JP7687271B2 - ノイズ減衰回路 - Google Patents

Description

本開示は、ノイズ減衰回路に関する。

モータ等において発生するコモンモードノイズを減衰させるキャンセラ回路が知られている。例えば、特許文献１には、直流高電圧電源と三相インバータ回路との間に設けられた一次コイルと、一次コイルと電磁的に結合する二次コイルと、ノイズキャンセル回路と、を備えるコモンモードノイズキャンセル回路装置が記載されている。この装置では、一次コイルにコモンモード電流が流れると、二次コイルにおいてコモンモード電圧が生じ、コモンモード電圧に基づいてコモンモード電流と逆相のコモンモードキャンセル電流がノイズキャンセル回路によって生成される。

特開２００６－３３３６４７号公報

特許文献１に記載の装置では、ノイズキャンセル回路を含む閉回路において、一次コイルなどのインダクタンス成分及びノイズキャンセル回路に含まれる出力コンデンサなどのキャパシタンス成分によって規定される共振周波数が存在する。共振周波数における発振を回避するために、ノイズキャンセル回路には、ハイパスフィルタが設けられることがある。しかしながら、このような構成では、低周波数帯域においてノイズを十分に減衰させることができないおそれがある。

本開示は、発振を回避しつつ、広い周波数帯域でコモンモードノイズを減衰させることが可能なノイズ減衰回路を説明する。

本開示の一側面に係るノイズ減衰回路は、蓄電装置と、蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータとの間に設けられ、インバータで発生するノイズ電流を減衰させるための減衰電流を生成する回路である。このノイズ減衰回路は、蓄電装置とインバータとの間に設けられるコモンモードコイルのコアに巻回された補助コイルと、補助コイルで検出される電流を増幅するとともに、減衰電流に変換する変換回路と、を備える。変換回路は、第一ローパスフィルタと、第一ローパスフィルタの後段に設けられる増幅回路と、を備える。第一ローパスフィルタは、反転入力端子、補助コイルの一端が接続される非反転入力端子、及び出力端子を有する増幅器と、反転入力端子と出力端子との間に直列に接続されるコンデンサ及び第一抵抗器と、コンデンサ及び第一抵抗器と並列に接続される第二抵抗器と、を備える。コンデンサと第二抵抗器とによって規定される第一ローパスフィルタのカットオフ周波数は、コモンモードコイルを含む閉回路の第一共振周波数よりも低い。

このノイズ減衰回路では、変換回路において、補助コイルで検出された電流が増幅され、ノイズ電流を減衰させるための減衰電流に変換される。コモンモードコイルを含む閉回路の所定箇所における入力の位相と出力の位相とが同位相（位相差が０°）であるときに、当該閉回路のゲインが０ｄＢよりも大きい場合、発振が生じることが知られている。上記ノイズ減衰回路においては、補助コイルの一端に第一ローパスフィルタが設けられており、第一ローパスフィルタでは、増幅器の反転入力端子と出力端子との間にコンデンサ及び第一抵抗器が直列に接続されるとともに、第二抵抗器がコンデンサ及び第一抵抗器と並列に接続されている。コンデンサと第二抵抗器とによって規定される第一ローパスフィルタのカットオフ周波数は、コモンモードコイルを含む閉回路の第一共振周波数よりも低い。このため、第一共振周波数よりも低い周波数において、第一ローパスフィルタによる位相遅れが生じ、第一共振周波数において、コモンモードコイルを含む閉回路の所定箇所における入力の位相に対する出力の位相は遅れる。したがって、低周波数帯域におけるゲインを０ｄＢ以下にすることなく、第一共振周波数において発振を回避することができるので、低周波数帯域においてもコモンモードノイズを減衰することが可能となる。その結果、発振を回避しつつ、広い周波数帯域でコモンモードノイズを減衰させることが可能となる。

いくつかの実施形態においては、コンデンサ及び第一抵抗器の合成インピーダンスは、第一共振周波数よりも高い周波数において、第二抵抗器の抵抗値よりも小さくなってもよい。第一共振周波数よりも低い周波数において、第一ローパスフィルタによる位相遅れが生じ、第一共振周波数において、位相が１８０°さらに遅れる。上記構成では、第一共振周波数よりも高い周波数においては、コンデンサ及び第一抵抗器が支配的となるので、位相遅れは－１８０°に近づく。したがって、補助コイルに流れる電流と逆位相の減衰電流を生成することができる。その結果、広い周波数帯域でのコモンモードノイズの減衰を可能としつつ、減衰効果を維持することが可能となる。

いくつかの実施形態においては、変換回路は、増幅回路の後段に設けられる第二ローパスフィルタを更に備えてもよい。第二ローパスフィルタのカットオフ周波数は、コモンモードコイルと補助コイルとの間の寄生容量及び寄生インダクタンスによって規定される第二共振周波数よりも低くてもよい。上記寄生容量を含む閉回路の所定箇所における入力の位相と出力の位相とが同位相（位相差が３６０°の倍数）であるときに、当該閉回路のゲインが０ｄＢよりも大きい場合、発振が生じることが知られている。上記構成においては、第二ローパスフィルタのカットオフ周波数が第二共振周波数よりも低いので、当該カットオフ周波数以上の周波数成分が減衰され、第二共振周波数におけるゲインが０ｄＢ以下になる。これにより、発振を回避することが可能となる。

本開示によれば、発振を回避しつつ、広い周波数帯域でコモンモードノイズを減衰させることができる。

図１は、一実施形態に係るノイズ減衰回路を含む電力供給装置の概略構成図である。 図２は、図１に示される変換回路の回路構成を示す図である。 図３は、図１に示されるノイズ減衰回路のゲイン特性及び位相特性を示すボード線図である。

以下、添付図面を参照しながら一実施形態に係るノイズ減衰回路を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

図１を参照しながら、一実施形態に係るノイズ減衰回路を含む電力供給装置の構成を説明する。図１は、一実施形態に係るノイズ減衰回路を含む電力供給装置の概略構成図である。図１に示される電力供給装置１は、モータＭに交流電力を供給する装置である。電力供給装置１は、蓄電装置２と、主回路３と、インバータ４と、ノイズ減衰回路５と、電源トランス６と、を備えている。電力供給装置１では、インバータ４で発生するノイズ電流Ｉｎをノイズ減衰回路５によって減衰させる。

蓄電装置２は、直流電力をインバータ４に供給する。蓄電装置２は、例えば、フォークリフト、ハイブリッド自動車、及び電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられ得る。蓄電装置２は、例えば、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、及びニッケル水素電池等によって構成される。

主回路３は、コモンモードコイル３１と、コモンモードコイル３２と、接続線３３と、接続線３４と、コンデンサ３５と、コンデンサ３６と、を備えている。コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２は、磁性材料で形成されたコアに巻回され、コモンモードチョークコイルを構成している。

コモンモードチョークコイルでは、コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２にコモンモードの電流（以下、「コモンモード電流」と称する。）が流れると、コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２における電磁誘導現象によって磁束が発生する。この場合、発生した磁束の向きは同じ方向になり、互いの磁束が強め合ってコモンモードチョークコイルはインダクタとして機能する。コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２にディファレンシャルモードの電流が流れると、発生した磁束の方向は逆方向になるため、磁束が打ち消し合う。これにより、ディファレンシャルモードの電流に対しては、コモンモードチョークコイルはインダクタとして機能しない。

コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２は、蓄電装置２とインバータ４との間に設けられる。コモンモードコイル３１の一端は、蓄電装置２の正極端子に接続されている。コモンモードコイル３１の他端は、接続線３３に接続されている。コモンモードコイル３２の一端は、蓄電装置２の負極端子に接続されている。コモンモードコイル３２の他端は、接続線３４に接続されている。

接続線３３は、コモンモードコイル３１とインバータ４とを接続している。具体的には、接続線３３の一端は、コモンモードコイル３１の他端に接続されている。接続線３３の他端は、インバータ４に接続されている。

接続線３４は、コモンモードコイル３２とインバータ４とを接続している。具体的には、接続線３４の一端は、コモンモードコイル３２の他端に接続されている。接続線３４の他端は、インバータ４に接続されている。

コンデンサ３５及びコンデンサ３６は、Ｙコンデンサであり、接続線３３及び接続線３４と接地電位（アース）との間に設けられる。具体的に説明すると、コンデンサ３５の一端は、接続線３３の他端に接続されている。コンデンサ３５の他端は、接地電位（アース）に接続されている。コンデンサ３６の一端は、接地電位（アース）に接続されている。コンデンサ３６の他端は、接続線３４の他端に接続されている。

インバータ４は、蓄電装置２から供給される入力電力としての直流電力を交流電力に変換してモータＭに出力する。本実施形態では、インバータ４は、三相インバータであり、複数のスイッチング素子（図示省略）を有している。スイッチング素子は、電気的な開閉を切り替え可能な要素である。スイッチング素子としては、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、及びバイポーラトランジスタ等が用いられる。なお、インバータ４は、不図示の駆動回路を含んでおり、駆動回路には、電源トランス６から電源電圧が供給される。

ノイズ減衰回路５は、インバータ４で発生するノイズ電流Ｉｎ（コモンモード電流）を減衰させるための減衰電流Ｉｃを生成する回路である。ノイズ減衰回路５は、蓄電装置２とインバータ４との間に設けられている。ノイズ減衰回路５は、補助コイル５０と、変換回路５１と、を含む。ノイズ減衰回路５は、補助コイル５０においてノイズ電流Ｉｎを検出し、ノイズ電流Ｉｎと逆位相の減衰電流Ｉｃを生成することで、インバータ４において発生したノイズ電流Ｉｎを減衰させる。

補助コイル５０は、コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２のコアに巻回されており、ノイズ電流Ｉｎを検出する。補助コイル５０の一端は、接地電位（アース）に接続されている。補助コイル５０の他端は、変換回路５１に接続されている。補助コイル５０は、検出したノイズ電流Ｉｎを変換回路５１に出力する。補助コイル５０にノイズ電流Ｉｎが流れることによってコモンモード電圧が発生する。したがって、補助コイル５０は、コモンモード電圧を変換回路５１に出力しているともいえる。

変換回路５１は、補助コイル５０で検出されたノイズ電流Ｉｎ（コモンモード電圧）を増幅するとともに、減衰電流Ｉｃに変換する回路である。変換回路５１の入力端子５１ａは、補助コイル５０の他端に接続されている。変換回路５１の出力端子５１ｂは、接続線３４に接続されている。変換回路５１は、ノイズ電流Ｉｎと逆位相の電流を生成し、減衰電流Ｉｃとして出力することで、インバータ４において発生したノイズ電流Ｉｎを減衰させる。変換回路５１の回路構成は、後述する。

電源トランス６は、蓄電装置２に接続されている。電源トランス６は、蓄電装置２の蓄電電圧をインバータ４の駆動回路及びノイズ減衰回路５に供給する電圧に変換し、変換された電圧をインバータ４の駆動回路及びノイズ減衰回路５に供給する。

電力供給装置１では、蓄電装置２から直流電力がインバータ４に供給されると、インバータ４のスイッチング動作によりノイズ電流Ｉｎが発生する。このとき、コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２にはノイズ電流Ｉｎが流れ、補助コイル５０は、コモンモードコイル３１及びコモンモードコイル３２に流れるノイズ電流Ｉｎを検出する。そして、変換回路５１によって、補助コイル５０で検出されたノイズ電流Ｉｎからノイズ電流Ｉｎとは逆位相の減衰電流Ｉｃが生成され、インバータ４（接続線３４）に供給される。これにより、ノイズ電流Ｉｎが減衰される。

ここで、電力供給装置１には、閉回路Ｃ１及び閉回路Ｃ２が形成される。閉回路Ｃ１は、コモンモードコイル３１，３２の一方と、コンデンサ３５，３６の一方とを含む。具体的には、例えば、閉回路Ｃ１は、蓄電装置２内のアースに接続されたコンデンサ（例えば、Ｙコンデンサ）、コモンモードコイル３１、接続線３３、コンデンサ３５、アースを順に巡回する回路である。閉回路Ｃ２は、コモンモードコイル３１，３２と補助コイル５０との間に発生する寄生容量とを含む。具体的には、例えば、閉回路Ｃ２は、接続線３４、コモンモードコイル３２と補助コイル５０との間に発生する寄生容量、補助コイル５０、及び変換回路５１を順に巡回する回路である。

閉回路Ｃ１では、共振周波数ｆｒ１（第一共振周波数）が存在する。共振周波数ｆｒ１は、閉回路Ｃ１に含まれるインダクタンス成分及びキャパシタンス成分によって規定される。共振周波数ｆｒ１は、例えば、コモンモードコイル３１のインダクタンス及びコンデンサ３５の容量値によって規定される。閉回路Ｃ２では、共振周波数ｆｒ２（第二共振周波数）が存在する。共振周波数ｆｒ２は、共振周波数ｆｒ１よりも高い周波数であり、閉回路Ｃ２に含まれるインダクタンス成分及びキャパシタンス成分によって規定される。共振周波数ｆｒ２は、例えば、コモンモードコイル３２と補助コイル５０との間の寄生容量及び閉回路Ｃ２に含まれる寄生インダクタンスによって規定される。

次に、図２を参照しながら、変換回路５１の回路構成を説明する。図２は、図１に示される変換回路の回路構成を示す図である。図２に示されるように、変換回路５１は、ローパスフィルタ５２（第一ローパスフィルタ）と、増幅回路５３と、ローパスフィルタ５４（第二ローパスフィルタ）と、出力コンデンサ５５と、を含む。

ローパスフィルタ５２は、補助コイル５０で検出されたノイズ電流Ｉｎ（コモンモード電圧）の位相を遅らせるための回路である。ローパスフィルタ５２は、増幅器５２ａと、コンデンサ５２ｂと、抵抗器５２ｃ（第一抵抗器）と、抵抗器５２ｄ（第二抵抗器）と、を含む。

増幅器５２ａの非反転入力端子は、入力端子５１ａ（補助コイル５０の他端）に接続されている。コンデンサ５２ｂ及び抵抗器５２ｃは、増幅器５２ａの反転入力端子と出力端子との間に直列に接続されている。具体的には、コンデンサ５２ｂの一端は増幅器５２ａの反転入力端子に接続され、コンデンサ５２ｂの他端は抵抗器５２ｃの一端に接続され、抵抗器５２ｃの他端は増幅器５２ａの出力端子に接続されている。抵抗器５２ｄは、コンデンサ５２ｂ及び抵抗器５２ｃと並列に接続されている。具体的には、抵抗器５２ｄの一端は増幅器５２ａの反転入力端子に接続され、抵抗器５２ｄの他端は増幅器５２ａの出力端子に接続されている。

ローパスフィルタ５２のカットオフ周波数ｆｃ１は、コンデンサ５２ｂの容量値と抵抗器５２ｄの抵抗値とによって規定される。コンデンサ５２ｂの容量値と抵抗器５２ｄの抵抗値とは、カットオフ周波数ｆｃ１が閉回路Ｃ１の共振周波数ｆｒ１よりも低くなるように設定されている。抵抗器５２ｃの抵抗値は、抵抗器５２ｄの抵抗値よりも小さい。より具体的には、共振周波数ｆｒ１よりも大きい周波数において、コンデンサ５２ｂと抵抗器５２ｃとの合成インピーダンスが抵抗器５２ｄの抵抗値よりも小さくなるように、コンデンサ５２ｂの容量値、抵抗器５２ｃの抵抗値、及び抵抗器５２ｄの抵抗値は設定されている。一例として、コンデンサ５２ｂの容量値は１５００ｐＦに設定され、抵抗器５２ｃの抵抗値は１ＫΩに設定され、抵抗器５２ｄの抵抗値は１０ＫΩに設定される。

ローパスフィルタ５２は、ノイズ電流Ｉｎ（コモンモード電圧）の位相を遅らせることを目的として設けられているので、ローパスフィルタ５２のゲインは例えば２倍程度に設定されている。ローパスフィルタ５２は、処理した信号を増幅回路５３に出力する。

増幅回路５３は、ローパスフィルタ５２から出力された信号を増幅する回路である。増幅回路５３は、ローパスフィルタ５２の後段に設けられている。本実施形態では、増幅回路５３は、非反転増幅回路である。増幅回路５３は、増幅器５３ａと、抵抗器５３ｂと、抵抗器５３ｃと、を含む。増幅器５３ａの非反転入力端子は、増幅器５２ａの出力端子に接続されている。増幅器５３ａの反転入力端子は、抵抗器５３ｂを介して接地電位に接続されるとともに、抵抗器５３ｃを介して増幅器５３ａの出力端子に接続されている。増幅回路５３のゲインは、抵抗器５３ｂの抵抗値と抵抗器５３ｃの抵抗値とによって定まる。増幅回路５３は、増幅した信号をローパスフィルタ５４に出力する。

ローパスフィルタ５４は、増幅回路５３から出力された信号の高周波数成分を減衰させるための回路である。ローパスフィルタ５４は、増幅回路５３の後段に設けられている。ローパスフィルタ５４は、例えば、コンデンサ及び抵抗器等によって構成されている。ローパスフィルタ５４は、カットオフ周波数ｆｃ２以上の周波数成分を減衰させ、カットオフ周波数ｆｃ２よりも低い周波数成分を通過させる。ローパスフィルタ５４のカットオフ周波数ｆｃ２は、共振周波数ｆｒ２よりも低い周波数に設定されている。カットオフ周波数ｆｃ２は、閉回路Ｃ２の所定箇所における入力と出力の位相差Δθが－３６０°である場合の閉回路Ｃ２のゲインＧｖが０ｄＢ以下となるような周波数に設定されている。

出力の位相が入力の位相よりも進んでいる場合に、位相差Δθは正の値となる。出力の位相が入力の位相よりも遅れている場合に、位相差Δθは負の値となる。ローパスフィルタ５４は、処理した信号を出力コンデンサ５５に出力する。

出力コンデンサ５５は、ローパスフィルタ５４から出力された信号を減衰電流Ｉｃに変換する。出力コンデンサ５５は、ローパスフィルタ５４と出力端子５１ｂ（接続線３４）との間に設けられている。具体的には、出力コンデンサ５５の一端はローパスフィルタ５４の出力端子に接続され、出力コンデンサ５５の他端は出力端子５１ｂに接続されている。

次に、図３を更に参照しながら、ノイズ減衰回路５の作用効果を説明する。図３は、図１に示されるノイズ減衰回路のゲイン特性及び位相特性を示すボード線図である。図３の横軸は周波数（単位：Ｈｚ）を示す。図３の左側の縦軸はゲインＧｖ（単位：ｄＢ）を示し、右側の縦軸は位相差Δθ（単位：°）を示す。

位相差Δθが０°または３６０°の整数倍である場合に、ゲインＧｖが０ｄＢよりも大きいと、発振が生じることが知られている。ノイズ減衰回路５においては、補助コイル５０の他端にローパスフィルタ５２が設けられており、ローパスフィルタ５２では、増幅器５２ａの反転入力端子と出力端子との間にコンデンサ５２ｂ及び抵抗器５２ｃが直列に接続されるとともに、抵抗器５２ｄがコンデンサ５２ｂ及び抵抗器５２ｃと並列に接続されている。

図３に示されるように、ローパスフィルタ５２のカットオフ周波数ｆｃ１は、閉回路Ｃ１の共振周波数ｆｒ１よりも低い周波数に設定されている。このため、共振周波数ｆｒ１よりも低い周波数において、ローパスフィルタ５２による位相遅れが生じるので、共振周波数ｆｒ１において位相差Δθが０°よりも小さくなる。したがって、低周波数帯域におけるゲインＧｖを０ｄＢ以下にすることなく、発振を回避することができるので、低周波数帯域においてもコモンモードノイズを減衰することが可能となる。その結果、発振を回避しつつ、広い周波数帯域でコモンモードノイズを減衰させることが可能となる。

周波数が高くなるにつれて、コンデンサ５２ｂのインピーダンスは小さくなる。共振周波数ｆｒ１よりも高い周波数において、コンデンサ５２ｂと抵抗器５２ｃとの合成インピーダンスは、抵抗器５２ｄの抵抗値よりも小さくなる。この構成により、共振周波数ｆｒ１よりも高い周波数においては、抵抗器５２ｄには電流が流れにくくなり、コンデンサ５２ｂ及び抵抗器５２ｃに電流が流れる。つまり、ローパスフィルタ５２では、コンデンサ５２ｂ及び抵抗器５２ｃが支配的となる。これにより、ローパスフィルタ５２による位相遅れは０°に近づく。共振周波数ｆｒ１において、１８０°の位相遅れが生じるので、共振周波数ｆｒ１よりも高い周波数における位相差Δθは－１８０°に近づく。したがって、補助コイル５０に流れるコモンモード電流と逆位相の減衰電流Ｉｃを生成することができる。その結果、広い周波数帯域でのコモンモードノイズの減衰を可能としつつ、減衰効果を維持することが可能となる。

図３に示されるように、ローパスフィルタ５４のカットオフ周波数ｆｃ２は、共振周波数ｆｒ２よりも、低い周波数に設定されている。このため、カットオフ周波数ｆｃ２以上の周波数成分が減衰され、共振周波数ｆｒ２におけるゲインＧｖが０ｄＢ以下になる。これにより、位相差Δθが－３６０°×ｎ（ｎは１以上の整数）である場合のゲインＧｖが０ｄＢ以下となるので、発振を回避することができる。

以上、本開示の一実施形態について詳細に説明されたが、本開示に係るノイズ減衰回路は上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、ノイズ減衰回路５には、蓄電装置２から電源トランス６を介して電源電圧が供給されるが、蓄電装置２とは異なる電源から電源電圧が供給されてもよい。

１…電力供給装置、２…蓄電装置、４…インバータ、５…ノイズ減衰回路、３１…コモンモードコイル、３２…コモンモードコイル、５０…補助コイル、５１…変換回路、５２…ローパスフィルタ（第一ローパスフィルタ）、５２ａ…増幅器、５２ｂ…コンデンサ、５２ｃ…抵抗器（第一抵抗器）、５２ｄ…抵抗器（第二抵抗器）、５３…増幅回路、５４…ローパスフィルタ（第二ローパスフィルタ）、Ｃ１…閉回路、Ｃ２…閉回路、Ｍ…モータ。

Claims (3)

1. 蓄電装置と、当該蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータとの間に設けられ、前記インバータで発生するノイズ電流を減衰させるための減衰電流を生成するノイズ減衰回路であって、
   前記蓄電装置と前記インバータとの間に設けられるコモンモードコイルのコアに巻回された補助コイルと、
   前記補助コイルで検出される電流を増幅するとともに、前記減衰電流に変換する変換回路と、を備え、
   前記変換回路は、
   第一ローパスフィルタと、
   前記第一ローパスフィルタの後段に設けられる増幅回路と、を備え、
   前記第一ローパスフィルタは、
   反転入力端子、前記補助コイルの一端が接続される非反転入力端子、及び出力端子を有する増幅器と、
   前記反転入力端子と前記出力端子との間に直列に接続されるコンデンサ及び第一抵抗器と、
   前記コンデンサ及び前記第一抵抗器と並列に接続される第二抵抗器と、を備え、
   前記コンデンサと前記第二抵抗器とによって規定される前記第一ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記コモンモードコイルを含む閉回路の第一共振周波数よりも低い、ノイズ減衰回路。
2. 前記コンデンサ及び前記第一抵抗器の合成インピーダンスは、前記第一共振周波数よりも高い周波数において、前記第二抵抗器の抵抗値よりも小さくなる、請求項１に記載のノイズ減衰回路。
3. 前記変換回路は、前記増幅回路の後段に設けられる第二ローパスフィルタを更に備え、
   前記第二ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記コモンモードコイルと前記補助コイルとの間の寄生容量及び寄生インダクタンスによって規定される第二共振周波数よりも低い、請求項１又は請求項２に記載のノイズ減衰回路。

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