コモンモードインダクタ、コモンモード電磁干渉信号をフィルタリングするために、コンピュータのスイッチング電源でよく使用されます。基板設計において、コモンモードインダクタは高速信号線から発生する電磁波の外部放射や放射を抑制するEMIフィルタの役割も果たしています。
インダクタは磁気部品の重要な部品としてパワーエレクトロニクス回路で広く使用されています。特に電源回路には欠かせない部品です。産業用制御機器の電磁リレーや電力システムの電力計（電力量計）など。スイッチング電源装置の入出力端のフィルタやテレビの受信端や送信端のチューナーなどはインダクタと切っても切れない関係にあります。電子回路におけるインダクタの主な機能は、エネルギー貯蔵、フィルタリング、チョーク、共振などです。電源回路では、回路が大電流または高電圧のエネルギー伝達を扱うため、インダクタはほとんどが「パワータイプ」のインダクタです。
パワーインダクタと小信号処理インダクタが異なるため、設計時のスイッチング電源のトポロジーが異なり、設計方法にも独自の要件があり、設計が困難になります。インダクタ現在の電源回路では、主にフィルタリング、エネルギー貯蔵、エネルギー伝達、力率補正に使用されています。インダクタの設計には、電磁理論、磁性材料、安全規制などの知識の多くの側面が含まれます。設計者は、意思決定を行うために、動作条件と関連パラメータ要件 (電流、電圧、周波数、温度上昇、材料特性など) を明確に理解する必要があります。最も合理的なデザイン。
インダクタの分類:
インダクタは、使用環境、製品の構造、形状、用途などに基づいてさまざまなタイプに分類できます。通常、インダクタの設計は、使用および使用環境を出発点として開始されます。スイッチング電源では、インダクタは次のように分類できます。
ノーマルモードチョーク
力率改善 - PFC チョーク
架橋結合型インダクタ（カプラーチョーク）
エネルギー貯蔵平滑インダクタ (スムーズ チョーク)
磁気増幅コイル（MAG AMPコイル）
コモンモードフィルタインダクタは、2つのコイルが同じインダクタンス値、同じインピーダンスなどを持つ必要があるため、このタイプのインダクタは対称設計を採用しており、その形状は主にTOROID、UU、ETなどの形状です。
コモンモードインダクタの仕組み:
コモンモードフィルタインダクタは、コモンモードチョークコイル（以下、コモンモードインダクタまたはCM.M.Chokeといいます）やラインフィルタとも呼ばれます。
コモンモードフィルタインダクタは、2つのコイルが同じインダクタンス値、同じインピーダンスなどを持つ必要があるため、このタイプのインダクタは対称設計を採用しており、その形状は主にTOROID、UU、ETなどの形状です。
コモンモードインダクタの仕組み:
コモンモードフィルタインダクタは、コモンモードチョークコイル（以下、コモンモードインダクタまたはCM.M.Chokeといいます）やラインフィルタとも呼ばれます。
でスイッチング電源、整流ダイオード、フィルタコンデンサ、インダクタの電流や電圧の急激な変化により、電磁妨害源（ノイズ）が発生します。同時に、入力電源には電源周波数以外の高次高調波ノイズも存在します。これらの干渉が除去されない場合、抑制により負荷機器やスイッチング電源自体が損傷する可能性があります。したがって、いくつかの国の安全規制機関は、電磁干渉 (EMI) 放射に関する規制を発行しました。
対応する管理規制。現在、スイッチング電源のスイッチング周波数はますます高周波化しており、EMIが深刻化しています。したがって、スイッチング電源にはEMIフィルタを取り付ける必要があります。 EMI フィルタは、特定の要件を満たすためにノーマル モード ノイズとコモン モード ノイズの両方を抑制する必要があります。標準。ノーマル モード フィルタは、入力端または出力端で 2 つのライン間の差動モード干渉信号をフィルタリングして除去する役割を果たし、コモン モード フィルタは 2 つの入力ライン間のコモン モード干渉信号をフィルタリングして除去する役割を果たします。実際のコモンモードインダクタは、AC CM.M.CHOKE、AC CM.M.CHOKE、AC CM.M.CHOKE の 3 つのタイプに分類できます。 DC CM.M.CHOKE と SIGNAL CM.M.CHOKE は動作環境が異なるため。設計時や選択時にこれらを区別する必要があります。ただし、図 (1) に示すように、その動作原理はまったく同じです。
図に示すように、同じ磁気リング上に逆方向のコイルが 2 組巻かれています。右螺旋管の法則によれば、入力端子 A と B に逆極性で同じ信号振幅の差動モード電圧が印加されたとき、実線で示す電流 i2 が発生し、磁束が発生します。磁性体コアには実線で示すΦ２が発生する。 2 つの巻線が完全に対称である限り、磁気コア内の 2 つの異なる方向の磁束は互いに打ち消し合います。総磁束はゼロ、コイルのインダクタンスはほぼゼロで、ノーマルモード信号に対するインピーダンスの影響はありません。入力端子A、Bに同極性、同振幅のコモンモード信号が印加されると、点線で示した電流i1が流れ、磁気回路には点線で示した磁束Φ1が発生します。コアに磁束が流れると、コア内の磁束は同じ方向を持ち互いに強め合うため、各コイルのインダクタンス値は単独の場合の2倍となり、XL=ωLとなります。したがって、この巻き方のコイルはコモンモード干渉の抑制効果が高い。
実際の EMI フィルタは L と C で構成されます。設計時には、差動モード抑制回路とコモンモード抑制回路が組み合わせられることがよくあります (図 2 を参照)。したがって、設計はフィルタ コンデンサのサイズと必要な安全規制に基づいて行う必要があります。インダクタの値は規格によって決定されます。
図中、L1、L2、C1はノーマルモードフィルタ、L3、C2、C3はコモンモードフィルタを構成しています。
コモンモードインダクタの設計
コモンモードインダクタを設計する前に、まずコイルが次の原則に準拠している必要があることを確認してください。
1 > 通常の動作条件下では、磁気コアは電源電流によって飽和しません。
2 > 高周波干渉信号に対して十分な大きさのインピーダンス、特定の帯域幅、および動作周波数での信号電流に対する最小インピーダンスが必要です。
3 >インダクタの温度係数は小さい必要があり、分布容量は小さい必要があります。
4>直流抵抗はできるだけ小さくする必要があります。
5>誘導インダクタンスはできるだけ大きく、インダクタンス値は安定している必要があります。
6 > 巻線間の絶縁は安全要件を満たさなければなりません。
コモンモードインダクタの設計手順:
ステップ 0 SPEC 取得: EMI 許容レベル、適用場所。
ステップ 1 インダクタンス値を決定します。
ステップ2 コアの材質と仕様を決定します。
ステップ 3 巻き数と線径を決定します。
ステップ 4 校正
ステップ5テスト
設計例
ステップ 0: 図 3 に示す EMI フィルタ回路
CX = 1.0 Uf Cy = 3300PF EMIレベル: FccクラスB
タイプ: AC コモンモードチョーク
ステップ 1: インダクタンス (L) を決定します。
回路図から、L3、C2、C3で構成されるコモンモードフィルタによってコモンモード信号が抑制されていることがわかります。実際には、L3、C2、C3 は 2 つの LC 直列回路を形成し、それぞれ L ラインと N ラインのノイズを吸収します。フィルタ回路のカットオフ周波数が決まり、容量Cが既知であれば、インダクタンスLは次の式で求められます。
fo= 1/(2π√LC)L → 1/(2πfo)2C
通常、EMI テストの帯域幅は次のとおりです。
伝導妨害: 150KHZ → 30MHZ (注: VDE 標準 10KHZ – 30M)
放射線干渉: 30MHZ 1GHZ
実際のフィルタは、理想的なフィルタの急峻なインピーダンス曲線を実現することはできず、カットオフ周波数は通常約 50KHZ に設定できます。ここで fo = 50KHZ とすると、
L =1/(2πfo)2C = 1/ [( 2*3.14*50000)2 *3300*10-12] = 3.07mH
L1、L2、および C1 は、(ローパス) ノーマル モード フィルターを形成します。ライン間の静電容量は 1.0uF であるため、ノーマルモードのインダクタンスは次のようになります。
L = 1/ [( 2*3.14*50000)2 *1*10-6] = 10.14uH
このようにして、理論的に必要なインダクタンス値を得ることができます。より低いカットオフ周波数foを得たい場合は、インダクタンス値をさらに大きくすることができます。カットオフ周波数は通常 10KHZ 以上です。理論的にはインダクタンスが大きいほどEMI抑制効果は高くなりますが、インダクタンスが大きすぎるとカットオフ周波数が低くなり、実際のフィルタではある程度の広帯域しか得られず、高周波ノイズの抑制効果が悪くなります（一般的にはスイッチング電源のノイズ成分は5～10MHZ程度ですが、10MHZを超える場合もあります。さらに、インダクタンスが高くなるほど、巻線の巻数が増えたり、CORE の ui が高くなったりするため、低周波インピーダンスが増加します (DCR が大きくなります)。巻数が増加すると、分布静電容量も増加し (図 4 に示すように)、すべての高周波電流がこの静電容量を通過できるようになります。 UI が高すぎると CORE が飽和しやすく、また、作成が非常に困難でコストがかかります。
ステップ 2 コアの材質とサイズを決定する
上記の設計要件から、コモンモードインダクタは飽和しにくい必要があるため、BH 角比の低い材料を選択する必要があることがわかります。より高いインダクタンス値が必要なため、磁気コアの ui 値も高くなければなりません。また、より低いコア損失とより高い Bs 値を備えた Mn-Zn フェライト材料 CORE は、現在、要求を満たす最適な CORE 材料です。上記の要件。
設計時の COEE サイズに関する特定の規制はありません。原理的には、必要なインダクタンスを満たし、低周波損失の許容範囲内で製品サイズを小さく設計できれば十分です。
したがって、コスト、許容損失、設置スペースなどに基づいてコアの材質とサイズの抽出を検討する必要があります。 コモンモードインダクタの一般的に使用されるコア値は 2000 ～ 10000 です。 鉄粉コアも低鉄損、高 Bs、低鉄損を備えています。 BH角度比は高いですが、uiが低いため、一般にコモンモードインダクタには使用されませんが、このタイプのコアはノーマルモードインダクタの1つです。好ましい材料。
ステップ 3 巻数 N とワイヤ直径 dw を決定します。
まずCOREの仕様を決定します。たとえば、この例では、T18*10*7、A10、AL = 8230±30% の場合、次のようになります。
N = √L / AL = √(3.07*106 ) / (8230*70%) = 23 TS
線径は電流密度3～5A/mm2を基準としています。スペースが許せば、できるだけ低い電流密度を選択できます。この例では入力電流 I i = 1.2A であると仮定し、J = 4 A/mm2 とします。
すると、Aw = 1.2 / 4 = 0.3mm2 Φ0.70mm
実際のコモンモードインダクタは、設計の信頼性を確認するために実際のサンプルでテストする必要があります。これは、製造プロセスの違いがインダクタパラメータの違いにつながり、フィルタ効果に影響を与えるためです。たとえば、分布容量が増加すると、高周波ノイズが発生します。より伝わりやすくなります。 2 つの巻線が非対称であるため、2 つのグループ間のインダクタンスの差が大きくなり、ノーマル モード信号に対して一定のインピーダンスが形成されます。
要約する
1 >コモンモードインダクタの機能は、ライン内のコモンモードノイズを除去することです。この設計では、2 つの巻線が完全に対称な構造と同じ電気パラメータを備えていることが必要です。
2 >コモンモードインダクタの分布容量は、高周波ノイズの抑制に悪影響を与えるため、最小限に抑える必要があります。
3 >コモンモードインダクタのインダクタンス値は、フィルタリングが必要なノイズ周波数帯域と整合容量に関係します。インダクタンス値は通常 2mH ～ 50mH です。
記事出典：インターネットより転載
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投稿日時: 2024 年 5 月 28 日