JP6873339B1

JP6873339B1 - ノイズフィルタ

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Publication number: JP6873339B1
Application number: JP2020564018A
Authority: JP
Inventors: 高大片桐
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2040-04-09
Also published as: US20230246620A1; CN115380471A; JPWO2021205595A1; WO2021205595A1; DE112020007046T5

Abstract

ノイズ発生源（１３）と並列に接続された第１コンデンサ（１１）が構成する第１経路と、負荷（１４）と並列に接続された第２コンデンサ（１２）が構成する第２経路の少なくとも一部が垂直方向に対向して配置されるとともに、第１コンデンサ（１１）と第２コンデンサ（１２）が並列接続されるように第１経路と第２経路とが接続され、第１経路に流れる電流の向きと、電流が発生させる磁束が第２経路に鎖交することで流れる誘導電流の向きとが、第１コンデンサ（１１）と第２コンデンサ（１２）とで互いに同じ方向となるよう配置される。

Description

本願は、ノイズフィルタに関するものである。

電磁ノイズを抑制するノイズフィルタには通常、コンデンサが用いられる。このコンデンサ自身、またはそれらを接続する配線に電流が流れると周囲に磁束を発生し、この磁束が他の配線または回路に鎖交すると、磁気結合により見かけ上の寄生インダクタンスが増加する。例えば複数のコンデンサを並列に配置構成したノイズフィルタでは、複数のコンデンサ間に生じる磁気結合により、電磁ノイズ低減効果が悪化することが知られている。さらに、小型化等を目的に複数のコンデンサを近接して配置する場合、鎖交磁束が増えるため磁気結合の影響が更に大きくなる課題がある。

これに対する解決手段として、例えば特許文献１では、並列接続されたコンデンサの間の配線を交差することで、コンデンサ間に生じる磁気結合を抑制し、寄生インダクタンスを低減させることを特徴としている。

特許第６１１３２９２号（８頁４７〜５０行、９頁１〜９行、図８）

特許文献１の構成では、コンデンサ間に生じる磁気結合を弱めることができるが、配線を交差することで構造が複雑化する課題がある。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、配線を交差するような複雑な構造を取ることなく、磁気結合により生じる寄生インダクタンスを低減することでノイズフィルタの電磁ノイズ低減効果を改善することを目的としている。

本願に開示されるノイズフィルタは、
ノイズ発生源と接続される第１導入部と第２導入部、
ノイズ発生源と並列に第１導入部と前記第２導入部に接続された第１コンデンサ、
負荷と接続される第３導入部と第４導入部、
負荷と並列に第３導入部と第４導入部に接続された第２コンデンサ、
を備えたノイズフィルタにおいて、
第１導入部、第２導入部、および第１コンデンサが接続される第１経路と、第３導入部、第４導入部、および第２コンデンサが接続される第２経路とが、少なくとも一部、垂直方向に対向するように配置されるとともに、第１コンデンサと第２コンデンサとが並列接続されるように第１経路と第２経路とが接続されており、第１経路に流れる電流の向きと、電流が発生させる磁束が第２経路に鎖交することで流れる誘導電流の向きとが、第１コンデンサと第２コンデンサとで互いに同じ方向になるように配置され、前記第１経路と前記第２経路との対向部分において、前記第１経路が、前記第２経路の内側に配置されていることを特徴とする。

本願に開示されるノイズフィルタによれば、配線を交差するような複雑な構造を取ることなく電磁ノイズ低減効果を改善することができる。

比較例１のノイズフィルタの回路構成を模式的に示す図である。比較例１のノイズフィルタの等価回路を示す図である。比較例２のノイズフィルタの等価回路を示す図である。実施の形態１に係るノイズフィルタの回路構成を模式的示す図である。実施の形態１に係るノイズフィルタの等価回路を示す図である。実施の形態１に係るノイズフィルタの電磁ノイズ低減効果の解析結果例を示す図である。実施の形態１に係るノイズフィルタの別の回路構成を模式的に示す図である。実施の形態１に係るノイズフィルタの別の回路構成を模式的に示す図である。実施の形態２に係るノイズフィルタの回路構成を模式的に示す図である。実施の形態３に係るノイズフィルタの回路構成を模式的に示す図である。実施の形態４に係るノイズフィルタの回路構成を模式的に示す図である。実施の形態５に係るノイズフィルタの回路構成を模式的に示す図である。実施の形態６に係るノイズフィルタの回路構成を模式的に示す図である。

実施の形態１．
以下、本願に係るノイズフィルタの好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
[比較例の説明]

電磁ノイズはその伝搬経路からノーマルモードノイズとコモンモードノイズに大別される。ノーマルモードノイズはディファレンシャルモードノイズとも呼ばれ、信号ライン間を伝搬する電磁ノイズであり、コモンモードノイズは、信号ラインと基準グラウンド電位の間を伝搬する電磁ノイズである。

図１に示す比較例１の回路構成において、第１導入端部１を有する第１導入配線５と、第２導入端部２を有する第２導入配線６と、第３導入端部３を有する第３導入配線７と、第４導入端部４を有する第４導入配線８と、第１導入配線５と第３導入配線７とを接続する第１接続配線９と、第２導入配線６と第４導入配線８とを接続する第２接続配線１０と、第１導入配線５と第２導入配線６との間に接続された第１コンデンサ１１と、第３導入配線７と第４導入配線８との間に接続された第２コンデンサ１２とが並列接続されたコンデンサ群から構成されている。第１導入端部１と第２導入端部２に電磁ノイズ発生源１３が接続され、第３導入端部３と第４導入端部４に負荷１４が接続されている。

第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２は、線間コンデンサと呼ばれる。線間コンデンサはノーマルモードノイズをバイパスすることで負荷１４への電磁ノイズ伝搬を抑制する機能を備える。従って、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２のインピーダンス特性は小さい方が望ましい。しかしながら、コンデンサ自身、またはそれらを接続する配線には、それらの物理的な構造に起因して、コンデンサと直列に、意図しないインダクタンス成分（寄生インダクタンス）が生じる。この寄生インダクタンスが大きいと、コンデンサが持つ電磁ノイズのバイパス効果を低減させてしまう。さらにコンデンサ自身、またはそれらを接続する配線に電流が流れると周囲に磁束を発生し、この磁束が他の配線または回路に鎖交すると、磁気結合により見かけ上の寄生インダクタンスが増加する。

従って、図１に示すような、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２が近接して並列に配置構成される場合では、第１コンデンサ１１に電流Ｉ_１が流れることで磁束Φ_１を発生し、この磁束Φ_１が第２コンデンサ１２に鎖交すると、レンツの法則に従い磁束Φ_１とは逆向きの磁束Φ_２が発生し、第２コンデンサ１２に誘導電流Ｉ_２が流れる。誘導電流Ｉ_２は、図１または図２の破線矢印で示すように、第４導入配線８から、第２コンデンサ１２を介して第３導入配線７に向かう方向へ流れる。そのため、第２コンデンサ１２の電磁ノイズをバイパスする機能を低減させてしまう。これは、第１コンデンサ１１の寄生インダクタンス１５ａと、第２コンデンサ１２の寄生インダクタンス１５ｂが磁気結合することで見かけ上の寄生インダクタンスが増加していると言い換えることができる。

これに対し、図３に示すような比較例２の場合、第１接続配線９と第２接続配線１０を交差することで、コンデンサ間に生じる磁気結合を抑制し、誘導電流Ｉ_２を減少させることで、寄生インダクタンス１５ａ，１５ｂを低減させることができる。しかし、配線を交差することで構造が複雑化する

[実施の形態１の構成の説明]
図４に実施の形態１のノイズフィルタ構成の一例を示す。第１導入配線５、第１コンデンサ１１、第２導入配線６からなる第１経路と、第３導入配線７、第２コンデンサ１２、第４導入配線８からなる第２経路との少なくとも一部が、それぞれの平面方向に対して垂直方向で対向している。そして、第１経路に流れる電流Ｉ_１と、第２経路に流れる誘導電流Ｉ_２の向きが、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２で互いに同じ方向になるように配置されている。ここで誘導電流Ｉ_２とは、第１経路に電流Ｉ_１が流れることで発生する磁束Φ_１が第２経路に鎖交することで、レンツの法則に従い磁束Φ１とは逆向きに発生する磁束Φ_２により流れる電流を示している。

誘導電流Ｉ_２は、第３導入配線７から、第２コンデンサ１２を介して第４導入配線８に向かう方向へ流れるため、図１または図２で示される比較例と比較し、図５に示すように磁気結合が互いに逆向きとなる。これにより、第１コンデンサ１１の寄生インダクタンス１５ａと、第２コンデンサ１２の寄生インダクタンス１５ｂが低減する。従って、本構成においては、第１経路と第２経路の磁気結合が強まるほど寄生インダクタンスの低減効果が大きくなる。なお、本実施の形態では第１接続配線９と第２接続配線１０を直線で表記しているがこの限りではなく、例えば、第１経路と第２経路のそれぞれが形成する平面に対して直角平行な配線、または曲線を含めた配線としてもよい。

図６に電磁ノイズ低減効果の解析結果を示す。実施の形態１の構成は、比較例２と同等以上の電磁ノイズ低減効果を得ており、比較例１と比較して電磁ノイズ低減効果を大きく改善している。

このような構成により、ノイズフィルタは第１導入端部１と第２導入端部２との間に挿入された電磁ノイズ発生源１３から発生する電磁ノイズを、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２でバイパスすることで、第３導入端部３と第４導入端部４の間に挿入された負荷１４への電磁ノイズの伝搬を抑制することができる。

なお、本実施の形態では第１導入配線５、第２導入配線６、第３導入配線７、第４導入配線８、第１接続配線９、第２接続配線１０を、配線としているがこの限りではなく、プリント基板のパターン、またはバスバーとしてもよい。

また、第１導入端部１と第２導入端部２の間に電磁ノイズ発生源を、第３導入端部３と第４導入端部４の間に負荷１４を設けているがこの限りではなく、第１導入端部１と第２導入端部２の間に負荷１４を、第３導入端部３と第４導入端部４の間に電磁ノイズ発生源１３を設ける構成としてもよい。ここで本実施の形態では、電磁ノイズ発生源１３を交流電源の回路記号で表記しているがこの限りではなく、機器の電力供給または制御信号に不要な高周波信号に起因して電磁ノイズを発生させるあらゆるものを指す。スイッチング素子を用いて電力変換を行うインバータ、コンバータ、マイコン、またはＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）をはじめとするＩＣといったものが例として挙げられる。

また、負荷１４は電磁ノイズ発生源１３に接続される機器を模擬しており、本実施の形態では抵抗素子で表記しているがこの限りではない。すなわち、系統電源、バッテリ、電力または制御信号の供給に必要な回路、またはモータをはじめとする負荷といった、電磁ノイズ発生源１３に接続されるあらゆるものを指す。

また、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２の少なくとも一方がそれぞれ複数の素子で構成されていてもよい。例えば、図７で示すように第１コンデンサ１１がコンデンサ１１ａとコンデンサ１１ｂとが並列接続された２つのコンデンサからなる場合、または図８で示すように第１コンデンサ１１がコンデンサ１１ｃおよびコンデンサ１１ｄの直列接続された２つのコンデンサからなる場合、または、直列接続と並列接続とを組み合わせた場合を考えることができる。

このように、本実施の形態によれば、第１コンデンサ１１を含む第１経路と第２コンデンサ１２を含む第２経路の、少なくとも一部が対向して配置されるとともに、第１経路に流れる電流Ｉ_１と、第２経路に流れる誘導電流Ｉ_２の向きが、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２で互いに同じ方向になるように配置されていることにより、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２の磁気結合を互いに逆向きとすることで、第１コンデンサ１１の寄生インダクタンス１５ａと、第２コンデンサ１２の寄生インダクタンス１５ｂを低減し、比較例２のように配線を交差するような複雑な構造を取ることなく、ノーマルモードノイズをバイパスし、ノイズフィルタの電磁ノイズ低減効果を改善することができる。

実施の形態２．
図９は、図１に示すノイズフィルタにおいて、第１コンデンサ１１を形成する、コンデンサ１１ｃおよびコンデンサ１１ｄが、対地間コンデンサからなるノイズフィルタの一例を示したものである。対地間コンデンサとは、信号ラインと基準グラウンド電位の間に挿入されるコンデンサであり、コンデンサ１１ｃは第１導入配線５と基準グラウンド電位との間に接続されており、コンデンサ１１ｄは第２導入配線６と基準グラウンド電位との間に接続されており、コモンモードノイズをバイパスすることで負荷１４への電磁ノイズ伝搬を抑制する機能を備える。なお、図９では、第１コンデンサ１１を対地間コンデンサとしているが、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２の少なくとも一方が対地間コンデンサからなっていればよい。

このような構造により、実施の形態１同様、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２の磁気結合を互いに逆向きとし、第１コンデンサ１１の寄生インダクタンス１５ａと、第２コンデンサ１２の寄生インダクタンス１５ｂを低減することで、ノーマルモードノイズをバイパスすることができる。さらに、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２の少なくとも一方が対地間コンデンサからなることで、コモンモードノイズも低減することができ、ノイズフィルタの電磁ノイズ低減効果を、より改善することができる。

実施の形態３．
図１０は、図９に示す対地間コンデンサを形成するコンデンサ１１ｃ、コンデンサ１１ｄに並列にコンデンサ１１ａが接続され、第１コンデンサ１１を構成している。なお、図１０では、第１コンデンサ１１に対地間コンデンサを形成しているが、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２の少なくとも一方に対地間コンデンサが形成されていればよい。

このような構造により、実施の形態２同様、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２の磁気結合を互いに逆向きとすることで、第１コンデンサ１１の寄生インダクタンス１５ａと、第２コンデンサ１２の寄生インダクタンス１５ｂを低減することで、ノーマルモードノイズをバイパスすることができるとともに、第１コンデンサ１１を形成しているコンデンサ１１ｃ、コンデンサ１１ｄを対地間コンデンサとすることで、コモンモードノイズも低減することができ、ノイズフィルタの電磁ノイズ低減効果を、より改善することができる。コンデンサ１１ａがコンデンサ１１ｃおよびコンデンサ１１ｄと並列に接続されているので、実施の形態２よりもノーマルモードノイズをよりバイパスすることが可能となる。なお、第１コンデンサ１１により説明したが、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２の少なくとも一方に対地間コンデンサが形成されていれば同様の効果を奏する。

実施の形態４．
図１１は、実施の形態１に示すノイズフィルタの、第１接続配線９にインダクタ１６ａが、第２接続配線１０にインダクタ１６ｂがそれぞれ挿入された構成の一例を示したものである。このような構造により、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２の磁気結合を互いに逆向きとすることで、第１コンデンサ１１の寄生インダクタンス１５ａと、第２コンデンサ１２の寄生インダクタンス１５ｂを低減することで、ノーマルモードノイズをバイパスすることができる。さらに、インダクタ１６ａ、１６ｂと第１コンデンサ１１または第２コンデンサ１２により、ＬＣフィルタを構成することで、さらに、高周波ノイズを除去することができる。なお、本実施の形態では、第１接続配線９と第２接続配線１０の両方にインダクタ１６ａ、１６ｂが挿入されているが、第１接続配線９および第２接続配線１０のいずれか一方にインダクタが挿入されている構成でもよい。また、インダクタ１６ａ，１６ｂをインダクタ素子としているがこの限りではなく、ケーブル、バスバーなど誘導成分が支配的な他の部品としてもよい。さらに、インダクタ１６ａ，１６ｂの少なくとも一方が複数の素子で構成されていてもよい。

実施の形態５．
図１２は、実施の形態１のノイズフィルタを構成する第１経路と第２経路の対向部分のうち、第１経路の少なくとも一部分が、第２経路の内周側に配置された構成の一例を示したものである。このような構造でも、実施の形態１に示すノイズフィルタと同様の効果を得ることができる。さらに、本構成により、第１経路に流れる電流Ｉ１が発生させる磁束Φ１が、より多く第２経路に鎖交するため、第１経路と第２経路の磁気結合をより強めることができる。

実施の形態６．
図１３は、実施の形態１のノイズフィルタを構成する、第２導入配線６、第４導入配線８、第２接続配線１０を、接地電位１７としたノイズフィルタ構成の具体的な一例を示したものである。接地電位とは、例えば、プリント基板のグラウンドパターン、または筐体などである。このような構造でも、実施の形態１に示すノイズフィルタと同様の効果を得ることができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：第１導入端部、２：第２導入端部、３：第３導入端部、４：第４導入端部、５：第１導入配線、６：第２導入配線、７：第３導入配線、８：第４導入配線、９：第１接続配線、１０：第２接続配線，１１：第１コンデンサ、１２：第２コンデンサ、１３：電磁ノイズ発生源、１４：負荷、１５ａ，１５ｂ：寄生インダクタンス、１６ａ，１６ｂ：インダクタ、１７：接地電位

Claims

ノイズ発生源と接続される第１導入部と第２導入部、
前記ノイズ発生源と並列に前記第１導入部と前記第２導入部に接続された第１コンデンサ、
負荷と接続される第３導入部と第４導入部、
前記負荷と並列に前記第３導入部と前記第４導入部に接続された第２コンデンサ、
を備えたノイズフィルタにおいて、
前記第１導入部、前記第２導入部、および前記第１コンデンサで構成される第１経路と、前記第３導入部、前記第４導入部、および前記第２コンデンサで構成される第２経路とが、少なくとも一部、垂直方向に対向するように配置されるとともに、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが並列接続されるように前記第１経路と前記第２経路とが接続されており、前記第１経路に流れる電流の向きと、前記電流が発生させる磁束が前記第２経路に鎖交することで流れる誘導電流の向きとが、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとで互いに同じ方向になるように配置され、前記第１経路と前記第２経路との対向部分において、前記第１経路が、前記第２経路の内側に配置されていることを特徴とするノイズフィルタ。
ノイズ発生源と接続される第１導入部と第２導入部、
前記ノイズ発生源と並列に前記第１導入部と前記第２導入部に接続された第１コンデンサ、
負荷と接続される第３導入部と第４導入部、
前記負荷と並列に前記第３導入部と前記第４導入部に接続された第２コンデンサ、
を備えたノイズフィルタにおいて、
前記第１導入部、前記第２導入部、および前記第１コンデンサで構成される第１経路と、前記第３導入部、前記第４導入部、および前記第２コンデンサで構成される第２経路とが、少なくとも一部、垂直方向に対向するように配置されるとともに、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが並列接続されるように前記第１経路と前記第２経路とが接続されており、前記第１経路に流れる電流の向きと、前記電流が発生させる磁束が前記第２経路に鎖交することで流れる誘導電流の向きとが、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとで互いに同じ方向になるように配置され、前記ノイズ発生源から前記負荷への電流経路となる、前記第１導入部、前記第３導入部、および前記第１経路と前記第２経路との接続部を、接地電位としていることを特徴とするノイズフィルタ。
前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの、少なくとも一方が、対地間コンデンサからなることを特徴とする請求項１または２に記載のノイズフィルタ。
前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの、少なくとも一方が、線間コンデンサと対地間コンデンサの組み合わせからなることを特徴とした、請求項１または２に記載のノイズフィルタ。
前記第１経路と前記第２経路との対向部分において、前記第１経路が、前記第２経路の内側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のノイズフィルタ。
前記第１経路と前記第２経路との接続部にインダクタが挿入されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のノイズフィルタ。
前記ノイズ発生源から前記負荷への電流経路となる、前記第１導入部、前記第３導入部、および前記第１経路と前記第２経路との接続部を、接地電位としていることを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルタ。