בעיות EMI הן לעיתים קרובות צוואר הבקבוק הגדול בסוף פיתוח המוצרים. דוגמנות ומדידות ראשונות עוזרים להפחתת הסיכון, אך במיוחד כאשר נדרש תכנון קומפקטי, אין מעט מקום לשינויים ברגע האחרון. ככל שמאזני הזמן מחליקים, המחירים של רכיבים בשימוש גדל ביחס לייאוש וללחץ להביא את היחידה לשוק.
הבעיות של EMI
רק לעתים רחוקות ראיתי את מסנני ה-EMI עוברים אופטימיזציה לעלות לאחר שנמצא פתרון. זמן, תקציבים הנדסיים וסיכון אינם מאפשרים זאת; מה שהופך את זה אפילו יותר חשוב לקבל פתרון EMI טוב וחסכוני מההתחלה. לאחרונה עזרתי לנפות באגים ביחידה חד פאזי של 3kW עם PFC בוסט סטנדרטי. ה טרנזיסטור צומת סופר סטנדרטי 650V T0-247 MOSFET הזריק הרבה רעשים במצב רגיל לשלדה. ביטול מקור הרעש על ידי החלפת ה- MOSFET עם מקור לשוניות, Nexperia GAN063-650W, היה פיתרון פשוט וחסכוני. מאמר זה מציג מדידות ושיטות אבחון.
LISN
מדידות EMI נערכות באמצעות LISN בכניסה לאספקת החשמל. ה- LISN מספק עכבת מקור מוגדרת למדידות וכן הסרת אותות בתדר נמוך.
איור 1: LISN סטנדרטי
איור 1 מציג את ה- LISN הסטנדרטי. סיום 50Ω במקלט עם מכסה 100nF, נותן תדר חיתוך LF של 30kHz; אשר מסיר למעשה אדווה של הרשת מהמדידה כך שניתן לראות את הפרעות הרמה הקטנות על ידי המקלט. בכדי לבחון את הפרעת ה- HF בהיקף, יש צורך להסיר את הרשת החשמלית הדומיננטית. מערכת 50Ω כפי ששימשה ב- LISN תשנה את המערכת ותעוות את המדידות באופן משמעותי, ולכן נעשה שימוש במסנן עכבה גבוהה (מכסה 1nF עם 10k ל- GND). המסנן מסיר את הרכיבים בתדר נמוך. רק רעש ה- HF נראה ללא טעינה משמעותית של המעגל. ערוץ המתמטיקה היקף שימש לחישוב החלק ההפרשי של הרעש. (ch1-ch2) וכדי להרגיש בזמן אמת עד כמה הפילטר יעיל.
מדידות
באמצעות מסנן HF, ניתן לראות את הרעש בצמתים שונים סביב סכימת ה-PFC (איור 2). העקבות הירוקים והצהובים הממוקמים מעל מציגים את המתח לאדמה, והעקיבה התכלת היא המתח ההפרש. שימו לב שהקנה מידה הוא 2V/div ו-1V div עבור ערוץ המתמטיקה.
מסתכל על החלקות השונות; (5) הפלט, לאחר ה משרן אין כמעט רעש במצב משותף (כחול). ב MOSFET (4), ניתן לראות בבירור את הרעש במצב משותף מסונכרן עם המעבר של MOSFET. עלילה 3 מציגה את הרעש שהפילטר צריך להחליש, רעש משותף הוא דומיננטי, אבל גם רעש דיפרנציאלי משמעותי. עלילה 2 מציגה את הרעש לאחר שלב סינון אחד. קנה המידה זהה לעלילה 3, רעש של תדר מיתוג משותף הופחת ל-14dB מ~1V ל~200mV; יכולנו לצפות ליותר משלב סינון.
איור 2: רעש HF סביב הסכמה
העלילות מראים בבירור שרעש מופק על ידי המוספ (לא הפתעה גדולה!), אך באופן מפתיע יותר, רוב הרעש בתדר גבוה הוא במצב רגיל (חלקות 1-3). הסרת הניקוז מגוף הקירור המוארק אישרה שהקיבול של מארז ה-Mosfet, החלפת 400V ב-20nS, מייצר את רוב רעשי המצב הנפוץ.
זרם מוזרק לתוך גוף הקירור. הלשונית של ה-mosfet היא בשטח של כ-245 מ"מ. הוא מותקן על מבודד של 100 מיקרומטר אשר יוצר קיבול של כ-120pF לגוף הקירור. ב-20V/nS, הזרם המוזרק לגוף הקירור הוא 400mA. החלק ההחזר של הזרם הזה הוא קודם כל מכסי ה-Y המקומיים. מתעלמים
הַשׁרָאוּת; ניתן לחשב את המתח מעל קבלי Y כמחלק מתח; קיבול לשונית עם 120pF ו-400V חלקי ה-Y קבלים (2x4n7), וכתוצאה מכך 5V (134dBμV) מעל ה-Ycap (קרוב לערך הנמדד). כדי לעמוד במגבלה של 65dBμV EMC; יידרש מסנן עם הנחתה של כ-70dB. מכיוון שערך הקיבול Y מוגבל עקב זרמי דליפת אדמה, ניתן להגדיל רק את השראות. מסנן דו-שלבי עם 2dB ב-65kHz יכול לקבל Ycaps של 200mF ו-10nF, שהוא גדול ויקר.
מבודד עבה יותר כגון אלומינה בגודל 2 מ"מ יכול להפחית את הקיבול בפקטור של 10, אך ביישום זה, יהיה צורך במשחת גוף קירור, וההתנגדות התרמית תיפגע באופן משמעותי. הכלל הראשון של תרגול טוב של EMI הוא ביטול מחוללי רעש במקור במידת האפשר; כאן זה קל, טרנזיסטור עם לשונית הקירור המחוברת למקור יבטל את הזרקת מטען המתח המתחלף לתוך גוף הקירור. טרנזיסטורי GaN ארוזים TO-247 עם קירור מחובר מקור זמינים ממספר ספקים עם כרטיסיות מקור, Nexperia דגמה בחביבות את GaN-063-650W.
שינויים עבור הטרנזיסטור GaN
הדבר הראשון שיש לציין הוא ל-GaN יש pinout שונה מהתקן T0-247. ל-MOSFET הסטנדרטי יש, הניקוז באמצע; ל-GaN יש את המקור בתור הסיכה המרכזית. כדי להחליף את ה-MOSFET בטרנזיסטור GaN; היה צורך לכופף את רגלי ה-GaN, תוך החלפה יעילה של הניקוז והמקור. נעשה שימוש בשרוול PTFE כדי להבטיח בידוד. רפורמה של הלידים פירושה שהמקור ב-GaN ארוך מהרגיל ויש לו יותר השראות; מה שעלול ליצור בעיות עם מיתוג ותנודה אפשרית בזרמים גבוהים. זה לא אידיאלי, אבל כן מאפשר מבט ראשוני מהיר ללא עיצוב מחדש של הלוח.
איור 3: רפורמה ברגליים של גן
טעינת שער ה- GaN עם 15nC היא כעשירית מ- MOSFET דומה, כך שהשער נַגָד הוגדל ל-18Ω, זה גם אומר שניתן להסיר את שלב הדרייבר הנוסף ולהניע את הטרנזיסטור ישירות מבקר ה-PFC.
מדידות
איור 4 מראה צורות גל מיתוג דומות למקור ניקוז. ההפתעה הראשונה הייתה צורות גל מיתוגיות נקיות, למרות ההובלות הכפופות. כיבוי מהירויות מיתוג (dV / dt) דומות, אך ל- GaN אין זמן העלייה האיטי הראשוני בתחילת הכיבוי. העיכוב הקצר בין שער נמוך למיתוג הוא יתרון של קיבולת המוצא הרבה יותר קטנה ב- Vds <50V. טורון ה- GaN מהיר במקצת, עם 40V / nS זה בערך כפול מה- MOSFET, הצלצול בכיבוי דומה. יש יותר צלצולים בעת ההפעלה, וזה לא מפתיע מדי בהתחשב כיצד הטרנזיסטור מותקן עם לידים מתוקנים מורחבים עם עופרת מקור ארוכה מאוד.
עלילות EMI באיור 5 מציגות בבירור את היתרון של הכרטיסייה המחוברת למקור. כל הספקטרום נראה נקי יותר, עם פליטות נמוכות בכ-10dB ב-170kHz. בדיקות הראו שניתן להפחית עוד יותר את פליטת ה-170kHz על ידי הוספת x גדול יותר קבל, בעוד שעם ה-MOSFET יהיה צורך ב-Ycaps ו-Xcaps גדולים יותר. ל-MOSFET יש זמן עלייה של 20nS, בהשוואה ל-GaN 10nS כך שלספקטרום הרעשים של GaN יהיה תדר החיתוך הכפול, אבל חשוב יותר הוא ביטול הווירטואלי של הקיבול של הניקוז המותג לגוף הקירור. עם ביטול הזרמים המוזרקים במרכב באמצעות ה-GaN; ציפינו שהשלדה תהיה שקטה. חקירה נוספת גילתה שההשראות של עופרת הקתודה של דיודת SiC, הייתה כעת מזרק הרעש העיקרי לשלדה. הזרם המתחלף בהשראות מוביל הקתודה גורם למתח על הלשונית. מתח זה מחובר בקיבוליות לגוף הקירור ומחדיר זרם לשלדה. כיוון שאין כאן מתח גדול, סנובר קטן בין מוביל הדיודה ל-elco הסיר את רוב הרעש בעלות מינימלית ואיבוד חשמל. EMC טיפוסי, הסר מקור רעש אחד רק כדי לגלות יותר.
איור 4: החלפת צורת גל החלפה
איור 5: מדידת EMI Mosfet ו- GaN
סיכום
שימוש בטרנזיסטור עם לשוניות המקור חיסל מקור משמעותי של EMI במקורו. הופתעתי מכמה שביצועי ה- GAN ביצעו למרות שהיו מובילים ארוכים. הפין עם סיכת מרכז המקור TO-247 יאפשר פריסה טובה בהרבה מהטרנזיסטור הנוכחי עם לשוניות הניקוז, עם ככל הנראה יותר שיפורי EMI והפסדים נמוכים יותר.