電源干渉防止におけるフィルタインダクタの応用

1 はじめに

スイッチング電源のデジタル回路の普及と発展に伴い、電子機器から放射および漏洩する電磁波は、他の電子機器の正常な動作を深刻に妨害するだけでなく、機器の機能不全、伝送エラー、制御障害を引き起こすだけでなく、人間の健康と安全を脅かし、目に見えない汚染になり、水などの有形汚染の害に劣らず、 空気、そして騒音。したがって、電子機器の電磁干渉(EMI)を低減することは、世界のエレクトロニクス業界の関心事となっています。この目的のために、欧州共同体の関連するEMC委員会の関連法令は1992年1月1日に発効し、4続きました 1996 1年1月1997日にようやく発効しました。法令は、ヨーロッパおよび国際的なEMC規格の規定を満たさないすべての製品が販売のために市場に参入することを許可されておらず、一部の製品認証の主要な条件としてEMC認証と電気安全認証を取りながら、違反は厳しく罰せられると指摘しています。この動きは世界のエレクトロニクス市場に大きな衝撃を与え、EMCは国際貿易に影響を与える重要な指標となりました。国際基準に準拠するために、中国は関連するEMC規制も次々と策定しています。この目的のために、中国は電磁両立性基準とデモンストレーション会議を何度も開催しており、1月<>日以降に市場に出回っている電子機器は、電波干渉に対する抑制対策を策定および設計し、抑制コンポーネントを配置することが推奨されています。発生する電磁干渉が規格で指定されたレベルを超えないようにするため。<>年<>月<>日以降、市場に参入するすべての製品にはEMCマークを付ける必要があります。これは、中国の電子製品が国際市場競争に参加するための最初のステップです。

2 干渉防止フィルターの特性

干渉防止フィルタと従来の信号フィルタには概念的な違いがあります。信号フィルタは、インピーダンス整合の条件下で、つまり、入力信号と出力信号の振幅を変化させないためにフィルタを介して動作し、周波数領域の一部が期待どおりに処理および変換されます。EMIフィルタは、デバイスに出入りする電磁干渉を抑制するために使用され、双方向に抑制されています。したがって、これにはEMIフィルタのポートとデバイスの間で最大の不一致が必要です。このように、フィルタによる電磁干渉の減衰は、フィルタ自体のネットワークの減衰に入力ポートと出力ポートによって生成される反射を加えたものに等しく、表1に示すように、次の規則に従う必要があります。ここで、Rsは電力網の入力インピーダンスであり、電力量によって変化します。RLはEMIフィルタの出力インピーダンスであり、負荷のサイズによって異なります。

電気的な観点から、最大吸収(または損失)は、インピーダンスの不整合の条件下でのみフィルタに生成でき、これはEMC用語では「フィルタ挿入損失」と呼ばれます。EMIフィルタは、主に伝導干渉を除去または低減するように設計されています。実際、伝導干渉はコモンモード干渉とディファレンシャルモード干渉に分けられ、いわゆるコモンモード干渉とは、位相線と接地線の間の干渉信号の位相が同じ位相で電位が等しいことを意味し、差動モード干渉は、位相線間の干渉信号の180°(等しい電位)の位相差である。図1を参照してください。

したがって、フィルタ回路は反コモンモード干渉回路とアンチディファレンシャルモード干渉回路にも分割され、図LC1LC2、Cy1Cy2はコモンモードフィルタ回路を構成し、LC1LC2はコモンモードフィルタインダクタであり、Ld1Ld2Cx1Cx2は差動モード回路を形成します。コモンモードインダクタLcの一般的な値は0.3mH~38mHであり、コモンモードコンデンサCyは、リーク電流が<1mAの条件下で制御されている限り、大きい方の値が選択されます。差動モードインダクタLdは一般に数十から数百マイクロヘンリーであり、その静電容量は1.4kVを超える耐電圧のセラミックまたはポリエステルコンデンサを選択する必要があります。Ld1Ld2の差動モードインダクタンスと容量値が大きいほど、低周波効果が良好になります。市場で購入されているEMIフィルタのほとんどはコモンモード干渉用に設計されており、差動モード抑制への影響は非常に乏しいです。実際、スイッチング電源のコモンモード干渉とディファレンシャルモード干渉が同時に存在し、特にアクティブ力率補正回路では、ディファレンシャルモード干渉の強度が非常に大きい。スイッチング電源の場合、EMIフィルタは、低周波数でのEMI導通キャンセルよりもはるかに簡単に高周波でのEMI信号を抑制します。多くの場合、コモンモードインダクタンスの差により、300kHz~30MHzの伝導干渉レベルを排除できます。フィルタの設計と選択は、回路の実際のニーズに応じて決定する必要があります。まず、伝導干渉レベルと指定されたEMC標準制限の比較を測定し、一般に0.01MHz~0.1MHzはディファレンスモード干渉が主導的な役割を果たし、0.1MHz~1MHzはディファレンシャルモードとコモンモード干渉の組み合わせであり、1MHz~30MHzは主にコモンモード干渉です。実験結果に従って、オーバースタンダード信号に抑制効果があるフィルタまたはデバイスが判断され、選択されます。もちろん、実際の操作はかなり複雑で、かなり高い技術レベルと経験が必要です。

3 EMIフィルタにおけるインダクタ材料の選択

電子機器の電磁干渉を低減することは、電子製品の市場が存在するかどうかの重要な問題となっています。軟磁性材料は、EMIフィルタに欠かせない部品となり、その中心的な役割を担っています。軟磁性材料を用いた各種EMI抑制部品は、各種電子回路・デバイスに広く使用されています。これは、軟磁性材料には独自の特性があり、電磁干渉防止の分野で大きな役割を果たすためです。ただし、電子機器メーカーにとって、すべての電子機器の標準を下回る干渉を低減する汎用EMIフィルタを期待することは非現実的です。EMIフィルタの設計は、電子機器のEMC規格、つまりEMI信号、特にその中の軟磁性材料を減衰させる必要がある周波数帯域範囲と過剰レベルに従って選択する必要があります。軟磁性材料には多くの種類があるため、それぞれに独自の電磁特性があります。Bsμi損失などの基本的な磁気パラメータに加えて、それらの電気的特性、抵抗率、帯域幅、インピーダンスなど。使用する必要があります。必要な減衰干渉信号範囲に応じて、対応するフィルタ回路を決定し、周波数帯域に適した磁性材料を慎重に選択すると、フィルタインダクタは最も経済的で最高の効果を達成できます。期待した効果が得られない各種干渉防止フィルタに適合する材料を使用したい場合は、周波数帯域に適した磁性材料を選択する必要がある。材料の観点から見ると、EMIフィルタは不要な信号をブロックして熱の形で消費するため、必要な信号をほとんどまたはまったく減衰せずに通過させることができます。発熱の形で消費されるエネルギーは、電流の作用下でのコイルのジュール加熱(すなわちI2R)を指していないことを指摘する価値があります。したがって、コイルを巻く際には、このエネルギーの損失を最小限に抑えるために、線径の大きい銅線を使用する必要があります。電気的な観点から見ると、フィルタ内の磁性材料によるインダクタンスは、低周波数での純粋なインダクタLと純粋な抵抗Rの直列接続、およびそのインピーダンスZ=R+jωLと同等です。平均直径Dのリングの場合、アンペアの法則と電磁誘導の法則によると:

   e=N1S-dB/dt

       H=N1I/l

ここで、N1,I-はリングコア上の励磁コイルの巻き数及び電流である；

S - コアの断面積；

l-平均磁気回路長（πD）。

    として位相器で表現される：

μ=μ′-jμ"

コアは低周波で等価にすることができます： Z＝R＋jωL＝E／Im

    上式に代入すると

だから、手に入れることができるのです：

磁気パラメータは、上記の式を介して電気的パラメータに直接リンクされています。これは、磁性材料の磁気パラメータが回路内で果たす役割を表します。式(1)は、回路内のインダクタンスが磁性材料の弾性透磁率μ'に直接関係していることを表しており、周波数に依存しないデバイスの純粋な誘導率を示しています。回路内の抵抗Rは、磁性材料μ"の複素透磁率の虚数部に関係しています。式(2)は、材料の渦電流損失、ヒステリシス損失及び残留損失に関係し、周波数にも関係している。電気的に反射すると、等価抵抗Rに相当します。最終的に、デバイスの熱エネルギーは空間に放散され、EMIフィルタのインダクタは磁性材料のこの特性を利用して干渉信号をフィルタリングできます。別の観点からは、EMIフィルタのインダクタの加熱は、回路の通常の動作に影響を与えない限り、正常です。

図2は、直列等価回路におけるフィルタインダクタのR対周波数曲線を示しています。インダクタの挿入損失曲線に相当します。低周波数帯域、つまりf〈f1では、回路内のインダクタのインピーダンスRは無視できるほど小さく、電流風は損失なく流れます。この段階では、インダクタの磁気自体は、主にコイル加熱(I2R)のエネルギーをほとんど消費しません。大電流動作環境でのみ、エネルギー変換熱のこの部分を考慮する必要があります。高出力サイリスタ調光ランプ回路の干渉防止インダクタンスなど、電流は20A~50Aと高いため、巻線抵抗が小さくてもエネルギーは電流の1乗に比例するため、コイルの発熱は非常に大きくなります。このとき、銅線の線径を大きくするだけで(単線または多重線)、コイル温度を大幅に下げることができる。周波数がf2~fc帯域にある場合、負のインピーダンス曲線から、周波数の増加とともに等価抵抗Rが徐々に増加していることがわかります。これは、回路インダクタのエネルギー貯蔵の機能が周波数の増加とともに減少し、損失が周波数とともに増加することを示しています。等価抵抗Rはfc点付近で急激に増加し、磁気の観点からは、磁性材料は回路内の高周波エネルギーを吸収し、磁壁の運動や微小渦電流効果による微視的損失などの材料の内部損失に変換します。FCポイント付近のエネルギー貯蔵効果はなくなりました。FCのレベルは磁性材料の特性に関連しています。一般的に、フェライト材料FCは高く、金属磁性材料FCです。下げる。ただし、同じ材料でも、製造プロセス材料の組成を変更したり、FCのレベルを人為的に調整したりできます。周波数がfcを超えるとインピーダンスが低下し始め、f<>では高周波での寄生容量Cwによる共振吸収である小さなピークが現れます。このピークの周波数はインダクタンス分布パラメータに関連しており、材料の性能とはほとんど関係がありません。実際、EMIフィルタインダクタの干渉防止効果は、磁性材料の特性を利用することです。

EMIフィルタは、コモンモードの干渉防止フィルタとディファレンシャルモードの干渉防止フィルタに分けられます。そのため、フィルターインダクタに要求される磁気性能は全く異なる。以下に簡単に説明します：

(1) コモンモードフィルタのインダクタ材料の選定 コモンモードインダクタのコイルは図1に示すように、Lc1Lc2は磁気リングに巻かれた2つの独立したコイルで、巻数は同じで巻線は反対です。 EMIフィルターを回路に接続すると、2つのコイルが発生する磁束はコアを飽和させることなく、コア内で互いに打ち消し合う。干渉信号が比較的弱いため、一般的に磁性体コアは低磁界の領域で動作し、磁性体材料はコモンモードフィルターインダクタとして高い初透磁率μ0を持つ材料が必要です。しかし、初透磁率のどちらか一方ではなく

高ければ高いほど良いというわけではなく、回路中の磁性体の電気的特性も考慮する必要があります。そこで、以下では、μ0の高い軟磁性材料の種類を選び、インダクタコアの挿入損失傾向を反映して、同一条件下で周波数とインピーダンスカーブを測定し、その性能を表2、図3に示しました。

曲線IVは、コモンモード干渉対策に特別に使用された外国製誘導コア（Mn-Znフェライト）で、国産フェライトと比較して、100Hz〜の低周波帯10000Hzでは、材料自体の抵抗率が高いため、交流等価抵抗が小さく、この周波数帯の干渉信号の損失は非常に小さく、主に電流が誘導リアクタンスの大きな役割を果たすことを示しています、 フェライトは低周波の干渉信号に対して抑制効果がなく、超結晶や1J851は材料の抵抗率が比較的低いため、周波数の上昇に伴い損失も大きくなることがわかりますが、コアの渦電流損失による等価抵抗Rはフェライトよりはるかに大きいことがわかります。10kHz〜100kHzの周波数帯域のRは増加し続け、この周波数帯域の干渉信号の抑制も増加しており、このうち1J851と超結晶材料は干渉信号の抑制に対する減衰が最も大きく、フェライトは小さい。リニアフィルターの場合、動作周波数が50Hz〜60Hz、400Hz〜800Hzの電源は排除するか減衰頻度を少なくする必要があります。 10kHzの干渉信号に対しては、金属磁性体（またはアモルファス超結晶）を使うのがベストです。 この周波数帯のフェライトによる干渉信号の吸収は、金属磁性材料に比べると明らかに劣ります。周波数帯域100kHz〜1MHz付近では、フェライトのRが急激に上昇し、金属磁性体や超結晶はまだ安定して上昇し、輸入フェライトは1MHzでピークに達します。 Rが最も大きく、1J851がそれに続く。 国産フェライトは超結晶が3位で、3MHzあたりにピークがあるが、変化は比較的フラットである。カーブの変化から、フェライトの吸収ピークは7MHz付近ですが、吸収領域は比較的狭く、一方、金属磁性体の吸収領域は比較的広いため、素材によって周波数に対する吸収感度が異なることがわかります。したがって、コモンモードフィルタを製造する際に選択するインダクタ材料は、回路が必要とする抑制周波数帯域に応じて選択することが非常に重要である。同時に、表1の曲線と図2の曲線を比較すると、インダクタンスは高ければ高いほど良いが、その電気的パラメータを考慮する必要があり、コイルの巻数を増やすことでインダクタンスを大きくすることはできない。そのため、高周波の寄生容量が大きくなってしまう。

2） ディファレンシャルモードフィルタのインダクタ材料の選択は、コモンモードフィルタのインダクタとは全く異なり、インダクタと負荷が直列に接続され、入力電流または出力電流が直接インダクタコアを通過し、そのAC（DC）電流は大きく、当然、高透磁率材料は使用できないためです。差動モード干渉防止フィルタのインダクタコアのニーズに適応するため、当初はフェライトや金属磁性体の間にエアギャップを設けて減磁磁界を増大させ、透磁率を低下させてコアの抗飽和能力を高める方法が採用されています。しかし、これは電源入力で使用される交流電流の干渉防止フィルタには明らかに不適切である。

オープンエアギャップでは、大きな放射線干渉による強い交番漏洩磁界が発生するだけでなく、エアギャップ破壊や加熱による局所的な損失が発生し、フェライト磁性が劣化、あるいは消失してしまう。フェライトのキュリー温度は200℃なので、この温度でμ0付近 まで低下し、この時点でフィルタリング効果が失われている。また、磁歪により、エアギャップでは新たな機械的ノイズが発生し、環境を汚染する。このため、人々は新しい複合磁性粉コアを使用しています。これは現在、最も理想的なフィルタインダクタの材料であり、それは絶縁ラッププレスアニールによる金属軟磁性粉末であり、それはコアに均一に分布する小さな穴に分散し、集中エアギャップに相当する、材料の飽和強度が増加するだけでなく、元の増加桁と等方性よりもコアの抵抗率は、金属磁性材料の欠点を変更した高周波では使用できませんです。これは、外国のすべての差動モードフィルタインダクタは、オープンフェライトコアの代わりに磁気粉末コアを使用する理由です。 様々な特性を持つ磁性粉コアを用いて、周波数-インピーダンス曲線を測定しています（図4参照）。 図の変化曲線は、磁気特性の異なるインダクタで、インピーダンスと周波数変化は同じではありません。鉄粉コアSF70と55930は干渉周波数が2kHz以下の場合、インピーダンスは基本的に変化せず、吸収がないことを示し、SF30は60kHz以下 信号に対する吸収効果もない。 吸収は2MHz付近で急激に増加し、10MHz付近で最も強く吸収され、SF70は100kHz 後からあまり変化しない。このように、性質の異なる材料では、干渉信号の吸収周波数帯域も異なることがわかります。国内外で広く使われている電子調光装置の多くは、位相シフト式サイリスタ調光を採用しています。サイリスタが導通する瞬間、電流が急激に変化するため、大量の高周波高調波による電磁干渉が発生し、オーディオ機器、ランプ、ビデオ録画などの機器に深刻な影響を与えるだけでなく、電力網システムにも深刻な支障をきたす。干渉防止用インダクターの設置が必要です（米国のLeeColorTran、英国のLank、日本のRDSがこの方式で干渉を抑制しています）。便宜上、解析電流の立ち上がり時間trでインダクタコアのイミュニティの度合いを判断することにしています。異なる材質のデータを表3に示す。

調光ランプの工業検出における干渉の抑制効果は、電子調光器を点灯させたときの電流の立ち上がり時間trで表すことができます。立ち上がり時間が長いほど、回路の高次高調波成分が小さくなり、抑制効果が高くなります。国産インダクターZW-1のtr時間は450μsと高いが、透磁率は70に過ぎないことが表から読み取れないことはない。また、開放型アモルファスストリップコアは透磁率が最も高い（μe=800）にもかかわらず、電流の立ち上がり時間が100μsと短く、機械ノイズも深刻です。このことから、インダクタンス付加後の干渉防止能力は、透磁率が高ければ良いというものでもなく、透磁率が低ければ良いというものでもなく、選択した磁性材料素材と関係があることがわかる。さらに分析するために、異なる材料の干渉電圧を同じ条件で測定すると、図5は英国ランク、国産ZW-1磁粉コアの電源端子と常開コアが干渉する電圧と周波数の曲線である。

電子調光機器の電波干渉の許容値と測定方法」の測定結果によると、国産ZW-1インダクタと英国ランク インダクタを比較すると、国産ZW-1インダクタの干渉防止レベルはA規格以下、英国ランクインダクタは 0.16MHz~3.5MHz周波数帯が規格オーバー、オープンシリコン鋼板製の干渉防止インダクタは周波数帯 0.01MHz-1.2 MHzがマークオーバーとなっています。オープンコアの干渉防止用インダクターでは、規格を満たすことは不可能である。現在、国内の調光ランプの多くは、干渉防止用インダクターとしてフェライト磁石のリングを使用していますが、これは明らかに間違っています。フェライトは常に飽和領域で動作するため、干渉を抑制するどころか、干渉を増大させてしまうのです。

図6は、プログラム制御スイッチ用の100A干渉防止フィルタの減衰曲線を示しています。干渉防止減衰曲線Iは輸入された類似のフィルターで、0.01MHz~100MHzの範囲での干渉レベルの減衰は比較的均一で滑らかである。曲線IIはオープンフェライトをフィルターとして使用しており、周波数が0.4MHz~0.8MHzのときのピーク値は、この周波数帯の干渉信号の減衰が小さく、要求を満たしていないことを示しています。その後、米国マイクロメタルズ社の鉄粉コアに変わりましたが、0.2MHz~0.45MHz帯の干渉防止能力は弱い（曲線IIIなど しかしオープンフェライトよりはましですが、それでも理想的ではありません。なぜなら、通信電源にとって最も神経を使うのは低周波の干渉だからです。その後、特別に開発された磁性粉コアを用いたフィルターの干渉レベルは、曲線IVなど、曲線IIやIIIよりも良好であり、海外の類似フィルターの性能よりも優れているほどであった。以上の例から、EMIフィルタを開発する際には、フィルタインダクタの選定に特別な注意を払う必要があることがわかる。適切な磁性材料を選択するだけでなく、必要な減衰帯域に適した磁気特性を持つものを選択する必要があります。このように、EMIフィルターでは、磁性材料の選定が重要な役割を果たします。

4 干渉防止フィルタの開発動向

現在の電子回路は，高速デジタル回路に移行しつつある。高密度実装と高速演算により、EMCに対する要求も高くなっています。電子製品の小型化、多機能化、モバイル化の進展は、電子製品の組立方法における表面実装技術への移行を促進し、干渉をさらに低減している。同時に、その動的応答を改善し、干渉を低減するために、電源バスのリードインダクタンスを低減する必要がある。最も効果的な方法は、電源を負荷の近くに直接設置し、集中電源形式（大電力源）ではなく、分散電源形式（つまり小電力源）を使用することで、リードの長さを大幅に削減し、放射干渉を効果的に低減させることができます。したがって、今後数年間、米国では16W~25Wの低電圧（出力電圧は最低1.2V）DC/DCスイッチング電源が精力的に開発されることになる。チップ磁気デバイスは、小型化のための重要な材料の一つであり、巻線チップインダクタ、積層チップインダクタ、薄膜チップインダクタに分けることができることがわかる。このため、上海鉄鋼研究院では、金属膜インダクターや薄膜トランス部品の開発に着手している。現在、米国と日本のいくつかの重要な研究機関は、薄膜インダクタと薄膜トランスの研究を始め、それらを集積部品と組み合わせて、新しい超小型、高信頼性、高免疫のパワーモジュールを形成している。超小型インダクターやトランスが、21世紀の磁気部品の発展方向となることが窺える