Masalah EMI seringkali menjadi hambatan utama terakhir pada akhir pengembangan produk. Pemodelan dan pengukuran pertama membantu mengurangi risiko, tetapi terutama bila desain yang ringkas diperlukan, hanya ada sedikit ruang untuk perubahan di saat-saat terakhir. Ketika skala waktu tergelincir, harga dari komponen menggunakan peningkatan sebanding dengan keputusasaan dan tekanan untuk membawa unit ke pasar.
Masalah EMI
Saya jarang melihat filter EMI dioptimalkan biaya setelah solusi ditemukan. Waktu, anggaran teknik, dan risiko tidak memungkinkan; menjadikannya semakin penting untuk memiliki solusi EMI yang baik dan hemat biaya sejak awal. Baru-baru ini saya membantu men-debug unit fase tunggal 3kW dengan peningkatan standar PFC. Itu Transistor sambungan super standar 650V T0-247 MOSFET menyuntikkan banyak suara mode umum ke dalam sasis. Menghilangkan sumber kebisingan dengan mengganti MOSFET dengan tab sumber, Nexperia GAN063-650W, adalah solusi sederhana dan hemat biaya. Artikel ini menunjukkan pengukuran dan metode diagnostik.
DAFTAR
Pengukuran EMI dilakukan menggunakan LISN di input catu daya. LISN menyediakan impedansi sumber yang ditentukan untuk pengukuran serta menghilangkan sinyal frekuensi rendah.
Gambar 1: LISN Standar
Gambar 1 menunjukkan LISN standar. Pemutusan 50Ω di penerima dengan tutup 100nF, memberikan frekuensi cut-off LF 30kHz; yang secara efektif menghilangkan riak utama dari pengukuran sehingga gangguan tingkat kecil dapat dilihat oleh penerima. Untuk melihat gangguan HF dengan teropong, perlu dilakukan pemutusan aliran listrik dominan. Sistem 50Ω seperti yang digunakan dalam LISN akan mengubah sistem dan secara signifikan mendistorsi pengukuran, sehingga digunakan filter impedansi tinggi (tutup 1nF dengan 10k ke GND). Filter menghilangkan komponen frekuensi rendah. Hanya noise HF yang terlihat tanpa memuat sirkuit secara signifikan. Saluran matematika lingkup digunakan untuk menghitung bagian diferensial dari kebisingan. (ch1-ch2) dan untuk mengetahui secara realtime seberapa efektif filter tersebut.
Pengukuran
Dengan menggunakan filter HF, noise dapat dilihat di berbagai node di sekitar skema PFC (Gambar 2). Jejak hijau dan kuning yang dilapis menunjukkan tegangan ke tanah, dan jejak biru muda adalah tegangan diferensial. Perhatikan skalanya adalah 2V/div dan 1V div untuk saluran matematika.
Melihat berbagai plot; (5) keluaran, setelah Induktor hampir tidak ada noise mode umum (biru). Pada MOSFET (4), noise mode umum dapat terlihat jelas disinkronkan dengan peralihan MOSFET. Plot 3 menunjukkan derau yang harus dilemahkan oleh filter, derau mode umum dominan, tetapi juga derau diferensial yang signifikan. Plot 2 menunjukkan kebisingan setelah satu tahap filter. Penskalaannya sama dengan plot 3, frekuensi switching noise mode umum telah dikurangi 14dB dari ~1V ke ~200mV; kita bisa berharap lebih dari tahap filter.
Gambar 2: Derau HF di sekitar skema
Plot dengan jelas menunjukkan noise dihasilkan oleh MOSFET (bukan kejutan besar!), namun yang lebih mengejutkan sebagian besar noise frekuensi tinggi adalah mode umum (plot 1-3). Menghapus saluran pembuangan dari heatsink yang diarde mengonfirmasi bahwa kapasitansi casing MOSFET, yang mengalihkan 400V dalam 20nS, menghasilkan sebagian besar kebisingan mode umum.
Arus yang disuntikkan ke heatsink Tab MOSFET memiliki luas sekitar 245mm². Itu dipasang pada isolator 100μm yang menciptakan kapasitansi sekitar 120pF ke heatsink. Pada 20V/nS, arus yang disuntikkan ke heatsink adalah 400mA. Bagian kembalinya arus ini adalah topi Y lokal yang pertama. Mengabaikan
induktansi; tegangan pada Kapasitor Y dapat dihitung sebagai pembagi tegangan; kapasitansi tab dengan 120pF dan 400V dibagi Y Kapasitor (2x4n7), menghasilkan 5V (134dBμV) di atas Ycap (mendekati nilai terukur). Untuk memenuhi batas EMC 65dBμV; filter dengan redaman sekitar 70dB akan diperlukan. Karena nilai kapasitansi Y terbatas karena arus bocor pembumian, hanya induktansi yang dapat dinaikkan. Filter 2 tahap dengan 65dB pada 200kHz dapat memiliki 10mF dan 10nF Ycaps, yang besar dan mahal.
Isolator yang lebih tebal seperti alumina 2 mm dapat mengurangi kapasitansi sebesar 10 kali lipat, namun dalam aplikasi ini, pasta heatsink akan diperlukan, dan ketahanan termal akan menurun secara signifikan. Aturan pertama dalam praktik EMI yang baik adalah menghilangkan penghasil kebisingan pada sumbernya bila memungkinkan; ini mudahnya, Transistor dengan tab pendingin yang terhubung ke sumber akan menghilangkan injeksi muatan tegangan yang dialihkan ke heatsink. Transistor GaN yang dikemas TO-247 dengan pendingin yang terhubung ke sumber tersedia dari beberapa vendor dengan tab sumber, Nexperia dengan senang hati mencicipi GaN-063-650W.
Modifikasi untuk Transistor GaN
Hal pertama yang perlu diperhatikan adalah GaN memiliki pinout yang berbeda dengan standar T0-247. MOSFET standar memiliki saluran pembuangan di tengah; GaN memiliki sumber sebagai pin tengah. Untuk mengganti MOSFET dengan Transistor GaN; kaki GaN harus ditekuk, dengan saluran pembuangan dan sumbernya ditukar secara efektif. Selongsong PTFE digunakan untuk menjamin isolasi. Mereformasi lead berarti sumber pada GaN lebih panjang dari biasanya dan memiliki induktansi lebih besar; yang dapat menimbulkan masalah peralihan dan kemungkinan osilasi pada arus tinggi. Ini tidak ideal, namun memungkinkan tampilan pertama yang cepat tanpa mendesain ulang papan.
Gambar 3: Mereformasi kaki Gan
Gerbang GaN muatan with15nC adalah sekitar sepersepuluh dari MOSFET yang sama, jadi gerbang Penghambat ditingkatkan menjadi 18Ω itu juga berarti bahwa tahap driver tambahan dapat dihilangkan dan Transistor dapat digerakkan langsung dari pengontrol PFC.
Pengukuran
Gambar 4 menunjukkan bentuk gelombang switching sumber-drain yang sebanding. Kejutan pertama adalah bentuk gelombang switching yang bersih, meskipun leadnya bengkok. Kecepatan Turn-off Switching (dV / dt) serupa, tetapi GaN tidak memiliki waktu slow rise awal pada awal turn-off. Penundaan singkat antara gerbang menjadi rendah dan switching adalah keuntungan dari kapasitansi keluaran yang jauh lebih kecil pada Vds <50V. Turnon GaN agak lebih cepat, dengan 40V / nS itu sekitar dua kali lebih cepat dari MOSFET, dering saat mematikan serupa. Ada lebih banyak dering pada saat penyalaan yang tidak terlalu mengejutkan mengingat bagaimana transistor dipasang dengan lead yang direformasi diperpanjang dengan lead sumber yang sangat panjang.
Plot EMI pada gambar 5 menunjukkan dengan jelas manfaat tab sumber terhubung. Seluruh spektrum terlihat lebih bersih, dengan emisi lebih rendah sekitar 10dB pada 170kHz. Pengujian menunjukkan bahwa emisi 170kHz dapat dikurangi lebih lanjut dengan menambahkan x yang lebih besar kapasitor, sedangkan dengan MOSFET diperlukan Ycaps dan Xcaps yang lebih besar. MOSFET memiliki waktu naik sebesar 20nS, dibandingkan dengan GaN 10nS sehingga spektrum kebisingan GaN akan memiliki frekuensi pemotongan ganda, namun yang lebih penting adalah penghapusan kapasitansi dari saluran yang dialihkan ke heatsink. Dengan arus yang disuntikkan pada sasis dihilangkan dengan menggunakan GaN; kami berharap sasisnya senyap. Penyelidikan lebih lanjut mengungkapkan induktansi dari ujung katoda dioda SiC, yang sekarang menjadi injektor kebisingan utama ke dalam sasis. Arus yang dialihkan dalam induktansi timbal katoda, menginduksi tegangan pada tab. Tegangan ini digabungkan secara kapasitif ke heatsink dan menyuntikkan arus ke sasis. Karena tidak ada tegangan besar di sini, snubber kecil antara kabel dioda dan elco menghilangkan sebagian besar kebisingan dengan biaya dan kehilangan daya yang minimal. EMC pada umumnya, menghilangkan satu sumber kebisingan saja untuk kemudian menemukan lebih banyak lagi.
Gambar 4: Mengalihkan Perbandingan Bentuk Gelombang
Gambar 5: Pengukuran EMI Mosfet dan GaN
Kesimpulan
Menggunakan transistor tab sumber menghilangkan sumber EMI yang signifikan di asalnya. Saya terkejut dengan seberapa baik kinerja GaN meskipun memiliki lead bengkok yang panjang. Pinout dengan pin pusat sumber TO-247 akan memungkinkan tata letak yang jauh lebih baik daripada transistor tab drain saat ini, dengan kemungkinan lebih banyak peningkatan EMI dan kerugian yang lebih rendah.