【コモンモードチョーク】役割・等価回路・損失・飽和計算などを解説！

この記事ではコモンモードチョークについて基本的な内容を説明した後、働きと等価回路、損失計算などを詳しく説明します。

コモンモードチョークとは

コモンモードチョークとは、コモンモード電流(同位相の電流。上図の青色の電流)をカットし、ノーマルモード電流(逆位相の電流。上図の赤色の電流)はカットせずにそのまま通す素子です。その結果、放射ノイズの発生源であるコモンモードノイズを除去することができます。

コモンモードチョークは1つのコア(高周波用の場合はフェライトのコア)に2本の導線を巻いた構造となっています。そのため、4端子の素子となっています。

コモンモードチョークの働きと等価回路

コモンモード電流が流れた時とノーマルモード電流が流れた時におけるコモンモードチョークの働きと等価回路を上図に示します。

• コモンモード電流が流れた時

各導線に電流が流れることによってコアに発生する磁束の方向が同じになり、磁束が足し合わされます。そのため、コモンモード電流に対してはインダクタとして働くので、コモンモード電流が流れるのを阻止することができます。

• ノーマルモード電流が流れた時

各導線に電流が流れることによってコアに発生する磁束の方向が反対になり、磁束が打ち消し合います。そのため、ノーマルモード電流に対してはインダクタとして働かず、ノーマルモード電流は通過します。

コモンモードチョークの使用箇所

コモンモードチョークは主にスイッチング電源の1次側の交流電流が流れる電源ラインで使われています。この箇所で使用されるコモンモードチョークのことをラインフィルタと呼ぶこともあります。

このコモンモードチョークはスイッチング電源で発生したノイズが電源コードを伝わって出て行くのを防ぐために使用され、Xコンデンサ(アクロス・ザ・ラインコンデンサ)やYコンデンサ(ライン・バイパス・コンデンサ)と共に使用されます。Xコンデンサがノーマルモード(ディファレンシャルモード)のノイズを除去し、Yコンデンサとコモンモードチョークがコモンモードのノイズを除去します。

この電源ラインで使用されるコモンモードチョークには高電圧が印加されます。そのため、電源ライン上で使用する場合には、絶縁性能等の安全規格を満たしているコモンモードチョークコイルを選定する必要があります。定格電圧がAC250Vとなっている製品はほとんどこれらの規定を満たしていますが、使用する場合にはメーカーに別途確認する必要があります。

コモンモードチョークによる損失について

コモンモードチョークの3番端子と4番端子(または1番端子と2番端子)を短絡することで、直流抵抗R_DCを測定することができます。

例えば、直流抵抗R_DCが0.5Ωで入力電流の実効値I_RMSが2Aの場合、コモンモードチョークによる損失P_LOSSは以下の値となります。
\begin{eqnarray}
P_{LOSS}=R_{DC}×{I_{RMS}}^2=0.5×2^2=2[W]
\end{eqnarray}

コモンモードチョークのインダクタンスについて

漏れインダクタンスL_E

コモンモードチョークの3番端子と4番端子(または1番端子と2番端子)を短絡して測定することでノーマル方向のインダクタンスL_Nを測定することができます。ノーマル方向のインダクタンスL_Nは以下の値となります。
\begin{eqnarray}
L_N=L_E×2
\end{eqnarray}
ここで、上式より、漏れインダクタンスL_Eを計算することができます。

相互インダクタンスM

コモンモードチョークの1番端子と2番端子を短絡し、3番端子と4番端子を短絡し、この短絡した両端の端子を測定することで、コモン方向のインダクタンスL_Cを測定することができます。コモン方向のインダクタンスL_Cは以下の値となります。
\begin{eqnarray}
L_C=M+\frac{1}{2}L_E
\end{eqnarray}
ここで、上式より、相互インダクタンスMを計算することができます。

コモンモードチョークの飽和について

コモンモードチョークが飽和すると、コモンモードチョークの働きが低下して、雑音端子電圧(端雑)が増加します。そのため、飽和しないことを確認するために飽和計算を行う必要があります。コモンモード電流はわずかにしか流れていないため、飽和計算する必要はありません。コモンモードチョークにはノーマルモード電流が主に流れているため、ノーマルモード電流によって飽和しないかを計算する必要があります。

まず、磁束密度B[mT]を計算します。磁束密度B[mT]は1つの巻線分の漏れインダクタンスL_E[uH]とその巻線に流れる電流のピーク値I_PEAKMAX[A]とコアの断面積S[mm²]と片側の巻数N[Turns]から求めることができ、以下の式となります。
\begin{eqnarray}
B[T]=\frac{L_{E}[{\mu}H]×I_{PEAKMAX}[A]}{S[mm^2]×N[Turns]}
\end{eqnarray}

例えば、1つの巻線分の漏れインダクタンスL_E[uH]が60uH、その巻線に流れる電流のピーク値I_PEAKMAX[A]が6[A]、コアの断面積S[mm²]が25mm^2、片側の巻数N[Turns]が60[Turns]の場合、磁束密度B[mT]は
\begin{eqnarray}
B[T]=\frac{60[{\mu}H]×6[A]}{25[mm^2]×60[Turns]}=240[mT]
\end{eqnarray}
となります。この磁束密度B[mT]に対して、余裕のあるコアを選定する必要があります。

コモンモードチョークのキャンセル巻きとバイファイラ巻きについて

コモンモードチョークにはキャンセル巻きとバイファイラ巻きがあります。キャンセル巻きは2本の導線を別々に巻く巻き方であり、バイファイラ巻きは2本の導線を平行に巻く方法です。キャンセル巻きは分割巻きとも呼ばれています。

まとめ

この記事では『コモンモードチョーク』について、以下の内容を説明しました。

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