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コモンモードチョークコイルの等価回路構築(実践)

目次
  1. 鉄損となる抵抗分、浮遊容量の取得
  2. 漏れインダクタンスの周波数特性
  3. 配線の直流抵抗
  4. コモンモードインピーダンスの考察
  5. 結合係数kの設定方法
  6. LDFL002302LS-V0Eの等価回路完成
  7. 実測とシミュレーション比較
  8. 等価回路モデル検証まとめ

コモンモードチョークコイルの等価回路構築(理論)で示した構築手順を、以下に実践します。(使用サンプル 品番: LDFL002302LS-V0E
1. 鉄損となる抵抗分、浮遊容量の取得
下図のように、1次側、2次側の巻線の両端を接続してインピーダンスアナライザに接続し、インピーダンスを測定します。

コモンモードチョークコイルの等価回路構築(理論)のSTEP1にある、C,R,Loを求めます。
 
  C
R
Lo
測定値 Co=4.2pF Ro=5.8kΩ Lo=15mH
回路入力値 *2.1pH (1/2倍) *11.6kΩ (2倍) 15mH
*印:測定値を1次側、2次側コイルへ分配のための演算
 
2. 漏れインダクタンスの周波数特性
次のように片側(2次側)の巻線をショートさせ1次側の巻線をインピーダンスアナライザに接続し、漏れインダクタンス値Lℓeakを測定します。

 
コモンモードチョークコイルの等価回路構築(理論)のSTEP2にあるLℓeakを求めます。
 
  Lℓeak
測定値 Ls=11μH
漏れインダクタンス 5.5μH*(1/2倍)
*印:測定値を1次側、2次側コイルへ分配のための演算


下図は実際のインピーダンス特性を示しています。理想的なインダクタンスのインピーダンスは無限の周波数まで周波数に比例した特性を示しますが、実際にはある周波数よりインピーダンスが低下していることがわかります。

これは、巻線の浮遊容量による高周波インピーダンス低下を示しています。また漏れインダクタンスと巻線の浮遊容量により33MHz付近に反共振点が発生しています。
 
3. 配線の直流抵抗
2次側を開放した状態で、1次側コイルの両端をmΩメータで直流抵抗分を測定します。

 
コモンモードチョークコイルの等価回路構築(理論)のSTEP3にあるDCRを求めます。
 
  DCR
測定値 DCR=60mΩ
回路入力値 30mΩ*(1/2倍)
*コイル両端に分配の為の演算
 
4. コモンモードインピーダンスの考察
鉄損となる抵抗分、巻線容量、漏れインダクタンスの存在により、下記インピーダンスの周波数特性は、周波数により支配的な成分が推測できます。
 
5. 結合係数kの設定方法
コモンモードチョークコイルの等価回路構築(理論)のSTEP2により、漏れインダクタンスLℓeakから結合係数kは、以下の式で示されます。  
Ls:2次側コイルSHORT時の1次側コイルから測定したインダクタンス
Lo:1回路分のインダクタンス(漏れインダクタンスを含む)

漏れインダクタンスLℓeakは周波数特性を持つため、注意が必要です。また、結合係数kは下図の周波数特性を持ちます。最適な結合係数kを求めるためには、周波数特性が安定している周波数(たとえば)100kHzまでの漏れインダクタンスの値を使用する必要があります。

結合係数kは、コモンモードチョークコイルの特性把握に最重要なパラメータとなります。
 
6. LDFL002302LS-V0Eの等価回路完成
LDFL002302LS-V0Eの実際の周波数特性をベースに等価回路を作成しました。(コモンモードチョークコイルの等価回路構築(理論)より)
等価回路の各成分 回路 数値(入力値)
浮遊容量 C 2.1pF
鉄損(磁性体のロス) R 11.6kΩ
自己インダクタンス L 15.0mH
結合係数 k 0.9996333
銅損(電線のロス) DCR 30mΩ
ダミー抵抗 Rd 1GΩ

 
7. 実測とシミュレーション比較
上記の等価回路モデルでのシミュレーションと実測のコモンモードインピーダンスを比較すると下記のようにほぼ一致する結果となりました。
8. 等価回路モデル検証まとめ
コモンモードチョークコイル等価回路の構築について、鉄損となる抵抗分、巻線容量、漏れインダクタンスの存在及び、その数値を正確に取得することで実用に耐える回路モデル構築ができます。

 
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