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新しい多導体伝送線路理 論と 電磁ノイズ発生のメカニズム ー...
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09.3.6 toki@KEK 1
新しい多導体伝送線路理論と電磁ノイズ発生のメカニズム
ーノイズを物理にするー
土岐博 (RCNP/Osaka)佐藤健次 (NIRS/Chiba)
09.3.6 toki@KEK 2
直流で大電力の電源
サイリスタ電源 無効電力が大きい
IGBT 電源 高周波ノイズ
サイリスタIGBT
09.3.6 toki@KEK 3
HIMAC 方式(佐藤電源加速器回路)
電源 ノイズフィルター 磁石 (負荷 )
対称にすれば良い
€
10−5 ~ 10−6
09.3.6 toki@KEK 4
ノーマルモード (I+J) のみの電流を使った磁石
コモンモード (I-J)を使わない
09.3.6 toki@KEK 5
何故,佐藤電源回路は良いのか
・対称性は何を意味するか・中心線は何を意味するか・電源の中心点は何を意味するか
€
U2 = V2 = 0
09.3.6 toki@KEK 6
対称回路理論K.Sato and H.Toki, NIM A565 (2006) 351
和の量:ノーマルモード(使う部分)差の量:コモンモード(使わない部分) 悪の根源−
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非対称の場合はノーマルモードとコモンモードが結合
Zu
非対称の場合にはノーマルモードとコモンモードは結合する
Zd
09.3.6 toki@KEK 8
対称基本回路
€
Z = R
€
Z = jωL
€
Z = 1jωC
09.3.6 toki@KEK 9
ノイズフィルター
ノーマルモードのフィルターは完璧
09.3.6 toki@KEK 10
佐藤電源回路を簡単に計算出来る(2x2の行列の計算)
負荷を対称の位置に配置する電源の中点に中心線を繋ぐことが大事フィルターはノーマルモードにもコモンモードにも同じように働く
何故,佐藤回路がベストなのかは不明何故,わざわざ三本線にするのかは不明
ノーマルモード
コモンモード
09.3.6 toki@KEK 11
伝送理論の構築(ノイズを物理にする)
J-PARCの電磁ノイズは何が原因なのかIGBT は高周波ノイズを発生するどこから電磁ノイズが発生するのかIGBT 電源を加速器で使うにはどうするのか電磁ノイズのない環境の構築。。。
負荷
コモンモードが存在する?I
J
€
I ≠ J??
IGBT
ノイズ
09.3.6 toki@KEK 12
環境にある電荷と電気回路
E
E
電荷
環境にある電荷は周りの影響を受けている環境にある回路は周りの影響を受けている
地表
真空
09.3.6 toki@KEK 13
‘ 最も’簡単な回路
V2 I2
電源
V1 I1
負荷
電場 磁場地表面
09.3.6 toki@KEK 14
3導体伝送線路理論
~
V1 I1
V2 I2
V3 I3
2本線
環境線
静電容量 C
インダクタンス L
連続方程式
ファラデーの法則
I1+I2+I3=0
C.R. Paul
09.3.6 toki@KEK 15
ノーマルモードとコモンモード
電位係数 P
ノーマルモード
€
Vn = V1 −V2
€
In =1
2(I1 − I2)
コモンモード
€
Vc =1
2(V1 + V2) −V3
€
Ic = I1 + I2 = −I3€
P = C−1
09.3.6 toki@KEK 16
二つのモードの連立偏微分方程式
静電容量で直接計算出来ない。電位係数の物理である
€
C = P−1Cと Lの表現は大きく違ってくる
09.3.6 toki@KEK 17
対称性が良い時
P11=P22および P13=P23の時(太さが同じ,3への距離が同じ)
ノーマルモードとコモンモードが分離する
どちらも光の速度で伝わる
€
L
P= εμ =
1
c 2
同軸ケーブルは良くない
09.3.6 toki@KEK 18
電位係数と誘導係数
クーロンの法則
アンペールの法則
Extended Neumann’s law
ba1
a2
€
rr 1 −
r r 2
€
I = ˙ Q
09.3.6 toki@KEK 19
誘導係数の計算
r1
r2 I1
I2
d
Geometrical mean distance (GMD)
インダクタンス係数は長さを含む
€
λ >> l
€
l >> d
09.3.6 toki@KEK 20
電位係数の計算
電荷分布は電流分布と一致する
€
I = ˙ Q
Neumann’s formula
他の係数も全く同じように計算出来る: Lと Pの統一
€
Pij
Lij
=1
εμ= c 2
€
PijLij = Zij2
特性インピーダンス
1本でも計算出来る(アンテナ)
09.3.6 toki@KEK 21
さらにすごいのは物理的な Lや P は長さを含まない
(全ての係数が有限の大きさで有り微分方程式が完全に決定される)
€
Ln =Pn
c 2Lも全く同じ式で表現される
€
Pnc =1
2(P11 − P22) − (P13 − P23) =
1
4πεln
˜ a 2 ˜ d 12
˜ a 1 ˜ d 22
09.3.6 toki@KEK 22
3導体伝送線路の結合方程式(係数は全て分っている)
特性インピーダンス
結合した時でも電気信号は光の速度で伝わる !!3本の導線の間で発生した電磁波で電気信号が伝わる
09.3.6 toki@KEK 23
新しい伝送線路理論で分ったこと
伝送線の信号は電磁波で伝わる伝送線はアンテナ(送信)でありレシーバー(受信)である
コモンモードは環境と結合する地表に誘導起電力を生じる環境にあるあらゆる電荷とカップルするこれが電磁ノイズとなるこのノイズのフィードバックで自らもノイズを拾う
09.3.6 toki@KEK 24
ノイズの原因
空間に放出電磁波
I
J
€
I ≠ J
あらゆる電荷と相互作用する
コモンモードは悪の根源それでも,コントロールすると問題はない
09.3.6 toki@KEK 25
もう一本の伝導線路を挿入する
環境線
主線
もう一本の線
€
1
r
アンテナ
受信線
09.3.6 toki@KEK 26
それではいかにして電磁ノイズを無くすか
3本目の線を電源と繋いでいる2本の線のすぐ近くに持っていく
3本目の線との間でコモンモードはほぼ閉じる
3本目の線を回路の中の中心線として取り扱う
3本目の線は主たる2本線で発生するコモン電流を流す
09.3.6 toki@KEK 27
電磁波を回路内に閉じ込める
I
I-J
J
そして負荷を対称の位置に配置する(コモンモードとノーマルモード の結合を切る)
高周波成分を小さい空間に閉じ込めるためにフィルターを付ける
ここをつなぐ 3本目の線を回路の一部とする
09.3.6 toki@KEK 28
理想的な回路(佐藤回路)
中心線を入れることでコモンモードがこの線と結合して回路が閉じる
負荷等を上下対称の位置に入れることによりコモンモードが独立する
フィルターを電源の近くに入れて高周波ノイズを閉じ込める
09.3.6 toki@KEK 29
結論
3導体伝送線路理論を完成させた偏微分方程式の係数の全てを電位係数を使って計算した(Cでは計算出来ず Pが重要であることに気がついた)
3導体の対称性が崩れた時でもエネルギーは光の速度で伝わる
コモンモードは電源から必ず生じ、そのエネルギーは電磁波として放射される
伝導線はアンテナであり,受信機である。
09.3.6 toki@KEK 30
結論(2)
電流の和を0にすることで回路は閉じる電流の和が0ではない時には電磁波がコモンモードとして放出される(アンテナ理論)
従って,回路を閉じ,自らの中でつくられるノイズは回路内で閉じ込めて使わないようにする(コモンノードの閉じ込め)
2本線を3本線にするのが良い