スイッチング電源のEMI制御技術の解析
本稿では、スイッチング電源における EMI のメカニズムを詳細に分析し、一連の EMI 抑制戦略を提案することで、スイッチング電源の電磁両立性を効果的に改善します。
スイッチング電源は、パワー半導体デバイスを使用し、電力変換技術、電子電磁気技術、自動制御技術を統合した一種のパワーエレクトロニクス製品です。低消費電力、高効率、小型、軽量、安定した動作、安全性と信頼性、広い電圧安定化範囲などの利点があるため、コンピューター、通信、電子機器、産業自動制御、国防、家電などの分野で広く使用されています。ただし、スイッチング電源は過渡応答が悪く、電磁干渉（EMD）が発生しやすく、EMI信号は広い周波数範囲を占め、一定の振幅を持っています。これらのEMI信号は伝導と放射を通じて電磁環境を汚染し、通信機器や電子機器に干渉を引き起こすため、スイッチング電源の使用はある程度制限されます。
1 スイッチング電源は電磁干渉を引き起こす
電磁干渉（EMI）は、予期しない電磁妨害によって引き起こされる電子システムまたはサブシステムの性能損傷の一種です。EMIは、干渉源、つまり電磁干渉エネルギーを生成する機器、結合チャネル、つまり電磁干渉を伝送するためのチャネルまたは媒体、敏感な機器、つまり電磁干渉によって損傷を受けたデバイス、機器、サブシステム、またはシステムという3つの基本要素で構成されます。これに基づいて、電磁干渉を制御するための基本的な対策は、干渉源を抑制する、災害の経路を遮断する、敏感な機器の干渉に対する反応を減らす、または電磁感度レベルを上げることです。
スイッチング電源の動作原理によると、スイッチング電源は最初に電力周波数交流を直流に整流し、次にそれを高周波交流に変換し、最後に整流とフィルタリングを経て出力し、安定した直流電圧を得ることが知られています。回路では、電力三極管とダイオードが主にスイッチング状態で動作し、マイクロ秒オーダーで動作します。三極管とダイオードがオンとオフになると、上昇時と下降時に電流が大きく変化し、無線周波数エネルギーが発生しやすく、干渉源を形成します。同時に、変圧器の漏れインダクタンスと出力ダイオードの逆回復電流によって発生するピークも潜在的な電磁干渉を形成します。
スイッチング電源は通常、高周波で動作し、その周波数は0.2 kHzを超えるため、その分布容量を無視することはできません。一方で、スイッチ管のヒートシンクとコレクター間の絶縁シートは接触面積が大きく、絶縁シートが薄いため、高周波ではそれらの間の分布容量を無視できず、高周波電流は分布容量を介してヒートシンクに流れ、次にシャーシグランドに流れ、コモンモード干渉が発生します。一方、パルストランスの一次段間には分布容量があり、一次巻線の電圧が二次巻線に直接溶け込み、二次巻線のDC出力と2本の電源ラインにコモンモード干渉が発生する可能性があります。
したがって、スイッチング電源における干渉源は、主にスイッチング管、ダイオード、高周波トランスなどの部品、および AC 入力および整流出力回路に集中しています。
2 スイッチング電源の電磁干渉抑制対策
通常、スイッチング電源のEMI制御では、主にフィルタリング技術、シールド技術、シーリング技術、接地技術を採用しています。EMI干渉は、伝送ルートによって伝導干渉と放射干渉に分けられます。スイッチング電源は主に伝導干渉であり、その周波数範囲は最も広く、約10kHz-30MHzです。伝導干渉を抑制するための対策は、基本的に10kHz-150kHz、150kHz-10MHz以上の3つの周波数帯で解決されます。通常の干渉は主に10kHz〜150kHzの範囲にあり、通常は一般的なLCフィルタで解決されます。コモンモード干渉は主に150kHz-10MHzの範囲にあり、通常はコモンモード除去フィルタで解決されます。10MHz以上の周波数帯に対する対策は、フィルタの形状を改善し、電磁シールド対策を講じることです。
2.1 AC入力EMIフィルターを使用する。
通常、導体上で干渉電流を伝送する方法には、コモンモードと差動モードの 2 つがあります。コモンモード干渉は、キャリア流体とアース間の干渉です。干渉の大きさと方向は同じで、電源の任意の相対アース間、または中性線とアース間に存在します。主に du/dt によって生成され、di/dt も一定のコモンモード干渉を生成します。差動モード干渉は、キャリア流体間の干渉です。干渉の大きさは等しく、方向は反対で、電源の位相線と中性線の間、および位相線と位相線の間に存在します。干渉電流が導体上で伝送される場合、コモンモードと差動モードの両方で現れる可能性があります。ただし、コモンモード干渉電流は、差動モード干渉電流になった後にのみ、有用な信号に干渉する可能性があります。
AC 電力伝送ラインには、通常、低周波の差動モード干渉と高周波のコモンモード干渉という上記の 2 種類の干渉があります。一般に、差動モード干渉の振幅は小さく、周波数は低く、発生する干渉は小さいです。コモンモード干渉は振幅が大きく、周波数が高く、配線を通じて放射を発生させる可能性があり、大きな干渉を引き起こします。AC 電源の入力端に適切な EMI フィルタを使用すると、電磁干渉を効果的に抑制できます。電力線 EMI フィルタの基本原理を図 1 に示します。差動モード コンデンサ C1 と C2 を使用して差動モード干渉電流を短絡し、中間ラインの接地コンデンサ C3 と C4 を使用してコモンモード干渉電流を短絡します。コモンモード チョーク コイルは、厚さが同じ 2 つのコイルで構成され、同じ方向に磁気コアに巻かれています。2 つのコイル間の磁気結合が非常に近い場合、漏れインダクタンスは非常に小さくなり、電力線の周波数範囲では劣ります。
モードリアクタンスは非常に小さくなります。負荷電流がコモンモードチョークを流れると、位相線に直列に接続されたコイルによって生成される磁力線は、中性線に直列に接続されたコイルによって生成される磁力線と反対になり、磁気コア内で互いに打ち消し合います。したがって、負荷電流が大きい場合でも、磁気コアは飽和しません。コモンモード干渉電流の場合、2つのコイルによって生成される磁界は同じ方向になり、大きなインダクタンスを示し、コモンモード干渉信号を減衰させる役割を果たします。ここで、コモンモードチョークコイルは、透磁率が高く、周波数特性が良好なフェライト磁性材料で作られている必要があります。
