Masalah EMI sering menjadi hambatan utama terakhir pada akhir pengembangan produk. Pemodelan dan pengukuran pertama membantu mengurangkan risiko, tetapi terutama apabila reka bentuk yang ringkas diperlukan, ada sedikit ruang untuk perubahan pada saat-saat terakhir. Apabila skala masa merosot, harga komponen peningkatan digunakan sesuai dengan keputusasaan dan tekanan untuk membuat unit dipasarkan.
Masalah EMI
Saya jarang melihat penapis EMI dioptimumkan kos sebaik sahaja penyelesaian ditemui. Masa, belanjawan kejuruteraan dan risiko tidak mengizinkannya; menjadikannya lebih penting untuk mempunyai penyelesaian EMI yang baik dan kos efektif dari awal. Baru-baru ini saya telah membantu menyahpepijat unit fasa tunggal 3kW dengan PFC rangsangan standard. The Transistor simpang super 650V T0-247 standard MOSFET sedang menyuntik banyak bunyi mod biasa ke dalam casis. Menghilangkan sumber kebisingan dengan menggantikan mosfet dengan sumber tab, Nexperia GAN063-650W, adalah penyelesaian yang mudah dan kos efektif. Artikel ini menunjukkan kaedah pengukuran dan diagnostik.
SENARAI
Pengukuran EMI dilakukan menggunakan LISN pada input bekalan kuasa. LISN memberikan impedans sumber yang ditentukan untuk pengukuran serta mengeluarkan isyarat frekuensi rendah.
Gambar 1: LISN Piawai
Rajah 1 menunjukkan LISN standard. Penamatan 50Ω dalam penerima dengan topi 100nF, memberikan frekuensi pemotongan LF 30kHz; yang secara berkesan menghilangkan riak utama dari pengukuran sehingga gangguan tahap kecil dapat dilihat oleh penerima. Untuk melihat gangguan HF dengan ruang lingkup, adalah perlu untuk membuang arus utama yang dominan. Sistem 50Ω seperti yang digunakan dalam LISN akan mengubah sistem dan mengubah pengukuran dengan ketara, jadi penapis impedans tinggi (topi 1nF dengan 10k hingga GND) digunakan. Penapis mengeluarkan komponen frekuensi rendah. Hanya bunyi HF yang dapat dilihat tanpa memuatkan litar dengan ketara. Saluran matematik skop digunakan untuk mengira bahagian kebisingan. (ch1-ch2) dan untuk mengetahui secara langsung seberapa berkesan penapis itu.
Pengukuran
Menggunakan penapis HF, hingar boleh dilihat pada pelbagai nod di sekeliling skema PFC (Rajah 2). Jejak hijau dan kuning bertindih menunjukkan voltan ke tanah, dan jejak biru muda ialah voltan pembezaan. Perhatikan penskalaan ialah 2V/div dan 1V div untuk saluran matematik.
Melihat pelbagai plot; (5) output, setelah Peraruh hampir tiada bunyi mod biasa (biru). Dekat mosfet (4), bunyi mod biasa boleh dilihat dengan jelas disegerakkan dengan pensuisan mosfet. Plot 3 menunjukkan hingar yang harus dilemahkan oleh penapis, bunyi mod biasa adalah dominan, tetapi juga bunyi pembezaan yang ketara. Plot 2 menunjukkan hingar selepas satu peringkat penapis. Skala adalah sama seperti plot 3, bunyi mod biasa frekuensi penukaran telah dikurangkan 14dB daripada ~1V kepada ~200mV; kita boleh mengharapkan lebih banyak daripada peringkat penapis.
Gambar 2: Bunyi HF di sekitar skema
Plot jelas menunjukkan hingar dihasilkan oleh mosfet (tidak mengejutkan!), tetapi lebih mengejutkan kebanyakan hingar frekuensi tinggi adalah mod biasa (plots1-3). Mengeluarkan longkang daripada heatsink yang dibumikan mengesahkan bahawa kapasitansi bekas mosfet, menukar 400V dalam 20nS, menjana kebanyakan bunyi mod biasa.
Arus disuntik ke dalam heatsink Tab mosfet mempunyai keluasan kira-kira 245mm². Ia dipasang pada pengasing 100μm yang menghasilkan kapasitansi sekitar 120pF ke heatsink. Pada 20V/nS, arus yang disuntik ke dalam heatsink ialah 400mA. Bahagian pulangan untuk arus ini adalah pertama kali penutup Y tempatan. mengabaikan
kearuhan; voltan ke atas Kapasitor Y boleh dikira sebagai pembahagi voltan; kapasitansi tab dengan 120pF dan 400V dibahagikan dengan Y Kapasitor (2x4n7), menghasilkan 5V (134dBμV) di atas Ycap (berhampiran dengan nilai yang diukur). Untuk memenuhi had EMC 65dBμV; penapis dengan pengecilan kira-kira 70dB diperlukan. Oleh kerana nilai kapasitans Y adalah terhad disebabkan oleh arus kebocoran bumi, hanya induktansi boleh ditingkatkan. Penapis 2 peringkat dengan 65dB pada 200kHz boleh mempunyai 10mF dan 10nF Ycaps, yang besar dan mahal.
Pengasing yang lebih tebal seperti alumina 2mm boleh mengurangkan kapasiti dengan faktor 10, tetapi dalam aplikasi ini, pes heatsink akan diperlukan, dan rintangan haba akan terdegradasi dengan ketara. Peraturan pertama amalan EMI yang baik adalah untuk menghapuskan penjana bunyi pada sumber apabila boleh; di sini adalah mudah, Transistor dengan tab penyejukan disambungkan ke sumber akan menghapuskan suntikan cas voltan bertukar ke dalam heatsink. Transistor GaN yang dibungkus TO-247 dengan penyejukan bersambung sumber boleh didapati daripada berbilang vendor dengan tab sumber, Nexperia telah mencuba GaN-063-650W.
Pengubahsuaian untuk Transistor GaN
Perkara pertama yang perlu diperhatikan ialah GaN mempunyai pinout yang berbeza dengan standard T0-247. MOSFET standard mempunyai, longkang di tengah; GaN mempunyai sumber sebagai pin tengah. Untuk menggantikan MOSFET dengan Transistor GaN; kaki GaN terpaksa dibengkokkan, dengan longkang dan punca ditukar dengan berkesan. Sleeving PTFE digunakan untuk menjamin pengasingan. Memperbaharui petunjuk bermakna sumber pada GaN lebih panjang daripada biasa dan mempunyai lebih banyak kearuhan; yang boleh menimbulkan masalah dengan pensuisan dan kemungkinan ayunan pada arus tinggi. Ini tidak sesuai, tetapi membenarkan pandangan pertama yang cepat tanpa reka bentuk semula papan.
Gambar 3: Membentuk semula kaki Gan
Caj gerbang GaN dengan15nC adalah kira-kira sepersepuluh dari MOSFET yang serupa, jadi gerbang Perintang telah dinaikkan kepada 18Ω ia juga bermakna peringkat pemacu tambahan boleh dialih keluar dan Transistor boleh dipacu terus daripada pengawal PFC.
Pengukuran
Rajah 4 menunjukkan bentuk gelombang pertukaran sumber saliran yang setanding. Kejutan pertama adalah bentuk gelombang beralih yang bersih, walaupun terdapat petunjuk yang membengkokkan. Kelajuan Switching Mati (dV / dt) serupa, tetapi GaN tidak mempunyai masa kenaikan awal yang perlahan pada permulaan pemutus. Kelewatan pendek antara gerbang menjadi rendah dan beralih adalah kelebihan kapasitansi output yang jauh lebih kecil pada Vds <50V. Turnon GaN agak lebih pantas, dengan 40V / nS adalah kira-kira dua kali lebih cepat daripada MOSFET, dering pada turn-off adalah serupa. Terdapat lebih banyak deringan semasa menghidupkan yang tidak terlalu mengejutkan mengingat bagaimana transistor dipasang dengan petunjuk pembaharuan yang diperpanjang dengan plumbum sumber yang sangat panjang.
Plot EMI dalam rajah 5 menunjukkan dengan jelas, manfaat tab bersambung sumber. Keseluruhan spektrum kelihatan lebih bersih, dengan kira-kira 10dB pelepasan lebih rendah pada 170kHz. Ujian menunjukkan pelepasan 170kHz boleh dikurangkan lagi dengan menambahkan x yang lebih besar kapasitor, sedangkan dengan MOSFET Ycaps dan Xcaps yang lebih besar akan diperlukan. MOSFET mempunyai masa kenaikan 20nS, berbanding dengan GaN 10nS supaya spektrum hingar GaN akan mempunyai kekerapan pemotongan dua kali, tetapi yang lebih penting ialah penyingkiran maya kemuatan longkang tersuis ke heatsink. Dengan arus yang disuntik dalam casis dihapuskan dengan menggunakan GaN; kami menjangkakan casis senyap. Siasatan lanjut mendedahkan induktansi plumbum katod diod SiC, kini merupakan penyuntik hingar utama ke dalam casis. Arus tersuis dalam kearuhan plumbum katod, mendorong voltan pada tab. Voltan ini digandingkan secara kapasitif ke heatsink dan menyuntik arus ke dalam casis. Oleh kerana tiada voltan yang besar di sini, snubber kecil di antara plumbum diod dan elco mengeluarkan kebanyakan bunyi dengan kos yang minimum dan kehilangan kuasa. EMC biasa, keluarkan satu sumber hingar sahaja untuk kemudian menemui lebih banyak lagi.
Gambar 4: Menukar Perbandingan Bentuk Gelombang
Gambar 5: Pengukuran EMI Mosfet dan GaN
Kesimpulan
Menggunakan transistor tab sumber menghilangkan sumber EMI yang penting pada asalnya. Saya terkejut dengan seberapa baik prestasi GaN walaupun mempunyai petunjuk panjang yang bengkok. Pinout dengan pin pusat sumber TO-247 akan membolehkan susun atur yang jauh lebih baik daripada transistor tab longkang semasa, dengan kemungkinan peningkatan EMI dan kerugian yang lebih rendah.