(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉおよび／またはＢと、結晶粒微細化元素Ｃｕとを含有し、最大寸法で測定した粒径の平均が５０ｎｍ以下の結晶粒を有し、前記結晶粒が組織の少なくとも５０％を占めるＦｅ基軟磁性合金で構成された磁心を用いたライン・ノイズ・フィルタであって、前記ライン・ノイズ・フィルタの入力側の各電源ライン間のみにコンデンサが接続されていることを特徴とするライン・ノイズ・フィルタ。
【請求項２】
周波数１５０ｋＨｚでの雑音端子電圧が、出力側にもコンデンサが接続された場合に比べて１０ｄＢμＶ以上低下していることを特徴とする請求項１に記載のライン・ノイズ・フィルタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のライン・ノイズ・フィルタを電源ライン側に有することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置の電源ライン側に挿入されるＥＭＩ(Electro-Magnetic  Interference)対策用のライン・ノイズ・フィルタおよびこれを用いたインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源などの電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体スイッチング素子の高性能化の進展にともない、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源などの電力変換装置が急速に普及している。特に、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴに代表される高周波化対応の大出力用半導体スイッチ素子の開発により、スイッチング周波数を可聴周波数帯の上限以上とした低騒音インバータを始めとして、大容量電力変換装置の高周波化が急速に図られつつある。
【０００３】
このような電力変換装置の普及にともない、半導体スイッチ素子のスイッチング動作により発生する高周波ノイズが電源ラインに伝搬されて同一の電源ラインに接続される他の電子機器に障害を与えてしまう問題がある。そこでスイッチング動作を行う装置から電源ラインに伝搬される高周波ノイズを抑制する様に、電源と負荷を駆動する電力変換装置との間にライン・ノイズ・フィルタを挿入したり、高周波ノイズの抑制が充分でない場合には、さらに零相リアクトルを電力変換装置と負荷の間に挿入する方法が一般的に採用されている。
【０００４】
図４に従来のライン・ノイズ・フィルタの回路構成を示す。このライン・ノイズ・フィルタは、電源に接続される入力端子１１,１２，１３、入力側電源ライン間コンデンサ２１，２２,２３、コモンモードチョークコイル３１、出力側電源ライン間コンデンサ４１,４２，４３、電源ラインとグランド間コンデンサ５１,５２,５３、電力変換装置に接続される出力端子６１，６２，６３、グランドに接続されるグランド端子７１を有する。前記コモンモードチョークコイル３１には高透磁率Ｍｎ―Ｚｎフェライト磁心、高透磁率Ｃｏ基非晶質軟磁性合金薄帯を用いた巻磁心、あるいは、特開平３―１９３０３号公報に記載される組織の少なくとも５０％が最大寸法で測定した平均粒径が５０ｎｍ以下の体心立方格子構造を有する結晶粒が含まれるＦｅ基軟磁性合金薄帯を用いた巻磁心が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＧＢＴを用いた低騒音タイプの高周波インバータあるいは、通常の電源機器で用いられているコンデンサ・インプット型整流回路の欠点である高調波電流の発生を抑えるためアクティブ・フィルタを付加したスイッチング電源のように、高レベルの高調波ノイズを発生する装置について、ＦＣＣ（米国連邦通信委員会）  Ｐａｒｔ  １５、ＦＴＺ  ＶＤＥ（ドイツ郵政省  ドイツ電気技術者協会）０８７１、ＶＣＣＩ（情報処理装置等電波障害自主規制協議会）あるいはＣＩＳＰＲ（国際無線障害特別委員会）などのノイズ規格を満足させようとすると、特に上記規格で定められる低周波領域のノイズを規格値以下とするために、コモン・モード・チョーク・コイル３１のインダクタンスを大きくしたり、電源ラインとグランド間コンデンサ５１、５２、５３の容量を大きくする必要がある。
【０００６】
しかしながら、電源ラインとグランド間コンデンサ５１、５２、５３の容量を大きくすると、必然的に各ラインからグランドに流れる漏れ電流が多くなる。この漏れ電流は感電につながるため、例えば電機用品取締法で一般の電気機器では１ｍＡ以下とするように規定されている。したがって従来のライン・ノイズ・フィルタでは電源ラインとグランド間コンデンサ５１、５２、５３の容量は前記漏れ電流の規定値によって制限されるので、コモンモードチョークコイル３１のインダクタンスを大きくせざるを得ず、コモンモードチョークコイル３１が大型化し、結果ライン・ノイズ・フィルタが大型化するという問題があった。またノイズの抑制も十分ではなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、Ｓｉおよび／またはＢと、結晶粒微細化元素Ｃｕとを含有し、最大寸法で測定した粒径の平均が５０ｎｍ以下の結晶粒を有し、前記結晶粒が組織の少なくとも５０％を占めるＦｅ基軟磁性合金で構成された磁心を用いたライン・ノイズ・フィルタであって、前記ライン・ノイズ・フィルタの入力側の各電源ライン間のみにコンデンサを接続するライン・ノイズ・フィルタである。
【０００９】
上記のように構成することにより、少ない部品点数かつ小型のコモン・モード・チョーク・コイルを使用して、 ＦＣＣ Ｐａｒｔ １５、ＦＴＺ ＶＤＥ ０８７１、ＶＣＣＩあるいはＣＩＳＰＲなどのノイズ規格における低周波領域の規格値を満足でき、ライン・ノイズ・フィルタを小型化できる。しかも、電源ラインとグランド間コンデンサを使用しないためため漏れ電流も極めて少なくすることができ好ましい。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明のライン・ノイズ・フィルタを電源ライン側に有する電力変換装置である。さらに前記電力変換装置の負荷側に零相リアクトルを有することで、高周波ノイズを抑制することが出来好ましい。ここで、零相リアクトルをＳｉおよび／またはＢと、結晶粒微細化元素Ｃｕとを含有し、最大寸法で測定した粒径の平均が５０ｎｍ以下の結晶粒を有し、前記結晶粒が組織の少なくとも５０％を占めるＦｅ基軟磁性合金で構成された磁心を用ると、零相リアクトルが小型化できるので電力変換装置の大きさも小型化でき好ましい。
【００１１】
本発明のライン・ノイズ・フィルタを電力変換装置の電源ライン側に挿入したことを特徴とする電力変換装置は、小型で漏れ電流が少ないにもかかわらず前記ノイズ規格を満足することができ好ましい。前記電力変換装置の負荷側に零相リアクトルを挿入した電力変換装置は、特にＭＨｚ帯以上の周波数領域のノイズを効果的に抑制することができ好ましい。
【００１２】
【実施例】
以下本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限るものではない。
（実施例１）
出力４００Ｗの３相誘導電動機駆動用の単相ＡＣ２００Ｖ入力、定格容量１.２ｋＶＡのインバータの電源ライン側にライン・ノイズ・フィルタ２挿入し、図２の構成として雑音端子電圧がＣＩＳＰＲ Ｐｕｂ.１１の規定値を満足するかどうかの実装試験を行った。本実装試験では、図２の電力変換装置３に相当するのがインバータ、負荷４に相当するのが３相誘導電動機である。
なお、インバータはＩＧＢＴを使用したＩＰＭ（Intelligent  Power  Module）により基本周波数１７ｋＨｚのスイッチング動作を行っている。
【００１３】
ライン・ノイズ・フィルタとして、図１の回路構成のライン・ノイズ・フィルタを使用した。図１の入力側電源ライン間コンデンサ２１、２２および２３には静電容量０.２２μＦのメタライズド・ポリ・エステル・フィルム・コンデンサを使用した。
【００１４】
図１のコモン・モード・チョーク・コイル３１には、単ロール法で製造した組成の異なる幅１５ｍｍ、板厚約２０μｍの非晶質軟磁性合金薄帯を用い、外径４２ｍｍ、内径２５ｍｍ、高さ１５ｍｍのトロイダル形状の巻磁心を製作した後、この巻磁心を結晶粒微細化温度で熱処理後、徐冷することによって製造された、最大寸法で測定した平均粒径が５０ｎｍ以下の体心立方格子構造を有する結晶粒が含まれている巻磁心を、ポリ・エチレン・テレフタレート製の絶縁体ケースに挿入し、同絶縁体ケースの上から線径１.４ｍｍのポリウレタン絶縁被覆の施された銅線を各相ともに１５ターン巻いた＃１から＃１１を使用した。
【００１５】
また、図１のコモン・モード・チョーク・コイル３１には、比較例として、単ロール法で製造した組成の異なる幅１５ｍｍ、板厚約２５μｍの非晶質軟磁性合金薄帯を用い、トロイダル形状の巻磁心を製作した後、この巻磁心を結晶化温度以下で熱処理後、徐冷することによって製造された巻磁心を用いた他は寸法と構造は前記＃１から＃１１と同一の＃Ａと＃Ｂ、およびＭｎ−Ｚｎフェライト磁心を用いた他は寸法と構造は前記＃１から＃１１と同一構造とした＃Ｃを用いた場合についても検討した。
【００１６】
雑音端子電圧の測定結果を表１に示す。表１において、雑音端子電圧はその値が特に大きかった１５０ｋＨｚ、１.７ＭＨｚ、４ＭＨｚ、１０ＭＨｚの周波数で比較した。
【００１７】
【表１】
0004305788.tif 000002
【００１８】
本発明によれば、ＣＩＳＰＲ  Ｐｕｂ．１１  ＣＬＡＳＳ  Ａの雑音端子電圧の規格である１５０ｋＨｚから５００ｋＨｚで７９ｄＢμＶ以下、５００ｋＨｚから３０ＭＨｚで７３ｄＢμＶ以下を満足することができ、表１に示す４つの周波数では、規格に対し３ｄＢμＶ以上の余裕度を持っていることがわかる。
【００１９】
一方、＃Ａを使用した比較例では表１に示すように１５０ｋＨｚの周波数において、＃Ｃを使用した比較例では表１に示すように１５０ｋＨｚと４ＭＨｚにおいて、それぞれ前記雑音端子電圧の規格を満足することができなかった。
【００２０】
また、＃Ｂを使用した比較例では、前記雑音端子電圧の規格を満足することができたが、インバータを１０００時間連続運転試験後に、再度雑音端子電圧の測定を行ったところ、１５０ｋＨｚの周波数における雑音端子電圧が前記規格値を満足することができなかった。この原因について調査したところ、＃Ｂのコイルのインダクタンスが連続運転開始直前のときの値に対し、１／４に低下してしまったためであることがわかった。このため＃Ｂは、経時変化の問題から使用できないことがわかった。なお、＃Ｂを除く他のコイルを使用した場合には、この様な経時変化の問題はなかった。
【００２１】
そこで、＃Ｂを除く各コイルを用いて図４の構成のライン・ノイズ・フィルタを構成し、前記表１の場合と同様にして雑音端子電圧を測定した結果を表２に示す。なお、図４の入力側電源ライン間コンデンサ２１、２２、２３および出力側電源ライン間コンデンサ４１、４２、４３には静電容量０．２２μＦのメタライズド・ポリ・エステル・フィルム・コンデンサ、電源ラインとグランド間コンデンサには静電容量４，７００ｐＦのセラミックコンデンサを使用した。
【００２２】
表２に示す比較例では、いずれも周波数１５０ｋＨｚにおいて、前記雑音端子電圧の規格を満足できないことがわかる。
なお、＃１から＃１１を用いた場合、図１の構成の本発明のライン・ノイズ・フィルタは、図４の構成とした比較例に比べて、特に、低周波の領域で雑音端子電圧の抑制効果が大きく、表１と表２からもわかるように、その差は１０ｄＢμＶにも及ぶことがわかる。
【００２３】
【表２】
0004305788.tif 000003
【００２４】
（実施例２）
出力４００Ｗの３相誘導電動機駆動用の単相ＡＣ２００Ｖ入力、定格容量１.２ｋＶＡのインバータの電源ライン側にライン・ノイズ・フィルタ２、負荷である３相誘導電動機側に零相リアクトル５を挿入し、図３のような構成として雑音端子電圧がＣＩＳＰＲ Ｐｕｂ.１１の規定値を満足するかどうかの実装試験を行った。本実装試験では、図３の電力変換装置３に相当するのがインバータ、負荷４に相当するのが３相誘導電動機である。
なお、インバータはＩＧＢＴを使用したＩＰＭ（Intelligent Power Module）により基本周波数１７ｋＨｚのスイッチング動作を行っている。
【００２５】
ライン・ノイズ・フィルタとして、前記実施例１と同様に図１の回路構成のライン・ノイズ・フィルタを使用した。図１の入力側電源ライン間コンデンサ２１、２２および２３には静電容量０.２２μＦのメタライズド・ポリ・エステル・フィルム・コンデンサを使用した。
また、図１のコモン・モード・チョーク・コイル３１には前記実施例１で使用した＃１を使用した。
【００２６】
零相リアクトル５には単ロール法で製造した組成の異なる幅１５ｍｍ、板厚約２０μｍの非晶質軟磁性合金薄帯を用い、外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ２０ｍｍのトロイダル形状の巻磁心を製作した後、この巻磁心を結晶粒微細化温度で熱処理後、徐冷することによって製造された、最大寸法で測定した平均粒径が５０ｎｍ以下の体心立方格子構造を有する結晶粒が含まれている巻磁心を、ポリ・エチレン・テレフタレート製の絶縁体ケースに挿入し、同絶縁体ケースの上からインバータと３相誘導電動機を接続する出力ケーブルを４ターン巻き付けた＃２１から＃３１、単ロール法で製造した幅１５ｍｍ、板厚約２５μｍの非晶質軟磁性合金薄帯を用い、トロイダル形状の巻磁心を製作した後、この巻磁心を結晶化温度以下で熱処理後、徐冷することによって製造された巻磁心を用いた他は寸法と構造は前記＃２１から＃３１と同一の＃Ｄ、およびＭｎ−Ｚｎフェライト磁心を用いた他は寸法と構造は前記＃２１から＃３１と同一構造とした＃Ｅを使用した。
【００２７】
コモン・モード・チョーク・コイル３１に＃１を使用し、零相リアクトル５を使用しない場合、零相リアクトル５に前記＃２１から＃３１、＃Ｄおよび＃Ｅを用いたときの雑音端子電圧の測定結果を表３に示す。表３において、雑音端子電圧は特にその値が大きかった１５０ｋＨｚ、１.７ＭＨｚ、４ＭＨｚ、１０ＭＨｚの周波数で比較した。
なお、表３において、零相リアクトルの名称がなしと記載されているのが零相リアクトル５を使用しないときの結果である。
【００２８】
表３からわかるように、零相リアクトル５を挿入することにより、４つの周波数の全てにおいて雑音端子電圧を低下でき、特に１.７ＭＨｚと４ＭＨｚでの低減効果が大きいことがわかる。
また、最大寸法で測定した平均粒径が５０ｎｍ以下の体心立方格子構造を有する結晶粒が含まれている巻磁心を使用して構成した零相リアクトル＃２１から＃３１を使用した場合にはＣＩＳＰＲ  Ｐｕｂ．１１  ＣＬＡＳＳ  Ｂの雑音端子電圧の規格である１５０ｋＨｚで６６ｄＢμＶ以下、５００ｋＨｚから３０ＭＨｚで５６ｄＢμＶ以下の規格値を満足することができることがわかる。
【００２９】
【表３】
0004305788.tif 000004
【００３０】
なお、本実施例では、最大寸法で測定した平均粒径が５０ｎｍ以下の体心立方格子構造を有する結晶粒が含まれている巻磁心として所定の形状の巻磁心を製作した後、この巻磁心を結晶粒微細化温度で熱処理後、徐冷することによって製造したものを使用した場合について説明したが、前記巻磁心の磁路と垂直方向に磁場を加えながら熱処理して磁心の直流磁気特性における角型比を低下させた磁心の場合にも、全く同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３１】
また、本実施例では最大寸法で測定した平均粒径が５０ｎｍ以下の体心立方格子構造を有する結晶粒が含まれている巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯として、その板厚が約２０μｍのものを使用したが、３０μｍ以下の板厚であればコモン・モード・チョーク・コイルあるいは零相リアクトルの機能に支障を生じるような渦電流の影響はない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のライン・ノイズ・フィルタを用いれば、広い周波数帯域に渡って高いノイズ減衰特性を有する小型で高性能かつ経時安定性にも優れた極めて信頼性の高いライン・ノイズ・フィルタを実現でき、零相リアクトルを追加することによってさらに大きなノイズ減衰効果が得られる他、本発明のライン・ノイズ・フィルタを使用した電力変換装置は小型で低漏れ電流でノイズ規格を満足することができるなど実用上の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるライン・ノイズ・フィルタの回路構成を示すブロック図。
【図２】ライン・ノイズ・フィルタを挿入したときの電源、電力変換装置および負荷の接続構成を示すブロック図。
【図３】ライン・ノイズ・フィルタと零相リアクトルを挿入したときの電源、電力変換装置および負荷の接続構成を示すブロック図。
【図４】従来のライン・ノイズ・フィルタの回路構成を示すブロック図。
【図５】ライン・ノイズ・フィルタと零相リアクトルを挿入してないときの電源、電力変換装置および負荷の接続構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１：電源、２：ライン・ノイズ・フィルタ、３：電力変換装置、４：負荷
５：零相リアクトル、１２、１３：ライン・ノイズ・フィルタの入力端子、
２１、２２、２３：入力側電源ライン間コンデンサ、
３１：コモン・モード・チョークコイル、
４２、４３：出力側電源ライン間コンデンサ、
５１、５２、５３：電源ラインとグランド間コンデンサ、
６２、６３：ライン・ノイズ・フィルタの出力端子、
７１：ライン・ノイズ・フィルタのグランド端子
【図１】
0004305788.tif 000005
【図２】
0004305788.tif 000006
【図３】
0004305788.tif 000007
【図４】
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【図５】
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