特開 2024-53311 電流注入型アクティブフィルタ及び回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053311

(43)【公開日】2024-04-15

(54)【発明の名称】電流注入型アクティブフィルタ及び回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/12 20060101AFI20240408BHJP

   H03H 11/04 20060101ALI20240408BHJP

【ＦＩ】

H02M1/12

H03H11/04 P

H03H11/04 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022159488

(22)【出願日】2022-10-03

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】尾花 晃平

【テーマコード（参考）】

5H740

5J098

【Ｆターム（参考）】

5H740BA11

5H740BB09

5H740BB10

5H740BC01

5H740BC02

5H740JA01

5H740JB01

5H740NN03

5J098AA02

5J098AA04

5J098AA11

5J098AA14

5J098AA16

5J098AB02

5J098AD11

5J098CA08

(57)【要約】

【課題】発振を抑制しつつ、高いフィルタ効果を持つアクティブフィルタ及びそれを用いた回路を提供する。
【解決手段】電流注入型アクティブフィルタは、検出トランスと、増幅回路と、発振抑制回路と、注入トランスとを備える。検出トランスは、電源ラインに接続される第１の主巻線と、第１の主巻線に近接して配置される第１の副巻線とを有する。増幅回路は、入力端子が第１の副巻線に接続されるオペアンプと、オペアンプの入力端子と出力端子との間に接続される帰還回路とを含む。発振抑制回路は、帰還回路に挿入され、増幅回路の発振を抑制する。注入トランスは、電源ラインに接続される第２の主巻線と、第２の主巻線に近接して配置されるとともに増幅回路の出力端子に接続される第２の副巻線とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源ラインに接続される第１の主巻線と、前記第１の主巻線に近接して配置される第１の副巻線とを有する検出トランスと、
入力端子が前記第１の副巻線に接続されるオペアンプと、前記オペアンプの前記入力端子と出力端子との間に接続される帰還回路とを含む増幅回路と、
前記帰還回路に挿入され、前記増幅回路の発振を抑制する発振抑制回路と、
前記電源ラインに接続される第２の主巻線と、前記第２の主巻線に近接して配置されるとともに前記増幅回路の出力端子に接続される第２の副巻線とを有する注入トランスと、
を具備する電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項2】

前記帰還回路は、前記オペアンプの負入力端子と出力端子との間に接続される第１の抵抗を有し、
前記発振抑制回路は、前記第１の抵抗に直列に接続される第２のコンデンサと、前記第１の抵抗に並列に接続される第２の抵抗とを有する、
請求項１に記載の電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項3】

前記帰還回路は、さらに、前記第１の抵抗に並列に接続される第１のコンデンサを有する、
請求項２に記載の電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項4】

前記増幅回路と前記第２の副巻線との間に挿入されるエミッタフォロワ回路をさらに具備する、
請求項１に記載の電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項5】

前記第１の副巻線及び前記第２の副巻線は、アースに対して絶縁されている、
請求項１に記載の電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項6】

前記検出トランス及び前記注入トランスに接続されるサージ保護素子をさらに具備する請求項１に記載の電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項7】

前記第１の主巻線及び前記第２の主巻線は、それぞれ、前記電源ラインに発生するコモンモードノイズを低減するコモンモードチョークコイルを形成している、
請求項１に記載の電流注入型アクティブフィルタ。

【請求項8】

請求項１乃至７の何れか１項に記載の電流注入型アクティブフィルタと、
前記電源ラインの相間に挿入されるＸコンデンサと、
前記電源ラインの相対地間に挿入されるＹコンデンサと、
を具備する回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、コモンモードノイズを低減するための電流注入型アクティブフィルタ及びそれを用いた回路に関する。

【背景技術】

【0002】

モータ等の負荷の駆動にスイッチングインバータが用いられることがある。このようなスイッチングインバータでは、スイッチング動作の際にコモンモードノイズが発生する。コモンモードノイズに起因するコモンモード電流の別回路への流入及び放射の抑制のためにノイズフィルタが利用されている。ノイズフィルタとしては、例えば、コモンモードチョークコイル及びＹコンデンサ等の受動素子で構成されるパッシブフィルタが用いられている。また、ノイズフィルタとして、半導体素子によって構成される増幅回路等の能動素子を用いて積極的にノイズをキャンセルするアクティブフィルタも提案されている。アクティブフィルタは、電源ラインを流れるコモンモード電流を検出し、検出したコモンモード電流を増幅回路によって増幅し、増幅した電流を電源ラインに逆相で戻すことでノイズをキャンセルする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－７６９７９号公報

【特許文献2】特許第５９９３８８６号公報

【特許文献3】特許第５５２８５４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

アクティブフィルタは、検出されたコモンモード電流に対して逆相(－１８０°)の電流を電源ラインへ注入することで、ノイズをキャンセルする。しかしながら、コモンモード電流の周波数によっては、コモンモード電流と同相（０°)方向に位相が変化した電流が電源ラインへ注入されることによってかえってノイズが増加してしまうことがある。具体的には、コモンモード電流に対して注入電流の利得が０以上の時に、位相が－９０°よりも０°側に変化するとノイズを増幅し続け、回路が発振を起こす。

【0005】

実施形態は、発振を抑制しつつ、高いフィルタ効果を持つアクティブフィルタ及びそれを用いた回路を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一態様の電流注入型アクティブフィルタは、検出トランスと、増幅回路と、発振抑制回路と、注入トランスとを備える。検出トランスは、電源ラインに接続される第１の主巻線と、第１の主巻線に近接して配置される第１の副巻線とを有する。増幅回路は、入力端子が第１の副巻線に接続されるオペアンプと、オペアンプの入力端子と出力端子との間に接続される帰還回路とを含む。発振抑制回路は、帰還回路に挿入され、増幅回路の発振を抑制する。注入トランスは、電源ラインに接続される第２の主巻線と、第２の主巻線に近接して配置されるとともに増幅回路の出力端子に接続される第２の副巻線とを有する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、実施形態のアクティブフィルタを含むインバータ回路の構成例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して実施形態を説明する。図１は、実施形態のアクティブフィルタを含むインバータ回路の構成例を概略的に示す図である。

【0009】

インバータ回路１００は、電源１と、アクティブフィルタ９と、整流回路１０と、インバータ１１とを有する。インバータ回路１００と電源１との間には、電源ラインＬ（Live）、Ｎ（Neutral）が配線されている。また、アクティブフィルタ９の入力側の電源ラインＬと電源ラインＮとの相間及びアクティブフィルタ９の出力側の電源ラインＬと電源ラインＮとの相間には、それぞれ、Ｘコンデンサ２が接続されている。Ｘコンデンサ２は、電源ラインＬ、Ｎの相間に発生するノーマルモードノイズをバイパスさせるために電源ラインＬ、Ｎの相間に挿入されている。また、アクティブフィルタ９の出力側の電源ラインＬ、Ｎのそれぞれとアースとの相対地間には、Ｙコンデンサ１３が接続されている。Ｙコンデンサ１３は、スイッチング動作に起因して電源ラインＬ、Ｎに発生するコモンモードノイズをバイパスさせるために電源ラインＬ、Ｎに挿入されている。

【0010】

電源１は、例えば商用電源であって所定の周波数の交流電圧を生成する。電源１で生成された交流電圧は、アクティブフィルタ９を介して整流回路１０に印加される。

【0011】

アクティブフィルタ９は、電源１と整流回路１０との間に挿入され、インバータ１１のスイッチング動作に起因して電源ラインＬ、Ｎに発生するコモンモードノイズを能動的に低減するフィルタである。アクティブフィルタ９については、後で説明される。

【0012】

整流回路１０は、アクティブフィルタ９を介して電源１に接続され、電源１によって印加される交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路１０によって変換された直流電圧は、インバータ１１に印加される。

【0013】

インバータ１１は、例えば複数の半導体スイッチング素子をブリッジ接続することで構成されたブリッジインバータ回路を含み、それぞれの半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって、整流回路１０から印加される直流電圧を負荷１２の駆動に必要な所望の周波数及び振幅の交流電圧に変換する。インバータ１１によって変換された交流電圧は、負荷１２に印加される。

【0014】

負荷１２は、例えば空気調和機の圧縮機を駆動する三相モータであり、インバータ１１によって印加される交流電圧に従って動作する。

【0015】

次に、アクティブフィルタ９について説明する。実施形態におけるアクティブフィルタ９は、検出トランス３と、増幅回路４と、発振抑制回路５と、エミッタフォロワ回路７と、注入トランス８とを有する。

【0016】

検出トランス３は、電源ラインＬ、Ｎの電源１の側にそれぞれ挿入される主巻線Ｗｍ１と、電源ラインＮに挿入される主巻線Ｗｍ１と近接して配置される副巻線Ｗｓ１とを有する。主巻線Ｗｍ１は、コモンモードチョークコイルを形成していて、コモンモードノイズを低減する。また、主巻線Ｗｍ１は、副巻線Ｗｓ１とともにトランスを形成している。トランスは、コモンモードノイズに起因して主巻線Ｗｍ１に流れるコモンモード電流を主巻線Ｗｍ１と副巻線Ｗｓ１との電磁誘導によって検出する。副巻線Ｗｓ１の一端は、増幅回路４に接続されている。副巻線Ｗｓ１のもう一端は、グラウンドに接続されている。すなわち、副巻線Ｗｓ１は、アースに対して絶縁されている。

【0017】

増幅回路４は、オペアンプ１８を用いた反転増幅回路である。オペアンプ１８の負入力端子は、抵抗１６を介して副巻線Ｗｓ１に接続されている。また、オペアンプ１８の正入力端子は、グラウンドに接続されている。オペアンプ１８の出力端子は、エミッタフォロワ回路７に接続されている。さらに、オペアンプ１８の出力端子と負入力端子との間には負帰還回路が挿入されている。負帰還回路は、オペアンプ１８の出力端子と負入力端子との間に挿入される抵抗１７と、抵抗１７に並列に接続されたコンデンサ６とを含む。増幅回路４は、検出トランス３の出力を電圧増幅する。増幅回路４の増幅率は、副巻線Ｗｓ１の巻数、抵抗１６と抵抗１７との抵抗比等を考慮した回路シミュレーションによって決定される。

【0018】

さらに、実施形態では、オペアンプ１８の負帰還回路に発振抑制回路５が挿入されている。発振抑制回路５は、抵抗１７に直列に接続されたコンデンサＣと、抵抗１７及びコンデンサ６に並列に接続された抵抗Ｒとを含む。発振抑制回路５は、オペアンプ１８の出力端子から負帰還される電流の特定の低周波数成分における位相を進ませて増幅回路４の利得を調整することによって、増幅回路４における発振を抑制する。発振抑制回路５の位相及び利得の調整量は、副巻線Ｗｓ１の巻数、抵抗１６と抵抗１７との抵抗比、コンデンサＣの静電容量、抵抗Ｒの抵抗値等を考慮した回路シミュレーションによって決定される。

【0019】

エミッタフォロワ回路７は、例えば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７は、オペアンプ１８の出力を電流増幅する。

【0020】

注入トランス８は、電源ラインＬ、Ｎの整流回路１０の側にそれぞれ挿入される主巻線Ｗｍ２と、電源ラインＮに挿入される主巻線Ｗｍ２と近接して配置される副巻線Ｗｓ２とを有する。主巻線Ｗｍ２は、コモンモードチョークコイルを形成していて、コモンモードノイズを低減する。また、主巻線Ｗｍ２は、副巻線Ｗｓ２とともにトランスを形成している。トランスは、エミッタフォロワ回路７から副巻線Ｗｓ２に流入する電流を副巻線Ｗｓ２と主巻線Ｗｍ２との電磁誘導によって電源ラインＮに注入する。副巻線Ｗｓ２の一端は、エミッタフォロワ回路７に接続されている。副巻線Ｗｓ２のもう一端は、グラウンドに接続されている。すなわち、副巻線Ｗｓ２は、アースに対して絶縁されている。

【0021】

さらに、実施形態では、雷等の高電圧のサージがインバータ回路１００に入ったときの増幅回路４等の部品破壊を防止するために、検出トランス３の例えば電源ラインＮ側の主巻線Ｗｍ１及び注入トランス８の例えば電源ラインＮ側の主巻線Ｗｍ２のそれぞれに対して並列にサージ保護素子としてのガスアレスタ１４が挿入されている。同様に、実施形態では、雷等の高電圧のサージがインバータ回路１００に入ったときの増幅回路４等の部品破壊を防止するために、検出トランス３の副巻線Ｗｓ１及び注入トランス８の副巻線Ｗｓ２のそれぞれに対して並列にサージ保護素子としてのツェナーダイオード１５が挿入されている。サージ保護素子は、ガスアレスタ、ツェナーダイオードに限るものではない。サージ保護素子として、バリスタ等の他のサージ保護素子が用いられてもよいし、アレスタとバリスタとが組み合わせて用いられる等されてもよい。

【0022】

次に、インバータ回路１００の動作を説明する。電源１で生成された交流電圧は、整流回路１０において整流されることで直流電圧に変換される。整流回路１０において変換された直流電圧に基づき、インバータ１１のスイッチング動作によって負荷１２の動作に必要な交流電圧が生成される。インバータ１１において生成された交流電圧によって負荷１２は駆動する。

【0023】

インバータ１１のスイッチング動作により発生したコモンモード電圧に起因するコモンモード電流が負荷１２の浮遊容量を介して電源１の側に戻ることによって、電源ラインＮにコモンモード電流が流入する。電源ラインＮに流入したコモンモード電流は、検出トランス３によって検出される。

【0024】

検出トランス３で検出されたコモンモード電流は増幅回路４において電圧増幅され、エミッタフォロワ回路７において電流増幅される。エミッタフォロワ回路７で増幅された電流は、注入トランス８によって電源ラインＮにコモンモード電流の逆相で戻される。これにより、コモンモード電流と注入電流が打ち消しあい、コモンモード電流はキャンセルされる。

【0025】

ここで、実施形態では、増幅回路４に対して発振抑制回路５が設けられている。アクティブフィルタとしての効果を上げるためには、増幅回路４の増幅率が大きくされればよい。ここで、発振抑制回路５が設けられていない場合には、ある一定以上の増幅率が設定されると、ある低周波数成分において、コモンモード電流の位相に対して注入電流の位相が－９０°から０°方向に変化し、かつ利得が０ｄＢ以上となってアクティブフィルタ９が発振を起こす。

【0026】

実施形態における発振抑制回路５は、オペアンプ１８の出力端子から負帰還される電流の特定の低周波数成分における位相を進ませることで、問題となる低周波数成分における位相を調整する。これにより、アクティブフィルタ９は、発振を起こす条件を回避し得る。一方で、発振抑制回路５は、ノイズを減らしたい周波数成分には影響を与えない。つまり、発振抑制回路５は、増幅回路４の増幅率が増大されても問題となる低周波数成分だけに影響する。したがって、増幅回路４の増幅率を増大させることによるフィルタ効果の向上が可能である。また、発振抑制回路５は、増幅回路４を構成するオペアンプ１８の負帰還回路に挿入される。発振抑制回路５がオペアンプ１８の負帰還回路に挿入されることにより、増幅回路４の入力インピーダンスの低下を生じさせずに発振抑制効果が得られる。

【0027】

また、実施形態では、増幅回路４の後段にエミッタフォロワ回路７が設けられている。エミッタフォロワ回路７によって、増幅回路４の出力が電流増幅されることにより、注入トランス８によって注入される電流を増大させることができる。結果として、アクティブフィルタ９としての効果の向上が可能である。

【0028】

また、実施形態では、電源ラインの相間にＸコンデンサ２が接続されている。また、実施形態では、電源ラインとアースとの相対地間にＹコンデンサ１３が接続されている。Ｘコンデンサ２によって、ノーマルモードノイズが受動的に抑制され得る。また、Ｙコンデンサ１３によってコモンモードノイズが受動的に抑制され得る。

【0029】

また、実施形態では、検出トランス３及び注入トランス８にはサージ保護素子としてのガスアレスタ１４、ツェナーダイオード１５が取り付けられている。また、検出トランス３の副巻線Ｗｓ１及び注入トランス８の副巻線Ｗｓ２は、それぞれ、アースから絶縁されている。これにより、雷等の高電圧サージによる増幅回路４及びエミッタフォロワ回路７の部品破壊が防止される。

【0030】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0031】

１ 電源、２ Ｘコンデンサ、３ 検出トランス、４ 増幅回路、５ 発振抑制回路、Ｒ 抵抗、Ｃ コンデンサ、６ コンデンサ、７ エミッタフォロワ回路、８ 注入トランス、９ アクティブフィルタ、１０ 整流回路、１１ インバータ、１２ 負荷、１３ Ｙコンデンサ、１４ ガスアレスタ、１５ ツェナーダイオード、１６ 抵抗、１７ 抵抗、１８ オペアンプ、１００ インバータ回路。

【図1】