3 大電力グリッド接続アプリケーション向けパッシブ EMI フィルタ

伝導性放射のレベル制限を意図した EMC 規制に準拠するには、スイッチング・レギュレータと主電源入力源の間にローパス EMI フィルタを挿入する必要があります。図 3-1 は、キロワット・スケールのグリッド接続アプリケーションにおける単相 (3 線式) システムおよび三相 (4 線式) システムの標準的なフィルタ配置を示します。L、N、および PE はそれぞれ、ライブ、ニュートラル、および保護用のアース端子を表します。図に示す多段フィルタは、高ロールオフであり、大電力の AC ライン・アプリケーションで一般的に使用されています。この場合、差動モード (DM) ノイズよりも CM ノイズを緩和する方が困難な場合が多いです。図 3-1 では、サージ・パルス保護と抵抗性放電の部品は省略していますが、この回路図には入力電源と直列にライン・インピーダンス安定化ネットワーク (LISN) が組み込まれており、DM と CM の伝搬部品を含めた合計 EMI を測定できます。

より高いレベルで、パッシブ EMI フィルタは直感的でわかりやすい従来型のアプローチを採用しており、一部のアプリケーションではパッシブ部品のサイズ、重量、コストに大きな制約が生じても、パワー・エレクトロニクス回路の伝導型電磁波を低減できます。このようなパッシブ・フィルタの設計では、高インピーダンスの直列素子 (DM インダクタ、CM チョーク) と低インピーダンスのシャント素子 (X コンデンサと Y コンデンサ) を挿入することで、EMI 電流の伝搬経路でインピーダンスの不整合を生み出します。通常、低次のスイッチング高調波は、必要なコーナー周波数 (または多段設計では複数のコーナー周波数) に基づいて、リアクティブなフィルタ部品のサイズを決定します。

図 3-1 の単相回路図を例として考えてみると、CM は L_CM1 と L_CM2、また Y 定格のコンデンサ C_Y1～C_Y4 (AC 電源ラインとアース・グランドの間に接続) をチョークし、CM 減衰を実現します。スイッチング・レギュレータから供給される CM 電流は、まずレギュレータ側の Y コンデンサを経由し、次に CM チョークの間に配置された Y コンデンサを経由して戻ります。残りの CM 電流の代替リターン・パスは、LISN 設定の測定インピーダンスを経由します。明らかに EMI 性能に悪影響を与えます。

概要で説明したように、安全規制では Y 静電容量の合計値が比較的小さい値 (多くの場合 10nF 未満) に制限されており、目的のコーナー周波数に必要なチョークの CM インダクタンスは数ミリヘンリーの範囲で比較的高いため、チョークが大型で重くなり、高価になります。DM 減衰とは対照的に、X コンデンサ C_X1～C_X3 は値が大きく (通常は 2.2μF)、CM チョークの漏れインダクタンスを使用して、値の低い DM インダクタンスを実現できます。

実際には、図 3-2 に示す実際の実装 [3] に示したように CM チョークは EMI フィルタのサイズを支配し、EMI フィルタ設計時にいくつかの課題をもたらします。これには、体積の大型化、熱管理の問題、音響ノイズ、フィルタ共振、部品間の電磁気結合などが含まれます。さらに、フィルタ部品 (特に CM チョーク) の寄生素子は、高周波性能と達成可能な減衰に影響を及ぼします。フィルタで使用される個別の部品は、さまざまなメーカーのさまざまなフォーム・ファクタで提供されており、互いに適合するよう最適化されていないため、フィルタ実装の空間設計とアセンブリが損なわれます。