電子電圧変換器のEMC性能試験設計と改善

1 電子電圧変換器のEMC性能概要
1.1 EMCの定義と要件

電磁適合性（EMC）は、デバイス/システムが特定の電磁環境で妨げられることなく動作し、他のエンティティに対して許容できない電磁干渉を引き起こさない能力を示します。電子電圧変換器の場合、EMCは複雑な設定での安定した測定性能を要求し、他のデバイスに干渉しないことが求められます。そのEMC性能は設計および製造時に考慮され、確保される必要があります。

1.2 動作原理

電子電圧変換器は、電磁誘導と高精度の電子測定を活用して、電力システムの高電圧信号を低電圧信号に変換します。通常、一次センサー、二次変換回路、信号処理ユニットから構成されています：一次センサーは一次電圧に比例する弱い電流/電圧に高電圧信号を変換します；二次回路はこれらを標準的なデジタル/アナログ信号にさらに変換します；処理ユニットは信号をフィルタリング、増幅、校正して測定精度と安定性を向上させます。それらは単一回路の電圧、電流、電力を測定することができます（図1参照）、または単一または複数の回路の電圧/電流を測定することができます。

1.3 電磁干渉と感度の分析

電子電圧変換器は、他の電気機器（例：雷の衝撃、スイッチ操作による過渡過電圧など）からの電磁干渉を受け、測定性能が低下します（例：誤差の増加、不安定な読み取り値）。

2 電子電圧変換器（EVT）の電磁適合性性能テストの分析
2.1 テスト内容と評価基準

EVTの電磁適合性性能テストは、実際の動作環境で安定かつ正確に動作することを確認する重要なステップです。このテストは、EVTの耐干渉能力と様々な電磁干渉下でのパフォーマンスを評価する焦点となります。評価基準はテスト結果の深刻さに基づいてグレードAとグレードBに分かれます：

• グレードA：精度仕様の範囲内で正常なパフォーマンスを維持します。評価では、EVTが電磁干渉を受けたときに測定精度が指定された範囲内に留まることを要求します。これにより出力電圧信号が実際の値と一致し、電力システムの正常な監視と制御を妨げることがありません。

• グレードB：保護機能に関連しない測定パフォーマンスの一時的な劣化を許可します。基準では、電磁干渉下で一時的に測定パフォーマンスが低下しても、保護機能の正常な動作やデバイスのリセット/再起動に影響を与えないことを許可します。出力電圧は500V以内に制御され、電力システムへの不要な干渉や損傷を防ぎます。

2.2 導入干渉テスト

導入干渉とは、導体経路（例：ワイヤ、金属パイプなど）を通じて伝送される電磁干渉のことです。EVTにとって導入干渉は大きな課題です。

• 電気高速トランジェント/バースト（EFT/B）テスト：インダクティブ負荷（例：リレー、コンタクト）のスイッチング中のトランジェント干渉をシミュレートします。これらの干渉は通常、広い周波数スペクトルを持ち、EVTの動作を妨げることができます。テストでは、EVTに一連の高速トランジェントバーストを適用し、出力電圧信号の安定性と精度を観察して耐干渉能力を評価します。

• サージ（インパルス）耐性テスト：スイッチ操作、雷などの一時的な過電圧/過電流をシミュレートします。これらのイベントは高エネルギーで短時間であり、EVTの絶縁と測定精度に深刻な影響を与えます。テストでは、EVTにサージ電圧を適用して、破損やパフォーマンスの低下なしに干渉に耐えられる能力を検証します。

2.3 放射干渉テスト

• 電源周波数磁界耐性テスト：EVTの電源周波数磁界環境でのパフォーマンスを評価します。制御された電源周波数磁界を適用することで、出力電圧信号の安定性と精度を観察して耐干渉能力を評価します。

• 減衰振動磁界耐性テスト：高電圧変電所の高電圧バスバーで隔離スイッチが動作する際に生成される減衰振動磁界をシミュレートします。これらの磁界は急速な減衰率と高い周波数を持ち、EVTの測定精度を妨げる可能性があります。テストでは、減衰振動磁界を適用してEVTが安定した測定パフォーマンスを維持しているかを確認します。

• パルス磁界耐性テスト：建物や他の金属構造物に対する雷の打撃から生じるパルス磁界をシミュレートします。これらの磁界は急速な上昇時間と高いピーク強度を持ち、EVTの絶縁と測定精度を脅かします。テストでは、パルス磁界を適用してEVTが破損やパフォーマンスの低下なしに干渉に耐えられる能力を検証します。

• 無線周波数放射電磁界耐性テスト：EVTの無線周波数（RF）放射環境（例：産業用電磁源、ラジオ放送、携帯通信基地局など）でのパフォーマンスを評価します。制御されたRF放射磁界を適用することで、出力電圧信号の安定性と精度を観察して耐干渉能力を評価します。

3 電子電圧変換器の電磁適合性の設計原則
3.1 回路設計原則

• フローティンググラウンド設計：回路設計では、フローティンググラウンド技術を使用して信号線をシャーシから絶縁します。これにより、シャーシ上の干渉電流が直接信号回路に結合することを防ぎ、ノイズ干渉を減らし、信号の精度と安定性を向上させます。

• 合理的な配線レイアウト：電源線、グラウンド線、各種信号線を適切に配置することは、結合干渉を最小限に抑えるための鍵です。EVT回路設計では、線間の結合を最小限に抑えることが重要です。層状配線や直交配線（並行走行を避ける）などの方法により、電磁誘導と容量結合を減らします。

• フィルターキャパシタ設計：モジュールの電源入力にフィルターキャパシタを設置して、電源経由で侵入する干渉信号を抑制します。キャパシタンス、電圧定格、周波数特性などのパラメータに基づいてキャパシタを選択し、電源からの高周波ノイズと干渉を効果的にフィルタリングします。

• 低レベル論理設計：必要以上の高い論理レベルを避けて、回路の消費電力と高周波干渉を減らします。EVT回路設計では、低レベル論理デバイス（例：3.3 Vデバイス）を優先して、高周波ノイズの発生と受信を最小限に抑えます。

• 立ち上がり/立ち下がり時間制御：回路機能の範囲内で最も遅い許容可能な立ち上がりと立ち下がり時間を選択して、不要な高周波成分の生成を避けることにより、回路内の高周波ノイズを減らし、信号の安定性と精度を向上させます。

3.2 内部構造設計原則

• 完全閉鎖型シールド構造：シャーシには完全閉鎖型シールドを使用し、すべての表面が良好な接触を保ち、適切に接地されていることを確認します。これにより外部の電磁場干渉を効果的にブロックし、内部の電子回路を外部の干擾から保護します。

• 露出配線長の最小化：シャーシ内のすべての露出配線を可能な限り短く保つことで、電磁放射と結合干渉を減らします。EVT内部設計では、コンポーネントの配置と配置を最適化して、露出配線長を最小限に抑えます。

• ケーブルグループ化とバンドル化：信号タイプ（例：デジタル線とアナログ線を分ける）ごとにケーブルをグループ化し、各グループ間に適切な間隔を保ちます。これにより、線間のクロストークを減らし、信号の明瞭さと精度を向上させます。

• 導電性接着剤接合：シャーシインターフェースのすべてのジョイントに導電性接着剤を使用して、良好な電気接続とシールド効果を確保します。これにより接触抵抗が低くなり、シールドの性能が向上します。

4 電子電圧変換器の電磁適合性性能改善戦略
4.1 電源ポートのノイズ対策設計
4.1.1 電源フィルターの設置

電源フィルターは、電源供給における高周波ノイズと一時的なパルスをフィルタリングし、電源入力の純度を確保する効果的な電磁干渉抑制装置です。電源フィルターを選択する際は、EVTの定格電力と動作環境に応じて適切なフィルターモデルと仕様を選択し、フィルターを電源入口に近い位置に設置して最良のフィルタリング効果を得るようにします。

4.1.2 レッドアンダント電源設計の採用

EVTの電源供給の信頼性を向上させるために、レッドアンダント電源設計を採用します。つまり、2つ以上の電源モジュールを配置します。1つの電源モジュールが故障した場合でも、他の電源モジュールが迅速に電源供給の任務を引き継いで、EVTの正常な動作を確保します。これにより、EVTのノイズ対策能力だけでなく、全体的な安定性も向上します。

4.1.3 電源線のシールドと接地強化

電源線は電磁干渉伝播の重要な経路の一つです。電源線での電磁干渉を減らすために、金属シールド層で電源線を包むシールドケーブルを使用し、電磁波の放射と結合を減らします。同時に、電源線の良好な接地を確保し、干渉電流を地面に導き、EVTの損傷を防ぎます。

4.2 信号ポートの静電気放電保護
4.2.1 トランジェント干渉吸収部品の設置

トランジェント干渉吸収部品、例えばトランジェント電圧サプレッサ（TVS）やバリスタは、静電気放電中に放出エネルギーを迅速に吸収し、電圧を安全なレベルに制御することで、EVTの内部電子部品を保護します。トランジェント干渉吸収部品を選択する際は、EVTの信号特性と動作環境に応じて適切な部品モデルと仕様を選択します。

4.2.2 差動信号伝送方式の採用

差動信号伝送方式は、共通モード干渉に対抗し、信号のノイズ対策能力を向上させることができます。EVTの信号ポート設計では、差動信号伝送方式を採用し、信号を正と負のチャネルに分割して伝送します。2つのチャネル間の信号差を比較して有効情報を抽出することで、信号伝送品質を向上させるとともに、静電気放電によるEVTへの干渉を減らします。

4.3 シャーシシールド性能の最適化
4.3.1 高磁束密度材料の選択

シャーシの材料選択はシールド効果にとって重要です。シャーシの磁界シールド能力を向上させるために、鉄板などの高磁束密度材料を選択します。これにより磁界エネルギーを効果的に吸収・分散し、EVT内部への磁界干渉を減らします。金属の相対磁束密度は表1に示されています。

4.3.2 シャーシ構造設計の最適化

シャーシの構造設計もシールド効果に影響を与える重要な要素です。EVTのシャーシ設計では、完全閉鎖型シールド構造を採用し、様々な表面間の良好な接触と接地を確保します。

4.3.3 シャーシ接地処理の強化

シャーシの接地処理はシールド効果にとって重要です。EVTのシャーシ設計では、シャーシと地面との間に良好な接地接続を確保し、干渉電流を地面に導きます。

それらはまた高周波ハーモニクスや電磁放射などの干渉を発生させ、他のデバイスに影響を与えます。それらの設計には、これらの干渉と感度の課題に対処する抑制と保護措置が必要です。

5 結論

本稿では、電子電圧変換器の電磁適合性性能について深く研究し、設計を行いました。回路設計原則、内部構造設計原則、電磁適合性性能改善戦略など、一連の措置を提案しています。目的は、複雑な電磁環境下でのEVTのノイズ対策能力と安定性を向上させ、電力システムで電圧信号を正確かつ確実に測定し、電力システムの安全かつ安定した動作を強く保証することです。