Realization of Minimum Volume Design of Noise Filter for Power Converters Based on Parasitic Impedance Estimation Techniques

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14145
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: Seikei University
• Principal Investigator: Takahashi Shotaro 成蹊大学, 理工学部, 助教 (00896566)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: EMI / コモンモードインダクタ / 複素透磁率 / 浮遊容量 / インピーダンス / EMIフィルタ

Outline of Final Research Achievements

This study has investigated a minimum volume design procedure for EMI filters with considering wideband frequency characteristics of filter components based on a parasitic impedance estimation method. First, a stray capacitance estimation method for toroidal inductors has been proposed. Next, the stray capacitance estimation method was extended to two-winding common-mode inductors. Furthermore, the minimum volume design of common-mode inductors connected to a three-phase PWM inverter's output side has also been studied. As a result, it was clarified that the core's magnetic flux density limits the common-mode inductors' volume for the low switching frequency, and the core's relative permeability limits the common-mode inductors' volume for the high switching frequency.

Free Research Field

パワーエレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では，ノイズフィルタの体積と周波数特性の関係を理論的に明確にすることで，ノイズフィルタ設計に新たな知見をもたらし，フィルタの試作・設計期間の大幅な短縮を目指した。また近年，電力変換器のスイッチング周波数を数MHz以上に設定し，受動素子の体積を削減した報告事例が増加している。インダクタは高周波領域で浮遊容量と自己共振を引き起こし，容量性インピーダンスとしてふるまう。本研究で確立した浮遊容量推定法により，設計段階でインダクタの自己共振周波数を把握できる。すなわち，本研究成果は，高電力密度化が進む電力変換器に用いる受動素子の設計へ応用が可能であり，産業界への大きな波及効果が期待できる。