高速ブラシレスモータのEMC最適化

1. EMCの原因と保護対策

高速ブラシレスモーターにおいては、EMC（電磁両立性）の問題がプロジェクト全体の焦点であり、同時に最も難しい課題となることが多く、EMC全体の最適化プロセスには多くの時間を要します。そのため、まずEMCが規格を超える原因を正しく認識し、それに対応する最適化方法を確立する必要があります。

EMC最適化は主に次の3つの方向から始まります。

• 干渉源を改善する

高速ブラシレスモータの制御において、最も重要な干渉源は、MOSやIGBTなどのスイッチング素子で構成される駆動回路です。高速モータの性能に影響を与えることなく、MCUの搬送周波数を下げ、スイッチング素子のスイッチング速度を下げ、適切なパラメータを持つスイッチング素子を選択することで、EMC干渉を効果的に低減できます。

• 干渉源の結合経路を短縮する

PCBAの配線とレイアウトを最適化することでEMCを効果的に改善できますが、配線同士の結合は大きな干渉を引き起こします。特に高周波信号線では、配線がループ状になったりアンテナ状になったりするのを避けるようにしてください。必要に応じてシールド層を増やすことで結合を低減できます。

• 干渉を遮断する手段

EMC改善において最も一般的に用いられるのは、各種インダクタンスとコンデンサであり、異なる干渉に対して適切なパラメータが選択されます。Yコンデンサとコモンモードインダクタンスはコモンモード干渉用、Xコンデンサはディファレンシャルモード干渉用です。インダクタンス磁気リングは高周波磁気リングと低周波磁気リングに分けられ、必要に応じて2種類のインダクタンスを同時に追加する必要があります。

2. EMC最適化事例

当社が製造する10万rpmブラシレスモーターのEMC最適化に関して、皆様のお役に立てればと思い、いくつかの重要なポイントをご紹介します。

モーターを10万回転の高速にするために、初期搬送周波数を他のモーターの2倍である40kHzに設定しました。この場合、他の最適化方法ではEMCを効果的に改善できませんでした。周波数を30kHzに下げ、MOSスイッチング回数を1/3に減らしたところ、顕著な改善が見られました。同時に、MOSの逆ダイオードのTrr（逆回復時間）がEMCに影響を与えることがわかり、より速い逆回復時間のMOSを選択しました。テストデータは下図のとおりです。500kHz～1MHzのマージンが約3dB増加し、スパイク波形が平坦化されました。

PCBAの特殊なレイアウトのため、他の信号線と束ねる必要のある高電圧電源線が2本あります。高電圧線をツイストペアに変更すると、リード間の相互干渉が大幅に減少します。テストデータは下図のとおりで、24MHzのマージンは約3dB増加しました。

この場合、2つのコモンモードインダクタが使用されます。1つは低周波磁気リングで、インダクタンスは約50mHであり、500kHz～2MHzの範囲でEMCを大幅に改善します。もう1つは高周波磁気リングで、インダクタンスは約60μHであり、30MHz～50MHzの範囲でEMCを大幅に改善します。

低周波磁気リングのテストデータを下図に示す。300kHz～30MHzの範囲で、全体的なマージンが2dB増加している。

高周波磁気リングの試験データを下図に示す。マージンが10dB以上増加している。

皆さんがEMC最適化について意見交換やブレインストーミングを行い、継続的テストにおける最適な解決策を見つけられることを願っています。