KR-20260061429-A - DC 대전류용 노멀모드 인덕터 및 노이즈 필터

Abstract

대전류가 흐르는 회로에서 자기 포화를 일으키지 않으면서 자기 코어를 이용한 노이즈 필터를 구현한다. 대전류를 복수의 도전체로 분할하고, 분할된 복수의 도전체 각각에 자기 코어를 이용한 노이즈 필터를 설치한다. 자기 코어는 하나의 도전체가 서로 다른 복수의 자기 코어를 관통하는 구조를 포함하며, 복수의 코어 특성을 서로 다르게 설정함으로써 주파수 대역을 확장할 수 있다. 또한, 노멀 모드 노이즈 차단뿐만 아니라 커먼 모드 노이즈에도 대응 가능한 코어 방식의 노이즈 필터를 제공할 수 있다.

Inventors

• 안도 마사루

Assignees

• 가부시키가이샤 오타마

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20240912

Priority Date

20230913

Claims (6)

1. 하나의 입력단자와 하나의 출력단자를 갖는 노이즈 필터용 인덕터로서, 양 단자 사이에서 도전체가 복수의 도선으로 분기되고, 분기된 복수의 도선이 각각 자성체 코어를 관통하고 있는, 상기 노이즈 필터용 인덕터.
2. 제 1항에 있어서, 자성체 코어를 관통하는 도선이 코어에 1회 또는 복수회 권선되는, 인덕터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 입력단자와 출력단자 사이에 복수의 도선을 통해 흐르는 전류의 총합이 하나의 코어를 관통할 경우 자기포화가 발생하지만, 복수의 도선으로 분할된 각 전류가 각각의 코어를 관통하더라도 자기포화가 발생하지 않도록 상기 코어 및 상기 복수의 도선이 구성되는, 인덕터.
4. 제 1항에 있어서, 하나의 코어에 권선되는 도선이 다시 복수의 도선으로 분할되어 있는, 인덕터.
5. 복수의 제 1항 내지 4항 중 어느 하나에 있어서, 인덕터에 선간(線間) 및 대지간(對地間) 콘덴서를 접속하여, 노멀모드 및/또는 커먼모드 노이즈를 제거하는, 노이즈 필터.
6. 제 5항에 있어서, 인덕터를 짝수 개 구비하고, 이에 더하여 상기 복수의 도선 중 전류 방향이 서로 반대인 한 쌍이 관통하는 커먼모드 권선 코어를 더 구비하여 이를 커먼모드 노이즈용 코어로 한, 노이즈 필터.

Description

DC 대전류용 노멀모드 인덕터 및 노이즈 필터 본 발명은 대전류가 흐르는 회로에서 노이즈를 유효하게 차단할 수 있는, 대전류용 노멀모드 인덕터 및 노이즈 필터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 스위칭 방식의 대전류가 흐르는 회로에서의 노이즈 필터로서, 노멀모드 인덕터의 자기포화 영향을 회피하여 유효한 노이즈 필터 작용을 실현한, 노이즈 필터용 인덕터 장치 및 노이즈 필터링 방법에 관한 것이다. 전기자동차, 하이브리드 차 및 전동 항공기 등의 동력용 모터 인버터나 고전압 DC/DC 컨버터는 10kHz~200kHz의 스위칭을 수행하는 경우가 많으나, 이러한 고조파가 노이즈 간섭 문제를 야기하는 경우가 있다. 예를 들어, 전기자동차의 인버터와 배터리 사이의 하네스에서 스위칭에 의한 고조파 노이즈가 방사되어, AM 라디오, 무선 통신 및 차량 내 통신 등에 영향을 미치고 있다. 또한, 전기자동차의 개발용 테스트 벤치나 태양광 발전에 사용되는 DC/DC 컨버터로부터도 스위칭 노이즈의 고조파가 누설되어 EMC 문제가 발생하고 있다. 일반적으로 동력용 전기 회로에서는 노멀모드 노이즈와 커먼모드 노이즈가 혼재되어 있지만, 대전류 회로에 있어서, 노멀모드 노이즈를 대상으로 하는 링 코어를 사용한 인덕터에 의한 노이즈 필터는, 대전류로 인한 자기포화의 발생 때문에 활용할 수 없었다. 따라서 종래기술에서는 대전류가 흐르는 회로에 있어 노이즈를 차단하는 노멀모드 코어를 사용한 인덕터는 사용할 수 없었고, 코어를 사용한 필터는 커먼모드 코어를 구비한 커먼모드용 필터가 일반적이었다. 일반적으로 노이즈 대책은 이른바 약전(弱電) 분야의 전압·전류 수준을 대상으로 하여 많은 개발이 이루어져 왔으며, 본원 발명이 속하는 분야인 극히 큰 전류가 흐르는 회로에서의 노이즈 대책은 미흡한 실정이었다. 즉, 대전류가 흐르는 전기자동차나 하이브리드 차에 있어서는, 실드 와이어에 의해 노이즈의 방사를 억제하는 방식이 주로 사용되어 왔다. 그러나 실드 와이어를 사용한 와이어 하네스는 구조가 복잡하고 비용이 증가하므로, 노이즈 자체를 감소시키는 대전류용 노이즈 감소 수단이 요구되고 있었다. 또한 여기서 말하는 자기포화란, 투자율이 큰 재료라 하더라도 인가되는 자기장이 매우 커지면 투자율이 감소하여, 결국 비투자율이 1에 가까워지게 되는 현상, 즉 진공의 투자율 μ0에 수렴해가는 현상을 의미한다. 따라서 노이즈 킬러로서, 예를 들어 페라이트 코어를 사용하는 경우, 강자장, 즉 대전류가 흐르는 전선에 대하여 노이즈 킬러로 페라이트 코어를 사용하면, 대전류에 의한 강한 자기장의 작용으로 인덕턴스가 감소하게 되어, 노이즈 킬러로 사용할 수 없게 되는 문제가 있었다. 투자율이 매우 큰 자성체인 강자성체라 하더라도, 투자율, 즉 B-H 곡선에서의 히스테리시스 곡선은 그 상단 및 하단에서 기울기가 0이 되어, 즉 비투자율이 1이 되어 버리는 자기포화를 일으킨다. 여기서의 자기포화란, 자장 H가 인가되면 자성체의 경우 스핀이 점차 정렬되지만, 모든 스핀이 더 이상 정렬될 수 없는 상태에 이르면 자장을 아무리 증가시켜도 스핀의 정렬에 의한 자속밀도의 증가는 더 이상 이루어지지 않는 현상을 말한다. 따라서 자장을 그 이상 증가시켜도 자속밀도는 더 이상 증가하지 않는 자기포화가 발생한다. 자기포화 상태가 되면, 후술하는 바와 같이 자성체 코어의 자기모멘트 반전에 따른 에너지 소비에 의한 노이즈 차단 효과도 사라지게 되고, 비투자율도 1이 되어 인덕턴스에 의한 노이즈 전류 차단 효과 역시 감소하게 된다. 따라서 종래기술에서는 대전류를 흘리는 전선을 따라 전파되는 노멀모드 노이즈를 억제하는 수단으로 자기 코어가 채용되지 않았다. 특허문헌 1에는 '분할된 자성체 코어를 가지며, 그 자성체 코어로 버스바의 주위를 둘러싸는 것에 의해, 버스바를 타고 전파되는 노이즈를 감쇠시키도록 구성된 노이즈 필터'가 기재되어 있다. 버스바와 같이 대전류가 흐르는 배선의 경우, 특히 디퍼런셜 모드 노이즈 필터에서는, 자성체 코어의 자기 포화를 억제하는 것이 중요하다. 하기 특허문헌 1에 기재된 노이즈 필터의 경우, 한쪽 코어 부재와 다른 쪽 코어 부재 사이에 끼워지는 갭 스페이서부가 설치되어, 이를 통해 코어 부재들 사이에 갭을 형성함으로써 자기 포화를 억제하고 있다(단락 번호 0002)."라고 기술하며, 특허문헌 1로서 특개 2005-93536호를 소개하고 있다. 그러나 갭을 설치하는 것만으로는 전기자동차 등의 수준의 대전류가 흐르는 회로에서 노멀모드 노이즈를 효과적으로 차단하기에는 충분하지 않다. 특허문헌 2에는 “필터로서 인버터 장치에 탑재되는 상기 필터 유닛의 페라이트 코어는 그 임피던스 특성 및 고주파 특성을 노이즈 전류의 크기, 주파수 및 인버터의 캐리어 주파수 등에 대응하여 적절한 것으로 선정할 필요가 있으며, 실제로는 정격이 상이한 각종 인버터 장치의 기종마다 선정한 EMC 필터를 실장하여 검증을 수행하고, 그 노이즈 저감 효과의 평가를 확인하여 결정하도록 하고 있다.”고 기재되어 있다. 예를 들어 발생하는 노이즈 전류량이 큰 경우에는, 페라이트 코어의 자기포화를 피하기 위하여 도 8에 도시된 링 코어형 페라이트 코어(1)의 개수를 증가시켜 동축상에 복수 개를 나란히 배치하고, 이 페라이트 코어에 케이블(2)을 일괄적으로 권선하여 필터 유닛(3)을 구성하는 등의 선택적 변경이 필요하다”(단락번호 0007)고 기재되어 있다. 그러나 동축상에 복수 개의 페라이트 코어를 나란히 배치한 경우라 하더라도, 그 복수 개의 코어를 자기포화시키는 전류가 흐르는 회로에는 사용할 수 없었다. 특허문헌 3에는, “신호 라인, 특히 전원 라인에 삽입하는 경우 문제되는 것은, 앞서 언급한 코어재의 자기 포화가 유효 전류값의 한계를 부여해 버리는 점이다”(단락 번호 0039), “이에 따라, 본 발명의 실시형태에 따른 라인 노이즈 감쇠기는, 하나의 코어재에서의 권선수가 소정 신호 전류값에서 자기 포화하는 한계 턴수에 그치도록 하고, 이 인덕터 1에 저항 2를 병렬로 조합한 소자를 단위 소자로 하며, 전원 라인 등의 소정 전류에 견딜 수 있는 노이즈 감쇠기의 실용화를 도모하고 있다.”라고 개시되어 있다. 또한, 자기포화가 발생하는 한계 턴 수는 도체 라인에 흐르는 전류값에 의해 결정되는 것이며, 일의적으로 결정되는 것이 아니며, 상기 전류값에 따라 조정하게 된다"(단락번호 0040)라는 취지가 개시되어 있다. 즉, 필터 코어에 권선하는 도선의 턴수를 자기포화가 발생하지 않는 수준으로 제한하는 발명이지만, 이러한 종래기술은 통신기기 등의 전원 라인에 흐르는 전류 정도를 전제로 한 것으로, 훨씬 더 큰 전류가 흐르는 회로에서의 노이즈 필터에 사용하는 것은 불가능하다. 도 1은, 1-A가 자기포화를 일으키는 종래의 구성이고, 1-B가 본 발명의 자기포화를 일으키지 않는 구성임을 설명하는 모식도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 도전체가 코어를 복수회 권선하는 인덕터의 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 노멀모드 노이즈용 인덕터의 모식도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 노멀모드 노이즈용 필터의 모식도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예인 노이즈 필터로서, 커먼모드용 코어를 구비한 것의 모식도이다. 도 1에 본 발명의 기본 원리를 나타낸다. 1-A에 도시된 종래의 구성에서는 대전류가 흐르는 도전체(1)가 입력 전극(3)으로부터 출력 전극(4)으로 흐르는 대전류를 통과시키며, 코어(2)의 구멍을 관통하고 있다. 1-B에 도시된 본 발명에서는 이 도전체가 복수의 도선으로 분기되어 있으며, 도면의 예에서는 3개의 도선 1a, 1b, 1c로 분기되어 각각 코어 2a, 2b, 2c의 구멍을 관통하고 있다. 3개의 도전체에는 거의 동일한 값의 전류가 흐르도록 구성되어 있으며, 노이즈 차단 효과를 높이기 위해서는 복수의 도선의 상태를 가능한 한 동일하게 유지하는 것이 노이즈 필터의 특성을 향상시키는 데 중요하다. 도 1-A의 경우, 이 코어의 재질은 30A가 코어의 구멍을 통과하면 그 전류에 의해 자기포화가 발생하는 것이다. 이에 대해 1-B의 본 발명에서는 10A가 흐르는 도전체 3개, 즉 1a, 1b, 1c를 동일한 재질의 코어 3개, 즉 2a, 2b, 2c의 각각의 구멍에 통과시키는 구성으로 한다. 입출력 전극 3 및 4는 도전체가 1개인 1-A와 마찬가지로, 1-B에서도 각각 1개씩 설치한다. 본 발명의 경우, 1-B의 3개의 코어 2a, 2b, 2c가 30A에서 포화된 1-A의 코어 2와 동일한 치수라면, 물론 10A에서는 포화되지 않는다. 또한 더 작은 치수라 하더라도 전류가 10A로 감소되어 있으므로, 10A에서도 포화되지 않을 정도의 치수이면 충분하다. 본 발명의 인덕터는 콘덴서를 병용한 노이즈 필터로서, 필요한 실드 및 접지를 실시함으로써 노이즈 차단 효과를 향상시키도록 구성할 수 있음은 물론이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 코어를 통과하는 도전체 1a, 1b, 1c를 코어 2a1, 2b1, 2c1에 복수회 권선하도록 구성할 수도 있다. 도 2에서는 1회만 감은 예를 나타내고 있다. 권선 횟수가 증가하면 인덕턴스는 증가하지만 자기포화도 발생하기 쉬워지므로, 적절한 권선 수를 선택함으로써 인덕터 전체로서 원하는 특성을 보다 다양하고 용이하게 얻을 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 노멀모드용 코어를 복수의 도전체 각각이 복수회 권선되어 관통하는 구조로 구성함으로써, 본 발명의 인덕터는 상기 언급한 바와 같이 권선 수에 따른 인덕턴스 조정과 복수 도전체로의 분할에 의한 자기 포화 회피를 동시에 달성할 수 있으며, 복수의 코어를 채용함에 따라 전체 형상의 자유도 또한 높일 수 있다. 예를 들어, 모터의 구동 전류인 전원으로부터 모터로 흐르는 대전류 Ia는 입력 전극 3a로부터 출력 전극 4a로 흐르고, 모터로부터 되돌아오는 전류 Ib는 입력 전극 3b로부터 출력 전극 4b로 흐른다. 노멀모드 노이즈 전류는, 노멀 모드 노이즈 전류이므로 , 3a에서 4a 방향으로 흐르고 3b에서 4b 방향으로 흐르거나, 또는 그 반대 방향으로 교번하는 고주파 전류이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인덕터의 선로 사이 및 접지와의 사이에 콘덴서 Ca, Cag, Cbg를 설치함