EMI 문제는 종종 제품 개발이 끝날 때의 마지막 주요 병목입니다. 모델링 및 첫 번째 측정은 위험을 줄이는 데 도움이되지만 특히 컴팩트 한 디자인이 필요한 경우 마지막 순간에 변경할 공간이 거의 없습니다. 시간 척도가 미끄러짐에 따라 가격은 구성 요소들 장치를 시장에 출시하기 위해 절망과 압력에 비례하여 증가를 사용했습니다.
EMI의 문제점
솔루션을 찾은 후 EMI 필터가 비용 최적화되는 것을 거의 보지 못했습니다. 시간, 엔지니어링 예산 및 위험이 이를 허용하지 않습니다. 시작부터 우수하고 비용 효율적인 EMI 솔루션을 갖추는 것이 더욱 중요해집니다. 최근에 저는 표준 부스트 PFC를 사용하여 3kW 단상 장치를 디버깅하는 데 도움을 주고 있었습니다. 그만큼 트랜지스터 표준 650V T0-247 슈퍼 정션 MOSFET 섀시에 많은 공통 모드 노이즈를 주입했습니다. 교체하여 소음원 제거 이끼 소스 탭이있는 Nexperia GAN063-650W는 간단하고 비용 효율적인 솔루션이었습니다. 이 기사에서는 측정 및 진단 방법을 보여줍니다.
리스
EMI 측정은 전원 공급 장치 입력에서 LISN을 사용하여 수행됩니다. LISN은 저주파 신호를 제거하고 측정을 위해 정의 된 소스 임피던스를 제공합니다.
그림 1 : 표준 LISN
그림 1은 표준 LISN을 보여줍니다. 50nF 캡이있는 수신기의 100Ω 종단은 30kHz의 LF 차단 주파수를 제공합니다. 이는 측정에서 주전원 리플을 효과적으로 제거하여 수신기가 작은 수준의 방해를 볼 수 있도록합니다. 스코프를 사용하여 HF 장애를 확인하려면 주요 전원을 제거해야합니다. LISN에 사용 된 50Ω 시스템은 시스템을 변경하고 측정 값을 크게 왜곡하므로 높은 임피던스 필터 (1k에서 GND로 10nF 캡)가 사용되었습니다. 필터는 저주파 성분을 제거합니다. 회로에 큰 부하를주지 않으면 서 HF 노이즈 만 보입니다. 스코프 수학 채널은 노이즈의 미분 부분을 계산하는 데 사용되었습니다. (ch1-ch2) 필터가 얼마나 효과적인지 실시간으로 느낄 수 있습니다.
측정
HF 필터를 사용하면 PFC 회로도 주변의 다양한 노드에서 잡음을 볼 수 있습니다(그림 2). 중첩된 녹색 및 노란색 트레이스는 접지 전압을 표시하고 연한 파란색 트레이스는 차동 전압을 나타냅니다. 수학 채널의 스케일링은 2V/div 및 1V div입니다.
다양한 플롯을 살펴 봅니다. (5) 출력 후 성직 수 여자 커먼 모드 노이즈(파란색)가 거의 없습니다. 에서 이끼 (4) 공통 모드 노이즈는 이끼. 플롯 3은 필터가 감쇠해야 하는 잡음을 보여줍니다. 공통 모드 잡음이 지배적이지만 중요한 차동 잡음도 있습니다. 플롯 2는 한 필터 단계 이후의 잡음을 보여줍니다. 스케일링은 플롯 3과 동일하며 스위칭 주파수 공통 모드 노이즈는 ~14V에서 ~1mV로 200dB 감소했습니다. 필터 단계에서 더 많은 것을 기대할 수 있습니다.
그림 2 : 회로도 주변의 HF 노이즈
플롯은 MOSFET에 의해 잡음이 생성된다는 것을 분명히 보여주지만(놀랍지 않습니다!) 더 놀랍게도 대부분의 고주파수 잡음은 공통 모드(플롯 1-3)입니다. 접지된 방열판에서 드레인을 제거하면 400nS에서 20V로 전환되는 MOSFET 케이스의 커패시턴스가 대부분의 공통 모드 잡음을 생성하는 것으로 확인되었습니다.
히트싱크에 주입되는 전류 MOSFET 탭의 면적은 약 245mm²입니다. 이는 방열판에 약 100pF의 정전 용량을 생성하는 120μm 절연체에 장착됩니다. 20V/nS에서 방열판에 주입되는 전류는 400mA입니다. 이 전류의 복귀 부분은 먼저 로컬 Y 캡입니다. 묵살
인덕턴스; Y 커패시터의 전압은 전압 분배기로 계산할 수 있습니다. 120pF 및 400V의 탭 정전 용량을 Y로 나눈 값 커패시터 (2x4n7), Ycap에 대해 5V(134dBμV)가 됩니다(측정값에 가깝습니다). 65dBμV EMC 제한을 충족하려면 약 70dB 감쇠가 있는 필터가 필요합니다. Y 커패시턴스 값은 접지 누설 전류로 인해 제한되므로 인덕턴스만 높일 수 있습니다. 2kHz에서 65dB인 200단계 필터는 10mF 및 10nF Ycaps를 가질 수 있으며 이는 크고 비쌉니다.
2mm 알루미나와 같은 더 두꺼운 절연체는 정전 용량을 10배까지 줄일 수 있지만 이 응용 분야에서는 방열판 페이스트가 필요하며 열 저항이 크게 저하됩니다. 올바른 EMI 실행의 첫 번째 규칙은 가능한 경우 소스에서 잡음 발생기를 제거하는 것입니다. 여기서는 쉽습니다. 냉각 탭이 소스에 연결된 트랜지스터는 방열판에 전환된 전압 전하 주입을 제거합니다. 소스 연결 냉각 기능을 갖춘 TO-247 패킹 GaN 트랜지스터는 소스 탭이 있는 여러 공급업체에서 구입할 수 있으며 Nexperia는 GaN-063-650W를 친절하게 샘플링했습니다.
GaN 트랜지스터 수정
가장 먼저 주목해야 할 점은 GaN의 핀아웃이 표준 T0-247과 다르다는 것입니다. 표준 MOSFET에는 중앙에 드레인이 있습니다. GaN에는 소스가 중앙 핀으로 있습니다. MOSFET을 GaN 트랜지스터로 교체하려면, GaN 다리는 구부러져야 했고, 드레인과 소스는 효과적으로 교체되어야 했습니다. 격리를 보장하기 위해 PTFE 슬리브가 사용되었습니다. 리드를 개혁한다는 것은 GaN의 소스가 평소보다 길고 인덕턴스가 더 많다는 것을 의미합니다. 이는 고전류에서 스위칭 및 발진 가능성에 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 이상적이지는 않지만 보드를 다시 디자인하지 않고도 빠르게 처음 살펴볼 수 있습니다.
그림 3 : Gan 다리 개질
15nC의 GaN 게이트 전하는 비슷한 MOSFET의 약 XNUMX 분의 XNUMX이므로 게이트는 저항기 18Ω으로 증가했다는 것은 추가 드라이버 스테이지가 제거될 수 있고 트랜지스터가 PFC 컨트롤러에서 직접 구동될 수 있다는 의미이기도 합니다.
측정
그림 4는 유사한 드레인 소스 스위칭 파형을 보여줍니다. 첫 번째 놀라움은 구부러진 리드에도 불구하고 깨끗한 스위칭 파형이었습니다. 끄기 스위칭 속도 (dV / dt)는 비슷하지만 GaN은 끄기 시작시 초기 느린 상승 시간이 없습니다. 낮은 게이트와 스위칭 사이의 짧은 지연은 Vds <50V에서 훨씬 작은 출력 커패시턴스의 이점입니다. GaN 턴온은 다소 빠르며 40V / nS는 MOSFET보다 약 XNUMX 배 빠르며 턴 오프시 링잉은 비슷합니다. 턴온시 더 많은 링잉이 발생하는데 이는 트랜지스터가 매우 긴 소스 리드를 사용하여 확장 된 개질 리드로 장착되는 방식을 고려할 때 그리 놀라운 일이 아닙니다.
그림 5의 EMI 플롯은 소스 연결 탭의 이점을 명확하게 보여줍니다. 전체 스펙트럼은 10kHz에서 방출이 약 170dB 낮아져 더 깨끗해 보입니다. 테스트 결과 더 큰 x를 추가하면 170kHz 방출을 더욱 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 콘덴서반면 MOSFET의 경우에는 더 큰 Ycap과 Xcap이 필요합니다. MOSFET의 상승 시간은 GaN 20nS에 비해 10nS이므로 GaN 잡음 스펙트럼은 이중 차단 주파수를 갖지만 더 중요한 것은 스위칭 드레인의 방열판 정전 용량을 사실상 제거하는 것입니다. GaN을 사용하여 섀시에 주입된 전류를 제거합니다. 우리는 섀시가 조용할 것으로 예상했습니다. 추가 조사를 통해 SiC 다이오드 캐소드 리드의 인덕턴스가 이제 섀시의 주요 노이즈 인젝터인 것으로 밝혀졌습니다. 음극 리드 인덕턴스의 전환된 전류는 탭에 전압을 유도합니다. 이 전압은 방열판에 용량적으로 결합되어 섀시에 전류를 주입합니다. 여기에는 큰 전압이 없기 때문에 다이오드 리드와 Elco 사이의 작은 스너버가 최소한의 비용과 전력 손실로 대부분의 노이즈를 제거했습니다. 일반적인 EMC는 하나의 노이즈 소스만 제거한 다음 더 많은 노이즈 소스를 발견합니다.
그림 4 : 스위칭 파형 비교
그림 5 : EMI 측정 Mosfet 및 GaN
결론
소스 탭 트랜지스터를 사용하면 원래 EMI의 중요한 소스가 제거되었습니다. 나는 긴 구부러진 리드에도 불구하고 GaN이 얼마나 잘 수행되는지에 놀랐습니다. 소스 센터 핀 TO-247이있는 핀아웃은 전류 드레인 탭 트랜지스터보다 훨씬 더 나은 레이아웃을 가능하게하여 EMI를 더 많이 개선하고 손실을 줄입니다.