JP5993886B2 - ノイズフィルタ - Google Patents

Description

本明細書では、ノイズフィルタを開示する。

特許文献１に、電力変換器に接続されたケーブルに発生するコモンモード電圧を抑制するノイズフィルタが開示されている。そのノイズフィルタは、それぞれのケーブルに接続されており、コモンモード電圧を検出する検出用コンデンサと、検出用コンデンサで検出されたコモンモード電圧が入力端子に入力されるエミッタフォロワ回路と、エミッタフォロワ回路の出力端子の電圧をそれぞれのケーブルに逆位相で印加することで、それぞれのケーブルに補償電圧を印加するトランスを備えている。

特開２０１０−５７２６８号公報

トランスにより印加する補償電圧は、検出用コンデンサで検出されるコモンモード電圧に対して、ゲインが１（０ｄＢ）であり、位相が逆位相（１８０度）であることが望ましい。従来技術のノイズフィルタでは、高周波数帯域では、ゲインをほぼ１とし、位相をほぼ逆位相として、コモンモード電圧を適切に抑制することができる。しかしながら、一般的なエミッタフォロワ回路は、高周波数帯域では安定したゲイン特性および位相特性を有しているものの、低周波数帯域ではゲイン特性も位相特性も大きく変動してしまう。このため、従来技術のノイズフィルタでは、低周波数帯域において、適切にコモンモード電圧を抑制することが困難であった。

本明細書では、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、電力変換器に接続されたケーブルに発生するコモンモード電圧を抑制するノイズフィルタにおいて、低周波数帯域において適切にコモンモード電圧を抑制することが可能な技術を提供する。

本明細書が開示するノイズフィルタは、電力変換器に接続されたケーブルに発生するコモンモード電圧を抑制する。そのノイズフィルタは、それぞれのケーブルに接続されており、コモンモード電圧を検出する検出用コンデンサと、検出用コンデンサで検出されたコモンモード電圧が正入力端子に入力されるオペアンプと、入力端子がオペアンプの出力端子に接続されており、出力端子がオペアンプの正入力端子に接続されることなく負入力端子に接続されたエミッタフォロワ回路と、エミッタフォロワ回路の出力端子の電圧をそれぞれのケーブルに逆位相で印加することで、それぞれのケーブルに補償電圧を印加するトランスを備えている。

上記のノイズフィルタは、検出用コンデンサで検出されたコモンモード電圧がオペアンプを介してエミッタフォロワ回路に入力され、エミッタフォロワ回路の出力がオペアンプに負帰還されるように構成されている。このような構成とすることによって、エミッタフォロワ回路の低周波数帯域でのゲイン特性および位相特性の変動を補償することができる。高周波数帯域から低周波数帯域にいたるまで、ケーブルに発生するコモンモード電圧を適切に抑制することができる。

上記のノイズフィルタは、オペアンプに入力されるコモンモード電圧に対するエミッタフォロワ回路の出力電圧のゲインをαとしたときに、トランスの巻線比がα：１に調整されているように構成することができる。

エミッタフォロワ回路の出力をオペアンプに負帰還させる場合、オペアンプへ入力されるコモンモード電圧に対するエミッタフォロワ回路の出力電圧のゲインは、１よりも大きくなる。しかしながら、上記のように、トランスの巻線比を上記のゲインに応じて調整することで、検出用コンデンサで検出されるコモンモード電圧に対するトランスで印加される補償電圧のゲインをほぼ１（０ｄＢ）とすることができる。コモンモード電圧をより適切に抑制することができる。

上記のノイズフィルタは、エミッタフォロワ回路の出力端子とオペアンプの負入力端子の間を接続する第１の抵抗器と、オペアンプの負入力端子とオペアンプに電力を供給する電源の中性点の間を接続する第２の抵抗器をさらに備えるように構成することができる。

上記のノイズフィルタによれば、第１の抵抗器の抵抗値と第２の抵抗器の抵抗値の比率を調整することによって、オペアンプへ入力されるコモンモード電圧に対するエミッタフォロワ回路の出力電圧のゲインを調整して、エミッタフォロワ回路の低周波数帯域でのゲイン特性および位相特性を適切に向上させることができる。なお、オペアンプに電力を供給する電源の中性点が接地電位と等しい場合には、第２の抵抗器はオペアンプの負入力端子と接地電位の間を接続していてもよい。

上記のノイズフィルタは、ケーブルに設けられたコモンモードチョークコイルをさらに備えるように構成することができる。

上記のノイズフィルタでは、コモンモードチョークコイルが設けられていない場合に比べて、トランスで印加すべき補償電圧の大きさを小さくすることができ、トランスを小型化することができる。また、上記のノイズフィルタでは、コモンモードチョークコイルが設けられていない場合に比べて、検出用コンデンサで検出されるコモンモード電圧の大きさが小さくなるため、オペアンプおよびエミッタフォロワ回路に供給すべき電源電圧を低くすることができる。

上記のノイズフィルタは、それぞれのケーブルと接地電位の間を接続するＹコンデンサをさらに備えるように構成することができる。

上記のノイズフィルタでは、Ｙコンデンサが設けられていない場合に比べて、トランスで印加すべき補償電圧の大きさを小さくすることができ、トランスを小型化することができる。また、上記のノイズフィルタでは、Ｙコンデンサが設けられていない場合に比べて、検出用コンデンサで検出されるコモンモード電圧の大きさが小さくなるため、オペアンプおよびエミッタフォロワ回路に供給すべき電源電圧を低くすることができる。

上記のノイズフィルタは、Ｙコンデンサがダンピング抵抗を介して接地電位に接続されているように構成することができる。

上記のノイズフィルタによれば、Ｙコンデンサによるコモンモード電圧の抑制をより効果的に行うことができる。

実施例のノイズフィルタ２の回路構成を模式的に示す図である。 従来技術を適用したノイズフィルタ５２の回路構成を模式的に示す図である。 図１のノイズフィルタ２のゲイン特性および位相特性を示す図である。 図２のノイズフィルタ５２のゲイン特性および位相特性を示す図である。

（実施例）
図１は本願発明の一実施形態に係るノイズフィルタ２の回路構成を示している。本実施例のノイズフィルタ２は、商用系統の交流電源４に接続された電力変換器６の動作に起因して、商用系統側に発生するコモンモードノイズを抑制する。本実施例では、電力変換器６はＩＧＢＴ等のスイッチング素子を内蔵する電圧型ＰＷＭインバータであり、交流電源４から供給される交流電力を直流電力へ変換してバッテリ８へ供給する。

交流電源４にはＬＩＳＮ（Line Impedance Stabilization Network）１０が接続されており、ＬＩＳＮ１０と電力変換器６の間はケーブル１２を介して接続されている。ケーブル１２は、正極ケーブル１２ａと、負極ケーブル１２ｂを備えている。

正極ケーブル１２ａには、検出用コンデンサ１４ａの一端が接続されている。負極ケーブル１２ｂには、検出用コンデンサ１４ｂの一端が接続されている。検出用コンデンサ１４ａの他端と検出用コンデンサ１４ｂの他端は互いに接続されており、その接続箇所はオペアンプ１６の正入力端子に接続されている。

オペアンプ１６には、いずれも直流電源である第１電源１８および第２電源２０から電力が供給される。オペアンプ１６の正電源端子は、第１電源１８の正極に接続されている。オペアンプ１６の負電源端子は、第２電源２０の負極に接続されている。第１電源１８の負極は第２電源２０の正極に接続されている。第１電源１８の負極と第２電源２０の正極が接続されている箇所を、オペアンプ１６に電力を供給する電源の中性点ともいう。

オペアンプ１６の出力端子は、エミッタフォロワ回路２２の入力端子に接続されている。エミッタフォロワ回路２２は、コンプリメンタリなＮＰＮトランジスタ２２ａとＰＮＰトランジスタ２２ｂを備えるプッシュプル型のエミッタフォロワ回路である。エミッタフォロワ回路２２には、第１電源１８および第２電源２０から電力が供給される。

エミッタフォロワ回路２２の出力端子は、直列に接続された抵抗器２４ａ，２４ｂを介して、第１電源１８の負極と第２電源２０の正極の接続箇所に接続されている。抵抗器２４ａと抵抗器２４ｂの接続箇所は、オペアンプ１６の負入力端子に接続されている。すなわち、本実施例のノイズフィルタ２は、エミッタフォロワ回路２２の出力が、オペアンプ１６に負帰還するように構成されている。

ケーブル１２の検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂの接続箇所よりも交流電源４側には、補償電圧を印加するトランス２６が設けられている。トランス２６は、単一のコアに巻き付けられた一次側コイル２８と、二次側コイル３０ａ，３０ｂを備えている。一次側コイル２８は、二次側コイル３０ａ，３０ｂとは逆向きに巻き付けられており、二次側コイル３０ａ，３０ｂには一次側コイル２８に印加される電圧とは逆位相の電圧が印加される。一次側コイル２８の一端は、エミッタフォロワ回路２２の出力端子に接続されており、一次側コイル２８の他端は、第１電源１８の負極と第２電源２０の正極の接続箇所に接続されている。二次側コイル３０ａは、正極ケーブル１２ａに組み込まれている。二次側コイル３０ｂは、負極ケーブル１２ｂに組み込まれている。

ケーブル１２の検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂの接続箇所よりも電力変換器６側には、コモンモードチョークコイル３２が設けられている。コモンモードチョークコイル３２は、単一のコアに反対向きに巻き付けられた正極コイル３２ａと負極コイル３２ｂを備えている。正極コイル３２ａは正極ケーブル１２ａに組み込まれている。負極コイル３２ｂは負極ケーブル１２ｂに組み込まれている。コモンモードチョークコイル３２は、正極コイル３２ａと負極コイル３２ｂにコモンモード電圧が発生したときに、そのコモンモード電圧を抑制する。

ケーブル１２の検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂの接続箇所とコモンモードチョークコイル３２の間には、フィルタ回路３４が設けられている。フィルタ回路３４は、一端が接地電位に接続されたダンピング抵抗器３６と、正極ケーブル１２ａとダンピング抵抗器３６の他端の間に接続されたＹコンデンサ３８ａと、負極ケーブル１２ｂとダンピング抵抗器３６の他端の間に接続されたＹコンデンサ３８ｂと、正極ケーブル１２ａと負極ケーブル１２ｂの間に接続されたＸコンデンサ４０を備えている。Ｙコンデンサ３８ａ，３８ｂとダンピング抵抗器３６は、正極ケーブル１２ａと負極ケーブル１２ｂにコモンモード電圧が発生したときに、そのコモンモード電圧を抑制する。Ｘコンデンサ４０は、正極ケーブル１２ａと負極ケーブル１２ｂの間にディファレンシャルモード電圧が発生したときに、そのディファレンシャルモード電圧を抑制する。

ノイズフィルタ２の動作について説明する。電力変換器６のスイッチング動作に起因してケーブル１２に発生するコモンモード電圧は、コモンモードチョークコイル３２で抑制され、さらにフィルタ回路３４で抑制される。コモンモードチョークコイル３２およびフィルタ回路３４で抑制されたコモンモード電圧は、検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂで検出されて、オペアンプ１６，エミッタフォロワ回路２２を介して、トランス２６の一次側コイル２８に印加される。その結果、トランス２６の二次側コイル３０ａ，３０ｂのそれぞれに補償電圧が印加されて、ケーブル１２のコモンモード電圧が相殺される。なお、本実施例のノイズフィルタ２では、オペアンプ１６の正入力端子からエミッタフォロワ回路２２の出力端子へのゲインαは、抵抗器２４ａの抵抗値をＲ１、抵抗器２４ｂの抵抗値をＲ２とすると、α＝１＋Ｒ１／Ｒ２であり、１よりも大きい。このため、トランス２６における一次側コイル２８と二次側コイル３０ａ，３０ｂの巻線比をα：１とすることで、検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂで検出されるコモンモード電圧と同じ大きさで逆位相の補償電圧を印加することができる。

図２には、比較例として、従来技術を適用したノイズフィルタ５２を示す。図２のノイズフィルタ５２では、図１のノイズフィルタ２と異なり、ケーブル１２にコモンモードチョークコイル３２およびフィルタ回路３４が設けられていない。また、図２のノイズフィルタ５２では、図１のノイズフィルタ２と異なり、エミッタフォロワ回路２２の出力を負帰還するオペアンプ１６が設けられておらず、検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂで検出されるコモンモード電圧がエミッタフォロワ回路２２の入力端子に直接入力される。

図３は図１に示すノイズフィルタ２のゲイン特性および位相特性を示している。図４は図２に示すノイズフィルタ５２のゲイン特性および位相特性を示している。図３および図４は、検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂで検出されるコモンモード電圧を入力とし、トランス２６で二次側コイル３０ａ，３０ｂに印加される補償電圧を出力とした場合の、ゲインおよび位相を示している。図４に示すように、図２に示す従来技術のノイズフィルタ５２は、高周波数帯域では、ゲインがほぼ１（０ｄＢ）であり、位相がほぼ逆位相（１８０度）であり、コモンモード電圧を適切に抑制することができる。しかしながら、低周波数帯域では、ゲインは１から大きく離れて変動し、位相も逆位相から大きく離れて変動しており、コモンモード電圧を適切に抑制することができない。これは、エミッタフォロワ回路２２の周波数特性に起因している。エミッタフォロワ回路２２で使用するトランジスタのベース／エミッタ間の容量特性によっては、電力変換器６のスイッチング動作の周波数帯域（すなわちコモンモード電圧の周波数帯域）において、コモンモード電圧を適切に抑制することができなくなってしまう。

これに対して、図３に示すように、図１に示す本実施例のノイズフィルタ２では、高周波数帯域から低周波数帯域にいたるまで、ゲインはほぼ１（０ｄＢ）で安定しており、位相もほぼ逆位相（１８０度）で安定している。これは、エミッタフォロワ回路２２の出力をオペアンプ１６に負帰還させることで、エミッタフォロワ回路２２の低周波数帯域でのゲイン特性および位相特性の変動を補償しているためである。図１に示す本実施例のノイズフィルタ２によれば、高周波数帯域から低周波数帯域にいたるまで、コモンモード電圧を適切に抑制することができる。

本実施例のノイズフィルタ２は、正極ケーブル１２ａと接地電位の間を接続するＹコンデンサ３８ａと、負極ケーブル１２ｂと接地電位の間を接続するＹコンデンサ３８ｂを備えている。これにより、正極ケーブル１２ａと負極ケーブル１２ｂに発生するコモンモード電圧を抑制することができる。また、本実施例のノイズフィルタ２は、Ｙコンデンサ３８ａ，３８ｂがダンピング抵抗器３６を介して接地電位に接続している。これにより、正極ケーブル１２ａと負極ケーブル１２ｂに発生するコモンモード電圧をより効果的に抑制することができる。

本実施例のノイズフィルタ２は、コモンモードチョークコイル３２を備えている。これにより、正極ケーブル１２ａと負極ケーブル１２ｂに発生するコモンモード電圧を抑制することができる。

本実施例のノイズフィルタ２では、コモンモードチョークコイル３２やフィルタ回路３４によってコモンモード電圧が抑制されている。このため、コモンモードチョークコイル３２やフィルタ回路３４が設けられていない場合に比べて、トランス２６で印加すべき補償電圧の大きさを小さくすることができ、トランス２６を小型化することができる。また、コモンモードチョークコイル３２やフィルタ回路３４が設けられていない場合に比べて、検出用コンデンサ１４ａ，１４ｂで検出されるコモンモード電圧の大きさが小さくなるため、オペアンプ１６およびエミッタフォロワ回路２２に供給すべき電源電圧を低くすることができ、第１電源１８および第２電源２０を小型化することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ノイズフィルタ
４ 交流電源
６ 電力変換器
８ バッテリ
１０ ＬＩＳＮ
１２ ケーブル
１２ａ 正極ケーブル
１２ｂ 負極ケーブル
１４ａ，１４ｂ 検出用コンデンサ
１６ オペアンプ
１８ 第１電源
２０ 第２電源
２２ エミッタフォロワ回路
２２ａ ＮＰＮトランジスタ
２２ｂ ＰＮＰトランジスタ
２４ａ，２４ｂ 抵抗器
２６ トランス
２８ 一次側コイル
３０ａ，３０ｂ 二次側コイル
３２ コモンモードチョークコイル
３２ａ 正極コイル
３２ｂ 負極コイル
３４ フィルタ回路
３６ ダンピング抵抗器
３８ａ，３８ｂ Ｙコンデンサ
４０ Ｘコンデンサ
５２ ノイズフィルタ

Claims (6)

1. 電力変換器に接続されたケーブルに発生するコモンモード電圧を抑制するノイズフィルタであって、
   それぞれのケーブルに接続されており、コモンモード電圧を検出する検出用コンデンサと、
   検出用コンデンサで検出されたコモンモード電圧が正入力端子に入力されるオペアンプと、
   入力端子がオペアンプの出力端子に接続されており、出力端子がオペアンプの正入力端子に接続されることなく負入力端子に接続されたエミッタフォロワ回路と、
   エミッタフォロワ回路の出力端子の電圧をそれぞれのケーブルに逆位相で印加することで、それぞれのケーブルに補償電圧を印加するトランスを備えているノイズフィルタ。
2. オペアンプに入力されるコモンモード電圧に対するエミッタフォロワ回路の出力電圧のゲインをαとしたときに、トランスの巻線比がα：１に調整されている、請求項１のノイズフィルタ。
3. エミッタフォロワ回路の出力端子とオペアンプの負入力端子の間を接続する第１の抵抗器と、
   オペアンプの負入力端子とオペアンプに電力を供給する電源の中性点の間を接続する第２の抵抗器をさらに備える、請求項１または２のノイズフィルタ。
4. ケーブルに設けられたコモンモードチョークコイルをさらに備える、請求項１から３の何れか一項のノイズフィルタ。
5. それぞれのケーブルと接地電位の間を接続するＹコンデンサをさらに備える、請求項１から４の何れか一項のノイズフィルタ。
6. Ｙコンデンサがダンピング抵抗を介して接地電位に接続されている、請求項５のノイズフィルタ。

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