JP7103505B2 - 電磁干渉フィルター回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力電子技術分野に関し、特に、コモンモードチョークコイルおよび電磁干渉フィルター回路に関する。

電力ネットワークに接続される用電設備は、使用時に電磁干渉（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍａｇｎｅｔｉｃ－Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ＥＭＩ）を引き起こすことがある。当該電磁干渉は、電力ネットワークの正常運転に悪い影響を及ぼす可能性がある。このため、電力ネットワークに接続される用電設備は、電力ネットワークの存在地域で規定された伝導電磁干渉規制の要求を満たさなければならない。

通常、伝導電磁干渉フィルターを用いて用電設備による電磁干渉の問題を解決することができる。よく使われている伝導電磁干渉フィルターとして、パッシブ電磁干渉フィルター、アクティブ電磁干渉フィルター、及びパッシブとアクティブとのハイブリッド電磁干渉フィルターが挙げられる。

現在、パッシブ電磁干渉フィルターは、用電設備の使用による電磁干渉が電力ネットワークに対する影響を抑制する装置として広く応用されている。しかしながら、装置の設計に対して、小型化、軽量化および集積化の要求が高くなりつつある。それに伴い、パッシブ電磁干渉フィルターにおける体積が大きく、重量が重く、抑制効果が低いといった短所が目立つようになっており、これらの短所を改善しなければ、パッシブ電磁干渉フィルターの適用が制限されることになっている。

アクティブ電磁干渉フィルター及びハイブリッド電磁干渉フィルターは、従来のパッシブ電磁干渉フィルターに比べて、体積や重量を大幅に低減することができるとともに、同等またはより良いフィルタリング効果を得ることができるため、学術界及び産業界から高く評価され、従来のパッシブ電磁干渉フィルターに代わる最良の選択であると認識されている。

なお、ハイブリッド電磁干渉フィルターは、アクティブ電磁干渉フィルター及びパッシブ電磁干渉フィルターの両方の長所を生かし、短所を避けるように構成されたものであり、技術的な面および実行可能性の面において、単独のアクティブ電磁干渉フィルターより広く適用されて将来性のあるものである。

但し、上記技術背景に関する説明は、本発明の技術案を分かり易くかつ完全に説明し、当業者に理解され易いように述べたものである。したがって、上記技術案が本発明の「背景技術」において紹介されていることから、上記技術案が当業者にとって公知なものであると判断してはならない。

本願の発明者は、調査および研究を行うことにより、次のことを解明した。即ち、ハイブリッド電磁干渉フィルターという概念が開示されてから現在に至るまで、ハイブリッド電磁干渉フィルターを構成するアクティブフィルター部分の回路とパッシブフィルター部分の回路とは、互いに独立して動作し、回路も物理的に互いに分離しており、したがって、ハイブリッドフィルタの体積はアクティブフィルター部分の体積とパッシブフィルター部分の体積との和になっている。そのため、ハイブリッドフィルタの体積が依然として大きくなっている。

本発明の実施形態の一例として、コモンモードチョークコイルおよび電磁干渉フィルター回路を提供する。当該コモンモードチョークコイルにおいて、一次巻線の巻数が多いため、一次巻線は、コモンモード干渉を抑制する機能を発揮することができる一方、二次巻線は、電磁干渉信号を検出する機能を発揮することができるとともに、検出された信号をアクティブ電磁干渉フィルタリングに用いることが可能である。そのため、当該コモンモードチョークコイルは、コモンモード干渉抑制と信号検出との二重機能が統合されている。したがって、当該コモンモードチョークコイルを用いることにより、パッシブフィルター回路とアクティブフィルター回路との統合が容易になり、しかも、電磁干渉フィルターの小型化を実現することができる。さらに、当該コモンモードチョークコイルの二次巻線には、インダクタンスが直列接続されているため、当該インダクタンスによってコモンモードチョークコイルの高周波特性が改善される。

本発明の実施形態の一例として、コモンモードチョークコイルを提供する。当該コモンモードチョークコイルは、第１の一次巻線と、第２の一次巻線と、二次巻線とを備え、上記二次巻線が、上記第１の一次巻線及び上記第２の一次巻線と電磁カップリングしており、上記コモンモードチョークコイルは、さらに、上記二次巻線の両端に直列接続されている第１の抵抗（Ｒ_CT）と第１のインダクタンス（Ｌ_a）とを備えており、上記第１の一次巻線の巻数が上記二次巻線の巻数よりも大きく設定され、上記第２の一次巻線の巻数が上記二次巻線の巻数よりも大きく設定されている。

本発明の実施形態の一例として、上記第１の一次巻線の巻数は２以上であり、かつ上記第２の一次巻線の巻数は２以上である。

本発明の実施形態の一例として、上記第１のインダクタンス（Ｌ_a）は中空コイル構造又はプリント基板を銅で覆う構造となっている。

本発明の実施形態の一例として、上記第１の一次巻線の巻数は上記第２の一次巻線の巻数と同じである。

本発明の実施形態の一例として、上記第１の一次巻線と上記第２の一次巻線とは、巻き方向が逆になっており、上記二次巻線の巻き方向は、上記第１の一次巻線と第２の一次巻線とのいずれか一方の巻き方向と同じである。

本発明の実施形態の一例として、上記コモンモードチョークコイルは、さらに磁気コアを有し、上記第１の一次巻線と、上記第２の一次巻線と、上記二次巻線とが上記磁気コアに巻き付いている。

本発明の実施形態の一例として、電磁干渉フィルター回路を提供する。当該電磁干渉（ＥＭＩ）フィルター回路は、上記コモンモードチョークコイルの上記第１の一次巻線の一端がインピーダンス安定化ネットワークの第１の出力端に接続され、上記コモンモードチョークコイルの上記第２の一次巻線の一端がインピーダンス安定化ネットワークの第２の出力端に接続され、上記第１の一次巻線の他端および上記第２の一次巻線の他端がそれぞれ用電設備の電力入力端に接続されるように構成された、上記発明のいずれか一側面に記載されたコモンモードチョークコイルと、２つの入力端が上記コモンモードチョークコイルの上記二次巻線の両端にそれぞれ接続され、出力端から補償信号を出力し、上記出力端と上記入力端との間に帰還抵抗（Ｒ_f）が接続されるように構成されたオペアンプと、上記第１の一次巻線の上記他端と上記第２の一次巻線の上記他端との間に直列接続された抵抗とキャパシタとを含み、上記オペアンプの上記出力端に接続され、上記補償信号に基づいて上記第１の一次巻線および上記第２の一次巻線に電流を注入するように構成された電流注入ネットワークと、を備えている。

本発明の実施形態の一例として、上記電磁干渉フィルター回路は、補償キャパシタ（Ｃ_f）をさらに備え、上記補償キャパシタ（Ｃ_f）と上記帰還抵抗（Ｒ_f）とが並列接続している。

本発明の実施形態の一例として、上記電流注入ネットワークは、順次に直列接続している第１のキャパシタ（Ｃ₁）と、第２の抵抗（Ｒ₁）と、第３の抵抗（Ｒ₂）と、第２のキャパシタ（Ｃ₂）とを備え、上記オペアンプの上記出力端は、上記第２の抵抗（Ｒ₁）と上記第３の抵抗（Ｒ₂）との接続節点に接続されている。

本発明の実施形態の一例として、上記オペアンプの上記２つの入力端は、それぞれ第３の抵抗（Ｒ_g）及び第４の抵抗（Ｒ_s）を介して上記コモンモードチョークコイルの上記二次巻線の上記両端に接続されている。

本発明によれば、コモンモードチョークコイルの一次巻線の巻数を多く設定することにより、検出機能とコモンモード干渉抑制機能との両方を実現することができるため、アクティブフィルターとパッシブフィルターとの集積に有利であり、フィルターの小型化を実現することが可能である。さらに、コモンモードチョークコイルの二次巻線にインダクタンスを直列接続することにより、コモンモードチョークコイルの高周波特性を改善することができる。

以下の説明及び図面により、本発明の実施形態が詳細に開示され、本発明の原理の使い方が明示される。但し、本発明の実施形態の範囲は、これによって限定されることがない。本願の特許請求の範囲の精神及び条項の範囲内において、本発明の実施形態を様々な変更、修正及び等価変換を行うことができる。

１つの実施形態について記載及び／又は説明した特徴は、同じ又は類似した方式で１つ以上の他の実施形態に適用したり、他の実施形態における特徴と組み合わせたり、他の実施形態における特徴を取り替えたりすることが可能である。

本発明において、「備える／含む」といった用語は、特徴、全体構成、手順、または構成部分の存在を指し、１つ以上のその他の特徴、全体構成、手順、または構成部分の存在あるいは追加を排除しない。

図面は、本発明の実施形態をより明確に理解させるためのものであり、明細書の一部分の構成となって、本発明の実施形態を例示するのに用いられ、文字説明とともに本発明の原理を解釈するものである。以下の説明において、図面は単なる本発明の一部の実施形態を示すものであり、当業者であれば、創造的労働を行わなくても、これらの図面に基づいてその他の図面を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態１におけるコモンモードチョークコイルの構成を示す図である。 図２は、本発明の実施形態１におけるコモンモードチョークコイルの信号検出機能について構築した等価回路である。 図３は、本発明の実施形態１におけるコモンモードチョークコイルのコモンモード干渉抑制機能について構築した等価回路である。 図４は、本発明の実施形態２に係る電磁干渉フィルター回路の構成を示す図である。 図５は、本発明の実施形態２に係る電磁干渉フィルター回路のフィルタリング効果を示すシミュレーション結果のグラフである。

図面を参照し、以下の明細書により、本発明の前述及びその他の特徴が明らかになる。明細書および図面において、本発明の特定の実施形態について具体的に開示しているが、これはその中で本出願の原則の部分の実施形態を採用可能であることを表明しているのであって、本出願は、説明した実施形態に限られず、逆に、本出願は、特許請求の範囲内に属する全ての修正、変型及び等価変換を含むということを理解しなければならない。以下、添付図面を参照して、本出願の各種実施形態について説明を行う。これらの実施形態は単に例示的に示したものであり、本発明を限定するものではない。

本発明の実施形態において、用語「第１の」、「第２の」などは、異なる要素に対する呼び方を区別するためのものであり、これらの要素の空間配置または時間的な順序などを表す意味がないので、これらの要素は上記用語に制限されることがない。用語「および／または」は、関連してリストされた用語の１つ又は複数のうちのいずれか１つ及びすべての組み合わせを含む。用語「備える」、「含む」、「有する」などは、記載した特徴、要素、素子、またはパッケージの存在を指し、１つ又は複数のその他の特徴、要素、素子又はパッケージの存在または追加を排除するものではない。

本発明の実施形態において、単数形式「一」、「当該」などは、複数形式を含み、「一種」または「一類」と理解されるべきであり、「１つ」の意味に限定されることがない。また「当該」という用語は、前後の記載において別途で明確に示されている場合を除き、単数形式も複数形式も含むと理解されるべきである。また、前後の記載において別途で明確に示されていない限り、用語「～による」は、「少なくとも一部による」と理解され、用語「～に基づく」は、「少なくとも一部に基づく」と理解されるべきである。

＜実施形態１＞
実施形態１は、コモンモードチョークコイルを提供する。

図１は、本実施形態のコモンモードチョークコイルの構成を示す図である。図１に示すように、コモンモードチョークコイル１０は、第１の一次巻線１１と、第２の一次巻線１２と、二次巻線１３とを有している。なお、二次巻線１３は、第１の一次巻線１１及び第２の一次巻線１２と電磁カップリングされている。

本実施形態において、第１の一次巻線１１の巻数はＮ₁、第２の一次巻線１２の巻数はＮ₂、二次巻線１３の巻数はＮｓとする。図１に示すように、Ｎ₁はＮｓより多く設定され、Ｎ₂もＮｓより多く設定されている。

本実施形態のコモンモードチョークコイル１０において、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２は、巻数が多いため、コモンモード干渉を抑制する機能を発揮することができる。二次巻線１３は、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２と電磁カップリングされているため、電磁干渉信号を検出する機能を発揮することができる。検出された信号は、アクティブ電磁干渉フィルタリングに用いることができる。ゆえに、当該コモンモードチョークコイル１０は、コモンモード干渉抑制と信号検出との二重機能が統合されているため、パッシブフィルター回路とアクティブフィルター回路との集積に有利であり、電磁干渉フィルターの小型化が実現される。

本実施形態において、第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２の巻数が多く設定され、激しい磁束変化を生じることができるため、二次巻線１３の巻数が比較的少ない場合でも、アクティブ電磁干渉フィルターに使われる検出信号を十分に得ることができる。一方、二次巻線１３の巻数を少なくすることにより、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２と二次巻線１３との間で高い変換比（transformation ratio）を形成することができるため、コモンモードチョークコイル１０を有する電磁干渉フィルター回路に高いゲインを提供することができる。

本実施形態において、第１の一次巻線１１の巻数Ｎ₁は、例えば２以上とし、第２の一次巻線１２の巻数Ｎ₂は２以上とする。これにより、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２は、コモンモード干渉抑制効果を発揮することができるとともに、二次巻線１３が少ない巻数で十分な検出信号を得ることができる。

本実施形態において、図１に示すように、コモンモードチョークコイル１０の二次巻線１３の両端には、第１の抵抗Ｒ_CTと第１のインダクタンスＬ_aとが直列接続されている。第１のインダクタンスＬ_aは、二次巻線１３の両端（即ち、検出端）の位相シフト調整及びインピーダンス整合を実現することができるとともに、二次巻線１３の巻数が少ない場合に発生する高周波寄生容量の悪い影響を抑制し、コモンモードチョークコイルの高周波特性を改善することができる。

本実施形態のコモンモードチョークコイル１０によれば、第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２の巻数が多いのに対して、二次巻線１３の巻数が少ないため、高い変換比を形成することができ、当該コモンモードチョークコイル１０を有する電磁干渉フィルター回路に高いゲインを提供することができる。また、二次巻線１３の巻数が少ないため、二次巻線１３で発生する高周波寄生容量が増大して、コモンモードチョークコイル１０の高周波特性に悪い影響を及ぼすことがある。しかしながら、当該悪い影響が二次巻線１３に直列接続されている第１のインダクタンスＬ_aにより解消されるため、本実施形態のコモンモードチョークコイル１０は、依然として良好な高周波特性を有している。従って、本実施形態のコモンモードチョークコイル１０は、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２の巻数が多いのに対して、二次巻線１３の巻数が少ないという特徴を有し、さらに、二次巻線１３に第１のインダクタンスＬ_aが直列接続されているなどの特徴を有しているため、電磁干渉フィルター回路の小型化を実現することができるとともに、高い変換比を得ることができるため、電磁干渉フィルター回路に高いゲインを提供することが可能であり、しかも、良好な高周波特性を有している。

本実施形態において、第１の一次巻線１１の巻数Ｎ₁は、第２の一次巻線１２の巻数Ｎ₂と同じであってもよい。これにより、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２は、より効果的にコモンモード干渉を抑制することができる。

本実施形態において、図１に示すように、第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２とは、巻き方向が同じである。これにより、コモンモード干渉に対する抑制効果を発揮することができる。

本実施形態において、図１に示すように、コモンモードチョークコイル１０は、磁気コア１４をさらに備えてもよく、かつ、当該磁気コア１４には、第１の一次巻線１１、第２の一次巻線１２及び二次巻線１３が巻き付いてもよい。これにより、二次巻線１３は、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２と電磁カップリングすることができる。１つの実施例として、二次巻線１３の磁気コア１４における巻き位置は、第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２との間としてもよい。

本実施形態において、磁気コア１４はクローズ状に形成されてもよい。例えば、図１において、磁気コア１４は、クローズした環状になっている。但し、本実施形態は、これに限定されず、磁気コア１４をその他の形状としてもよい。例えば、磁気コア１４は、オープンした環状や、棒状などとしてもよい。

本実施形態において、第１のインダクタンスＬ_aは、中空コイル構造またはプリント基板を銅で覆った構造としてもよい。これにより、第１のインダクタンスＬ_aの占める空間が少なくなり、特に、第１のインダクタンスＬ_aはプリント基板を銅で覆った構造とした場合、当該第１のインダクタンスＬ_aは、余計な空間を占めることがないため、コモンモードチョークコイル１０を用いたフィルター回路のサイズを縮小することができる。

次に、本発明のコモンモードチョークコイル１０の回路モデルについて説明する。

本実施形態において、図１に示すように、第１の一次巻線１１、第２の一次巻線１２及び二次巻線１３のインダクタンス値は、それぞれＬ₁、Ｌ₂及びＬ_CTとしている。第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２とは、それぞれ主回路に接続されてもよい。当該主回路は、交流電源であってもよく、または、交流電源に接続されたラインインピーダンス安定化ネットワークであってもよい。

本実施形態におけるコモンモードチョークコイル１０は、信号検出とコモンモード干渉抑制との２つの機能を実現することが可能であり、以下、当該２つの機能についてそれぞれ等価回路を構築する。

まずは、信号検出機能の等価回路について説明する。

図１に示すように、同じ巻数を有する第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２が主回路に接続されており、コモンモードノイズ電流は、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２を流れて磁気コア１４で同じ方向の磁束を発生させることにより、二次巻線１３に信号が発生させ、同時に、ディファレンシャルモードノイズ電流によって発生する磁束は、互いに打ち消されるようになっている。

図２は、本実施形態におけるコモンモードチョークコイルの信号検出機能について構築された等価回路である。図２は、コモンモード信号検出原理に基づいて、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２に流れる電流を二次巻線１３に等価変換した簡易モデルである。ｎ²Ｃ_pは、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２の寄生容量Ｃ_pを二次巻線１３に換算した等価容量値である。Ｌ_CTは、二次巻線１３のインダクタンスである。Ｒ_CT及びＬ_aはそれぞれ二次巻線１３に接続されている第１の抵抗の抵抗値及び第１のインダクタンスのインダクタンス値である。

図２に示す簡易モデルに基づいて、信号検出に関する伝達関数Ｇ_CT（ｓ）を導き出すことができる。当該伝達関数は、以下の式１に示すようになっている。

また、図２において、ｎｉは、二次巻線１３で検出した電流信号を示しており、Ｖ_Rは、変換によって得られた電圧信号を示している。

次に、コモンモード干渉抑制機能の等価回路について説明する。

図３は、本実施形態のコモンモードチョークコイルのコモンモード干渉抑制機能について構築した等価回路である。

コモンモード干渉抑制機能を分析するため、コモンモード等価インピーダンスを得る必要がある。本実施形態のコモンモードチョークコイル１０の構造に基づいて、以下の（式２）を得ることができる。

式２において、Ｖ_i及びＩ_iは、該当の巻線の電圧及び電流であり、ｉ＝１，２，３。Ｍ_ij（ｉ，ｊ＝１，２，３，ｉ≠ｊ）は、２つの巻線同士の間の相互インダクタンスである。Ｌ₃は、図１中のＬ_CTに対応している。仮に、インダクタンスＬ₁とＬ₂とが同じであり、かつ対称に分布しており、３つの巻線１１、１２、１３は完全にカップリングしており、カップリング係数ｋは１である。上記条件に基づいて、図３の（ａ）に示す等価回路をデカップリング処理すると、図３の（ｂ）に示す等価回路を得ることができる。図３の（ｂ）は、図１のコモンモードチョークコイル１０の等価コモンモードインピーダンスＺ_CM1及びＺ_CM2を示している。理想的な状況では、Ｚ_CM1とＺ_CM2とは同じ値を有し、コモンモード干渉抑制機能を提供することができる。但し、Ｚ_CM1及びＺ_CM2は、それぞれ第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２の等価コモンモードインピーダンスを示している。

また、図３の（ａ）、（ｂ）において、点線上の矢印は、コモンモード電流の方向を示しており、Ｉ_CMは、等価コモンモード干渉電流源を示している。図１において、ｉ_CMはコモンモード干渉電流を示しており、点線矢印１０１は、コモンモード電流の方向を示している。

本実施形態の上記説明によれば、一次巻線の巻数が多いのに対して、二次巻線の巻数が少ないため、一次巻線がコモンモード干渉が抑制され、十分な検出信号が得られ、一次巻線および二次巻線が高い変換比を有するといった効果を獲得することができる。従って、パッシブフィルターとアクティブフィルターとを容易に統合することができるとともに、システムがより高いゲインを得ることができる。さらに、二次巻線にインダクタンスが直列接続されているため、検出端の位相シフト調整及びインピーダンス整合を実現することができるとともに、二次巻線の巻数が少ないことによる高周波寄生容量への不良影響を抑制して高周波特性を改善することができる。従って、本実施形態のコモンモードチョークコイルは、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルターの小型化を実現することができるだけでなく、良好な高周波特性および高いゲインを得ることもできる。

＜実施形態２＞
実施形態２は、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルター回路を提供する。当該電磁干渉フィルター回路は、実施形態１に記載のコモンモードチョークコイル１０を有している。

図４は、本実施形態の電磁干渉フィルター回路の構成を示す図である。図４に示すように、電磁干渉フィルター回路４０は、コモンモードチョークコイル１０と、オペアンプ４１と、電流注入ネットワーク４２とを備えている。

図４に示すように、コモンモードチョークコイル１０は、実施形態１に記載したコモンモードチョークコイルであり、実施形態１におけるコモンモードチョークコイル１０に関する説明が取り入れられる。

図４に示すように、コモンモードチョークコイル１０の第１の一次巻線１１の一端１１１は、インピーダンス安定化ネットワーク（ＬＩＳＮ）４００の第１の出力端４０１に接続され、第２の一次巻線１２の一端１２１は、インピーダンス安定化ネットワーク４００の第２の出力端４０２に接続され、第１の一次巻線１１の他端１１２および第２の一次巻線１２の他端１２２は、それぞれ用電設備３００の電力入力端３０１及び３０２に接続されている。

図４に示すように、オペアンプ４１は、２つの入力端４１１、４１２がコモンモードチョークコイル１０の二次巻線１３の両端にそれぞれ接続され、出力端４１３から補償信号を出力するように構成されている。なお、オペアンプ４１の出力端４１３と入力端４１１との間に帰還抵抗Ｒ_fが接続されている。ここで、入力端４１１は、例えばオペアンプ４１の同相入力端であり、入力端４１２は、例えばオペアンプ４１の逆相入力端である。

図４に示すように、１つの実施例として、オペアンプ４１の２つの入力端４１１、４１２は、それぞれ第３の抵抗Ｒ_g、第４の抵抗Ｒ_sを介して、コモンモードチョークコイル１０の二次巻線１３の上記両端に接続されている。

図４に示すように、電流注入ネットワーク４２は、第１の一次巻線１１の他端１１２と第２の一次巻線１２の他端１２２との間に直列接続された抵抗およびキャパシタを備えてもよい。当該電流注入ネットワーク４２は、オペアンプ４１の出力端４１３に接続され、当該出力端４１３から出力された補償信号に基づいて、第１の一次巻線１１および第２の一次巻線１２に電流を注入する。

図４に示すように、本実施形態において、電流注入ネットワーク４２は、順次に直列接続している第１のキャパシタＣ₁と、第２の抵抗Ｒ₁と、第３の抵抗Ｒ₂と、第２のキャパシタＣ₂とを備えてもよい。なお、オペアンプ４１の出力端４１３は、第２の抵抗Ｒ₁と第３の抵抗Ｒ₂との節点４２１に接続されている。

図４に示すように、本実施形態において、電磁干渉フィルター回路４０は、補償キャパシタＣ_fをさらに備えている。当該補償キャパシタＣ_fは帰還抵抗Ｒ_fと並列接続している。帰還抵抗Ｒ_fと並列接続している補償キャパシタＣ_fは、位相が進んでいる、電磁干渉フィルター回路４０の位相余裕を改善し、電磁干渉フィルター回路４０の開ループ周波数特性を変えることができる。そのため、電磁干渉フィルター回路４０のアクティブフィルタリング機能が安定して作動することが確保され、伝導電磁干渉の高減衰が実現される。

本実施形態において、図４に示すように、用電設備３００は、電磁干渉源であり、インピーダンス安定化ネットワーク（ＬＩＳＮ）４００は、電磁干渉フィルター回路４０の負荷として、標準の５０Ωのインピーダンスを提供するように構成されてもよい。電磁干渉フィルター回路４０は、パッシブ電磁干渉フィルターの部分およびアクティブ電磁干渉フィルターの部分を含む。なお、コモンモードチョークコイル１０の第１の一次巻線１１と第２の一次巻線１２は、等価コモンモードインピーダンスを有しているため、パッシブ電磁干渉フィルターとすることができる。アクティブ電磁干渉フィルターは、オペアンプ４１と、電流注入ネットワーク４２と、オペアンプ４１に接続された抵抗およびキャパシタとを含む。オペアンプ４１の出力端４１３は、電流注入ネットワークを介して、電流ｉ_c1、ｉ_c2を第１の一次巻線１１、第２の一次巻線１２に注入することにより、電磁干渉を抑制し、用電設備３００の電磁干渉による電力ネットワークへの影響を防止する。

本実施形態によれば、電磁干渉フィルター回路は、実施形態１に記載のコモンモードチョークコイルを備えているため、コモンモードチョークコイルの一次巻線を利用してコモンモード干渉を抑制することができるだけでなく、オペアンプを利用してアクティブフィルタリングを行うこともできる。したがって、本実施形態の電磁干渉フィルター回路は、小体積でパッシブ電磁干渉フィルター機能とアクティブ電磁干渉フィルター機能とのハイブリッド機能を実現することができ、良好な電磁干渉フィルタリング効果を得ることができる。また、コモンモードチョークコイルは、一次巻線の巻数が多いのに対して二次巻線の巻数が少なく、かつ、二次巻線にインダクタンスが直列接続されているため、良好な高周波特性および高いゲインを得ることができる。さらに、オペアンプの帰還抵抗は補償キャパシタＣ_fと並列接続して進み補償が形成されているため、電磁干渉フィルター回路の位相余裕が改善され、電磁干渉フィルター回路の開ループ周波数特性を変えることができる。

次に、シミュレーション結果を参照しながら、本実施形態の電磁干渉フィルター回路４０の安定性及びフィルタリング効果について説明する。

シミュレーションにおいて、振幅値が５Ｖ、周波数が１００ｋＨｚ、インピーダンスが５０Ωである方形波でノイズ源を模擬する。ただし、本実施形態のシミュレーションの条件は、これに限定されることがない。

シミュレーションにおいて、原ノイズのスペクトルの数値と電磁干渉フィルター回路４０に加えた後のノイズスペクトルの数値とを比較することにより、電磁干渉フィルター回路４０の挿入ロスを得ることができる。また、電磁干渉フィルター回路４０に加えた後のノイズスペクトルの状況に基づいて、システムが安定しているか否かを判断することができる。なお、原ノイズとは、電磁干渉フィルター回路４０に加える前の電磁干渉のノイズである。

まず、システムの安定化及びフィルタリング効果の最大化を確保することを目標として、コモンモードチョークコイルにおける各巻線のインダクタンス（即ち、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ_CT）、各巻線の巻数、抵抗Ｒ_CTの抵抗値、及び第１のインダクタンスＬ_aのインダクタンス値を設定する。そして、概略的に設計されたコモンモードチョークコイル１０を基に、電磁干渉フィルター回路４０における各素子のパラメータを設定して、シミュレーションを行う。次に、シミュレーション結果について説明する。

図５は、本実施形態の電磁干渉フィルター回路のフィルタリング効果を示すシミュレーション結果のグラフである。５０１は、原ノイズのスペクトルのピーク包絡線を示している。５０２は、本実施形態の電磁干渉フィルター回路に加えた後のノイズのスペクトルを示しており、当該電磁干渉フィルター回路は、帰還抵抗と並列接続している補償キャパシタＣ_fを備え、かつ、コモンモードチョークコイルの二次巻線に第１のインダクタンスＬ_aが直列接続されている。５０３は、第１の比較例である電磁干渉フィルター回路に加えた後のノイズのスペクトルを示しており、当該第１の比較例である電磁干渉フィルター回路は、帰還抵抗と並列接続している補償キャパシタＣ_fを備えているが、そのコモンモードチョークコイルの二次巻線に第１のインダクタンスＬ_aが直列接続されていない。５０４は、第２の比較例である電磁干渉フィルター回路に加えた後のノイズのスペクトルを示しており、当該第２の比較例である電磁干渉フィルター回路は、補償キャパシタＣ_fを備えていないが、そのコモンモードチョークコイルの二次巻線に第１のインダクタンスＬ_aが直列接続されている。また、図５において、横軸は周波数を示し、その単位がヘルツ（Ｈｚ）であり、縦軸はノイズ強度を示し、その単位がデシベルマイクロボルト（dBμV）である。

図５に示すシミュレーション結果により、次のことが判明された。

（１）電磁干渉フィルター回路に加えた後、ノイズのスペクトル５０２には、発振現象が現れていないことから、本実施形態の電磁干渉フィルター回路が高い安定性を有していることを示している。

（２）本実施形態の電磁干渉フィルター回路は、コモンモード電磁干渉を有効的に抑制することができる。例えば、１ＭＨｚ（１０⁶Ｈｚ）の周波数での原ノイズの強度が１００dBμVであるのに対して、電磁干渉フィルター回路に加えた後、スペクトル５０２に示すように、ノイズの強度が３０dBμVまで低減されている。即ち、本実施形態の電磁干渉フィルター回路は、電磁ノイズの強度を７０dBμV程度減衰させることができる。したがって、このシミュレーション結果は、本実施形態の電磁干渉フィルター回路の実現可能性及び実用性が検証された。

（３）周波数スペクトル５０２と周波数スペクトル５０３とを比較すれば分かるように、本実施形態のコモンモードチョークコイルの二次巻線に第１のインダクタンスＬ_aが直列接続されているため、フィルターのフィルタリング効果が明らかに改善され、特に、高周波領域において著しく改善されている。例えば、１ＭＨｚより大きい周波数領域においては、スペクトル５０２の強度が周波数の増加に伴って持続的に低下するのに対して、スペクトル５０３の強度が周波数の増加に伴って低下するが、低下の幅がスペクトル５０２より小さくなっている。したがって、スペクトル５０２の高周波特性がスペクトル５０３より優れていることが分かる。

（４）スペクトル５０２とスペクトル５０４とを比較すれば分かるように、本実施形態の電磁干渉フィルター回路は、補償キャパシタＣ_fを備えているため、フィルタリング特性も改善されている。具体的には、スペクトル５０２のノイズ強度は、全体的にスペクトル５０４のノイズ強度より低く、特に、高周波領域において著しく低くなっている。例えば、図５に示すように、周波数帯域５０５において、スペクトル５０４のノイズ強度が原ノイズ５０１の強度よりも高くなっており、そのため、補償キャパシタＣ_fがなければ、第１のインダクタンスＬ_aだけでは、高周波数帯においてフィルター回路でノイズを抑制することができず、逆にノイズを増強させることになる。

（５）スペクトル５０３とスペクトル５０４とを比較すれば分かるように、高周波領域において、スペクトル５０３のノイズ強度がスペクトル５０４のノイズ強度より低いが、低周波領域において、例えば図５中の周波数帯域５０６では、スペクトル５０３のノイズ強度がスペクトル５０４のノイズ強度より高くなっている。したがって、第１のインダクタンスＬ_aがなければ、補償キャパシタＣ_fだけでは、スペクトル５０３に示すように、フィルター回路の低周波領域におけるフィルタリング性能が低くなる恐れがある。

上述した図５におけるスペクトル５０２、５０３、５０４の比較によれば、本実施形態の電磁干渉フィルター回路は、補償キャパシタＣ_fと第１のインダクタンスＬ_aとを備えているため、フィルタリング性能（即ち、ノイズ抑制性能）が大幅に改善され、高周波領域及び低周波領域ともに良好なフィルタリング性能を有している。それに対して、電磁干渉フィルター回路は、補償キャパシタＣ_fおよび第１のインダクタンスＬ_aのうちの一方しか備えていない場合、高周波領域または低周波領域におけるフィルタリング性能が低くなり、ノイズが増強されるといった逆効果まで生じる恐れがある。また、本実施形態によれば、電磁干渉フィルター回路は、小体積でパッシブ電磁干渉フィルタリング機能とアクティブ電磁干渉フィルタリング機能とのハイブリッドを実現することができるので、良好な電磁干渉フィルタリング効果を得ることができるとともに、良好な高周波特性および高いゲインを有する。さらに、オペアンプの帰還抵抗に補償キャパシタＣ_fが並列接続されているため、電磁干渉フィルター回路の開ループ周波数特性が改善されている。

以上、具体的な実施形態に基づいて本発明について説明を行ったが、当業者であれば分かるように、これらの説明はすべて例示的なものであって、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。当業者は、本発明の精神及び原理に基づいて本発明について様々な変形及び改良を行うことができるが、これらの変形及び改良も本発明の範囲内に入るものである。

Claims (8)

1. 電磁干渉（ＥＭＩ）フィルター回路であって、
   第１の一次巻線と、第２の一次巻線と、二次巻線と、前記二次巻線の両端に直列接続された第１の抵抗（Ｒ_CT）及び第１のインダクタンス（Ｌａ）とを有し、前記二次巻線が前記第１の一次巻線及び前記第２の一次巻線と電磁カップリングし、前記第１の一次巻線の巻数が前記二次巻線の巻数よりも多く設定され、前記第２の一次巻線の巻数が前記二次巻線の巻数よりも多く設定され、前記第１の一次巻線の一端がインピーダンス安定化ネットワークの第１の出力端に接続され、前記第２の一次巻線の一端がインピーダンス安定化ネットワークの第２の出力端に接続され、前記第１の一次巻線の他端及び前記第２の一次巻線の他端がそれぞれ用電設備の電力入力端に接続されるように構成されたコモンモードチョークコイルと、
   ２つの入力端が前記コモンモードチョークコイルの前記二次巻線の両端にそれぞれ接続され、出力端から補償信号を出力し、前記出力端と前記入力端との間に帰還抵抗（Ｒ_f）が接続されるように構成されたオペアンプと、
   前記第１の一次巻線の前記他端と前記第２の一次巻線の前記他端との間に直列接続された抵抗とキャパシタとを含み、前記オペアンプの前記出力端に接続され、前記補償信号に基づいて前記第１の一次巻線および前記第２の一次巻線に電流を注入するように構成された電流注入ネットワークと、
   を備えていることを特徴とする、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルター回路。
2. 前記電磁干渉フィルター回路は、補償キャパシタ（Ｃ_f）をさらに備え、当該補償キャパシタ（Ｃ_f）が前記帰還抵抗（Ｒ_f）と並列接続していることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。
3. 前記電流注入ネットワークは、順次に直列接続している第１のキャパシタ（Ｃ₁）と、第２の抵抗（Ｒ₁）と、第３の抵抗（Ｒ₂）と、第２のキャパシタ（Ｃ₂）とを備え、
   前記オペアンプの前記出力端は、前記第２の抵抗（Ｒ₁）と前記第３の抵抗（Ｒ₂）との節点に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。
4. 前記オペアンプの前記２つの入力端は、それぞれ第３の抵抗（Ｒ_g）及び第４の抵抗（Ｒ_s）を介して前記コモンモードチョークコイルの前記二次巻線の前記両端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。
5. 前記第１の一次巻線の巻数が２以上に設定され、かつ、前記第２の一次巻線の巻数が２以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。
6. 前記第１のインダクタンス（Ｌ_a）が中空コイル構造またはプリント基板を銅で覆う構造であることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。
7. 前記第１の一次巻線の巻数が前記第２の一次巻線の巻数と同じであることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。
8. 前記コモンモードチョークコイルは、磁気コアをさらに備え、
   前記第１の一次巻線、前記第２の一次巻線、及び前記二次巻線は、前記磁気コアに巻き付いていることを特徴とする請求項１に記載の電磁干渉フィルター回路。

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