Los problemas de EMI son a menudo el último gran cuello de botella al final del desarrollo del producto. El modelado y las primeras mediciones ayudan a reducir el riesgo, pero especialmente cuando se requiere un diseño compacto, hay poco espacio para cambios de última hora. A medida que se deslizan las escalas de tiempo, los precios componentes aumento utilizado en proporción a la desesperación y la presión para llevar la unidad al mercado.
Los problemas de EMI
Rara vez he visto filtros EMI optimizados en costos una vez que se ha encontrado una solución. El tiempo, los presupuestos de ingeniería y el riesgo no lo permiten; lo que hace que sea aún más importante contar con una solución EMI buena y rentable desde el principio. Recientemente, estaba ayudando a depurar una unidad monofásica de 3kW con un PFC de refuerzo estándar. El Transistor una súper unión estándar T650-0 de 247 V MOSFET estaba inyectando mucho ruido de modo común en el chasis. Eliminando la fuente del ruido reemplazando el mosfet con una fuente con pestañas, Nexperia GAN063-650W, fue una solución simple y rentable. Este artículo muestra medidas y métodos de diagnóstico.
LISN
Las mediciones de EMI se realizan utilizando un LISN en la entrada de la fuente de alimentación. El LISN proporciona una impedancia de fuente definida para las mediciones, además de eliminar las señales de baja frecuencia.
Figura 1: LISN estándar
La figura 1 muestra el LISN estándar. La terminación de 50Ω en el receptor con la tapa de 100nF, da una frecuencia de corte de LF de 30kHz; lo que elimina eficazmente la ondulación de la red eléctrica de la medición para que el receptor pueda ver las pequeñas perturbaciones de nivel. Para observar la perturbación de HF con un endoscopio, es necesario quitar la red dominante. Un sistema de 50 Ω como se usa en el LISN cambiaría el sistema y distorsionaría significativamente las mediciones, por lo que se usó un filtro de alta impedancia (tapa de 1nF con 10k a GND). El filtro elimina los componentes de baja frecuencia. Solo el ruido de HF es visible sin cargar significativamente el circuito. El canal de matemáticas del osciloscopio se utilizó para calcular la parte diferencial del ruido. (ch1-ch2) y para tener una idea en tiempo real de la eficacia del filtro.
Medidas
Usando el filtro HF, el ruido se puede ver en varios nodos alrededor del esquema PFC (Figura 2). Los trazos verdes y amarillos superpuestos muestran el voltaje a tierra y el trazo azul claro es el voltaje diferencial. Tenga en cuenta que la escala es 2V/div y 1V div para el canal de matemáticas.
Mirando las distintas parcelas; (5) la salida, después de la Inductor casi no tiene ruido de modo común (azul). En el mosfet (4), se puede ver claramente que el ruido de modo común está sincronizado con la conmutación del mosfet. El gráfico 3 muestra el ruido que el filtro debería atenuar, el ruido de modo común es dominante, pero también un ruido diferencial significativo. La gráfica 2 muestra el ruido después de una etapa de filtrado. La escala es la misma que la del gráfico 3, el ruido de modo común de la frecuencia de conmutación se ha reducido 14 dB de ~1 V a ~200 mV; podríamos esperar más de una etapa de filtro.
Figura 2: Ruido de HF alrededor del esquema
Los gráficos muestran claramente que el ruido es producido por el mosfet (¡no es una gran sorpresa!), pero lo más sorprendente es que la mayor parte del ruido de alta frecuencia es de modo común (gráficos 1-3). Quitar el drenaje del disipador de calor conectado a tierra confirmó que la capacitancia de la caja del mosfet, que cambia 400 V en 20 nS, genera la mayor parte del ruido de modo común.
Corriente inyectada en el disipador de calor. La pestaña Mosfet tiene un área de aproximadamente 245 mm². Está montado sobre un aislador de 100 μm que crea una capacitancia de alrededor de 120 pF para el disipador de calor. A 20 V/nS, la corriente inyectada en el disipador de calor es de 400 mA. La parte de retorno de esta corriente son primero los límites Y locales. Postergación
inductancia; el voltaje sobre los condensadores Y se puede calcular como un divisor de voltaje; capacitancia de pestaña con 120pF y 400V dividida por la Y condensadores (2x4n7), lo que da como resultado 5V (134dBμV) sobre el Ycap (cerca del valor medido). Para cumplir con un límite EMC de 65dBμV; Se requeriría un filtro con una atenuación de aproximadamente 70dB. Como el valor de la capacitancia Y está limitado debido a las corrientes de fuga a tierra, solo se puede aumentar la inductancia. Un filtro de 2 etapas con 65dB a 200kHz podría tener 10mF y 10nF Ycaps, lo cual es grande y costoso.
Un aislador más grueso, como alúmina de 2 mm, puede reducir la capacitancia en un factor de 10, pero en esta aplicación, se necesitaría pasta disipadora de calor y la resistencia térmica se degradaría significativamente. La primera regla de una buena práctica EMI es eliminar los generadores de ruido en su origen cuando sea posible; Aquí es fácil, un transistor con la pestaña de enfriamiento conectada a la fuente eliminaría la inyección de carga de voltaje conmutado en el disipador de calor. Los transistores GaN empaquetados TO-247 con refrigeración conectada a la fuente están disponibles de varios proveedores con pestañas de fuente; Nexperia tuvo la amabilidad de probar el GaN-063-650W.
Modificaciones para el transistor GaN
Lo primero que hay que tener en cuenta es que el GaN tiene una distribución de pines diferente a la del T0-247 estándar. El MOSFET estándar tiene el drenaje en el medio; el GaN tiene la fuente como pin central. Para reemplazar el MOSFET con el Transistor GaN; las patas de GaN tuvieron que doblarse, intercambiando efectivamente el drenaje y la fuente. Se utilizó funda de PTFE para garantizar el aislamiento. La reforma de los cables significó que la fuente del GaN sea más larga de lo habitual y tenga más inductancia; lo que podría crear problemas con la conmutación y posible oscilación a altas corrientes. Esto no es ideal, pero permite un primer vistazo rápido sin necesidad de rediseñar el tablero.
Figura 3: Reforma de las patas de Gan
La carga de la puerta de GaN con 15 nC es aproximadamente una décima parte de un MOSFET similar, por lo que la puerta Resistencia se aumentó a 18Ω, también significó que se podía eliminar la etapa del controlador adicional y que el transistor podía controlarse directamente desde el controlador PFC.
Medidas
La Figura 4 muestra formas de onda de conmutación de fuente de drenaje comparables. La primera sorpresa fueron formas de onda de conmutación limpias, a pesar de los cables doblados. Las velocidades de cambio de apagado (dV / dt) son similares, pero el GaN no tiene el tiempo inicial de subida lenta al comienzo del apagado. El corto retraso entre la puerta baja y la conmutación es un beneficio de la capacitancia de salida mucho más pequeña a Vds <50V. El encendido de GaN es algo más rápido, con 40V / nS es aproximadamente el doble de rápido que el MOSFET, el timbre al apagar es similar. Hay más timbres al encender, lo que no es demasiado sorprendente considerando cómo el transistor está montado con cables reformados extendidos con un cable de fuente muy largo.
Los gráficos de EMI en la figura 5 muestran claramente el beneficio de la pestaña conectada a la fuente. Todo el espectro parece más limpio, con aproximadamente 10 dB menos de emisiones a 170 kHz. Las pruebas mostraron que las emisiones de 170 kHz podrían reducirse aún más añadiendo una x más grande. condensador, mientras que con el MOSFET se necesitarían Ycaps y Xcaps más grandes. El MOSFET tiene un tiempo de subida de 20 nS, en comparación con el GaN de 10 nS, por lo que el espectro de ruido de GaN tendría la doble frecuencia de corte, pero lo más importante es la eliminación virtual de la capacitancia del drenaje conmutado al disipador de calor. Con las corrientes inyectadas en el chasis eliminadas mediante el uso de GaN; esperábamos que el chasis estuviera silencioso. Una investigación más profunda reveló que la inductancia del cable del cátodo del diodo de SiC era ahora el principal inyector de ruido en el chasis. La corriente conmutada en la inductancia del cable del cátodo induce un voltaje en la pestaña. Este voltaje se acopla capacitivamente al disipador de calor e inyecta corriente en el chasis. Como aquí no hay un voltaje alto, un pequeño amortiguador entre el cable del diodo y elco eliminó la mayor parte del ruido con un costo y una pérdida de energía mínimos. EMC típico: elimine una fuente de ruido solo para descubrir más.
Figura 4: Comparación de formas de onda de conmutación
Figura 5: Mosfet y GaN de medición de EMI
Conclusión
El uso del transistor con pestañas de fuente eliminó una fuente significativa de EMI en su origen. Me sorprendió lo bien que se desempeñó el GaN a pesar de tener las pistas dobladas. El pinout con el pin central de la fuente TO-247 permitirá un diseño mucho mejor que el transistor con lengüetas de drenaje de corriente, probablemente con más mejoras de EMI y menores pérdidas.