(57)【要約】      （修正有）【課題】モータケーブル長さや負荷条件に依存することがないスイッチング電源、およびこのスイッチング電源をモータドライバとして用いたモータシステムを提供する。【解決手段】スイッチング電源４０の入力側／出力側に配置したコモンモードチョークコイル４１、１５に第３の巻き線Ｌ３を設け、この第３の巻き線Ｌ３に抵抗４２とダイオードスイッチ４３を接続して、コモンモード電流が一定値以上になったときのみ抵抗４２に電流を流す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を具備し、このスイッチング素子のオン、オフを制御して入力された電圧を加工して出力するスイッチング部と、
前記スイッチング部の入力側および／または出力側に配置され、コモンモード電流を抑制すると共に、このコモンモード電流に関連する電圧を出力する第３の巻線を有するコモンモードチョークコイルと、
前記第３の巻線に直列に接続される抵抗と、
前記第３の巻線の出力電圧がその一端に入力され、他端に所定の定電圧が入力されて、前記第３の巻線の出力電圧が前記所定の定電圧より大きくなったときにオンになるダイオード部と、
を具備したことを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
コモンモード電流のインピーダンス特性に応じて、前記第３の巻線の巻数を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
【請求項３】
前記ダイオード部は、
そのカソードに第１の定電圧が印加される第１のダイオードと、
前記第１のダイオードのアノードにそのカソードが接続され、そのアノードに第２の定電圧が印可されると共に、前記第１のダイオードとの接続点に前記第３の巻線の出力電圧が入力される第２のダイオードと、
を具備したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のスイッチング電源。
【請求項４】
前記所定の定電圧は、前記スイッチング部に電力を供給する直流電源の出力電圧であることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のスイッチング電源。
【請求項５】
前記スイッチング部には直流が入力され、この直流から交流を生成するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載のスイッチング電源。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５いずれかに記載のスイッチング電源と、
前記スイッチング電源から電力が供給されるモータと、
前記スイッチング電源と前記モータを接続するケーブルと、
を具備したことを特徴とするモータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータなどを駆動するスイッチング電源と、このスイッチング電源を用いたモータシステムに関し、高周波の漏れ電流を低減することができるスイッチング電源、およびこのスイッチング電源を用いたモータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源は、入力された直流あるいは交流をスイッチングすることにより、任意の周波数の交流を発生させ、またこの交流を変圧、整流して任意電圧の直流を発生するものであり、モータの駆動電源や直流電圧の変換などに用いられる。
【０００３】
このようなスイッチング電源は、入力された電源をオンオフするために高周波漏れ電流が発生する。この高周波漏れ電流に起因する高周波電流が外部に漏れて他の機器に悪影響を及ぼし、また電磁障害（ＥＭＩ）の原因となる。
【０００４】
図５に、スキャナステージを駆動するモータのドライブ部に用いられるスイッチング電源の構成を示す。図５において、１０、１１は直流電源、１２はモータドライバとして用いられるスイッチング電源である。直流電源１０、１１はスイッチング電源１２の端子Ｓ１、Ｓ２に接続される。また、このスイッチング電源１２の端子Ｕ、Ｖ、Ｗにはモータ（図示せず）が接続される。
【０００５】
スイッチング電源１２は、スイッチング部１３とコモンモードチョークコイル１４、１５で構成される。スイッチング部１３は内部のスイッチング素子１３ａをオン、オフすることにより、三相交流を生成する。この三相交流は端子Ｕ、Ｖ、Ｗを経由してモータに供給される。
【０００６】
前述したように、スイッチング素子をオン、オフすると高周波ノイズが発生する。この高周波ノイズを外部に漏洩させないために、コモンモードチョークコイル１４、１５が用いられる。
【０００７】
コモンモードチョークコイルは、１つのコアに複数の巻き線を逆向きに巻いたコイルである。コモンモード電流が流れるとコア内部で磁束が足しあわされるので、大きなインピーダンスが発生する。このインピーダンスにより、ノーマルモード電流を通過させ、漏れ電流であるコモンモード電流のみ阻止することができる。
【０００８】
コモンモードチョークコイル１４は、１つのコアに２つの巻き線Ｌ１、Ｌ２が逆向きに巻かれた構成を有している。コイルＬ１、Ｌ２の一端はそれぞれ端子Ｓ１、Ｓ２に接続され、他端はスイッチング部１３の入力端子に接続される。
【０００９】
コモンモードチョークコイル１５も同様の構成を有しているが、３つのコイルが１つのコアに互いに逆向きに巻かれている点が異なっている。これらのコイルの一端はスイッチング部１３の出力端子に接続され、他端はそれぞれ端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。
【００１０】
これらのコモンモードチョークコイル１４、１５によって、スイッチング部１３で発生した高周波ノイズが外部に漏洩することを防止している。
【００１１】
図６に、漏れ電流であるコモンモード電流のイメージを示す。図６において、２０はモータドライバであり、図５のスイッチング電源１２が用いられる。２１はモータ、２２と２３はモータドライバ２０、モータ２１とフレームグラウンドＦＧ間の浮遊容量である。
【００１２】
ノーマルモード電流はモータ２１を駆動する電流であり、２４の経路で流れる。これに対して漏れ電流であるコモンモード電流は、浮遊容量２１、２２を経由して、モータドライバ２０とモータ２１の共通電位点と、フレームグランドＦＧ間を２５の経路で流れる。スイッチング電源は入力電圧をスイッチングするので、このコモンモード電流は高周波成分を多く含んだ高周波漏れ電流になる。
【００１３】
図７に、スキャナステージで代表されるモータシステムの構成を示す。なお、図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図７において、２６はモータケーブルであり、モータドライバ２０とモータ２１を接続している。２７〜２９はそれぞれモータドライバ２０とフレームグラウンドＦＧ間、モータケーブル２６とフレームグラウンドＦＧ間、モータ２１とフレームグラウンドＦＧ間の浮遊容量である。
【００１４】
図６で説明したように、コモンモード電流は浮遊容量を経由して流れる。スキャナステージではモータドライバ２０とモータ２１間を長いケーブル２６で接続しなければならない場合が多々ある。モータケーブル２６の長さが長くなると浮遊容量２８の容量値が大きくなり、大きなコモンモード電流が流れる。
【００１５】
特許文献１には、浮遊容量による漏洩電流を低減させて、コモンモードコイルの騒音レベルを低下させることができる太陽光発電装置の発明が記載されている。以下、図８に基づいてこの発明の概要を説明する。
【００１６】
図８において、太陽電池３０の出力電力はノイズフィルタ３１を経由してＤＣ―ＤＣコンバータ３２に入力され、昇圧される。この昇圧された直流はインバータ３３で交流に変換され、ノイズフィルタ３４を介して交流電力系統３５に出力される。
【００１７】
ノイズフィルタ３１、３４はＤＣ−ＤＣコンバータ３２、インバータ３３が発生する高周波漏れ電流を抑制するために用いられ、コモンモードトランスＴ１、このコモンモードトランスＴ１の入出力側に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２で構成される。
【００１８】
コモンモードトランスＴ１は、コモンモード電流を抑制するコイルの他に３次巻き線を設け、この３次巻き線に抵抗Ｒ１を接続する構成を有している。コモンモードトランスＴ１にコモンモード電流が流れると、この３次巻き線に電圧が誘起される。この誘起された電圧は抵抗Ｒ１で消費されるので、コモンモードトランスＴ１の振動が抑制され、騒音レベルを低下させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００２−３６９５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、このようなスイッチング電源には次のような課題があった。前述したように、スキャナステージ等のように、モータドライバ２０とモータ２１との間が離れており、この間を長いモータケーブル２６で接続しなければならないモータシステムでは、モータケーブル２６の浮遊容量が大きくなり、コモンモード電流が増大する。このため、対症療法的に挿入されたコモンモードチョークコイル１４、１５内のコアが磁気飽和し、コモンモード電流を抑制する効果が小さくなってしまうという課題があった。
【００２１】
特許文献１に記載された発明は、コモンモードトランスＴ１の３次巻き線に抵抗が直結されており、誘起された電圧は全てこの抵抗Ｒ１に印加されるので、大きな損失が発生して抵抗Ｒ１が発熱するので、高価な大型抵抗器を使用しなければならないという課題があった。
【００２２】
従って本発明の目的は、モータケーブル長さや負荷条件に依存することがないスイッチング電源、およびこのスイッチング電源をモータドライバとして用いたモータシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
スイッチング素子を具備し、このスイッチング素子のオン、オフを制御して入力された電圧を加工して出力するスイッチング部と、
前記スイッチング部の入力側および／または出力側に配置され、コモンモード電流を抑制すると共に、このコモンモード電流に関連する電圧を出力する第３の巻線を有するコモンモードチョークコイルと、
前記第３の巻線に直列に接続される抵抗と、
前記第３の巻線の出力電圧がその一端に入力され、他端に所定の定電圧が入力されて、前記第３の巻線の出力電圧が前記所定の定電圧より大きくなったときにオンになるダイオード部と、
を具備したものである。高周波漏れ電流が少なくなり、かつ発熱することがない。
【００２４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
コモンモード電流のインピーダンス特性に応じて、前記第３の巻線の巻数を変化させるようにしたものである。コモンモード電流のインピーダンス特性を調整することができる。
【００２５】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、
前記ダイオード部は、
そのカソードに第１の定電圧が印加される第１のダイオードと、
前記第１のダイオードのアノードにそのカソードが接続され、そのアノードに第２の定電圧が印可されると共に、前記第１のダイオードとの接続点に前記第３の巻線の出力電圧が入力される第２のダイオードと、
を具備したものである。構成が簡単になる。
【００２６】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、
前記所定の定電圧を、前記スイッチング部に電力を供給する直流電源の出力電圧としたものである。定電圧源が必要でなくなるので、構成が簡単になる。
【００２７】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の発明において、
前記スイッチング部には直流が入力され、この直流から交流を生成するようにしたものである。モータなどのドライバに使用して好適である。
【００２８】
請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５いずれかに記載のスイッチング電源と、
前記スイッチング電源から電力が供給されるモータと、
前記スイッチング電源と前記モータを接続するケーブルと、
を具備したものである。ケーブルの長さに関わらず、安定して高周波漏れ電流を抑制できる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４、５および６の発明によれば、スイッチング素子を具備し、このスイッチング素子のオンオフを制御して入力された電圧を加工して出力するスイッチング電源であって、このスイッチング電源の入力側および／または出力側に配置されたコモンモードチョークコイルに第３の巻き線を設け、この第３の巻き線に抵抗およびダイオード部を接続して、第３の巻き線の出力電圧が一定値以上になったときのみ、前記抵抗に電流を流すようにした。また、このスイッチング電源をモータシステムに適用した。
【００３０】
コモンモード電流が一定値以上になったときのみ抵抗に電流を流して電力を消費するようにしたので、コモンモードチョークコイルのコアが飽和することがなくなり、かつ抵抗で消費する電力を少なくできる。そのため、高周波漏れ電流の抑制することができ、かつ安価な小型抵抗を使用することができるという効果がある。
【００３１】
また、第３の巻き線の巻き数を変えることにより、コモンモード電流のダンピング特性を調整することができる。このため、コモンモード電流のインピーダンス特性に応じて巻き数をかえることにより、安定したインピーダンス特性を得ることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１実施例の等価回路である。
【図３】図２等価回路のインピーダンス特性である。
【図４】図１実施例の効果を示す特性図である。
【図５】従来のスイッチング電源の構成図である。
【図６】コモンモード電流の経路を示す図である。
【図７】スキャナステージの構成図である。
【図８】従来の太陽光発電装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るスイッチング電源の一実施例を示す構成図である。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
図１において、直流電源１０、１１の出力電圧をＶｓとする。直流電源１０、１１の出力電圧Ｖｓは端子Ｓ１、Ｓ２からスイッチング部１３に入力される。このため、スイッチング部１３には、フレームグランドＦＧを基準として±Ｖｓの電圧が入力される。
【００３５】
スイッチング部１３は内部のスイッチング素子１３ａのオンオフを制御して、入力された直流を三相交流に変換する。この三相交流はコモンモードチョークコイル１５、端子Ｕ、Ｖ、Ｗを経て、図示しないモータに供給される。
【００３６】
４１はコモンモードチョークコイルであり、Ｌ１〜Ｌ３の３つのコイルが１つのコアに巻かれた構成を有している。コイルＬ１、Ｌ２は互いに逆方向に巻かれており、その一端は端子Ｓ１、Ｓ２に接続され、他端はスイッチング部１３の入力端子に接続される。
【００３７】
コモンモードチョークコイル４１は、コモンモードチョークコイル１４にコイルＬ３を付加した構成を有している。コイルＬ１とＬ２は同じ巻数を有しており、互いに逆方向に巻かれている。コイルＬ３はコイルＬ１、Ｌ２と同じコアに巻かれている。コイルＬ３の巻数および巻く方向は任意であるが、例えばコイルＬ１、Ｌ２の巻数をＮとすると、コイルＬ３の巻数は２Ｎとされる。
【００３８】
コイルＬ３は、図８従来例の構成要素であるコモンモードトランスＴ１内の、抵抗Ｒ１が接続されているコイルと同様の働きを有しており、コイルＬ１とＬ２にコモンモード電流が流れると、コイルＬ３の両端にコモンモード電流に比例する電圧が誘起される。
【００３９】
４２は抵抗であり、その一端はコイルＬ３の一端に接続される。４３はダイオード部であり、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４で構成される。ダイオードＤ１とＤ２は第１のダイオードに相当し、ダイオードＤ３とＤ４は第２のダイオードに相当する。また、直流電源１０の正側出力電圧は第１の定電圧に相当し、直流電源１１の負側出力電圧は第２の定電圧に相当する。
【００４０】
ダイオードＤ１とＤ２のカソードは端子Ｓ１に接続され、ダイオードＤ３とＤ４のアノードは端子Ｓ２に接続される。ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ３のカソードはコイルＬ３の他端に接続され、ダイオードＤ２のアノードとダイオードＤ４のカソードは抵抗４２の他端に接続される。
【００４１】
このような構成において、コイルＬ３に誘起された電圧が直流電源１０、１１の出力電圧±Ｖｓより小さいと、ダイオードＤ１〜Ｄ４は全てオフになり、抵抗４２には電流が流れない。
【００４２】
コイルＬ３に誘起される電圧が±Ｖｓを越えると、ダイオードＤ１とＤ３、あるいはＤ２とＤ４がオンになり、抵抗４２に電流が流れる。抵抗４２で電力が消費されるとコモンモードチョークコイル４１のインピーダンスが高くなり、コモンモード電流が抑制される。このため、コモンモードチョークコイル４１内のコアが磁気飽和することはなくなる。
【００４３】
すなわち、ダイオードＤ１〜Ｄ４はコモンモード電流が大きくなったときのみ、コモンモード電流をクランプするダイオードクランプとして機能する。クランプされるコモンモード電流の値は、コイルＬ３の巻き数を変えることにより、調整できる。
【００４４】
図８従来例では、３次巻線に誘起される電圧の大小に関わらず抵抗Ｒ１に電流が流れる。すなわち、３次巻線に誘起された電力は全て抵抗Ｒ１で消費される。このため、大きな損失が発生し、Ｒ１が発熱するという課題があった。
【００４５】
本実施例は、コイルＬ３に誘起される電圧が直流電源１０、１１の出力電圧を越えたときのみ抵抗４２に電流が流れる。コイルＬ３に誘起される電圧はコイルＬ３の巻き数で調整することができるので、高周波ノイズが外部に漏れるときのみ、抵抗４２に電流を流すようにすることができる。このため、抵抗４２で消費される電力は僅かであり、抵抗４２として形状が小さな抵抗器を用いても、発熱することはない。
【００４６】
図２に、図１実施例のコモンモード成分に対する等価回路を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図２において、５０はフレームグランドＦＧに対する浮遊容量、５１はスイッチング電源４０とモータを結ぶケーブルの抵抗、５２は同ケーブルのインダクタンス、５３は同ケーブルの容量、５４はモータの容量である。
【００４７】
図２（Ａ）はダイオードＤ１〜Ｄ４がオンになり、抵抗４２に電流が流れたときの等価回路であり、コモンモードチョークコイル４１の２次側に抵抗４２が接続されている。
【００４８】
同図（Ｂ）はコモンモードチョークコイル４１の２次側に接続された抵抗４２を抵抗成分５５で表したものである。この抵抗成分５５の値は、コモンモードチョークコイル４１内のコイルＬ３の巻き数を変えることによって、調整することができる。
【００４９】
図２からわかるように、コモンモード成分は基本的にインダクタンスやコンデンサで構成されるので共振点を持ち易いという特性がある。図２（Ｂ）からわかるように、コモンモードチョークコイル４１のコイルＬ３に接続された抵抗４２は、コモンモードチョークコイル１５、４１、あるいはケーブルのインダクタンスに直列に挿入された抵抗成分５５として表すことができる。この抵抗成分５５がダンピング要素として働き、共振点を抑えることができる。
【００５０】
図３は図２（Ｂ）に示した等価回路から計算したインピーダンス特性を示したグラフであり、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。
【００５１】
図３（Ａ）は抵抗成分５５がある場合とない場合のインピーダンス特性の変化を表したグラフであり、６０は抵抗成分５５がある場合、６１はない（短絡した）場合の特性である。抵抗成分５５がない６１は６２のように極端にインピーダンスが低い点が存在し、この点で高周波漏れ電流が発生するが、抵抗成分５５がある６０はこのような極端にインピーダンスが低い点は見られず、全周波数帯域で安定したインピーダンス特性が得られる。このため、高周波漏れ電流は発生しない。
【００５２】
前述したように、抵抗成分５５の値はコイルＬ３の巻き数によって可変することができる。図２に示した等価回路のインピーダンス特性が６０のように平坦な特性を有するようにコイルＬ３の巻き数を調整することにより、スイッチング電源とモータ間のケーブル長が長くなっても、安定したインピーダンス特性を実現することができる。
【００５３】
図３（Ｂ）はスイッチング電源４０とモータ間のケーブル長を変えたときのインピーダンス特性であり、６３はケーブル長が短い場合、６４はケーブル長が中程度、６５はケーブル長が長いときのインピーダンス特性である。ケーブルの長さ、すなわちケーブル容量に関わらず、安定したインピーダンス特性が得られている。
【００５４】
図４はスイッチング電源４０からモータなどの負荷に流れるコモンモード電流の波形であり、横軸は時間、縦軸は電流である。（Ａ）は抵抗成分５５がないときの電流波形であり、高周波成分が顕著に表れている。（Ｂ）は抵抗成分５５がある場合の電流波形であり、高周波成分が除去され、スイッチング成分のみの波形になっている。
【００５５】
このように、コモンモードチョークコイル４１にコイルＬ３を設け、このコイルＬ３に抵抗４２を接続することによって、共振点を除去し、出力電流の高周波成分を大幅に少なくすることができる。また、ダイオード部４３によってコモンモード電流が大きいときのみ抵抗４２に電流を流すようにすることによって、抵抗４２の消費電力を削減することができる。
【００５６】
なお、図１実施例では入力側のコモンモードチョークコイル４１にコイルＬ３を設け、このコイルＬ３に抵抗４２を接続する構成としたが、出力側コモンモードチョークコイル１５に適用することもできる。すなわち、状況に応じて入力側と出力側のコモンモードチョークコイルのいずれか、または両方に本発明を適用することができる。
【００５７】
また、モータを駆動する三相交流を発生するスイッチング電源として説明したが、単相交流、あるいは直流を出力する電源であってもよい。また、入力電源が交流であってもよい。要は、スイッチング素子を内蔵し、このスイッチング素子のオンオフを制御して、所望の電力を取り出す構成の電源であればよい。
【００５８】
さらに、ダイオード部４３はスイッチング電源４０に電力を供給する直流電源１０、１１に接続するようにしたが、安定した電圧であれば他の電源に接続してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０、１１  直流電源
１３  スイッチング部
４０  スイッチング電源
１５、４１  コモンモードチョークコイル
４２  抵抗
４３  ダイオード部
５１  ケーブル抵抗
５２  ケーブルインダクタンス
５３  ケーブル容量
５４  モータ容量
５５  抵抗成分
Ｓ１、Ｓ２、Ｕ、Ｖ、Ｗ  端子
Ｌ１〜Ｌ３  コイル
Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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