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高効率電力システムがもたらすEMI問題の深刻化への対策

Published Date

可変速モータやバッテリ充電の用途が広がるにつれ、伝導性EMIも増加していますが、解決策は存在します。

（出典：Audrius Merfeldas/stock.adobe.com）

2020年頃、テスラは自社車両へのAMラジオの搭載を中止しました。テスラやその他の電気自動車（EV）メーカーは、広帯域ギャップ半導体で構成された高周波スイッチや電子機器からの電気ノイズが受信状態を悪化させると主張しました。[1] 従来のFMラジオは影響がそれほど深刻ではありませんが、こちらも段階的に廃止されつつあります。[2]

電磁干渉（EMI）はラジオのリスナーにとっては煩わしいものですが、産業現場では、効率向上のために電力システムの規模が拡大するにつれ、EMIの問題が増加しています。このような大規模な環境では、その影響は受信状態の悪化にとどまらず、より深刻な被害をもたらすことになります。

今日の電力システムは、効率性を重視して設計されています。一般的な手法として、モータに可変周波数ドライブを採用し、消費電力を最小限に抑えつつ回転数を最適化することが挙げられます。このようなシステムでは、従来のシリコンに代わって、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）の部品がますます多く採用されています。これらはワイドバンドギャップ特性を持つため、高電圧、高温、高周波の用途において優れた性能を発揮するからです。 その結果、消費電力の低減と電力密度の向上が実現され、EVなどの過酷な用途において重要な要素となっています。

これらの用途で使用される電子機器は、複数の規格やプロトコルに従って電磁両立性（EMC）試験を受ける必要があります。これらの試験方法では、EMI特性も評価されます。市場参入には通常、EMC試験の合格が求められ、周辺の機器やインフラへの干渉リスクを低減するのに役立ちます。

このブログでは、SiCおよびGaNデバイスを用いた高効率電力変換が、現代の産業用およびエネルギーシステムにおいて伝導EMIを増加させていること、そして適切なフロントエンドフィルタリングがそれらの影響を軽減するのにどのように役立つかについて解説します。

高効率を基本方針として

電気機器の設計には、複雑なトレードオフのバランス調整が伴い、市場の動向によって優先順位が決まります。現代の設計サイクルでは、電力レベル、効率、コスト、および電力密度の早期最適化が優先されることがよくあります。これは理解できることですが、その結果、EMI（電磁干渉）への配慮が後回しにされがちです。各トランジスタの種類ごとに、実用上可能な最高レベルのスイッチング速度が採用されており、SiCはその高い電力処理能力から、GaNはその高速性から選ばれています。 設計者は、プラットフォームレベルの性能目標を達成するために、常にさらなる効率、熱マージン、電力密度を引き出そうと試み、これらを限界速度まで押し上げて最大の性能を引き出そうとします。EMIを最小限に抑えるための仕組みが組み込まれているものもありますが、それらは性能に影響を与えない範囲にとどまっています。望ましい特性が最適化された後、メーカーは製品が依然としてEMC試験に合格することを期待しています。

システムの基本アーキテクチャと、それによって生じる電流経路が、伝導性EMIの伝播方法を決定します。回路の不平衡部分や特定の寄生回路要素に電流が流れると、伝導性EMIが発生します。この種の干渉は、プリント基板の配線インダクタンスや容量によっても発生する可能性があります。その結果生じるノイズは、磁気的（誘導的）または電気的（容量的）に、回路の他の領域に結合することがあります。

以下の設計上の選択が、これらの効果に影響を与える可能性があります：

  • パワーステージのトポロジー；効率的な電力変換を行うための、スイッチ、ダイオード、インダクタなどの配置。
  • DCリンクおよび入力回路の構成；一次電源と下流の電力変換段とを分離する中間段です。
  • ケーブルの長さ、接地方式、および筐体設計；適切な構成を選択することで、望ましくない出力を最小限に抑えることができます。

デザイナーがこうした選択を行ってしまうと、後から部分的な調整でその影響を修正するのは非常に困難になります。初期段階での慎重な選択が極めて重要です。

高効率設計がどのようにEMIを引き起こすのか

EMC試験所（図1）では、機器を詳細に検査します。試験中に機器の効率を直接測定することはできませんが、構成から、その設計がどの程度のEMIを発生させる可能性があるかについて結論を導き出すことは可能です。

図1：EMC試験所では、対象機器から発生する伝導EMIと放射EMIの両方を定量的に測定します。（出典：Kzenon/stock.adobe.com）

設計者は、効率を高めるためにスイッチング周波数を上げることによって、かえって自らの努力を台無しにしてしまうことがよくあります。しかし、スイッチング損失を減らすために周波数を限界値まで引き上げると、ノイズのスペクトル帯域幅が広がってしまいます。残念ながら、特定の周波数帯域やその高調波は、さまざまな医療機器を含む他の種類の機器に問題を引き起こすことがあります。EMC試験担当者は、伝導性EMIに関して主に150kHzから30MHzの周波数帯域に注目しています。なぜなら、これらの周波数が、特定のクラスの民生用、医療用、および産業用機器に対して最も大きな干渉を引き起こすからです。

寄生成分もEMIの原因となります。回路設計者は、スイッチング速度とEMIの関係を理解しています。しかし、レイアウトやパッケージングに起因する寄生成分は、予期せぬ共振や結合経路を生み出し、コモンモードおよびディファレンシャルモードの両方の放射を増幅させる可能性があります。スイッチング速度が上昇すると、物理システムの他の要素によってEMIレベルがさらに高まることもあります。こうした寄生源には、結合した配線やループ、個々の部品の配置、電源ケーブルの種類や配線経路、筐体設計など、さまざまな形態があります。

これらの部品や相互作用は、高周波スイッチング回路に配置されると、誘導性および容量性素子として機能します。例えば、DC-DCコンバータ内の内部トランスは、近くのPCBトレースと結合し、コンバータの周波数で電流を誘導することがあります。これらの寄生成分は、スイッチングノイズが入力ラインにどのように結合するかを左右しますが、非常に多くの要素が関与するため、その影響を予測するのは困難な場合があります。 PCB上の個々の部品の配置のわずかな違いや、ケーブルの位置によって、このような結合が生じたり、解消されたりすることがあります。相互作用を予測することは困難ですが、既知の原因を回避するためのガイドラインは存在します。

課題と対策

今日の可変電圧・可変周波数システムを活用する技術により、多くの用途において大幅な省エネ効果が実現されています。このような高度な電力管理技術は、可変速モータ駆動装置、ヒートポンプを用いた空調・気候制御システム、EV用充電インフラなど、導入が進んでいる分野で活用されています。

これらにはすべて、次のような共通した基本的な動作特性があります：

  • 高速スイッチングと高出力により、効率を最大化します
  • 三相＋中性線の配電
  • 中性線またはアースを利用して回路を閉じることで電流が一方向に流れる場合、コモンモードEMIが増大します（EMIは寄生成分によって大きく左右されます）
  • 双方向電流が流れる場合の差動モードEMIの増大（EMIはラインインピーダンスによって引き起こされます）

機器をゼロから新規に開発する場合、初期段階からEMI対策を取り入れることは可能ですが、そのためには複数の試作段階が必要になる場合があります。 しかし、プロセスの後半では、既存の機器や新規設置機器からのEMIを低減する方法を見出す必要があります。機器自体を改造する余地がない場合、より現実的な解決策は、電源ラインに適切なフィルタを設置して機器を隔離し、上流にある他のアプリケーションを保護する、システム全体にわたるアプローチです。伝導エミッションが電源ラインに流入するのを低減するためには、このようなソリューションでは、中性線を処理できるシステムレベルのフィルタリングが必要となります。

効果的なフィルタリングアーキテクチャの代表的な例として、TE Connectivity/Schaffner社のFN3297およびFN3298フィルタシリーズが挙げられます。産業用オートメーションおよび空調制御システム向けに設計されたこれらのフィルタは、三相＋中性線システムに対して堅牢な伝導EMI対策を提供します。 定格動作電圧480VACで設計されており、8Aから36Aの定格電流に対応し、短絡耐量（SCCR）は100kAで、IECおよびUL規格に準拠しています。これらのフィルタはコンパクトな構造と前面配線を特徴とし、高い絶縁抵抗を備え、最大4kV（L-PE）のサージ耐量を持っています。

まとめ

ワイドバンドギャップ素子を用いた機器は大幅な効率向上をもたらしますが、伝導性EMIの影響は依然として厄介な問題となることがよくあります。しかし、適切な対策を導入すれば、その効果は持続し、通常は継続的なコストが発生することはありません。TE Connectivity／Schaffnerの製品が提供する効果的なフィルタリングは、システムに対して実用的かつ費用対効果の高いソリューションを提供し、企業が効率向上の効果を最大限に引き出すことを支援します。

著者

現在はセミリタイアしているPeter Welander氏は、「Control Engineering」誌で7年間シニアエディター兼コンテンツマネージャーを務めた後、10年以上にわたりフリーランスのライター兼エディターとして活動してきました。この間、主にプロセス産業における産業オートメーションについて数多く執筆してきました。また、オーディオ・ビデオ制作、ポッドキャスト、ブログ執筆なども担当してきました。

出版業界に転身する前は、長年にわたり、さまざまな工業メーカーにおいて、営業・マーケティング管理、エンジニアリング、および業務運営の分野で働いてきました。彼のキャリアを通じて一貫して持ち続けている能力の一つは、技術的な概念を的確に把握し、複雑な考え方を分かりやすく説明できることです。趣味は、写真、機械加工、木工、そしてパイプオルガンの製作です。

 

[1]https://spectrum.ieee.org/am-radio-ev-interference
[2]https://www.ceoutlook.com/2026/01/15/car-makers-remove-am-fm-what-it-means-for-12-volt/