EMIの問題は、多くの場合、製品開発の最後の主要なボトルネックです。 モデリングと最初の測定はリスクを軽減するのに役立ちますが、特にコンパクトな設計が必要な場合は、土壇場で変更するスペースがほとんどありません。 時間スケールがずれると、 コンポーネント ユニットを市場に出すための絶望と圧力に比例して増加を使用しました。
EMIの問題
解決策が見つかると、EMI フィルタがコスト最適化されるのを見たことがほとんどありません。 時間、エンジニアリング予算、リスクがそれを許しません。 したがって、最初から優れたコスト効率の高い EMI ソリューションを用意することがさらに重要になります。 最近、私は標準ブースト PFC を備えた 3kW 単相ユニットのデバッグを手伝っていました。 の トランジスタ 標準 650V T0-247 スーパージャンクション MOSFET シャーシに多くのコモンモードノイズを注入していました。 を交換することにより、ノイズの原因を排除します モスフェット ソースがタブ付きのNexperiaGAN063-650Wは、シンプルで費用効果の高いソリューションでした。 この記事では、測定と診断方法について説明します。
リスン
EMI測定は、電源入力でLISNを使用して実行されます。 LISNは、低周波信号を除去するだけでなく、測定用に定義されたソースインピーダンスを提供します。
図1：標準のLISN
図1は、標準のLISNを示しています。 50nFキャップの受信機の100Ω終端は、30kHzのLFカットオフ周波数を提供します。 これにより、測定からメインリップルが効果的に除去されるため、レシーバーで小さなレベルの外乱を確認できます。 スコープでHF妨害を見るには、支配的な主電源を取り除く必要があります。 LISNで使用されている50Ωシステムはシステムを変更し、測定値を大幅に歪めるため、高インピーダンスフィルター（1nFキャップ、10kからGND）が使用されました。 フィルタは低周波成分を除去します。 回路に大きな負荷をかけることなく、HFノイズのみが表示されます。 スコープ数学チャネルは、ノイズの微分部分を計算するために使用されました。 （ch1-ch2）そしてフィルターがどれほど効果的であるかをリアルタイムで感じ取る。
波形パラメータ計測
HF フィルターを使用すると、PFC 回路図の周囲のさまざまなノードでノイズが確認できます (図 2)。 重ねられた緑と黄色のトレースはグランドへの電圧を示し、水色のトレースは差動電圧を示します。 スケーリングは 2V/div で、演算チャネルでは 1V/div であることに注意してください。
さまざまなプロットを見てください。 （5）出力後 誘導子 コモンモードノイズがほとんどありません（青）。 で モスフェット (4) では、コモンモード ノイズがスイッチングと同期していることがはっきりとわかります。 モスフェット。 プロット 3 は、フィルターが減衰する必要があるノイズを示しています。コモンモード ノイズが支配的ですが、重大な差動ノイズも存在します。 プロット 2 は、フィルター 3 段後のノイズを示しています。 スケーリングはプロット 14 と同じで、スイッチング周波数のコモンモード ノイズは ~1V から ~200mV まで XNUMXdB 減少しています。 フィルターステージにはさらに多くのことが期待できます。
図2：回路図周辺のHFノイズ
プロットは明らかに MOSFET によってノイズが生成されていることを示しています (それほど驚くことではありません!) が、さらに驚くべきことに、高周波ノイズのほとんどはコモンモードです (プロット 1 ～ 3)。 接地されたヒートシンクからドレインを取り除くと、MOSFET ケースの静電容量が 400nS で 20V をスイッチングし、コモンモードノイズの大部分が発生することが確認されました。
ヒートシンクに注入される電流 MOSFET タブの面積は約 245mm² です。 これは、ヒートシンクに対して約 100pF の静電容量を生成する 120μm アイソレータに実装されています。 20V/nS では、ヒートシンクに注入される電流は 400mA です。 この電流のリターン部分は、まずローカル Y キャップです。 無視する
インダクタンス; Y コンデンサにかかる電圧は分圧器として計算できます。 120pFおよび400Vのタブ静電容量をYで割ったもの コンデンサ (2x4n7)、結果として Ycap を 5V (134dBμV) 上回ります (測定値に近い)。 65dBμVのEMC制限を満たすため。 約 70dB の減衰を持つフィルターが必要になります。 Y容量値は地絡漏れ電流により制限されるため、インダクタンスのみを大きくすることができます。 2kHz で 65dB の 200 段フィルタには 10mF および 10nF の Ycap が必要ですが、これは大きくて高価です。
2mm アルミナなどの厚いアイソレータを使用すると静電容量を 10 分の 247 に減らすことができますが、このアプリケーションではヒートシンク ペーストが必要となり、熱抵抗が大幅に低下します。 適切な EMI 対策の第一のルールは、可能な場合には発生源でノイズ発生源を排除することです。 ここでは簡単です。冷却タブがソースに接続されたトランジスタを使用すると、ヒートシンクへのスイッチ電圧電荷の注入が排除されます。 ソース接続冷却機能を備えた TO-063 パック GaN トランジスタは、ソース タブを備えた複数のベンダーから入手可能です。Nexperia は、GaN-650-XNUMXW をサンプルしてくれました。
GaNトランジスタの変更
最初に注意すべきことは、GaN のピン配置が標準の T0-247 とは異なることです。 標準的な MOSFET にはドレインが中央にあります。 GaN にはセンターピンとしてソースがあります。 MOSFETをGaNトランジスタに置き換えるには、 GaN の脚を曲げる必要があり、ドレインとソースを効果的に交換する必要がありました。 絶縁を保証するために PTFE スリーブが使用されました。 リードを再形成することは、GaN 上のソースが通常より長くなり、より多くのインダクタンスを持つことを意味します。 これにより、スイッチングに問題が発生したり、大電流で発振が発生したりする可能性があります。 これは理想的ではありませんが、ボードを再設計することなく、簡単に最初に確認することができます。
図3：ガンの脚の改革
15nCのGaNゲート電荷は同様のMOSFETの約XNUMX分のXNUMXであるため、ゲート 抵抗 18Ωに増加したということは、余分なドライバー段を取り除くことができ、トランジスタをPFCコントローラーから直接駆動できることも意味しました。
波形パラメータ計測
図4に、比較可能なドレイン-ソーススイッチング波形を示します。 最初の驚きは、リードが曲がっているにもかかわらず、波形の切り替えがクリーンであることでした。 ターンオフスイッチング速度（dV / dt）は同様ですが、GaNにはターンオフの開始時に最初の遅い立ち上がり時間がありません。 ゲートがローになってからスイッチングするまでの短い遅延は、Vds <50Vでの出力容量がはるかに小さいという利点です。 GaNのターンオンはやや速く、40V / nSはMOSFETの約XNUMX倍の速さであり、ターンオフ時のリンギングも同様です。 非常に長いソースリードを備えた拡張リフォームリードをトランジスタに取り付ける方法を考えると、ターンオン時のリンギングはそれほど驚くことではありません。
図 5 の EMI プロットは、ソース接続タブの利点を明確に示しています。スペクトル全体がよりクリーンに見え、10kHz でのエミッションが約 170dB 低くなります。テストでは、より大きな x を追加することで 170kHz の放射をさらに低減できることが示されました。 コンデンサ一方、MOSFET では、より大きな Ycap と Xcap が必要になります。 MOSFET の立ち上がり時間は 20nS で、GaN の 10nS と比較して、GaN ノイズ スペクトルは XNUMX 倍のカットオフ周波数を持つことになりますが、より重要なのは、ヒートシンクへのスイッチド レインの静電容量が実質的に除去されることです。 GaN を使用することでシャーシ内に注入される電流が排除されます。シャーシが静かであることを期待していました。さらなる調査により、SiC ダイオードのカソード リードのインダクタンスがシャーシへの主なノイズ インジェクタであることが判明しました。カソードリードインダクタンスのスイッチ電流により、タブに電圧が誘導されます。この電圧はヒートシンクに容量結合され、シャーシに電流を注入します。ここには大きな電圧がないため、ダイオードのリード線とエルコの間にある小さなスナバにより、コストと電力損失を最小限に抑えてほとんどのノイズを除去できます。典型的な EMC では、XNUMX つのノイズ源のみを除去してから、さらに多くのノイズ源を発見します。
図4：スイッチング波形の比較
図5：EMI測定MOSFETとGaN
まとめ
ソースタブ付きトランジスタを使用すると、その発生源でEMIの重要な発生源が排除されました。 リード線が長く曲がっているにもかかわらず、GaNの性能に驚かされました。 ソースセンターピンTO-247のピン配置により、電流ドレインタブ付きトランジスタよりもはるかに優れたレイアウトが可能になり、おそらくEMIがさらに改善され、損失が少なくなります。