高速ブラシレスモーターの電磁干渉について、発生源、結合経路、抑制部品の3つの観点と、10万rpmモーターの改善例を紹介します。
1. EMC問題の原因と保護対策
高速ブラシレスモーターではEMC問題がプロジェクト全体の焦点や難題となり、最適化に多くの時間がかかることがあります。まず、規格超過の原因と、それに対応する改善方法を正しく理解する必要があります。
EMC最適化は、主に3つの方向から取り組みます。
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干渉源の改善
高速ブラシレス制御で最も重要な干渉源は、MOSやIGBTなどのスイッチ素子で構成する駆動回路です。高速モーターの性能を損なわない範囲で、MCUのキャリア周波数やスイッチング速度を下げ、適切なパラメーターの素子を選ぶと、干渉を効果的に減らせます。
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干渉源の結合経路の低減
PCBAの配線と配置を最適化するとEMCを改善できます。線同士の結合は干渉を増やすため、特に高周波信号線では、配線がループやアンテナを形成しないようにします。必要ならシールド層を追加して結合を減らします。
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干渉を遮断する手段
最も一般的なのは各種インダクターとコンデンサーで、干渉に応じた定数を選びます。Yコンデンサーとコモンモードチョークはコモンモード干渉、Xコンデンサーはディファレンシャルモード干渉に対応します。磁性リングにも高周波用と低周波用があり、必要に応じ両方を追加します。
2. EMC最適化の事例
当社の100,000rpmブラシレスモーターの最適化で得た、参考となるポイントを紹介します。
10万回転を実現するため、初期キャリア周波数を他のモーターの2倍の40kHzにしました。この条件では他の対策で十分改善できず、30kHzへ下げてMOSのスイッチング回数を1/3減らしたところ、顕著に改善しました。また、MOSの逆方向ダイオードのTrr（逆回復時間）がEMCに影響すると分かり、逆回復の速い素子を選びました。下図の試験データでは、500kHz～1MHzの余裕が約3dB増し、スパイク波形が平坦になっています。
PCBAの特殊な配置により、2本の高電圧電源線を他の信号線と束ねる必要がありました。高電圧線をツイストペアに変えると線間干渉が大幅に減少しました。下図の試験結果では、24MHzの余裕が約3dB増えています。
この事例では2つのコモンモードインダクターを使いました。一方は約50mHの低周波磁性リングで、500kHz～2MHzを大きく改善しました。もう一方は約60μHの高周波磁性リングで、30～50MHzを大きく改善しました。
低周波磁性リングの試験結果を下図に示します。300kHz～30MHzで全体の余裕が2dB増えています。
高周波磁性リングの試験結果を下図に示します。余裕が10dB以上増えています。
EMC最適化について意見やアイデアを交換し、試験を重ねながら最良の解決策を見つけていきたいと考えています。