高電圧絶縁コンデンサによりポンプ電源のEMIを低減

高電圧絶縁コンデンサによりポンプ電源のEMIを低減

抽象

高電圧DCバスは、ファイバーレーザーポンプ電源のコモンモードノイズ電流を増加させます。本稿では、500kHz、800V設計における電流源項、LISN電圧、絶縁コンデンサインピーダンス、および3段階減衰許容値を導出します。また、伝導性放射をCISPR 11クラスBラインより8.7dB低く抑えるための4つの現場課題と6つの対策を示します。

はじめに

高出力ファイバーレーザーポンプ電源は、モジュールあたり1kWから30kWの出力で、100kHzから1MHzの間で切り替わります。スイッチングノードの高速なエッジによって、あらゆる浮遊容量を通してシャーシに電流が流れ、その電流はACケーブルを通って戻ります。

工業用工場では、ポンプの給水設備は溶接セルや計測機器のすぐそばに設置されている。給水設備からの制御されていない電磁波の放出は、隣接する機械に悪影響を与え、計測データを破損させ、誤警報によって安全回路を作動させる。

400V～800Vの直流バスでは、汎用電源よりもこの問題が難しくなります。電圧振幅が大きいほど、同じ寄生容量に流れる電流が大きくなるため、フィルタを追加する前から放射ノイズが増加します。

本稿では、コモンモードおよびディファレンシャルモードの発生源、絶縁コンデンサのインピーダンス、および3段階の減衰許容値を導出します。次に、N4700クラスIコンデンサをベースとした、現場での4つの課題と6つの設計戦略を列挙します。

2. コアメカニズム

2.1 コモンモード電流源

各スイッチング周期において、電荷は寄生容量からシャーシへと移動します。平均電流は次のとおりです。

I_CM = 2 × C_para × V_bus × f_sw

ここで、I_CMは平均コモンモード電流、C_paraはスイッチングノードからシャーシへの寄生容量、V_busはノードがスイングするバス電圧、f_swはスイッチング周波数であり、係数2は各周期の2つのエッジをカウントします。

800 V、100 pF、500 kHz のとき、電流は 80 mA です。ノードは 10 ns で立ち上がるので、エッジレートは 80 V/ns となり、ピーク変位電流は 8 A に達します。

2.2 LISNで観測された放射

V_CM = I_CM × Z_LISN

ここで、V_CMは測定ポートにおけるコモンモード電圧、I_CMはコモンモード電流、Z_LISNは50Ωのラインインピーダンス安定化ネットワークインピーダンスです。デシベル単位では、1μVが基準値となるため、2mVは66dBμVに相当します。

ローカルリターンパスがない場合、80mAの電流がLISNを流れ、4V（132dBµV）の電圧が発生します。CISPR 11クラスBの制限値は150kHz～500kHzで66dBµVなので、フィルタは少なくとも66dBの電圧を除去する必要があります。8dB以上のマージンを確保することで、すべての量産品が規定値内に収まります。

2.3 絶縁コンデンサのインピーダンス

Z_iso(f) = ESR + j×2π×f×ESL + 1 / (j×2π×f×C_iso)

ここで、Z_isoは絶縁コンデンサのインピーダンス、ESRとESLはそれぞれの直列抵抗とインダクタンス、C_isoは静電容量、fは周波数です。コンデンサは自己共振周波数以下でのみバイパスとして機能します。

SRF = 1 / (2π×√(ESL × C_iso))

ここで、SRFは自己共振周波数、ESLは等価直列インダクタンス、C_isoは絶縁容量である。1 nFの部品と10 nHのインダクタンスを持つ部品は、CISPR帯域の上限である30 MHzよりも高い50.3 MHzで共振する。

これによりESLの制限値が設定されます。1 nFで共振周波数を30 MHz以上に維持するには、ESLを28 nH以下に抑える必要がありますが、短いリード線を持つラジアルリード部品は既にこの条件を満たしています。

2.4 3段階減衰許容値

各段は、ノイズをその段が示すインピーダンス比で分割します。シャントコンデンサは、ネットワークインピーダンスに対して作用します。

A_shunt = 20 × log10(1 + Z_LISN / Z_shunt)

ここで、A_shuntは1段のシャント段の減衰量をデシベルで表し、Z_shuntは雑音周波数におけるコンデンサのインピーダンス、Z_LISNは50Ωネットワークのインピーダンスを表します。チョークなどの直列素子は、同じ経路にそのインピーダンスを追加します。

A_series = 20 × log10(1 + Z_series / Z_LISN)

ここで、A_seriesは直列段の減衰量、Z_seriesは雑音周波数におけるチョークインピーダンス、Z_LISNはネットワークインピーダンスを表します。カスケード接続された段は乗算されるため、デシベル値は加算されます。

500 kHzにおいて、100 nFのアイソレーションコンデンサは3.18 Ωを示し、24.5 dBのゲインが得られます。2 mHのコモンモードチョークは6,283 Ωを示し、42.0 dBのゲインが得られます。2段目の10 nF段は31.8 Ωを示し、8.2 dBのゲインが得られます。これら3つの段を合計すると74.7 dBになります。

2.5 差動モードノイズ

V_DM = I_ripple × ESR + L_para × dI/dt

ここで、V_DM は線間電圧と中性線間電圧の差動モード電圧、I_ripple は入力コンデンサを流れるリップル電流、ESR はその直列抵抗、L_para はそのループの寄生インダクタンス、dI/dt は電流勾配です。

50 mΩのESRに20 Aのリップル電流を流すと1 Vの電圧が得られます。同じ電流を2 A/nsの傾斜で10 nHに流すと20 Vの電圧が得られます。入力フィルタは21 Vのピーク電圧を処理する必要がありますが、これはラインとニュートラルのペアにあるXコンデンサによって減衰されます。

図1 — 100 pFの寄生経路により、80 V/nsのノードが4 Vのコモンモードノイズに変換され、3つのフィルタ段によって0.74 mVになります。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：バス負荷時の絶縁コンデンサ定格

250V ACまたは400V DCのセラミック部品は、800Vのバス電圧に耐えることはできません。その電圧での絶縁破壊は安全上の問題であり、レーザーシステム全体を破壊する可能性があります。

絶縁コンデンサの定格電圧は、最大バス電圧の1.5倍とします。400Vバスには600V、800Vバスには1200Vが必要となるため、1kV～1200Vの範囲で直接ダイオードポンピングをカバーできます。

問題点２：ESRが頻度とともに上昇する

電極表皮効果と誘電損失により、周波数の上昇に伴ってESRが上昇します。X7R部品は、30MHzでは1kHzでのESRの5～10倍のESRを示すことがあります。

その上昇によって減衰許容範囲の上限が失われる。すると、本来それらを阻止するはずだったフィルタ段を高調波が通過し、アンテナ応答が最も強い10MHz以上の周波数帯で放射が横切る。

問題点3：ESLがバンドの下に自己共鳴を配置する

10 nFの容量と30 nHのリードインダクタンスを持つ部品は、9.19 MHzで共振する。それ以上の周波数ではインダクタとして動作し、バイパス動作を停止する。

CISPR 11バンドは30MHzまでなので、9.19MHzで動作しなくなる部品では、20MHzのスペクトルがカバーされないままになります。短いリード線とリードレスパッケージを使用することで、同じ10nFの部品を3nHで29MHzまで動作させることができます。

問題点4：容量ドリフトによる減衰の変化

クラスIIセラミックスは、-55℃から+125℃の温度範囲で静電容量が15%から22%減少します。22%の静電容量低下により、100nFの絶縁コンデンサのインピーダンスは500kHzで3.18Ωから4.08Ωに上昇します。

ステージ減衰量が24.5 dBから22.4 dBに低下するため、合計減衰量は72.6 dBに低下し、残留減衰量は57.3 dBµVから59.4 dBµVに上昇します。8.7 dBのマージンは、周波数帯域の上限では6.6 dBになります。

4. 設計手順

戦略1：絶縁にN4700クラスI誘電体を使用する

N4700（T3M）は、−55℃から+125℃の温度範囲において、±30 ppm/℃の温度係数と±0.35%以内の静電容量を維持します。減衰量はこの範囲全体で0.03 dB以内に収まるため、74.7 dBの総合的な減衰量はあらゆる動作温度で維持されます。

フィット N4700 絶縁部とフィルタ部における部品。クラスII部品は125℃で2.1dBのコストがかかり、マージンの大部分が失われる。

戦略2：絶縁容量を3つの段階に分割する

各デケードにそれぞれ専用のコンデンサを割り当てます。150kHz～1MHzには100nF、1MHz～10MHzには10nF、10MHz～30MHzには1nFを使用します。各段は、インピーダンスが最も低い帯域をカバーします。

　 HVCT8G 100 nFおよび10 nF段にはESLが10 nH以下のラジアルリード部品を、1 nF段にはESLが3 nH以下のリードレスパッケージを採用した。これら3段の合計ゲインは500 kHzで74.7 dBとなる。

戦略3：隔離ループを小さく保つ

スイッチングノードパッドとシャーシグランドパッドの間にコンデンサを配置し、配線長は3mm未満、端子ごとに2つの平行ビアを設けてください。ループインダクタンスはESLに直接加算され、5mmの配線長で約4nHが加算されます。

ESLが30 nH未満の場合、1 nF段は共振周波数を30 MHz以上に維持します。ループから1ミリメートル取り除くごとに、減衰許容値が最も薄い箇所でESLが回復します。

戦略4：回線ペアにコモンモードチョークを追加する

コモンモードチョークは、コモンモード電流に対して高いインピーダンスを示し、差動負荷電流に対して低いインピーダンスを示します。2 mHのチョークは、500 kHzにおいて6,283 Ωのインピーダンスを示し、これはLISNインピーダンスの50 Ωに相当します。

その比率だけで42.0 dBとなり、全体の値に占める割合は最大です。飽和電流がピーク線電流より高く、自己共振周波数が100 MHzを超えるチョークコイルを選択してください。

戦略5：障壁においてYクラスの安全要件を満たす

絶縁コンデンサが主電源バリアを跨ぐ場合、安全機関の承認が必要です。800Vバスの場合、8kVのピークインパルス定格を持つY1部品が必要です。

HVCは直列接続なしで1kVから100kVまでをカバーするため、各位置に1つの部品があればインパルス定格を満たします。 Y1定格コンデンサ 図面には、機関のファイル番号が記録されている。

戦略6：レイアウト中に事前コンプライアンススキャンを実行する

最初の試作機を作成する前に、近接場プローブとスペクトラムアナライザを使用して、絶縁コンデンサにおけるコモンモード電流を測定してください。測定値をシミュレーションによる予測値と比較し、6 dBを超える差が許容範囲内であることを確認してください。

スキャンを使用してコンデンサを配置し、チョークのサイズを決定します。Xコンデンサと フィルムコンデンサ DCリンクでは、§2.5の差動経路を減衰させる。なぜなら、そこでも21Vのピークを減衰させる必要があるからである。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. EMI対策が必要なポンプ電源用HVCコンデンサ

このノードには3つの要件があります。DCバス以上の定格電圧、温度変化に左右されない静電容量、そして自己共振周波数を30MHz以上に維持できるほど低いESLです。HVCは、東莞にある6,000m²の自社工場で、1kVから100kVまでのN4700（T3M）クラスI部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 温度係数は±30 ppm/℃、内部静電容量は-55℃から+125℃の範囲で±0.35%です。74.7 dBの減衰許容値は、クラスII部品のコストである2.1 dBではなく、0.03 dBずつ変化します。
• 1kVから100kVまでの電圧定格に対応し、直列接続なしで48Vから800VのDCバスをカバーし、Y1認証に必要なインパルス耐性を提供します。
• ラジアルリードHVCT8GのアウトラインではESLが10nH未満、リードレスパッケージでは3nH未満であり、1nF段の共振周波数を30MHz以上に維持します。
• 損失係数が0.1%未満であるため、ESRはCISPR帯域全体で平坦に保たれ、高周波段は設計で想定されている減衰量を維持します。
• 定格電圧の1.5倍で5 pC以下の部分放電を行うことで、耐用年数を通じてESRを上昇させ、マージンを減少させる内部侵食を抑制します。
• 85℃で50,000時間経過後も静電容量は2%以内なので、認定時の測定排出量は5年後の排出量と一致します。HVC部品は電気的パラメータとフットプリントに適合します。 村田 現場修理プログラムで使用されるねじ込み式高電圧コンデンサ。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチング済みの多段コンデンサセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリング部門は、減衰解析、コモンモード電流解析、および絶縁ループのレイアウトレビューをサポートします。

バス電圧、スイッチング周波数、エッジレート、シャーシ容量の推定値、および満たすべき放射制限値をお送りください。HVCは、ESR、ESL、自己共振データを含む選定シートと、2つのサンプルからなる評価キットを5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：コモンモードノイズ電流はどのように計算すればよいですか？

I_CM = 2 × C_para × V_bus × f_sw であるため、800 V、100 pF、500 kHz では、各周期の両端で 160 nC 移動するため、平均電流は 80 mA になります。この電流が 50 Ω LISN を流れると、4 V、つまり 132 dBµV の電圧が発生します。

Q2：絶縁コンデンサのESLが28nH未満である必要があるのはなぜですか？

SRF = 1 / (2π×√(ESL × C_iso)) は、CISPR 11 バンドの上限である 30 MHz より上に維持する必要があるため、1 nF の場合、28 nH では 30 MHz となり、10 nH では 50.3 MHz となります。リード線を長くしても C_iso は変化しないため、共振周波数が低下し、バンドの上限がなくなります。

Q3：フィルターにはどれくらいの減衰が必要ですか？

CISPR 11クラスBラインに到達するには、500kHzで66dBのゲインが必要で、さらに12dBの設計マージンが加わります。100nFのアイソレーションコンデンサで24.5dB、2mHのコモンモードチョークで42.0dB、10nFの第2段で8.2dBのゲインが得られます。カスケード接続された段は加算されるため、合計ゲインは74.7dBになります。

Q4：X7Rのコンデンサは本当にコストがかかるのでしょうか？

はい。125℃で22%の容量低下が発生すると、500kHzにおける100nFのインピーダンスは3.18Ωから4.08Ωに上昇し、その段のゲインは24.5dBから22.4dBに低下します。残留ゲインは59.4dBµVに上昇し、マージンは8.7dBから6.6dBに低下します。N4700では、同じ段のゲインが0.03dB低下します。

Q5：21Vにおける差動モードノイズの原因は何ですか？

2つの項があります。50 mΩのESRを流れる20 Aのリップル電流は1 Vを生じ、同じ電流が2 A/nsの傾斜で10 nHのループインダクタンスを流れると20 Vを生じます。線路と中性線間のXコンデンサは、その21 Vのピークを減衰させます。

Q6：絶縁コンデンサはどこに配置すべきですか？

スイッチングノードパッドとシャーシグランドパッドの直接間に、3mm以下の配線と端子ごとに2つのビアを配置します。5mmの配線は約4nHの抵抗値を増加させ、1nF段の共振周波数を50.3MHzから低下させ、減衰許容値を減少させます。

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