JP5181802B2 - ノイズフィルタ - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置等に用いて好適なノイズフィルタの改良に関する。

この種のノイズフィルタとして、特許文献１に開示された図６の例がある。
図６に示すように、フィルタは一対の電源ライン間に接続された２段の線間コンデンサC_X0，C_X1と、電源ラインに直列に接続された２段のコモンモードチョークコイルL1，L2と、一対の電源ラインのそれぞれとアース電位とを接続する２段の接地コンデンサC_Y1，C_Y2とを有しており、各素子が入力側よりC_X0，L1，C_X1， C_Y1，L2，C_Y2の順に接続されている。

線間コンデンサC_X0，C_X1はノーマルモードノイズを低減し、コモンモードチョークコイルL1，L2および接地コンデンサC_Y1，C_Y2は主にコモンモードノイズを低減する。ここで、ノーマルモードノイズは２本の交流電源ラインの線間に流れるものであり、コモンモードノイズはアースを流れ、交流電源ラインの２線を通して同相で戻って来るものである。

図７に、ノイズフィルタの実装例を示す。ここでは、プリント配線基板ＡとコモンモードチョークコイルL1，L2のみ表示し、他の部品は省略している。
プリント配線基板Ａはプリント配線パターンを有し、ノイズフィルタの構成素子を装着する。コモンモードチョークコイルL1，L2は、コアに一対の電源ラインを、一対の電源ラインを往復する電流にて誘起される磁束が、互いに打ち消し合う極性となるような方向に巻いたものである。

従来のノイズフィルタは以上のように構成され、コモンモードノイズはコモンモードチョークコイルL1，L2のインダクタンスによる大インピーダンス作用と、接地コンデンサC_Y1，C_Y2の小インピーダンス作用により低減され、ノーマルモードノイズはコモンモードチョークコイルL1，L2の漏れインダクタンスによる大インピーダンス作用と、線間コンデンサC_X0，C_X1の小インピーダンス作用により低減される。

しかし、上記ノイズフィルタには、以下のような課題がある。コモンモードチョークコイルL1，L2は、小型化のために近接して配置される。その結果、コモンモードチョークコイルL1，L2の間には少なからず浮遊静電容量が存在し、等価回路的には図９のように示すことができる。この浮遊静電容量C_S，C_S’は２個のコモンモードチョークコイルL1，L2をバイパスするため、コモンモードチョークコイルのインダクタンスによるノイズ低減効果を阻害するように作用し、結果としてノイズフィルタの減衰特性を悪化させる。

２つの導電体間の浮遊容量は、これら導電体をグランド（アース）に近接配置することで抑制することが、例えば非特許文献１〜３に開示されている。
一方、上記の課題を解決するため、特許文献２が提案されている。これは、ノイズフィルタの減衰特性を悪化させる要因となる、複数のチョークコイル間の浮遊静電容量を小さくするために、図１０に示すようにコモンモードチョークコイルL1，L2の間に、アース電位に接続した金属板Bを配置するものである。これは、非特許文献１〜３の考え方を利用するものと言える。

また、目的は異なるが、上記課題に対して同様の効果が得られる従来例として、例えば特許文献３がある。これは、図１１に示すように、フィルタ部品を実装するプリント配線基板の裏面に金属基板（40）を布設することで、アース電位の安定や放熱を図ることを目的としている。

特開平０１−１６０３５７号公報 特開平１１−３４６４７２号公報 特開平０５−１６１２６８号公報 伊藤健一著，日刊工業新聞社’７５発行「アースと誘導」p.７５ 古谷勝美著，産業図書（株）’９２発行「ノイズ対策のポイント 」p.５８〜５９ http//www.miyazaki-gijutsu.jp/series2/noise081.html 「実用ノイズ対策技術 10.AC電源線からのノイズ」の項参照

しかしながら、上記特許文献２，３のような構成では、金属板や金属基板が必要となり、製造工程が煩雑になるだけでなくコストが増加するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、新たな部品の追加を必要としない構成、つまりプリントパターンを用いてコモンモードチョークコイル間の浮遊容量を小さくし、フィルタ特性の改善を図るものである。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、少なくとも２つのコモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含む素子からなり、プリント配線基板に実装されて電力変換器を含む電気機器の交流電源ラインまたは入力電流整流後の直流ラインに挿入されるノイズフィルタにおいて、
前記プリント配線基板の前記素子を実装する側の面の表面の、少なくとも１つのコモンモードチョークコイルを実装している部分の面積をカバーする領域にベタパターンを布設し、このベタパターンをアース電位に接続することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記ベタパターンの厚みを、１０μｍ〜２００μｍの範囲とすることができる（請求項２の発明）。

請求項３の発明では、少なくとも２つのコモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含む素子からなり、プリント配線基板に実装されて電力変換器を含む電気機器の交流電源ラインまたは入力電流整流後の直流ラインに挿入されるノイズフィルタにおいて、
前記少なくとも２つのコモンモードチョークコイル間を接続するプリント配線パターンは前記プリント配線基板の素子を実装する一方の面に配置し、コモンモードチョークコイルと電源とを接続する第１のプリント配線パターン、およびコモンモードチョークコイルと他の電気機器とを接続する第２のプリント配線パターンはプリント配線基板の他方の面に配置し、前記第１，第２のプリント配線パターン間にはアース電位に接続する第３のプリント配線パターンを配置することを特徴とする。

この発明によれば、従来と同様の製造工程およびコストによって製造可能であり、かつ多段構成のノイズフィルタ減衰特性を飛躍的に改善できる利点が得られる。

図１はこの発明の実施の形態を示す断面図、図２はその機能を説明するための等価回路図である。
図1に示すように、プリント配線基板１には、コモンモードチョークコイル2A(L1)，2B(L2)が配置されている。線間コンデンサおよび接地コンデンサもプリント配線基板１上に配置されているが、ここでは図示を省略している。この場合、プリント配線基板１のコイル2A(L1)，2B(L2)を配置する面（表面ともいう）には、一面にプリント配線パターン4Aが布設され、この配線パターン4Aはアース電位に接続される（ベタアースパターンともいう）。

一方、電源ラインを接続するプリント配線パターン4Bは、ビア（メッキ穴）３を介して表面とは反対側（裏面ともいう）に布設される。つまり、素子や部品は表面に配置し、それらの間を接続するプリント配線パターン4Bは裏面に配置される。なお、ベタアースパターンは２つのコモンモードチョークコイル間に存在する浮遊容量による結合を十分小さくする程度に所定の面積が必要である。

図１のように構成されたノイズフィルタの機能について、図２を参照して説明する。コモンモードチョークコイル2A(L1)，2B(L2)に近接した位置にアース電位が存在することで、２つのコイル間に存在する浮遊容量は小さくなり、代わりにコイルとベタアースパターンとの間に浮遊静電容量（C_S11，C_S12，C_S21，C_S22，C_S11’，C_S12’，C_S21’，C_S22’）が発生し、この浮遊静電容量は接地コンデンサの役目を果たすことになる。しかも、この浮遊容量は接地コンデンサC_Y1，C_Y2と比較して十分小さいため、これら浮遊容量の影響をほとんど無視することができる。

つまり、フィルタの減衰特性を悪化させる浮遊静電容量が微小になること、および新たに形成される浮遊静電容量が接地コンデンサ対して十分小さく無視できるため、フィルタの減衰特性は向上する。なお、新たな部品を追加する必要が無いことから、従来と変わらぬ製造工程で製作できることになる。
また、プリント配線パターンは１０μm〜２００μmとするが、これはプリント配線パターンとしては一般的な値であり、特別にアース電極を必要としない厚さでもある。

図３はこの発明の他の実施の形態を示す上面図である。
図１のようにノイズフィルタ単体で基板を構成する場合のほかに、ノイズフィルタの後段に電力変換装置等の電気機器が、同一のプリント配線基板に実装される場合があり、図３はこのような場合を想定している。ここで、コモンモードチョークコイル２の実装方法や、ベタアースパターン4Aを表面に配置する点については図１と同様であるが、ベタアースパターン4Aの布設位置を、プリント配線基板１の一部11に限定した点で異なる。

つまり、同一基板１の上に実装される後段の電力変換装置部分12には、ベタアースパターンを布設する必要が無いことを示している。ベタアースパターンの面積により、コモンモードチョークコイル間の結合の大きさが変わるため、効果をより期待する場合は図３のように、ベタアースパターン4Aは２つのコモンモードチョークコイル２を覆う面積をカバーすべきである。しかし、原理的には１つのコモンモードチョークコイル２の面積をカバーする領域にベタアースパターンがあれば、このベタアースパターンとコイルとの結合を強化できるため、チョークコイル間の浮遊容量を低減することが可能である。なお、
このフィルタによる減衰特性改善の原理は図１に示すものと同じなので、説明は省略する。

図４はこの発明のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
フィルタ減衰特性を悪化させる原因は、チョークコイル間の浮遊容量だけでなく、コモンモードチョークコイルに接続するプリント配線パターン間の浮遊容量もあり、図４はこの浮遊容量を低減するものである。図1と同様に、プリント配線基板１には、コモンモードチョークコイル2A(L1)，2B(L2)が配置されている。線間コンデンサおよび接地コンデンサもプリント配線基板１上に配置されているが、ここでも図示を省略している。

図４では、コイル2A(L1)と2B(L2)との間を接続するプリント配線パターン4B3はプリント配線基板１の表面に、系統電源とコイル2A(L1)を接続するプリント配線パターン4B1と、コイル2B(L2)とインバータ等の電気機器を接続するプリント配線パターン4B2とは基板１の裏面に布設し、プリント配線パターン4B1と4B2との間にはアース電位に接続するプリント配線パターン4 Aを布設する。このプリント配線パターン4 Aは、プリント配線パターン4B1と4B2との間に存在する浮遊容量による結合を分断する程度に、所定の面積を有するものとする。

コイルを例えば図７のように実装した場合、図８のようにコモンモードチョークコイル間の浮遊容量C_S，C_S’と、プリント配線パターン間の浮遊容量C_SP，C_SP’とは並列接続の形で存在する。そこで、図４のように構成することで、前者の浮遊容量は変化しないが、後者の浮遊容量を小さくすることができ、代わりにプリント配線パターン4B1，4B2とアースパターン4 A間に浮遊容量C_S1，C_S2，C_S1’，C_S2’が発生し、等価回路は図８から図５に変わる。つまり、コモンモードチョークコイル2A(L1) ，2B(L2)間をバイパスし、コモンモードチョークコイルによるノイズ低減効果を阻害する浮遊容量C_SおよびC_S’のみとなり、トータルとして小さくなるため、ノイズフィルタの減衰特性が改善されることになる。

以上では、ノイズフィルタは単相回路を想定して説明したが、三相回路についても同様に有効である。また、コモンモードチョークコイルを横向きに実装した例を挙げたが、縦向きに実装した場合にも同様の効果が得られ、実装方向を問わないものである。さらに、２段構成のノイズフィルタを例に説明したが、フィルタの段数も問わず多段構成のフィルタでも有効である。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の機能を説明するための等価回路図 この発明の他の実施の形態を示す構成図 この発明のさらに他の実施の形態を示す構成図 図４の機能を説明するための等価回路図 特許文献１に開示のノイズフィルタを示す等価回路図 ノイズフィルタの第１従来例の実装図 図７の機能を説明するための等価回路図 コイル間の浮遊容量を説明するための等価回路図 ノイズフィルタの第２従来例の実装図 ノイズフィルタの第３従来例の実装図

符号の説明

１…プリント配線基板、11…フィルタ回路実装部、12…主回路実装部、２，2A，2B
…コモンモードチョークコイル、21…コア、22…巻き線、３…ビア（メッキ穴）、4A，4B，4B1，4B2，4B3…プリント配線パターン、５…絶縁基板。

Claims (3)

1. 少なくとも２つのコモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含む素子からなり、プリント配線基板に実装されて電力変換器を含む電気機器の交流電源ラインまたは入力電流整流後の直流ラインに挿入されるノイズフィルタにおいて、
   前記プリント配線基板の前記素子を実装する側の面の表面の、少なくとも１つのコモンモードチョークコイルを実装している部分の面積をカバーする領域にベタパターンを布設し、このベタパターンをアース電位に接続することを特徴とするノイズフィルタ。
2. 前記ベタパターンの厚みを、１０μm〜２００μmの範囲とすることを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルタ。
3. 少なくとも２つのコモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含む素子からなり、プリント配線基板に実装されて電力変換器を含む電気機器の交流電源ラインまたは入力電流整流後の直流ラインに挿入されるノイズフィルタにおいて、
   前記少なくとも２つのコモンモードチョークコイル間を接続するプリント配線パターンは前記プリント配線基板の素子を実装する一方の面に配置し、コモンモードチョークコイルと電源とを接続する第１のプリント配線パターン、およびコモンモードチョークコイルと他の電気機器とを接続する第２のプリント配線パターンはプリント配線基板の他方の面に配置し、前記第１，第２のプリント配線パターン間にはアース電位に接続する第３のプリント配線パターンを配置することを特徴とするノイズフィルタ。

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