JPH04251557A - スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング装置自身
から発生してＡＣ電源のラインに伝導・流出するノイズ
（伝導ノイズ）を抑制するノイズフィルタを備えたスイ
ッチング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、スイッチング装置１０と、これ
に接続される交流電源２を示す図である。本明細書では
、スイッチング装置１０として、スイッチング電源を例
にとって説明する。同図において、スイッチング装置１
０の端子Ｐ１，Ｐ２間には、交流電源２（例えば商用電
源）から低周波電圧が加えられ、Ｇ端子はアースされる
。このスイッチング装置１０は、ラインを伝搬する高周
波ノイズを除去するノイズフィルタ６と、ノイズフィル
タ６を経た低周波電圧を整流する例えばダイオードブリ
ッジで構成される整流器Ｄ１と、平滑用コンデンサＣ２
と、この平滑用コンデンサＣ２の出力を導入し直流ライ
ンを伝搬する高周波ノイズを除去するノイズフィルタ７
と、ノイズフィルタ７の出力を更に平滑するコンデンサ
Ｃ１と、コンデンサＣ１からの直流電圧をスイッチング
し別の値の直流電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコン
バータ１とで構成される。

【０００３】スイッチング電源１０の主な動作は、ＤＣ
／ＤＣ　コンバータ１で行われるので、ここの部分の動
作を簡単に説明する。コンデンサＣ１の平滑電圧をＤＣ
／ＤＣ　コンバータ１内にあるトランスの１次巻線に加
え、このトランスの２次巻線に発生した電圧を整流する
。そしてこの整流電圧と設定電圧Ｖｒ（図示せず）を比
較し、整流電圧が設定電圧Ｖｒと等しくなるように、ト
ランスの１次巻線に流れる電流をオン・オフ制御するも
のである。以上の動作を経てスイッチング電源１０の出
力端子Ｐ３，Ｐ４から設定電圧Ｖｒと等しい安定化され
た直流電圧が出力される。

【０００４】スイッチング電源１０はその動作原理上、
ノイズを発生しやすい問題がある。即ち、トランスの１
次巻線に流す電流を高い周波数（例えば、８０ＫＨｚ）
でスイッチングする際、高周波のノイズが発生し、これ
が交流電源２側へ流出し、この交流電源２へ接続される
他の電子機器へ悪影響を与える。このため、スイッチン
グ電源１０に限らず、このようにノイズを発生する電子
装置に対しては、ドイツのＶＤＥ　規格のように、ノイ
ズの発生量を法律的に規制している。このため、図２に
示すようにノイズフィルタ６，７を設け、交流電源２側
に伝導・流出していくノイズ（及び流入するノイズ）を
押さえるような対策をとっている。

【０００５】従来のノイズ対策を説明する。（ａ）　対
策１は、図２のノイズフィルタ６の部分へコモンモード
ノイズ電流とノーマルモードノイズ電流の両方を除去で
きるノイズフィルタ（例えば図３のノイズフィルタ）を
使用し、図２のノイズフィルタ７は省略する。スイッチ
ング装置１０が小容量の時にこの対策１がとられる。 （ｂ）　対策２は、対策１に加えて図２のノイズフィル
タ７の部分にコモンモードノイズ電流を特によく除去で
きるノイズフィルタ（例えば図４のノイズフィルタ）を
用いる。つまりフィルタを２個用いる。スイッチング装
置１０が大容量の時にこの対策２がとられる。その理由
は、この場合、大電流が流れるが、２個にコモンモード
チョークコイルＬ１，Ｌ２を分割しているので負担を分
けることができ、製作が容易になるからである。 （ｃ）　対策３は、図２のノイズフィルタ６を省略し、
図２のフィルタ７の部分へ図４のノイズフィルタのみを
用いる。

【０００６】これら従来の対策は、どれも問題があるの
で順次説明する。対策３の問題から先に説明する。対策
３で用いるノイズフィルタは、コモンモードチョークコ
イルＬ２と、接続点がアースされた２個のコンデンサＣ
Ｙ４，ＣＹ５　で構成されたものである。一般に、ライ
ンを伝搬するノイズには、アースを通過してラインに入
り込みこの２本のラインを同一方向へ流れて発生源に戻
るコモンモードノイズ電流と、２本のラインを往復する
ように流れるノーマルモードノイズ電流とが存在する。 この図４のノイズフィルタは、コモンモードノイズ電流
を低減するには顕著な効果が有るが、ノーマルモードノ
イズ電流の低減に対しては効果が小さい。この理由は、
後述する対策１，２の問題点の説明で明らかとなる。従
って、対策３では、スイッチング装置１０が発生するノ
ーマルモードノイズ電流を交流電源２側へ流出させ、ま
た、交流電源２側からスイッチング装置１０へ入り込む
ノーマルモードノイズ電流を防ぐことができない。

【０００７】次に、対策１と対策２の問題を説明する。 対策１と対策２はどちらも図２のノイズフィルタ６に、
コモンモードノイズ電流だけでなく、ノーマルモードノ
イズ電流も低減できる作用を持つ例えば図３のようなフ
ィルタを用いている。従って、対策１又は、対策２によ
れば、対策３が有していた上記問題がないので、従来、
主としてこの対策１又は対策２がとられてきた。しかし
、ＶＤＥのように厳しい規格に対しては、以下に説明す
る問題がある。図５は、対策１及び対策２において、ノ
イズフィルタ６に図３のノイズフィルタを用いた際の交
流電源２側に伝導・流出するノイズレベル（ｄＢ）の実
測データ（スペクトラム特性）と、ＶＤＥ　の規格値を
示した図である。この図５から分かるように図３のノイ
ズフィルタを用いたのでは周波数２０〜３０ＫＨｚ　付
近でピーク（ａ）　があり、ＶＤＥ　のＣＬＡＳＳ　Ｂ
　に対し余裕度が少ない問題がある。なお、出願人の実
験によれば、図３の構成に限らず、従来のどのノイズフ
ィルタ（コモンモードノイズとノーマルモードノイズ兼
用）を用いてもほぼ図５に示す問題がある。

【０００８】図５の特性となる理由を説明する前に、図
３のノイズフィルタを説明する。図３において、ＣＸ１
　とＣＸ２　はアクロスザラインコンデンサ、Ｌ１はコ
モンモードチョークコイル、ＣＹ１　とＣＹ２　はコモ
ンモードノイズを低減するコンデンサ、Ｒ１はアクロス
ザラインコンデンサＣＸ１　へ並列に接続された放電用
の抵抗である。スイッチング電源１０をノイズ源と見た
場合、図６のようにインピーダンスＺ１とグランドを通
して、コモンモードノイズ電流ｉ１が流れる。Ｚ１は、
例えばＤＣ／ＤＣ　コンバータ１が内蔵するスイッチン
グ素子（トランジスタ）のカンケースとヒートシンク間
のキャパシタなどが考えられる。このコモンモードノイ
ズ電流ｉ１は、図６に示すような幾つかの経路に分かれ
てＤＣ／ＤＣ　コンバータ１があるブロック（Ａ）　側
へ戻るが、コモンモードチョークコイルＬ１と、コンデ
ンサＣＹ１　，ＣＹ２　の作用により低減される。

【０００９】低減される動作を説明する。コモンモード
チョークコイルＬ１は、図７の如く共通のコアに巻かれ
た２つのコイル１１，１２である。そして、交流電源２
とスイッチング装置１０を往復する電流をこの２つのコ
イルに流した場合、これにより発生する磁束が互いにコ
ア内で打ち消し合う極性に巻かれている。従って、交流
電源２からスイッチング装置１０へ供給する低周波電流
については、インダクタンスとして動作しない。一方、
図６に示すコモンモードノイズ電流ｉ１については、発
生した磁束は打ち消し合わず、独立したインダクタンス
として作用するので、コモンモードノイズ電流ｉ１を低
減させる効果がある。また、コンデンサＣＹ１　，ＣＹ
２　は、その接続点がアースに接地されているので、図
６に示すようにコモンモードノイズ電流ｉ１をスイッチ
ング電源１０があるブロック（Ａ）　側に環流させ、交
流電源２側に流れないようにしている。この様な結果、
図３のノイズフィルタによれば、スイッチング電源１０
があるブロック（Ａ）　から発生したコモンモードノイ
ズを低減できる。また、ブロック（Ａ）　が発生するノ
ーマルモードノイズ電流ｉ３（図６参照）については、
アクロスザラインコンデンサＣＸ１　，ＣＸ２　がライ
ン間を低インピーダンスで接続する作用を果し、このノ
イズ電流ｉ３をブロック（Ａ）　側に還流させるので、
交流電源２側に流出するノーマルモードノイズ電流ｉ３
の量を低減できる。また、交流電源２からスイッチング
電源１０側へ流入するノーマルモードノイズ電流（図示
せず）についても同様にアクロスザラインコンデンサＣ
Ｘ１　，ＣＸ２　の作用により低減される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図５で説明し
たように対策１と対策２では、２０〜３０　ＫＨｚ付近
でノイズのピーク（ａ）　があり、ＶＤＥ　のＣＬＡＳ
Ｓ　Ｂ　を満たす余裕度が少ない。これを解決するため
、従来、図３のアクロスザラインコンデンサＣＸ１　，
ＣＸ２　の値を大きくしたり、コモンモードチョークコ
イルＬ１のインダクタンスを大きくする改善策をとって
きた。この改善策をとると、前記２０〜３０　ＫＨｚの
ノイズのピークが低周波領域に移動するので、図５のＶ
ＤＥ　の特性から分かるように若干、余裕が広がる。し
かし、この改善策は、コモンモードチョークコイルとコ
ンデンサが大きくなる結果、スイッチング装置１０の形
状が大きくなること、及びコストも高くなる問題がある
。また、本質的に、図５に示す２０〜３０　ＫＨｚのノ
イズピークを低減できない問題もある。

【００１１】本発明の目的は、コモンモードチョークコ
イルとコンデンサの値を増大させることなく、２０〜３
０　ＫＨｚのノイズピークを低減でき、かつ交流電源２
へ伝導・流出するコモンモードノイズとノーマルモード
ノイズを低減できる小型形状のスイッチング装置を提供
することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するため交流電源（２）　から低周波電圧を受け、
ラインを伝搬するコモンモードの高周波ノイズを低減す
るコモンモードチョークコイル（Ｌ２）とコンデンサを
有したコモンモードフィルタ（３）　と、このコモンモ
ードフィルタを経た低周波電圧を受け、これを整流する
整流手段（Ｄ１）と、この整流手段が出力する整流波形
を受け、直流ラインを伝搬するノーマルモードの高周波
ノイズを低減するとともに前記整流波形を平滑して出力
するノーマルモードフィルタ（４）と、このノーマルモ
ードフィルタの出力を受け、その出力をスイッチングす
る手段（１）　と、を備えるようにしたものである。

【００１３】

【作用】コモンモードフィルタ（３）　は、コモンモー
ドノイズ電流を専用に除去するフィルタとして構成して
いるので、コモンモードチョークコイル（Ｌ２）の巻数
を少なくすることができる。即ち、このチョークコイル
（Ｌ２）の漏れ磁束から生じるノーマルモードのインダ
クタンスの値ＬＮ　を極めて小さくできる。また、コモ
ンモードフィルタに用いるコンデンサＣＹ４，ＣＹ５　
の容量ＣＹ　は、アクロスザラインコンデンサと比較し
て非常に小さくすることができる。従って、ノーマルモ
ードインダクタンスＬＮ　と、コンデンサＣＸ４，ＣＸ
５　で構成される直列共振回路のＬＮ　とＣＹ　のイン
ピーダンスは、図３のフィルタと比較して大きくなるの
で、共振電流値は小さくなる。つまり、２０〜３０　Ｋ
Ｈｚのノイズピークを低減できる。また、ノーマルモー
ドフィルタ（４）　は、ノーマルモードノイズ電流を主
に除去するフィルタであり、ＤＣ／ＤＣ　コンバータ１
から交流電源２側へ流出・伝導したり、また逆に流入す
るノーマルモードノイズ電流を低減している。

【００１４】

【実施例】以下、図面により本発明を説明する。図１は
本発明に係るスイッチング装置の構成例を示す図である
。

【００１５】本発明に係るスイッチング装置が従来のそ
れと異なる点は、交流電源２からの低周波電圧を受ける
フィルタをコモンモードフィルタとし、整流後の電圧を
受けるフィルタをノーマルモードフィルタとした点であ
る。その他の構成は、従来と同様であるので、図１の構
成説明は省略する。以下、従来の対策１，２，３で問題
となったノイズを低減できる理由を説明する。

【００１６】対策１，２で問題とした２０〜３０　ＫＨ
ｚに発生するノイズピーク　（ａ）（図５参照）につい
てその発生メカニズムが、従来不明であった。従ってこ
のノイズを低減できず適切な対処を行うことができなか
った（低周波領域にこのノイズピークを追いやるだけ）
。本発明は、このノイズの発生メカニズムを解明し、そ
の結果、コモンモードフィルタとノーマルモードフィル
タをそれぞれ使い分けることで、ノイズを低減できるよ
うにしたものである。

【００１７】対策１と対策２で問題となった２０〜３０
　ＫＨｚのノイズピークについてその発生メカニズムを
図２と図６と図７を参照して説明する。図６において、
６は図２のフィルタ６であり具体的には図３の構成であ
る。ブロック（Ａ）　は図２の整流器Ｄ１以降の全ての
構成である。ＤＣ／ＤＣ　コンバータ１には、整流器Ｄ
１と平滑コンデンサＣ１で整流平滑された直流電圧が加
えられる。一般にＤＣ／ＤＣ　コンバータはスイッチン
グ電源からなり、そのスイッチング周波数は数１０　Ｋ
Ｈｚ〜数１００　ＫＨｚ　である。これに対し交流電源
２の周波数は、５０／６０　Ｈｚ〜数１００　Ｈｚと低
周波であり、高調波成分が伝導ノイズとして交流電源２
側で観測される。図６で端子Ｐ１，Ｐ２に印加された低
周波電圧は、整流器Ｄ１とコンデンサＣ１でピーク整流
されるため、整流器Ｄ１を構成するダイオードブリッジ
は、オン状態とオフ状態を周期的に繰り返す。整流器Ｄ
１がオンからオフになった時、コモンモードチョークコ
イルＬ１は、今まで流れていた交流電源２からの電流を
流し続けようとして、アクロスザラインコンデンサＣｘ
２　に電流ｉ２を流す（図６参照）。この電流ｉ２が流
れる経路は、コモンモードチョークコイルＬ１の一方コ
イル→コンデンサＣＸ２　→コモンモードチョークコイ
ルＬ１の他方のコイル→交流電源２→コモンモードチョ
ークコイルＬ１の一方コイルである。なお、交流電源２
のインピーダンス　　＜　　（１／ｊω　ＣＸ１）のイ
ンピーダンスであるため、アクロスザラインコンデンサ
ＣＸ１　には、電流ｉ２は流れない。また通常ＣＹ１，
ＣＹ２（＝１０００　ＰＦ〜１００００　ＰＦ）　＜＜
　ＣＸ２（＝０．１μＦ〜１０μＦ） であるため、コンデンサＣＹ１，ＣＹ２　にも電流ｉ２
は流れない。従って、図６の電流ｉ２で示す経路に共振
電流ｉ２が流れる。即ち、コモンモードチョークコイル
Ｌ１の漏れ磁束から生じるノーマルモードのインダクタ
ンスＬＮ　とコンデンサＣＸ２　で決まる共振電流ｉ２
が流れ、これが図５に示す２０〜３０　ＫＨｚの伝導ノ
イズとなる。つまり、問題としている２０〜３０　ＫＨ
ｚの伝導ノイズは、ノイズを低減するために設けた図３
のノイズフィルタ自身が新たに発生しているノイズなの
である。

【００１８】上述したノーマルモードのインダクタンス
ＬＮ　とコンデンサＣＸ２　による直列共振について説
明を加える。図７に示すように、理想的なコモンモード
チョークコイルＬ１では、ノーマルモードの電流ｉ２（
図６も参照）により誘起される磁束φ１　が総べてコア
内を通過し、磁束φ１　同士がコア内で互いに打ち消し
合うため、インダクタンス成分は生じない。しかし、実
際のコイルでは、図７のように漏れ磁束φＡ　とφＢが
ある。この漏れ磁束同士は打ち消し合わないため磁束φ
Ａ　によりコイル１１に生じるインダクタンスＬＡと、
磁束φＢ　によりコイル１２に生じるインダクタンスＬ
Ｂが存在する。この漏れ磁束φＡ　，φＢ　によるイン
ダクタンスＬＡ，ＬＢ　をノーマルモードのインダクタ
ンスＬＮ　と言う。したがって、アクロスザラインコン
デンサＣＸ２　から交流電源２側を見ると、交流電源２
の内部インピーダンスは約０Ωであるから、図８のよう
なＬＮ　（＝ＬＡ＋ＬＢ）とＣＸ２　の直列回路が形成
される。従来は、このようなノーマルモードのインダク
タンスＬＮ　が介在する共振回路の存在を認識できなか
った。

【００１９】そこで、本発明は、図１のように交流電源
２からの低周波電圧を受けるノイズフィルタをコモンモ
ードフィルタ３で構成し、整流器Ｄ１の後に設けるノイ
ズフィルタをノーマルモードフィルタ４で構成するよう
にした。コモンモードフィルタ３は、コモンモードノイ
ズ電流ｉ１（図６参照）に対しインダクタンスとなるコ
モンモードチョークコイルＬ２と、コモンモードノイズ
電流ｉ１をアース回路を介して発生源へ環流させる作用
を持つ２つのコンデンサＣＹ４，ＣＹ５　と、この２つ
のコンデンサＣＹ４，ＣＹ５　の電荷を放電させる抵抗
Ｒ１により構成される。この抵抗Ｒ１はなくてもよい。 またノーマルモードフィルタ４は、それぞれのラインへ
独立に挿入されラインを通過する高周波ノイズに対しイ
ンダクタンスを持つチョークコイルＬ３，Ｌ４と、２本
のライン間に接続され高周波ノイズに対し低いインピー
ダンスとなる２つのコンデンサＣｏとＣ１とで構成され
る。

【００２０】このように本発明の装置のコモンモードフ
ィルタ３は、コモンモードノイズ電流を専用に除去する
フィルタとして構成しているので、コモンモードチョー
クコイルＬ２の巻数を対策１，２におけるコモンモード
チョークコイルＬ１より少なくすることができる。即ち
、このチョークコイルＬ２の漏れ磁束から生じるノーマ
ルモードのインダクタンスの値ＬＮ　を極めて小さくで
きる。本発明のコモンモードチョークコイルＬ２の巻数
を少なくできる理由を説明する。対策１，２で用いたノ
イズフィルタ６は、コモンモードノイズ除去とノーマル
モードノイズ除去の双方を行う機能が課せられたため、
対策１，２で用いたコモンモードチョークコイルＬ１は
、ノーマルモードノイズの除去も兼用していた。つまり
、ノーマルモードインダクタンスＬＮ　を大きくとる必
要があった。ノーマルモードインダクタンスＬＮ　は、
図７で既述したように漏れ磁束に起因する。即ち、従来
のコモンモードチョークコイルＬ１は、巻数を多くし意
識的に漏れ磁束が多く発生するようにしていたのである
。

【００２１】また、コモンモードフィルタ３に用いるコ
ンデンサＣＹ４，ＣＹ５　の容量ＣＹ　は、アクロスザ
ラインコンデンサと比較して非常に小さくすることがで
きる。一般に、アクロスザラインコンデンサ＝０．１　
〜１０μＦであり、コモンモードフィルタ３に使用する
コンデンサＣＹ４，ＣＹ５　は、高々数１０００ＰＦで
ある。従って、ノーマルモードインダクタンスＬＮ　と
、コンデンサＣＸ４，ＣＸ５　で構成される直列共振回
路（コモンモードチョークコイルＬ２の一方コイル→コ
ンデンサＣＹ４　→ＣＹ５　→コモンモードチョークコ
イルＬ２の他方のコイル→交流電源２→コモンモードチ
ョークコイルＬ２の一方コイル）のＬＮ　とＣＹ　のイ
ンピーダンスは、図３のフィルタと比較して非常に大き
くなるので、共振電流値は小さくなる。つまり、２０〜
３０　ＫＨｚのノイズピーク（ａ）　を低減できる。そ
して、巻数を少なくできるのでコモンモードチョークコ
イルＬ２を小形化できる。

【００２２】一方、ノーマルモードフィルタ４は、整流
器Ｄ１が出力する整流波形を受け、直流ラインを伝搬す
るノーマルモードの高周波ノイズを低減するとともに整
流波形を平滑して出力するものである。ラインにそれぞ
れ挿入されたチョークコイルＬ３，Ｌ４は、このライン
を通過する高周波ノイズに対しインダクタンスとして働
くので、単にノーマルモードノイズ電流ｉ２の低減のみ
でなく、コモンモードノイズ電流ｉ１を低減させる作用
も持つ。また、コンデンサＣｏとＣ１は、ライン間に接
続され、高周波のノーマルモードノイズに対しては低イ
ンピーダンスとなり、このノイズを発生源に環流させる
作用を持つ。なお、コンデンサＣ１は、整流電圧を平滑
する作用も兼用している。つまり、ノーマルモードフィ
ルタ４は、ノーマルモードノイズ電流を主に除去し、Ｄ
Ｃ／ＤＣ　コンバータ１から交流電源２側へ流出・伝導
したり、また逆に流入するノーマルモードノイズ電流を
低減している。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来装置で問題であった２０〜３０　ＫＨｚのノイズピー
クを低減できＶＤＥ　の規格を余裕を持ってクリアでき
ること、コモンモードチョークコイルＬ２を小形にする
ことができること（つまりスイッチング装置を小形化で
きること）、交流電源２へ伝導・流出するコモンモード
ノイズとノーマルモードノイズを低減できこと、の効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング装置の構成例を示す
図である。

【図２】従来のスイッチング装置の構成例を示す図であ
る。

【図３】図２に用いるノイズフィルタの構成例を示す図
である。

【図４】図２に用いるノイズフィルタの構成例を示す図
である。

【図５】従来装置で伝導・流出するノイズの実測データ
図である。。

【図６】従来例の問題を説明する図である。

【図７】ノーマルモードインダクタンスを説明する図で
ある。

【図８】直列共振回路を示す図である。

【符号の説明】

Ｌ２　　コモンモードチョークコイル ＣＹ１　，ＣＹ２　，Ｃｏ，Ｃ１　　コンデンサ３　　
コモンモードフィルタ Ｄ１　　整流器 ４　　ノーマルモードフィルタ Ｌ３，Ｌ４　　チョークコイル １０　　スイッチング装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　交流電源（２）　から低周波電圧を受
   け、ラインを伝搬するコモンモードの高周波ノイズを低
   減するコモンモードチョークコイル（Ｌ２）とコンデン
   サを有したコモンモードフィルタ（３）　と、このコモ
   ンモードフィルタを経た低周波電圧を受け、これを整流
   する整流手段（Ｄ１）と、この整流手段が出力する整流
   波形を受け、直流ラインを伝搬するノーマルモードの高
   周波ノイズを低減するとともに前記整流波形を平滑して
   出力するノーマルモードフィルタ（４）　と、このノー
   マルモードフィルタの出力を受け、その出力をスイッチ
   ングする手段（１）　と、を備えたことを特徴とするス
   イッチング装置。