JP3354939B2 - 力率訂正回路のためのダンピングされたemi入力フィルタ - Google Patents
力率訂正回路のためのダンピングされたemi入力フィルタInfo
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Description
電磁干渉(EMI)入力フィルタに関し、更に詳しくは、
インピーダンス・ダンピング回路を用いるPFC回路のた
めのEMI入力フィルタに関する。
ィルタの設計は、ますます重要になってきている。これ
は、少なくとも部分的には、EMIによる妨害に対する電
力線の感度の上昇が原因であり、更に重要なことである
が、政府及び産業界によって課されているEMI及びPFCの
基準(標準)が厳格になったことにも起因している。パ
ワー・エレクトロニクス技術の急速な発展によって、ス
イッチング・パワー・コンバータの大きさは、ますます
小型化してきている。しかしながら、不都合なことに、
比較的高電力のPFC回路ではコンバータの重量及び体積
の大部分を占める入力フィルタのサイズに関しては、小
型化が十分になされていない。
足するように設計されなければならない。第1に、EMI
入力フィルタは、予め設定されたガイドラインの範囲内
にあるスイッチング・ノイズの減衰を提供しなければな
らない。このガイドラインは、典型的には、例えば、VD
E0871、FCC、Mil.Std.461CなどのEMI制御基準によって
定められている。ほとんどの基準では、非常に低いEMI
レベルが要求され、従って、60kHzレンジでの通常の1KW
/10kWコンバータのスイッチングに対して要求されるス
イッチング周波数減衰は、コンバータのパワーと幾何学
的配置(トポロジ)にも左右されるが、60〜120dBの間
である。
タ入力電圧と電流との間の入力偏位角が小さくなければ
ならない(すなわち、力率がほぼ1でなければならな
い)。図1Aには、単純なLCネットワーク入力フィルタを
備えたPFCコンバータの概略図が示されている。図1Bに
は、このシステムの電流と電圧との位相図が示されてい
る。典型的なPFC回路は、コンバータ電流iaとコンバー
タ電圧vaとが同相になるように動作する。ライン周波数
では入力フィルタのインダクタLの両端での電圧降下は
非常に小さいので、コンバータの入力における電圧は、
ライン電圧vAとほぼ等しい。電圧vaによって、無効電流
icがフィルタ・コンデンサCを流れる。ラインから得ら
れる全体の電流iAは、従って、入力電圧に対して、角度
θだけ位相がシフトしており、その結果、力率を低下さ
せてしまう。電圧及び電流の振幅をそれぞれVm及びImで
表すとき、vaとiaとが va=vA=Vmcosωt ia=Imcosωt (1) によって与えられる場合には、図1における入力電流IA
は、次のようになる。
け先行している。
で、高い入力偏位ファクタ(IDF)を維持するために
は、キャパシタのサイズは最小でなければならない。な
お、入力偏位ファクタIDFは、IDF≡cosθと定義され
る。これは通常、フィルタのキャパシタの上限の値に変
換することができ、数式(3)より、次のように表すこ
とができる。
フィルタにおけるすべてのキャパシタンスの和の上限を
表すものである。キャパシタのサイズの制限は、PFC回
路のフィルタ設計に大きく影響する。要求される減衰仕
様を満たすためには、フィルタのインダクタのサイズは
大きくなり、その結果として、フィルタ全体的のサイズ
が大きくなる、dc−dcコンバータ・フィルタにおいて通
常用いられるフィルタ・ダンピング方法は、用いること
ができない。フィルタのキャパシタンス全体によって決
定される入力フィルタの出力インピーダンスは、更に制
御が困難であり、結果として、コンバータを潜在的に不
安定にしてしまう。
ことは許されない。これにより、入力フィルタとコンバ
ータとの間のインピーダンスの相互作用を制御すること
につながる。一般的に、フィルタの出力インピーダンス
は、コンバータの入力インピーダンスと比較して、可能
な限り低くあるべきである。フィルタ制御インピーダン
スは、フィルタのキャパシタのサイズを大きくすること
によって、小さくすることができる。インピーダンスの
相互作用を制約することによって、フィルタのキャパシ
タ値の下限が実際に決定される。フィルタの出力インピ
ーダンスを低く保ちシステム全体の安定性を実現するた
めには、フィルタのポール(極;pole)が適切にダンピ
ングすることが、非常に重要である。以下に論じるよう
に、PFC入力フィルタにおいて用いられるダンピング方
法は、dc−dcコンバータのフィルタにおいて用いられる
ものとは、やや異なっている。
回路においては、高いストップ・バンド伝達特性を有す
る高次のフィルタが用いられなければならない、という
ことである。そのような特性を有するフィルタを用いる
ことにより、フィルタの折点周波数(corner frequenc
y)に対するスイッチング周波数の比が比較的低いフィ
ルタの設計が可能になり、それによって、フィルタの素
子値とフィルタのサイズとを小さくできる。
て、カウア−チェビシェフ(Cauer−Chebyshev:CC)形
のフィルタが知られている。このフィルタは、また、楕
円積分フィルタとしても知られている。正規化された素
子値を有する2段のCCフィルタと、典型的な減衰特性と
が、図2A及び図2Bにそれぞれ示されている。図2Aに示さ
れたCCフィルタは、単相又は3相のPFCシステムのいず
れかにおいて、用いることができる。3相のシステムで
は、図2Aのフィルタは、ライン(線)とニュートラル
(中立)点との間に接続されたパーフェーズ(per−pha
se)フィルタになる。
ング方法が示されている。図3Aに示されたダンピング方
法は、典型的には、dc−dcコンバータで用いられてい
る。しかしながら、この方法は、交流電力コンバータに
は応用できず、その理由は、ダンピング抵抗Rdがその作
用効果を奏するためには、Rdと直列に接続されているキ
ャパシタが、フィルタの他方のキャパシタよりも、少な
くとも10倍大きくなければならないからである。これに
よって、典型的には、並列のR−Cダンピング分岐を流
れる交流電流に起因する、ライン周波数でのダンピング
抵抗の過剰な消費(dissipation)が生じてしまう。
いる。この方法によって、過剰な抵抗での消費が回避さ
れるので、交流電力コンバータでのフィルタにおいて、
広く用いられている。この方法の短所は、並列のR−L
分岐10が高周波電流に対する代替的な経路を提供し、従
って、フィルタの高周波減衰能力を損なってしまう点で
ある。このダンピング方法を使用すると、極めて大きな
フィルタ素子を用いることなってしまうが、その理由
は、高周波減衰特性を満足するためには、フィルタは通
常、他のフィルタと比べて50%以上の余分な設計が必要
になるからである。
タの減衰特性を与え、低電力の電子回路において広く用
いられている。しかし、この方法は、ダンピング抵抗Rd
における電力消費が大きいので、パワー・エレクトロニ
クス回路では、用いることができない。
S)の入力段で通常用いられる力率訂正(PFC)回路のた
めの、ダンピングされたEMI入力フィルタを提供するこ
とである。
用の安価なEMI入力フィルタを提供することである。
干渉(EMI)フィルタの能動的ダンピング回路が提供さ
れ、この回路により、感知されたライン電流に従って能
動的に変動するライン・ダンピング・インピーダンスの
シミュレーションを実行する。この能動的ダンピング回
路は、電力演算増幅器と高周波絶縁変圧器とを用いてシ
ミュレートされた入力直列ダンピング・インピーダンス
(Rd)を有するn次のカウア−チェビシェフ形のローパ
スフィルタを有している。このシミュレートされたダン
ピング・インピーダンスによれば、典型的にはダンピン
グのために大きなインピーダンス素子を必要とする従来
技術による能動的回路と比較して、サイズと電力の散逸
とを、著しく減少させることができる。
は、ダンピング抵抗と並列の別の誘導電流の経路が与え
られ、それによって、低周波の電流はこの別の電流経路
を流れ、高周波の電流はそのままダンピング抵抗を流れ
るように、分流される。このようにして、ダンピング抵
抗のダンピング動作は、低周波では弱められ、高周波で
は影響を受けずにそのまま維持されることになる。
以下の本発明の好適実施例の詳細な説明から、添付の図
面を参照することによって、より良く理解されよう。
を示す図である。
相(phasor)図である。
び典型的なフィルタ減衰グラフである。
路である。
ール・ダンピング回路である。
路である。
回路に対するインピーダンス特性図である。
る3つの例示的なフィルタである。
とを比較する伝達関数の図である。
の入力フィルタとして用いられる新規な能動的フィルタ
が示されており、このフィルタは、高周波において抵抗
のダンピング作用に影響を与えることなく、図3Cに示し
た回路において生じるダンピング抵抗の電力消費が大き
くなるという問題点を解消する。これは、インダクタLp
を通る代替的なライン電流経路12を提供することによっ
て、達成される。比較的低周波の電流はこの代替的な電
流経路を流れ、一方、比較的高周波の電流はそのままダ
ンピング抵抗を流れる。このダンピング方法の主な短所
は、fd=R/(2πL)によって与えられるダンピング・
ネットワークのコーナー(折点)周波数が、フィルタ・
ポールの最も低い周波数よりも極めて小さくしなければ
ならない点である。この必要条件により、通常インダク
タLdの値が大きくなる。しかしながら、それよりも小さ
なインダクタのサイズを設計上で想定している場合に
は、能動的インピーダンス・シミュレーション方式が用
いられる。
接続されているRd及びLdを、n次のカウア/チェビシェ
フ(CC)形のローパスフィルタに代えた能動的ダンピン
グ回路が示されている。入力直列ダンピング・インピー
ダンス、すなわちRd及びLdは、パワー演算増幅器20と2
つの高周波絶縁変成器とによって、実現されている。図
4Aでは、第1の変成器はT1として、第2の変成器はT2と
して示している。T1の一次巻線は、ライン22を流れる電
流を感知するのに用いられ、その二次巻線は、演算増幅
器20に接続されている。T1によって感知された低周波の
電流成分は、インダクタLを介して接地されるようにバ
イパスされる。高周波の電流成分は、キャパシタCと抵
抗Rとを流れ、演算増幅器20の出力に電圧を発生する。
高周波の電圧vdは、ライン電流に比例し、vd=R(I/
n1)となる。ただし、n1は、T1の巻数である。この電圧
は、変成器T2の二次巻線の両端に印加され、それによっ
て、一次巻線での有効抵抗は、次のようになる。
高く、かつ、最も低い入力フィルタのポール(極)周波
数よりもはるかに低く、設定されなければならない。L
と並列の抵抗R'は、L及びCによって形成された共振回
路にダンピングを与えるものである。T1から見た理論的
なインピーダンス特性Z(f)は、図4Bのグラフに示さ
れている。このグラフは、ライン周波数における低損失
の誘導特性と、フィルタのポールに近い周波数における
抵抗性の性質とを示している。本発明による能動回路で
は、受動的ダンピング回路としての実現例と比較して、
サイズを著しく小さくできる。この回路によって処理さ
れる電力は、典型的には、コンバータの全体の電力の0.
1%よりも少ない。
パス入力フィルタの素子値を計算する方法は、以下のよ
うに実行される。
容されるEMI電圧(Vemi)を決定しなければならない。V
emiは、典型的には、コンバータ電流Ilineによる抵抗R
line(ライン・インピーダンス安定化ネットワーク)上
での電圧降下として、特定される。
swを、決定しなければならない。これは、分析的に、又
は、実験的行われる。
minは、次の通りである。
る。この制約条件は、典型的には高いラインで部分的な
負荷であるライン電圧Vline及び電流Ilineの条件の下で
の望ましい最小のIDFとして、選択される。
て、全体の最大フィルタ・キャパシタンスを計算する。
バータが負荷のない条件(K2=∞)で動作していると想
定して、フィルタの次数を選択する。この選択は、A.I.
Zverevによる“Handbook of Filter Synthesis"(19
67)に記載されているようなフィルタ次数のノモグラフ
を用いるか、又は、フィルタ・テーブルを用いて、行
う。この文献は、本明細書において援用している。この
ステップには、いくらかの自由度がある。比較的高次の
フィルタは、比較的低次のものよりも小型になる。
ルタ・パラメータを正規化する。
る。
波数であり、Ωsは、図2Bで定義されている。このよう
にして計算された基準周波数を用いると、フィルタの伝
達関数の最初のノッチ周波数は、スイッチング周波数よ
りも20%低くなる。スイッチング周波数は、遷移領域
(transition region)から十分に離れた位置に配置す
ることが重要であり、それにより、フィルタの素子値が
どのように変動しても、スイッチング周波数におけるそ
の減衰特性にそれほど影響しなくなる。
規化を解く(デノーマライズ)する。
算増幅器の電圧容量及び電流容量とに従って、選択す
る。Rを、数式(5)を用いて計算する。T1の磁化イン
ダクタンスをLとして用い、Cを、 がライン周波数よりもはるかに高く最も低いフィルタの
ポール(極)周波数よりもはるかに低くなるように、計
算する。
zでの3相バック(buck)整流器スイッチング)は、次
のように設計される。
って設計される。この仕様によると、Rlisn=50Ωで100
kHzでのスイッチング・ノイズはVemi=74dBμVを超え
てはならない。
は、Amin=80dBが必要になる。
0.94以上であることが要求される。
択される。
erevによるハンドブックの200〜201ページに示されてい
るように、Ωs=4.46、L′1=1.11、L′2=0.03、
L′3=1.96、C′2=1.36、C′4=1.25である。
メータは、L1=17μF、L2=0.5μF、L3=30μF、C2
=C4=17μFである。
実現され、それにより、R=4.3kΩとなる。インダクタ
ンスの値は、L=16mHに選択されるが、これは、実際、
T1の磁化インダクタンスである。最も低いフィルタ・ポ
ールが5kHzの位置にあるので、L−C折点周波数は、1k
Hzに選択され、これにより、C=1.5μFが得られる。
このダンピング方式は、PA26パワー演算増幅器を用いて
実現される。
示されている。説明された手順は、任意の次数のフィル
タの設計にも適用できる。この実例の仕様を満たす入力
フィルタの3段の実現例が、図5Bに示されている。これ
らの2段及び3段のフィルタは、フィルタの段数を増や
すことによってフィルタ全体のサイズを小さくできるこ
とを示している。
−Lダンピング方法を用いるように設計された3段のフ
ィルタを示している。このフィルタにおける全体のイン
ダクタンスは、能動的にダンピングされたフィルタの場
合の僅か18μHと比較して、60μH程度である。インダ
クタのサイズを削減することにより、フィルタのサイズ
を著しく小さくすることができ、同時に、フィルタの出
力インピーダンスも減少されるので、システム全体の安
定性が向上する。
テストを実行した。図6には、実現されたフィルタの測
定された伝達関数が示され、1.7Ωの直列抵抗だけを用
いて受動的にダンピングがなされており(図3Cに示され
た回路)、また、能動的なダンピングを伴うフィルタの
伝達関数も示されている。これは、能動的な方式によれ
ば、理想的なフィルタの伝達関数に影響せずに、要求さ
れるダンピングが得られることを示している。
がダンピングされていない、すなわち、能動的ダンピン
グ回路がオフ状態である場合の大信号過渡状態の下での
ダンピング回路の性能を示している。フィルタは、1Aの
矩形波電流の遷移状態で動作しているコンバータに接続
されている。高周波の振動が、ダンピングされていない
5kHzのフィルタ・ポールから発生する。図7Bは、本発明
による能動的ダンピング回路が動作している場合の同じ
電流を示している。図7Cには、演算増幅器の出力電圧
(図4Aのvd)が示されている。フィルタ電流の中に大き
な60Hzの電流成分がある場合でも、電圧vdに含まれる60
Hzの成分は、非常に小さいことがわかる。
が、当業者であれば、本発明が、次に掲げる請求の範囲
の思想と範囲の中での修正を伴う実現も可能であること
を理解するであろう。
Claims (4)
- 【請求項1】電源の入力フィルタのための能動的ダンピ
ング回路において、 演算増幅器と、 前記演算増幅器をフィルタ入力ラインに接続する第1の
絶縁変成器であって、前記演算増幅器の入力端子にキャ
パシタを介して接続された第1の巻線と、前記フィルタ
入力ラインにおけるライン電流を感知する第2の巻線と
を有する第1の絶縁変成器と、 前記演算増幅器の出力端子に接続された第1の巻線と、
前記ライン電流に比例する電圧を前記フィルタ入力ライ
ン上の2つの点の間に印加してインピーダンスのシミュ
レーションを行う第2の巻線とを有する第2の絶縁変成
器と を備えていることを特徴とする能動的ダンピング回路。 - 【請求項2】請求項1記載の能動的ダンピング回路にお
いて、 前記第1の絶縁変成器においては、前記第1の巻線は二
次巻線であり、前記第2の巻線は一次巻線であり、 前記第2の絶縁変成器においては、前記第1の巻線は一
次巻線であり、前記第2の巻線は二次巻線である ことを特徴とする能動的ダンピング回路。 - 【請求項3】請求項2記載の能動的ダンピング回路にお
いて、該回路はさらに、 前記第1の絶縁変成器の前記二次巻線と前記キャパシタ
との接続点に接続された第1の抵抗と、 前記第1の抵抗と並列接続されたインダクタと、 前記演算増幅器の出力端子と前記入力端子との間の帰還
経路に接続された第2の抵抗と を備えていることを特徴とする能動的ダンピング回路。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の能動的ダ
ンピング回路において、該回路は、カウアーチェビシェ
フ形フィルタの入力に直列接続されることを特徴とする
能動的ダンピング回路。
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