(57)【要約】【課題】  雑音電磁波の放射を確実に低減させることが可能な交流入力電源装置を提供する。【解決手段】  ＡＣ入力電源装置１は、回路基板１０に導電部材１１が備えられている。導電部材１１は、出力コンデンサ４の負極側に接続される側のパワートランジスタ５２と、出力コンデンサ４の負極と、整流回路３の負極出力とを少なくとも接続する配線パターン１２に沿った形状を有し、配線パターン１２が形成された箇所の回路基板１０の基板面と空間１３を介して並走している。導電部材１１は、回路基板１０の基板面と平行な面を有する板状に形成された銅板等からなり、一端がＹコンデンサの接地箇所に半田１４で電気的に接続されて接地されている。その他端は、回路基板１０の基板面から浮いている。この浮いた箇所の導電部材１１と配線パターン１２との間の空間１３には、絶縁材料からなるスペーサ１５が備えられている。【選択図】  図２
2020089042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力して整流する整流回路と、前記整流回路に接続される交流電源線および接地間に設けられるコンデンサ並びに前記交流電源線に介挿されるインダクタを少なくとも有するノイズフィルタと、前記整流回路の出力を平滑化する出力コンデンサと、前記整流回路の出力を第１のスイッチング素子でスイッチングして前記整流回路の出力の力率を改善する力率改善回路と、前記整流回路の出力を第２のスイッチング素子でスイッチングしてＤＣ/ＤＣ変換するＤＣ/ＤＣ変換回路とが回路基板に実装されて構成される交流入力電源装置において、
雑音が重畳する前記回路基板の配線パターンに沿った形状を有し、前記配線パターンが形成された箇所の前記回路基板の基板面と空間を介して並走する、前記接地に電気的に接続された導電部材を前記回路基板に備えることを特徴とする交流入力電源装置。
【請求項２】
前記配線パターンは、前記出力コンデンサの負極側に接続される側の前記第１のスイッチング素子と、前記出力コンデンサの負極と、前記整流回路の負極出力とを少なくとも接続する配線パターンであることを特徴とする請求項１に記載の交流入力電源装置。
【請求項３】
前記導電部材は、前記回路基板の基板面と平行な面を有する板状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流入力電源装置。
【請求項４】
前記空間に絶縁材料からなるスペーサを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の交流入力電源装置。
【請求項５】
前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子は窒化物半導体から形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の交流入力電源装置。
【請求項６】
前記ノイズフィルタを構成するコンデンサは、前記整流回路に接続される一方の交流電源線および前記接地間並びに他方の交流電源線および前記接地間に設けられるＹコンデンサであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の交流入力電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源を入力して整流する整流回路およびノイズフィルタが回路基板に実装されて構成される交流入力電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の交流入力電源装置としては、例えば、特許文献１に開示された電源装置がある。
【０００３】
この電源装置には商用交流電源の交流電圧が供給される。供給された交流電圧は、ノイズフィルタを介してダイオードブリッジによって正弦波形から脈流波形へ整流され、コンデンサによって平滑されて直流電圧となる。直流電圧は絶縁トランスの一次側でスイッチング素子によってスイッチングされ、二次側の整流ダイオードとコンデンサで所定の電圧に平滑されて、負荷に出力される。
【０００４】
ノイズフィルタはＸコンデンサとコモンモードチョークコイルとＹコンデンサから構成される。Ｙコンデンサを構成する一方のコンデンサは一端が交流ラインのライブ側に接続され、他端が、フレームグランドに接続された第１のグランドパターンに接続されている。Ｙコンデンサを構成する他方のコンデンサは一端が交流ラインのニュートラル側に接続され、他端が、第１のグランドパターンと分離されてフレームグランドに接続された第２のグランドパターンに接続されている。このため、Ｙコンデンサを構成する各コンデンサは、共通のインピーダンスを有せず、吸収したノイズを各グランドパターンを介して、それぞれ、フレームグランド、商用交流電源のアースにバイパスする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２２６２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の交流入力電源装置においては、グランドパターンの面積を確保することができずに小面積に形成される場合や、外来ノイズがグランドパターンに重畳した場合などにはグランドパターンに電位差が生じ、ノイズ低減効果が弱まってしまう。このため、グランドパターンから商用交流電源のアースに雑音電流が流れ込み、雑音電磁波が放射されてしまう。
【０００７】
本発明は、雑音電磁波の放射を確実に低減させることが可能な交流入力電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、
交流電源を入力して整流する整流回路と、整流回路に接続される交流電源線および接地間に設けられるコンデンサ並びに交流電源線に介挿されるインダクタを少なくとも有するノイズフィルタと、整流回路の出力を平滑化する出力コンデンサと、整流回路の出力を第１のスイッチング素子でスイッチングして整流回路の出力の力率を改善する力率改善回路と、整流回路の出力を第２のスイッチング素子でスイッチングしてＤＣ/ＤＣ変換するＤＣ/ＤＣ変換回路とが回路基板に実装されて構成される交流入力電源装置において、
雑音が重畳する回路基板の配線パターンに沿った形状を有し、配線パターンが形成された箇所の回路基板の基板面と空間を介して並走する、前記接地に電気的に接続された導電部材を回路基板に備えることを特徴とする。
【０００９】
本構成によれば、回路基板のある配線パターンに雑音が重畳して、その配線パターンに雑音電流が流れても、その配線パターンに空間を介して並走して回路基板に設けられた導電部材には、導電部材が有するインダクタンス分により、その配線パターンに流れる雑音電流とは逆向きに電流が流れる。したがって、その配線パターンを流れる雑音電流によって放射される雑音電磁波は、導電部材を逆向きに流れる電流が生成する電磁波によってその強度が弱められる。
【発明の効果】
【００１０】
このため、雑音が重畳する配線パターンの面積を確保することができずに小面積に形成される場合や、外来ノイズが配線パターンに重畳する場合などにも、導電部材を配線パターンと逆向きに流れる電流が生成する電磁波により、雑音電磁波の放射を確実に低減させることが可能になる。この結果、雑音電磁波の放射を確実に低減させることが可能な交流入力電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による交流入力電源装置の回路図である。
【図２】（ａ）は、一実施形態による交流入力電源装置を構成する回路基板の平面図のイメージ、（ｂ）は側面図のイメージを示す図である。
【図３】一実施形態による交流入力電源装置の放射エミッションについての測定方法を説明する図である。
【図４】雑音対策が無対策の従来の交流入力電源装置と、本実施形態による雑音対策が施された交流入力電源装置についての放射エミッションの測定結果を比較して示すグラフである。
【図５】一実施形態による交流入力電源装置について導電部材と配線パターンとの間の距離を変化させた場合における、放射エミッションの測定結果を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の交流入力電源装置を実施するための形態について、説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による交流（ＡＣ）入力電源装置１の回路図である。
【００１４】
ＡＣ入力電源装置１は、ノイズフィルタ２と、整流回路３と、出力コンデンサ４と、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路５と、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路６とから構成され、ＡＣ電源７から交流電源を入力して、出力端子８ａ，８ｂに直流電源を出力する。
【００１５】
ノイズフィルタ２は、２つのコモンモードチョークコイル２１，２７と、コンデンサ２２，２３からなるＹコンデンサと、２つのＸコンデンサ２４，２８と、４つのインダクタ２５，２６，２９，３０とから構成され、ＡＣ入力電源装置１に生じるノイズを低減させる。ＹコンデンサおよびＸコンデンサ２４、並びに２つのインダクタ２５，２６は２つのコモンモードチョークコイル２１，２７の間に設けられている。Ｘコンデンサ２８および２つのインダクタ２９，３０は、コモンモードチョークコイル２７と整流回路３との間に設けられている。
【００１６】
各コモンモードチョークコイル２１，２７は、各交流電源線を流れるコモンモードノイズ電流により生じる磁束を足し合わせて大きなインピーダンスを発生させ、コモンモードノイズを低減させる働きを主にする。各インダクタ２５，２６，２９，３０は、各交流電源線に介挿されて設けられ、コモンモードチョークコイル２１，２７によっては除去しきれない高域のノイズを低減させる働きを主にする。
【００１７】
Ｙコンデンサは、整流回路３に接続される交流電源線および接地間に設けられるコンデンサである。すなわち、Ｙコンデンサを構成する一方のコンデンサ２２は、整流回路３に接続される一方の交流電源線および接地間に設けられ、他方のコンデンサ２３は、他方の交流電源線および接地間に設けられる。接地は、ＡＣ入力電源装置１を収容する図示しない金属筐体に接続することで行われ、接地電位は、ＡＣ電源７の接地と共通のフレームグランド電位になっている。Ｙコンデンサは、各交流電源線を流れるコモンモードノイズ電流をフレームグランドに逃がす働きを主にする。Ｘコンデンサ２４，２８は、各交流電源線の線間に設けられ、ディファレンシャルモードノイズを低減させる働きを主にする。
【００１８】
整流回路３は、ダイオードブリッジによって構成され、ＡＣ電源７からの交流電源を入力して、脈流に整流する。出力コンデンサ４は整流回路３の出力を平滑化して出力する。ＰＦＣ回路５は、インダクタ５１と、パワートランジスタ５２と、抵抗５３と、２つのダイオード５４，５５と、コンデンサ５６とから構成される。ＰＦＣ回路５は力率改善回路を構成し、整流回路３の出力を第１のスイッチング素子であるパワートランジスタ５２でスイッチングして、整流回路３の出力の力率を改善する。抵抗５３のパワートランジスタ５２と反対側の端部と整流回路３の負極出力との間は、回路基板１０に形成される配線パターン１２によって接続されている。配線パターン１２は、出力コンデンサ４の負極側に接続される側のパワートランジスタ５２と、出力コンデンサ４の負極と、整流回路３の負極出力とを少なくとも接続する。
【００１９】
ＤＣ/ＤＣコンバータ回路６は、絶縁トランス６４の一次側に設けられた２つのパワートランジスタ６１，６２およびコンデンサ６３と、絶縁トランス６４と、絶縁トランス６４の二次側に設けられた２つのパワートランジスタ６５，６６およびコンデンサ６７とから構成される。ＤＣ/ＤＣコンバータ回路６は、ＰＦＣ回路５を介して入力される整流回路３の出力を第２のスイッチング素子であるパワートランジスタ６１，６２でスイッチングして、ＤＣ/ＤＣ変換するＤＣ/ＤＣ変換回路を構成する。絶縁トランス６４の二次側に設けられた２つのパワートランジスタ６５，６６はそれぞれダイオードを形成するように接続されており、絶縁トランス６４の一次側から入力される直流電圧を整流する。コンデンサ６７はこの直流電圧を平滑化して、出力端子８ａ，８ｂへ出力する。
【００２０】
本実施形態では、ＰＦＣ回路５を構成するパワートランジスタ５２、および、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路６を構成するパワートランジスタ６１，６２、６５，６６は、窒化物半導体である窒化ガリウムＧａＮから形成されている。窒化ガリウムＧａＮは、シリコンＳｉと比較してバンドギャップが大きく、絶縁破壊電圧が高い。このため、各パワートランジスタ５２、６１，６２、６５，６６は、オン抵抗が低減されると共に、それらのスイッチングが高速化されている。
【００２１】
上記のような回路構成をしたＡＣ入力電源装置１は、図２（ａ）に平面図、図２（ｂ）に側面図のイメージを示す回路基板１０に各構成部品が実装されて、構成されている。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００２２】
本実施形態のＡＣ入力電源装置１は、回路基板１０に導電部材１１が備えられている。導電部材１１は、出力コンデンサ４の負極側に接続される側のパワートランジスタ５２と、出力コンデンサ４の負極と、整流回路３の負極出力とを少なくとも接続する配線パターン１２（図１参照）に沿った形状を有し、配線パターン１２が形成された箇所の回路基板１０の基板面と空間１３を介して並走している。導電部材１１は、回路基板１０の基板面と平行な面を有する板状に形成された銅板等からなり、一端がＹコンデンサの接地箇所に半田１４で電気的に接続されて接地されている。その他端は、図２（ｂ）に示すように、回路基板１０の基板面から浮いている。本実施形態では、この浮いた箇所の導電部材１１と配線パターン１２との間の空間１３に絶縁材料からなるスペーサ１５が備えられている。
【００２３】
ＰＦＣ回路５を構成するパワートランジスタ５２や、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路６を構成するパワートランジスタ６１，６２の高速スイッチングにより、配線パターン１２には雑音電流が重畳する。ＤＣ/ＤＣコンバータ回路６を構成するパワートランジスタ６１，６２の高速スイッチングにより発生する雑音電流は、ＰＦＣ回路５を構成するダイオード５４，５５によって出力コンデンサ４の正極側への伝搬が阻止され、出力コンデンサ４の負極側へ流れて、配線パターン１２には大きな雑音電流が重畳する。このことは、回路基板１０の表面に生じる３０〜５０ＭＨｚの周波数の近傍磁界について評価し、パワートランジスタ５２、６１，６２および配線パターン１２の近辺における近傍磁界が大きくなることを検証して、確認を行った。したがって、導電部材１１は、雑音が重畳する回路基板１０の配線パターン１２に沿った形状を有する。
【００２４】
本実施形態によるＡＣ入力電源装置１によれば、回路基板１０の配線パターン１２に雑音が重畳して、その配線パターン１２に雑音電流が流れても、その配線パターン１２に空間を介して並走して回路基板１０に設けられた導電部材１１には、導電部材１１が有するインダクタンス分により、その配線パターン１２に流れる雑音電流とは逆向きに電流が流れる。したがって、その配線パターン１２を流れる雑音電流によって放射される雑音電磁波は、導電部材１１を逆向きに流れる電流が生成する電磁波によってその強度が弱められる。このため、雑音が重畳する配線パターン１２の面積を確保することができずに小面積に形成される場合や、外来ノイズが配線パターン１２に重畳する場合などにも、導電部材１１を配線パターン１２と逆向きに流れる電流が生成する電磁波により、雑音電磁波の放射を確実に低減させることが可能になる。
【００２５】
したがって、本実施形態によるＡＣ入力電源装置１によれば、フィルタ回路やシールドなどを回路基板１０に新たに設けることなく、単に導電部材１１を回路基板１０に別途設けるだけで、効果的にノイズの対策を行うことができる。すなわち、ＰＦＣ回路５を構成するパワートランジスタ５２やＤＣ/ＤＣコンバータ回路６を構成するパワートランジスタ６１，６２のスイッチングにより生じて、出力コンデンサ４の負極および整流回路３の負極出力につながる配線パターン１２を流れる雑音電流によって生じる雑音電磁波は、導電部材１１を配線パターン１２と逆向きに流れる電流が生成する電磁波により確実に低減させられる。この結果、本実施形態によれば、雑音電磁波の放射を確実に低減させることが可能なＡＣ入力電源装置１を提供することができる。
【００２６】
本実施形態のこの効果を確認するため、ＩＥＣ（International Electro-technical Committee：国際電気標準化会議）のノイズ規制規格ＣＩＳＰＲ（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）３２にしたがい、ＡＣ入力電源装置１の放射エミッションについて、測定を行った。
【００２７】
図３は、この測定方法を説明する図である。ＡＣ電源７に交流電源線を介して接続されたＡＣ入力電源装置１は、ＥＵＴ（equipment under test：試験対象装置）として、ターンテーブル７１に置かれた高さ８０ｃｍのテーブル７２上に配置される。また、ＥＵＴから放射される雑音電磁波を受信する受信アンテナ７３がＥＵＴから所定距離離れた位置に設けられ、ＥＵＴから直接放射される雑音電磁波の直接波およびグランド・プレーン７４で反射する反射波が受信アンテナ７３によって受信される。受信アンテナ７３は１〜４ｍの範囲で昇降され、受信アンテナ７３における雑音電磁波の受信レベルが最大になる高さに設定される。受信アンテナ７３で受信される雑音はアッテネータ７５およびプリアンプ７６を介してレシーバ７７に受信され、その電界強度が測定される。
【００２８】
図４は、導電部材１１を備えない回路基板１０で構成される雑音対策が無対策の従来のＡＣ入力電源装置と、導電部材１１を備える回路基板１０で構成される本実施形態による雑音対策が施されたＡＣ入力電源装置１についての放射エミッションの測定結果を比較して示すグラフである。同図（ａ）は、受信アンテナ７３に受信される雑音電磁波の水平偏波についての測定結果を示すグラフ、同図（ｂ）は、受信アンテナ７３に受信される雑音電磁波の垂直偏波についての測定結果を示すグラフである。これら各グラフの横軸は各偏波の周波数[ＭＨｚ]、縦軸は各偏波の電界強度[ｄＢμＶ/ｍ]である。また、これら各グラフに黒色の線で示される測定線８１は従来のＡＣ入力電源装置についての測定結果、薄墨色の線で示される測定線８２は本実施形態によるＡＣ入力電源装置１についての測定結果である。
【００２９】
これら各グラフから、導電部材１１を備える本実施形態によるＡＣ入力電源装置１は、水平偏波および垂直偏波共に、測定される雑音電磁波の電界強度が小さくなり、導電部材１１を備えない従来のＡＣ入力電源装置に比べてノイズ低減効果が高いことが確認された。本実施形態によるＡＣ入力電源装置１は、特に、垂直偏波についてノイズ低減効果が高く、６０[ＭＨｚ]の周波数近傍で最大１０[ｄＢμＶ/ｍ]程度のノイズ低減効果があることが確認された。
【００３０】
図５は、本実施形態によるＡＣ入力電源装置１について、導電部材１１と配線パターン１２との間の距離を変化させた場合における、放射エミッションの測定結果を比較して示すグラフである。同図（ａ）は、このときに受信アンテナ７３に受信される雑音電磁波の水平偏波についての測定結果を示すグラフ、同図（ｂ）は、受信アンテナ７３に受信される雑音電磁波の垂直偏波についての測定結果を示すグラフである。これら各グラフの横軸および縦軸は図４に示すグラフにおけるものと同じである。また、これら各グラフに黒色の線で示される測定線９１は、導電部材１１と配線パターン１２との間の距離が５ｍｍのときの測定結果、薄墨色の線で示される測定線９２は、導電部材１１と配線パターン１２との間の距離が３ｍｍのときの測定結果である。
【００３１】
これら各グラフから、導電部材１１と配線パターン１２との間の距離が短い３ｍｍのときの方が、５ｍｍのときに比べてノイズ低減効果が高いことが確認された。これは、導電部材１１と配線パターン１２との間の距離が短い方が、導電部材１１を配線パターン１２と逆向きに流れる電流が生成する電磁波により、配線パターン１２から放射される雑音電磁波を相殺する効果が高いためと、考えられる。
【００３２】
また、本実施形態によるＡＣ入力電源装置１によれば、導電部材１１が板状をしているため、雑音電流が流れる配線パターン１２を導電部材１１が覆う面積が増え、導電部材１１を流れる電流が生成する電磁波は配線パターン１２の周囲まで及んで、配線パターン１２から放射される雑音電磁波を広い面積で取り囲んで、雑音電磁波をより一層確実に低減させる。
【００３３】
また、本実施形態によるＡＣ入力電源装置１によれば、導電部材１１と配線パターン１２との間の空間１３がスペーサ１５によって確実に確保される。このため、導電部材１１が振動等によって基板面に触れて、導電部材１１と回路基板１０とが接触することが防止され、回路が導電部材１１を介して接地に短絡しなくなる。また、導電部材１１と配線パターン１２との間の距離が一定に保たれ、導電部材１１による一定の雑音低減特性が保証される。
【００３４】
また、本実施形態によるＡＣ入力電源装置１によれば、パワートランジスタ５２、６１，６２が窒化ガリウムＧａＮから形成されてそれらのオン抵抗が低減されると共に、それらのスイッチングが高速化されることで、配線パターン１２に生じる雑音電流が大きくなっても、その大きな雑音電流に応じて導電部材１１には大きな電流が流れる。したがって、大きな雑音電流が配線パターン１２に流れることで生じる大きな雑音電磁波は、導電部材１１を流れる大きな電流が生成する電磁波によって確実に低減させられる。
【００３５】
また、本実施形態によるＡＣ入力電源装置１は、ノイズフィルタ２を構成するコンデンサにＹコンデンサが用いられているため、配線パターン１２を流れる雑音電流によって放射される雑音電磁波を導電部材１１によって確実に低減させられると共に、ＡＣ入力電源装置１に生じるコモンモードノイズをＹコンデンサによって効果的に抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、ノイズフィルタ２は、コモンモードチョークコイル２１，２７およびＸコンデンサ２４，２８を備えている場合について説明したが、これらは必ずしも必要では無く、交流電源線および接地間に設けられるコンデンサ並びに交流電源線に介挿されるインダクタを少なくとも有していればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…交流（ＡＣ）入力電源装置
２…ノイズフィルタ
２１，２７…コモンモードチョークコイル
２２，２３…コンデンサ（Ｙコンデンサ）
２４，２８…Ｘコンデンサ
２５，２６，２９，３０…インダクタ
３…整流回路
４…出力コンデンサ
５…ＰＦＣ回路（力率改善回路）
５１…インダクタ
５２…パワートランジスタ（第１のスイッチング素子）
５３…抵抗
５４，５５…ダイオード
５６…コンデンサ
６…ＤＣ/ＤＣコンバータ回路（ＤＣ/ＤＣ変換回路）
６１，６２…パワートランジスタ（第２のスイッチング素子）
６３，６７…コンデンサ
６４…絶縁トランス
６５，６６…パワートランジスタ
７…ＡＣ電源
８ａ，８ｂ…出力端子
１０…回路基板
１１…導電部材
１２…配線パターン
１３…空間
１４…半田
１５…スペーサ
【図１】
2020089042.tif 000003
【図２】
2020089042.tif 000004
【図３】
2020089042.tif 000005
【図４】
2020089042.tif 000006
【図５】
2020089042.tif 000007