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翻訳: T.Sato
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| Figure 1: 市販の何千もの低電力 DC/DC コンバータのいくつかの例 |
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| Figure 2: 低電力 DC/DC コンバータと Class D オーディオ増幅器の例 |
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| Figure 3: AC/DC コンバータの科学分野での応用の例 |
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| Figure 4: 産業用機械のモータ・ドライブの例 |
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| Figure 5: 産業用モータ・ドライブのもういくつかの例 |
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| Figure 6: 乗物での応用の2つの例： 海上と路上 |
150kHz 以下の基本スイッチング・レートを持つスイッチ・モードや PWM のコンバータは ほとんど常に伝導性エミッション試験で実にひどい不合格となり、 電力を非常に高速にスイッチする低電力のものは放射性エミッション試験にも不合格となり得る。 150kHz 以上の基本スイッチング・レートを持つものは ほとんど常に、往々にしてひどく、放射性エミッション試験に不合格となる。
従って、世界のほとんどの国で、 無線通信の保護のための EMI 規制 (例えば欧州の EMC 指令 2004/108/EC) に法的に適合し、 製品、乗物、あるいはシステムの販売や使用、 あるいは設備の構築や運用を合法的に行なうためには、 スイッチ・モードや PWM のパワー・コンバータの設計者は ほとんど常に EMC 設計テクニックを用いなければならない。 だが、規格と規制への適合は、実際にはその問題の最も小さい部分に過ぎない。 もしパワー・コンバータが良い EMC テクニックを用いて設計されていないならば、 製造業者の財務的リスクと責任は実質的に管理されない。 これは以下の4章でより詳細に述べる。 財務的リスクの管理を助けるために良い EMC 設計を用いることは、 (ほとんど常に) いずれにしても全ての該当する EMC 規格と規制に適合する製品を 追加の作業なしにもたらす。 しばしば、設計者は緩和テクニック (下の2章のリストの b) のみを用い、 従ってエミッションの低減 (2章のリストの a) のために いくらかの注意を払えば容易に達成できたであろうものと比較して、 時間、金、重さ、そして体積を浪費する。 そして、緩和テクニックを用いる時、彼らは往々にして最適な設計を行なわず、 時間や金などをさらに浪費する。
スイッチ・モードや PWM のパワー・コンバータは、今やほとんどあらゆるところにある。 ほとんど全ての製品、システム、車両、あるいは設備 (最小の iPod でさえも) は 少なくとも１つのスイッチ・モードや PWM のコンバータを含み、 典型的な携帯電話やノートブック・コンピュータはいくつか ――低電圧のバッテリから様々な回路に給電するためのスイッチ・モードコンバータ、 ヘッドホンやスピーカの駆動のための PWM コンバータ (「クラス D」オーディオ・アンプの中の)―― を含む。
他の極端では、例えばハイブリッドや電動の車両内、 全ての種類の海上船のスラスターや推進機、 クレーン、掘削機械、そして鋼板圧延ミルを含む様々な産業用途で、 数十 MW までの DC や AC のモータの速度を変えるために 高電力のスイッチ・モードや PWM が用いられている。
これらのテクノロジは、今は、 鉄塔に吊るされた架空 DC 送電線や地下／海底のケーブルを使用し、 AC 配電での大きなエネルギー損失をなくせるようにする、 配電での DC/DC 変換でも用いられている。 エネルギー消費の低減のため、遠からず、家庭用器具の全てのモータが スイッチ・モードや PWM のコンバータで駆動されるようになるだろう。 惑星を過熱から救おうとするテーマについて続けると、 これらのテクノロジは、LED ランプの駆動のためや、 太陽電池 (PV) パネルや、風力、波力、あるいは潮力タービンのような 代替 (「グリーン」) エネルギー源からの DC や AC の電力を 国内電力網に入力するために AC 主電源電圧に変換するためにも用いられる。 Figures 1〜6 はこれらのテクノロジの使用のごく僅かな例を示す。 Figure 5 の 9 MVA モータ・ドライブと Figure 6 の 45型デアリング級駆逐艦は [1] から、 Figure 6 の Zytek 電気自動車用ドライブは [2] から取られた。
これらの独立した記事は、バイポーラ接合型トランジスタ (BJT)、MOSFET (パワーFET)、 あるいは絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ (IGBT) を用いた、 スイッチ・モードと PWM のコンバータのみを扱う。 その EMC 問題の多くは同一で、同様の設計原理を適用できるものの、 シリコン制御整流子 (SCR) を用いたコンバータは扱わない ―― その追加の EMC 特性については [3] を参照。 それらは、地上、地下、海上、海中、空中、宇宙のどこにある、 固定や可搬のシステムや設備 (例えば建物、車両) も含む、 それらを用いたシステムや設備における、回路設計と PCB レイアウトから、 放熱、シールド、フィルタ、そして任意のタイプの構造の接地までの、 コンバータの設計における EMC 問題をカバーすることを意図している。 この記事の設計ガイダンスと私が EMC Journal に書いた他の記事とのあいだには、 時々、避けられない重複があるだろう。 さもなくばこれは非常に長い連載になり得るであろうから、それが生じた場合には、 簡潔に述べてより完全な情報源を参照することで対応しようとするであろう。 応用の範囲、そして電力やスイッチング周波数の範囲は非常に広いものの、 EMI と EMC に関する限りスイッチ・モード PWM のパワー・コンバータはいくつかの基本的な特徴を共有し、 これが mW から数十 MW のものまでの全てをこれらの記事でカバーできると信じる理由である。 幸運を祈って欲しい！
全ての電気、電気機械、そして電子デバイスとその回路は、 上で述べた意図的と非意図的な自然と非自然のエミッション全てから成る、 機器が使用され得る場所に存在し得る電磁妨害全ての総計である、 それに曝されざるを得ない電磁環境 (EME) からの電磁「ノイズ」を 受信する (拾い上げる)。
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| Figure 7: 全ての EMI 事象の3つの部分： 発生源、経路、及び被害者 |
デバイスや回路で拾い上げられたノイズがあるレベルを超えた時、 回路の設計や機能に依存して、誤差や誤動作を生じるであろう。
アナログ・モードで動作する回路は、通常は、 正しい動作のためには機能が損なわれ過ぎるまで、 その環境によって曝されるエミッションが増加すると増加する誤差を生じる。 例えば、オーディオ信号が理解不能となるまで増加する、 オーディオ・システムのバズ・ノイズ。 デジタル回路は、(正しく設計されていれば) 「ノイズ・マージン」を持ち、 従ってそのマージンを超えて誤動作を起こすまでは その環境によって曝されるエミッションに影響されない。 デジタル回路がソフトウェアやファームウェアを実行している場合、 誤動作は制御誤差やコードの誤動作として現れるかも知れず、 しばしばそれぞれオペレータの誤りやソフトウェア設計の誤りと見誤られる。 あるいは、回路は単に動作を止めるかも知れない。
全ての電気、電気機械、そして電子デバイスは、 レベルの高過ぎるエミッションによって、通常は過大損失によって、損傷し得る。 機器によっては、その制御電子回路での誤差や誤動作が 可動部品を不適切に動作させた時にも損傷を受け得る (例えば、航空機の着陸時の滑空経路に誤差があった場合)。
そのような望ましくない帰結全ては、電磁干渉、あるいは EMI と呼ばれる。 人々は時々 EMI という用語をエミッションそのものを参照するために用いており、 私は、想定された聴衆が EMC Journal の読者ほどこれらの話題に詳しくない場合、 時に意図的にそうしてきた。 正しく言えば、干渉を引き起こし得る電磁エミッションに対する正しい用語は 「電磁妨害 (electromagnetic disturbance, EM disturbance)」、 あるいは単に「妨害」であるが、(その理由はわからないが) EMD とは呼ばれない。 EMI の管理に関係する科学／工学分野は電磁両立性 (EMC) と呼ばれる。 EMC 工学で用いられるテクニックは、 [4] の 5章と [5] の 2章から取られた Figure 7 に示されている、 EMI 事象のために必要な3つの部分のそれぞれに関係する：
EMI の物理についてのより詳しいことは、
[4] の全て、あるいは [5] の 2章 (それらは同一である) を参照されたい。
a〜c の実施の実際的な情報については、[5] の全てを参照されたい。
EMC は、エミッションが他の機器を混乱させないために充分に低いことを確かとし、
EMI に対するイミュニティが機器がその EME 内で良く耐えて動作することを確かとするのに
充分に高い (すなわちサセプティビリティが充分に低い) ことを確かとすることに関係する。
世界のほとんどの国には、少なくとも無線の放送や通信のスペクトラムを保護するために
伝導性と放射性のエミッションを制限する、EMC の規格と規制がある。
この記事は、EMC 試験規格や規制ではなく、
良い EMC 設計／組み立てテクニックのみを議論する。
だが、CISPR や IEC の EMC 試験規格についての、
そしてそれらが試験する妨害についての相当の情報は、[6] にある。
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| Figure 8: 2μs と 10ns の立ち上がり時間の 16kHz 方形波の高調波 |
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| Figure 9: 一般エミッション規格 EN 61000-6-3 の限度と比較しての、
小さい PWM モータ・ドライブからの伝導性エミッションの例 |
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| Figure 10: 我々が最も良く使う周波数 (10Hz〜3GHz) |
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| Figure 11: 我々が使う周波数、及び典型的な電気／電子ノイズ・エミッション |
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| Figure 12: 周波数と導体の偶発的アンテナ効果の比較 |
波形のスペクトラム成分の話題が最初に出たときの図のほとんどのように、 Figure 8 は方形波を示す。 だが、全てのスイッチ・モードや PWM のコンバータは矩形波の波形 （特別な状況以外では、マークとスペースの比率は方形波のように 1 ではない) を用いており、従って奇数次とともに偶数次の全ての高調波を生じるが、 方形波はどの偶数次高調波 (2次、4次、6次など) も持たず、 この記事の文脈では方形波の例は実際には非常に珍しい。 このノイズは整流器とスイッチング回路からユニットのケーブルへと「漏れ出し」、 AC や DC の電源上に高レベルの差動 (DM) とコモン・モード (CM) の伝導性エミッションを生じ、 Figure 9 はその典型的な結果の１つとなる。
試験結果 (1997年の) を Figure 9 に示したその例の PWM モータ・ドライブは、 既にいくらかの EMC 対策を含み、従って起こり得たほど悪くはない。 ごく小さいスイッチ・モードや PWM のコンバータのエミッションが、 標準的な方法で測定した時に画面の上にはみ出すのをしばしば見ている。 測定されたエミッションがその表示のラインが画面の上端に見えるようになるほど 測定周波数が高くなる ――例えば 3MHz を超える―― まで、 試験を始めのになぜそんなに時間がかかるのかと訝りながら試験所で座っていることだろう。
設計者が EMC テクニックを何も使わなかった、あるいはそれを正しく使わなかった場合には、 非常に小さいコンバータからであっても、 凖尖頭値 (QP) 検波の限度のラインを 50dB 以上超える伝導性エミッションも珍しいことではない。 Figure 9 のような伝導試験は主電源ケーブルに対してのみ行なわれるが、 DM と CM のノイズは放熱器、シャーシ、出力や制御のケーブルにも現れ、 全ての導体は自ずと「偶発的アンテナ」として振る舞うので、 伝導性の DM と CM のノイズの一部は導体から空間へと「漏洩」し、 高レベルの放射性エミッションを生じる。 (CM の別の名前は「アンテナ・モード」であり、 少なくとも 1GHz 以下の周波数についての、 ケーブルから空間への DM よりも遥かに大きい「漏洩」の傾向について、 いくらかの概念を与える。) 全ての CM ノイズ電流は シャーシ／フレーム／接地／共通接続網 (CBN) 構造を含んでループし、 従って CM ノイズは共通インピーダンス結合を介して他の機器に影響する 「グランド・ノイズ」の原因の１つである。
Figures 10〜12 は、ケーブルの、そして例えばプリント基板のトレース、バスバー、 放熱器などの全ての種類の導体の偶発的アンテナ効果の、 そしてそれがなぜ現代的な電子機器にそれほど多くの問題を生じるかの、 いくらかの概念を与えようとする。
ワイヤやケーブルのような金属片は線形素子であり、 従って「前向き」と全く同様に「逆向き」にも働き、 従って、導体にそれを流れる DM や CM の電流の一部を 電磁エネルギーとして空間に放射させる偶発的アンテナ効果は、 それが空間内の電磁界を拾い上げさせて その一部を DM や CM のノイズ電流に変換させもすることを意味する。 これは相反定理として知られており、[4] や [5] の 2章でより詳細に述べられている。 全ての導体が自ずから持つ電磁界の拾い上げの作用は、 イミュニティ問題の主な原因の１つである。 パワー・コンバータは高い電圧や電流で動作するので、 典型的なレベルの EMI に自ずと耐えると考えられることがあるが、 その高い電流や電圧を運ぶスイッチング・デバイスは マイクロプロセッサや類似の半導体テクノロジを用いて作られた その他の IC コントローラ・デバイスで制御され、 それらは EMI によって容易に混乱する。 イミュニティの欠如はそれが扱う高いエネルギーのために ブリッジ型のパワー・コンバータを激しく爆発させ得るし、 より高い出力のコンバータはある種の軍事兵器のように激しく爆発して 爆発による破片によって同様の傷害を引き起こし得る。 私はそのようなコンバータの爆発で自分が傷付けられることをかろうじて免れたことがある； また、その出来事の後で分析しなければならなかったものは 燻っている灰、黒焦げになった歪んだ金属、そしてコンポーネントの破片だけであったために、 それが「自己破壊」する時にどの部品が最初に壊れるのか (すなわち最も原因に近そうか) を見付けるために パワー・コンバータの写真を取るために超高速度カメラを借りなければならなかった、 ある軍用品サプライヤを知っている。 このシリーズはエミッションの制御に焦点を当てており、 イミュニティはその範囲を超える。 だが、相反定理のため、 エミッションの低減のための EMC 設計テクニックのほとんどはイミュニティも改善する。 ここまでこの章で紹介した用語と概念の全ては、[4] と [5] の 2章で述べられている (ほとんど数式は用いておらず、非常に簡単である)。 アクティブな電力スイッチング・デバイスによって引き起こされる上述のノイズに加えて、 AC から給電されるコンバータは通常は電源周波数に関係した高調波ノイズのエミッションを生じ、 PWM インバータは通常は電源周波数に関係しないエミッション (「次数間高調波」として知られる) を生じ、 双方は例えば次によって問題を引き起こし得る：
これらは、将来の記事でカバーしようと考えている、
「電力品質」問題と呼ばれるものの例である。
待つことができないならば、
[7] と [8] はシステムと設備の視点からこれらの問題とその解決策を述べており、
[3] は海事や洋上の応用を含むパワー・ドライブ・システムと設備の
EMC と電力品質問題に取り組んでいる。
(注意： 電気、電気機械、あるいは電子的なアイテムの誤差や誤動作が 顕著な財務的あるいは安全上のリスクを引き起こし得る場合、 EMC 指令 2004/108/EC のような EMC 規制に適合し、 そのエミッションとイミュニティの試験全てに合格することは、 (ほとんど常に) リスクが受容できる低い水準にあることを示すには不充分である。 これについてのより多くの情報と詳細な実際的なガイダンスは、[10] を参照。)
この最近の例の１つは、前の号の EMC Journal の「バナナの皮」のコラムで
バナナの皮 No.618 として報告された。
ある新しい洋上原油採掘リグは建造に5億米ドルを要したが、2つの EMC 問題を生じ、
その1つは大きな強力な (700kW の可変速モータ・ドライブ) クレーンが制御を外れ、
実際の安全上のハザードを引き起こすというものであった。
採掘を行なえないままの4ヶ月の後、その問題を直すために独立コンサルタントが呼ばれ、
リグ上の多数のスイッチ・モードや PWM のコンバータ全て ――700kW のものさえも―― の
主電源フィルタの完全な欠如によって引き起こされたその問題を解決した。
リグの製造業者はその EMC 問題の財務的な実際のコストを計算し、
これは 5400万米ドルと見積もられた。
彼らはそれまでに類似の洋上採掘リグをいくつか作っており、
それは特に発電機の電力で動作させる時には良い EMC 工学プラクティスであるにもかかわらず、
「それらは不要であった」 (彼らはそう言った) ので主電源フィルタを取り付けたことがなかった。
言い替えると、彼らはリグで明らかな EMI 問題を見ていなかったので、
そしてリグは現在適用される EMI 規制がない国際海域で運用されていたので、
リグ当たり数万米ドルの主電源フィルタのコスト
(もちろん総生産コストの 0.1% よりもかなり小さい) を節約することで
金を節約していると考えた。
だが、そのような悪い EMC 工学的決定のほとんどと同様、
それは彼らがそれまでに「節約」したよりも遥かに大きなコストという結果となった。
バナナの皮のコラム (そして [9]) は、
私が「いかなるコストをかけても金を節約する」と呼ぶ、多くの類似の例を含み、
私 ――そしてほとんどの EMC コンサルタント―― は、
これまで公表されたことがなく、事業上の秘密の理由から決して公表されないであろう、
そのような逸話を多数知っている。
従って、従うべき EMC 規格や規制があるかどうかにかかわらず、
製造業者の財務的リスクを管理するために、良い EMC 工学が常に必要である。
これについてのより多くの情報は [5] の 1章を参照していただきたく、
[11] と [12] にも興味を持つかも知れない
―― それらをあなたの財務担当重役のために印刷してあげてはどうだろうか？
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| Figure 13: 非絶縁型 DC/DC コンバータ |
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| Figure 14: 絶縁型 DC/DC コンバータ |
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| Figure 15: DC/DC コンバータの絶縁の別の方法 |
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| Figure 16: 非絶縁型 AC/DC コンバータ |
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| Figure 17: 絶縁型 AC/DC コンバータ |
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| Figure A8: DC/DC コンバータの絶縁の別の方法 |
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| Figure 19: 非絶縁型 DC/AC コンバータ (インバータ) |
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| Figure 20: 絶縁型 DC/AC コンバータ (インバータ) |
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| Figure 21: 非絶縁型 AC/AC コンバータ (インバータ) |
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| Figure 22: 絶縁型 AC/AC コンバータ (インバータ) |
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| Figure 23: AC/AC コンバータの絶縁、#1 |
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| Figure 24: AC/AC コンバータの絶縁、#2 |
PWM AC 出力のインバータについては、 その出力が (例えば) 39.4Hz であると言うかも知れないものの、 実際にはそのスペクトラムに相当の高周波エネルギーを持つということを思い出させるために、 電圧 (V) と電流 (I) の波形の小さいグラフ (モータのような誘導性負荷を仮定した) も示してある。
[2] "G3 Electric Powertrains", in the "News" section of Automotive Design magazine, July 2010, page 10, www.automotivedesign.eu.com, also "Electric vehicles shift gear" in Eureka Magazine, August 2010, page 25, www.eureka.com.
[3] "Complying with IEC/EN 61800-3 - Good EMC Engineering Practices in the Installation of Power Drive Systems", Keith Armstrong, published by REO (UK) Ltd, free download from: www.reo.co.uk/knowledgebase
[4] "The Physical Basis of EMC",
Keith Armstrong, Nutwood UK October 2010,
ISBN: 978-0-9555118-3-7, from www.emcacademy.org/books.asp.
The same material is presented as Chapter 2 in [5].
[5] "EMC Design Techniques for electronic engineers", Keith Armstrong, Nutwood UK Nov. 2010, ISBN: 978-0-9555118-4-4, from www.emcacademy.org/books.asp.
[6] Booklets describing seventeen IEC/EN/CISPR EMC test standards, and the types of disturbances they address, by Keith Armstrong, published by REO (UK) Ltd and downloadable for free from: www.reo.co.uk/knowledgebase
[7] "Mains Harmonics", Keith Armstrong, published by REO (UK) Ltd, free download from: www.reo.co.uk/knowledgebase
[8] "Mains Power Quality", Keith Armstrong, published by REO (UK) Ltd, free download from: www.reo.co.uk/knowledgebase
[9] "The First 500 Banana Skins" is a slim book containing 500 anecdotes or reports
of instances where interference is proven or claimed to have occurred,
indexed by application and also by type of interference.
Buy it for about £10 from www.emcacademy.org/books.asp
or read it online at www.theemcjournal.com
(but you can't download the book from that site).
(バナナの皮)
[10] "Guide to EMC for Functional Safety", The IET, 2008, ISBN: 978-0-9555118-2-0, printed full-colour book from www.emcacademy.org/books.asp, or download from www.theiet.org/factfiles/emc/emc-factfile.cfm
[11] "When the going gets tough - smarter design wins",
Keith Armstrong, The EMC Journal, Issue 81, March 2009, pages 21-24,
available from the archives at wwww.theemcjournal.com.
(厳しい情勢では、より賢明な設計が勝つ
―― EMC が指令や FCC への適合のことだと考えているならば、再考せよ！)
[12] "BOM cost and profitability",
Keith Armstrong, The EMC Journal, Issue 82, May 2009, pages 32-34,
available from the archives at wwww.theemcjournal.com.
(BOM コストと収益性)
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2011-05-21