高周波、コモンモード電流、電圧、およびインピーダンスの測定 (パートII)
はじめに
本稿は、フライバックコンバータを使用した高周波、コモンモード (CM) 電流、電圧、およびインピーダンスの測定方法について説明する3部構成シリーズの2番目のパートです。パートIでは、 放射EMIの基本と、フライバックコンバータのトポロジーでコモンモード電流を測定するための従来の方法について説明しました。パートIIでは、コモンモード電流を測定する際の一般的な誤差のソリューションを提案し、次にコモンモードインピーダンスを測定する方法を示します。パートIIIでは、スイッチング電源の効果と等価電圧源について調べます。
コモンモード電流測定用の磁気リングソリューション
以前、コモンモード電流とその一般的な落とし穴を測定するための従来の方法を紹介しました。特に、測定誤差には2つのタイプがあります。図1は、近接場カップリング効果としても知られる電界カップリングによって生じる誤差を示しています。
図1 : コモンモード電流試験における近接場カップリング効果
図2は、入力ラインのグランドインピーダンス (ZG) による誤差です。ZGはゼロラインとグランド間のインピーダンスで、環境によって変化します。このインピーダンスループはコモンモード電流のシャントとして機能するため、さまざまな環境で一貫性のない試験結果をもたらします。
図2 : コモンモード電流試験におけるグランドインピーダンスの影響
これらの測定誤差を解決するには、同軸線と入力線の前に複数のフェライトビーズを追加することを推奨します (図3参照)。
図3 : フェライトビーズにより改良されたコモンモード電流試験方法
フェライトビーズは、30MHz〜1GHzの放射周波数幅内で最大数千オームのインピーダンスを提供できて、カップリングとグランドインピーダンスの影響を効果的に回避します。
図4に、フェライトビーズの有無によるコモンモード電流試験結果の比較を示します。フェライトビーズを追加しない場合、近接フィールド干渉のために測定されたコモンモード電流が著しく高くなり、最大数十dBの誤差が発生します。
図4 : コモンモード電流の試験結果の比較
図5に、カップリングによる測定誤差を示します。フェライトビーズを追加すると、測定されたコモンモード電流がより正確になります。
図5 : カップリング測定誤差
フライバックコンバータのコモンモードインピーダンスの測定
フライバックコンバータのコモンモードインピーダンスは、主にトランスのコモンモードインピーダンス (ZCMTRANS) を指します。つまり、コモンモードインピーダンスの取得方法を知る必要があるということです。
図6は、フライバックのEMIモデルのスイッチを電圧源に置き換える方法を示しています。一次側と二次側のスイッチの電圧は、それぞれVPRIおよびVSECです。重ね合わせの原理を使用して、コモンモード電流に対するこれら2つの電源の寄与を評価できます。放射EMIモデルはVPRIをコモンモードノイズ源と見なします。ZCMTRANSは、一次側と二次側の間のテブナン等価モデルのインピーダンスであり、VCMはテブナン等価モデルの電圧源です。
図6 : 同等のソースとCMEMIモデルの置換
VPRIの効果を調べる場合、重ね合わせの原理によると、二次側からの電圧源 (VSEC) は短絡と考えられます (図7参照)。
図7 : ノイズ源としてのVPRIの一次および二次モデル
ネットワーク解析モデルを使用して、インピーダンスネットワークのさまざまなパラメータを取得できます。図8は、トランスのコモンモードインピーダンスの測定方法を示しています。ここで、ネットワーク解析モデルは、一次側スイッチの両端に励磁を適用します。一次側と二次側のグランド間のポートのSパラメータを測定できます。
図8 : トランスのコモンモードインピーダンス測定方法
図9にπモデルを示します。このモデルは、測定された散乱パラメータに基づいて、ポート間のインピーダンスネットワークを表します。
図9 : トランスの高周波インピーダンスモデル
このネットワークでは、Z2電圧源と並列のインピーダンスはわずかなため、無視できます。VPRIによって、生成される等価コモンモード電圧とコモンモードインピーダンスを推定できます。VCMPRIは、式 (1) で計算できます。
$$V_{CMPri} = V_{Pri} \times CMTG_{Pri} = V_{Pri} \times\frac{Z_3}{Z_1+Z_3}$$ここで、CMTGPRIは、CMノイズ源に関連する一次電圧源の伝達関数です。ZCMTRANSPRIは、 式(2)で計算できます。
$$Z_{CMTransPri} = \frac{Z_3}{Z_1+Z_3}$$トランスのインピーダンスを下げるだけでは、必ずしも放射を減らすための最も効果的なアプローチとは限りません。最良の方法は、バランスのとれたトランス設計を使用して、Z3対Z1比率を最小化することです。パートIIIでは、正確な測定結果を保証するために、この設計基準について説明します。
結論
本稿では、カップリングとグランドインピーダンスの影響から生じるコモンモード電流測定誤差を避けるためのフェライトビーズソリューションを紹介しました。高周波コモンモード電流測定の分析に続き、ネットワーク分析モデルとπモデルを使用し、一次側コモンモード電圧を計算することによって、コモンモードインピーダンスを取得する方法についても説明しました。
パートIIIでは、スイッチングノイズの影響と等価電圧源について説明し、提案された測定アプローチを確認します。
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