと第１のコイルとの間の磁気的結合のみを介してデバイスの残りの部分と接続されることができる。

デバイスの第３の端子は１つだけとすることができる。

本発明の他の対象は、その別の態様によれば、電気エネルギーが電気的ネットワークから電気エネルギー蓄積ユニットに伝送され、またその逆方向に伝送される際に電磁干渉をフィルタリングするための方法であって、このフィルタリングが、電気的ネットワークと電気エネルギー蓄積ユニットの間に前述のようなデバイスを介在させることによって行われる方法である。

この方法が実装される場合、デバイスの第１の端子は電気的ネットワークに接続可能であり、デバイスの第２の端子は電気エネルギー蓄積ユニットに直接的または非直接的に接続可能であり、デバイスの第３の端子はアースに接続可能である。

電気的ネットワークは、直流電圧または交流電圧を、例えば単相または三相電圧で供給することができる。

このネットワークによって供給される交流電圧は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ程度の周波数を有することができる。これは、１２０Ｖから２４０Ｖの電圧を供給する単相ネットワーク、または多相ネットワーク、例えば三相、特に２０８Ｖから４１６Ｖの電圧を供給する三相ネットワークとすることができる。

電気エネルギー蓄積ユニットは、例えば、６０Ｖから６００Ｖの間、特に２００Ｖから４００Ｖの間の公称電圧を示す。この電気エネルギー蓄積ユニットは、１つもしくは複数の電池またはその他任意の種類の電気エネルギー蓄積ユニット、例えばスーパーキャパシタを含むことができる。これは例えば、直列もしくは並列の電池または直列の電池の並列なブランチを含む。

この電気エネルギー蓄積ユニットは、電気自動車またはハイブリッド自動車に搭載することができ、自動車を推進させるために使用される電気モーターに電力を供給することを意図することができる。電気モーターは例えば３ｋＷから２００ｋＷの公称出力を有する。

本発明によるデバイスは、車両に搭載されてもよく、搭載されなくてもよい。

デバイスは、電気的ネットワークから電気エネルギー蓄積ユニットを充電するために使用される回路に組み込むことができる。変形例として、本発明によるデバイスはモーターのステータの巻線を通じて電気的ネットワークから電気エネルギー蓄積ユニットを充電すること及び電気エネルギー蓄積ユニットからステータのこの巻線に電力を供給することの両方に使用される回路に組み込むことができる。そのような回路は、例えば、本出願人の特許文献１によって知られている。

本発明は、その非限定的な例示的実施形態の以下の説明を読み、添付された図を参照することでより理解されるであろう。

従来技術から知られており、すでに説明した電磁干渉フィルタリングデバイスの例を概略的に示す。 従来技術から知られており、すでに説明した電磁干渉フィルタリングデバイスの例を概略的に示す。 従来技術から知られており、すでに説明した電磁干渉フィルタリングデバイスの例を概略的に示す。 本発明に従う例示的な電磁干渉フィルタリングデバイスを概略的に示す。 図１から４に示されたフィルタリングデバイスのゲイン応答を示すボード図である。

図４は、本発明の例示的な実施形態に従う電磁干渉フィルタリングデバイス１を表している。このデバイス１は、この例では、図示されていない三相電気的ネットワークと図示されていない電気エネルギー蓄積ユニットとの間に介在する三相電力供給配線に組み込まれている。この電気エネルギー蓄積ユニットは、例えば、自動車を推進させるために使用される電気自動車のモーターに電力を供給する電池である。

配線は、デバイス１のレベルでは、第１の端部７と第２の端部８との間にそれぞれ延設する３つの電気伝導体５を含み、この端部７及び８はデバイス１の第１の端子７及び第２の端子８を形成する。

端部７と８との間で、各電気伝導体５は、第１のコイル１０を含む。第１のコイル１０はそれぞれ、同じ第１の巻き数を含み、これらは共通の磁心の周りに巻きつけられ、互いに磁気的に結合する。これらの第１のコイル１０はそのため、コモンモードインダクタンスを形成する。

デバイス１はさらに、伝導体の第２の端部８のそれぞれと、デバイス１の第３の共通端子１５との間に位置するキャパシタ１３を含む。図４に示されるように、この第３の端子１５は、ここでは、アースに接続される。

配線によって伝搬される電気信号の位相のそれぞれに関して、第１のコイル１０及びキャパシタ１３が、図１に関して説明したフィルター１００と類似のＬＣフィルタを形成する。

図４から分かるように、デバイス１はさらに、この例では、第１のコイル１０も巻きつけられる磁心に巻きつけられた第２のコイル２１を含む追加的な回路２０を含む。

第２のコイル２１は、ここでは第１の巻き数よりも小さな第２の巻き数を有する。第１の巻き数及び第２の巻き数は、第１の巻き数と第２の巻き数との間の比が３より大きくなるように互いに対して選択可能である。

図４に示されるように、追加的な回路２０は、抵抗２４及び第２のコイル２１と直列状態にある追加的なコイル２３を含むことができる。

そのため、追加的なコイル２３及び抵抗２４は各「第１のコイル１０とキャパシタ１３の」対によって形成されるＬＣフィルターのカットオフ周波数における共振のＬＲ型減衰を提供することが可能になる。

図に示されるように、追加的な回路２０は、デバイス１のその他の部分と電気的に接続する必要が全くなく、共通磁心によって提供される磁気的結合のみによって接続される。

一例において、共通磁心は、この磁心に巻きつけられた異なるコイル１０または２３の間の相互インピーダンスが１０ｋＨｚにおいて８．５ｍＨであるように構成される。さらにこの例において、各キャパシタ１３は２２ｎＦの静電容量を有し、第１の巻き数は１４に等しく、第２の巻数は４に等しい。このとき追加的なコイル２３は１０ｋＨｚにおいて１５．６ｍＨのインピーダンスを示し、抵抗２４は１８Ωの値を有することができる。

図５は図１から４に関して説明されたフィルタリングデバイスのゲインを示すボード図である。

曲線２００は、図１のデバイス１００に対応し、曲線２１０は図２のデバイス１１０に対応し、曲線２２０は図３のデバイス１２０に対応し、曲線２３０は図４のデバイス１に対応する。

これから分かるように、デバイス１はデバイス１００のカットオフ周波数において発生する共振を顕著に減衰させることができる。

本発明に従うデバイス１のゲインについての周波数応答は中心周波数値まで図３のデバイス１２０のそれと非常に近い状態を保つことが分かる。

一方、それぞれ第１のコイル１０及びキャパシタ１３によって形成されるＬＣフィルタのカットオフ周波数における共振が減衰されることが分かる。このカットオフ周波数を超えると、本発明に従うデバイスは、それぞれ第１のコイル１０及びキャパシタ１３によって形成されるＬＣフィルタのそれと最も近い応答を得ることができることが分かる。

このＬＣフィルタのカットオフ周波数は例えば、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間であり、例えば８ｋＨｚ程度である。

本発明は、上記説明された例に限定されない。

具体的には、他の例において、追加的な回路２０は抵抗２４を必要とせず、このとき追加的な回路２０によって提供されるＬＲ型減衰は、追加的なコイル２３の効力並びに、このときインダクタ及び内部抵抗を介した抵抗の両方として働く第２のコイル２１によって得られる。

「１つを含む」との記載は、明記されていなければ「少なくとも１つ」との記載と同義であると理解すべきである。

１ デバイス
５ 電気伝導体
７ 第１の端部
８ 第２の端部
１０ 第１のコイル
１３ キャパシタ
１５ 第３の共通端子
２０ 追加的な回路
２１ 第２のコイル
２３ 追加的なコイル
２４ 抵抗
１００ デバイス
１０１ 電気的ネットワーク
１０３ コイル
１０４ キャパシタ
１１０ デバイス
１１１ ブランチ
１２０ デバイス
１２１ ブランチ
１２３ 追加的なコイル
１２４ 抵抗
２００ デバイス１００に対応する曲線
２１０ デバイス１１０に対応する曲線
２２０ デバイス１２０に対応する曲線
２３０ デバイス１３０に対応する曲線

Claims (8)

1. 電磁干渉をフィルタリングするためのデバイス（１）であって、
   −並列に配置された複数の電気伝導体（５）であって、各伝導体（５）が、前記伝導体（５）の第１の端部（７）と第２の端部（８）との間に配置された第１のコイル（１０）を含み、前記第１のコイル（１０）が互いに磁気的に結合され、同一の第１の巻き数を有し、前記伝導体（５）の前記第１の端部（７）及び前記第２の端部（８）がそれぞれ前記デバイスのための第１の端子（７）及び第２の端子（８）を画定する、複数の電気伝導体（５）と、
   −複数のキャパシタ（１３）であって、各キャパシタ（１３）が電気伝導体（５）の前記第２の端部（８）と前記デバイスの第３の端子（１５）との間に接続される、複数のキャパシタ（１３）と、
   −前記第１のコイル（１０）と磁気的に結合され、第２の巻き数を有する第２のコイル（２１）を含む追加的な回路（２０）であって、前記回路（２０）がさらに、追加的なコイル（２３）及び抵抗（２４）を含む、追加的な回路（２０）と、
   を含み、
   前記第２のコイル（２１）、前記追加的なコイル（２３）、及び前記抵抗（２４）が直列に接続される、デバイス。
2. 前記第２の巻き数が、前記第１の巻き数と異なる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の巻き数と前記第２の巻き数との間の比が１より大きく、特に３より大きい、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記電気伝導体（５）の数が３に等しい、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記第１のコイル（１０）及び前記第２のコイル（２１）が同じ磁心に巻きつけられる、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記磁心が、１０ｋＨｚの周波数で１ｍＨから１０ｍＨの間の相互インダクタンス値を示すように構成された、請求項５に記載のデバイス。
7. 電気エネルギーが電気的ネットワークから電気エネルギー蓄積ユニットに伝送され、またその逆方向に伝送される際に電磁干渉をフィルタリングするための方法であって、前記フィルタリングが、前記電気的ネットワークと前記電気エネルギー蓄積ユニットとの間に、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス（１）を介在させることによって行われる、方法。
8. 前記デバイス（１）の前記第１の端子（７）が前記電気的ネットワークに直接的または非直接的に接続され、前記デバイス（１）の前記第２の端子（８）が前記電気エネルギー蓄積ユニットに直接的または非直接的に接続され、前記デバイス（１）の前記第３の端子（１５）がアースに接続される、請求項７に記載の方法。

Images