EMI-problemen zijn vaak het laatste grote knelpunt aan het einde van de productontwikkeling. Modellering en eerste metingen helpen om het risico te verminderen, maar vooral wanneer een compact ontwerp vereist is, is er weinig ruimte voor last-minute wijzigingen. Naarmate de tijdschalen verschuiven, worden de prijzen van de componenten gebruikte toename in verhouding tot de wanhoop en druk om de eenheid op de markt te brengen.
De problemen van EMI
Ik heb zelden gezien dat EMI-filters kostengeoptimaliseerd werden nadat er een oplossing was gevonden. Tijd, technische budgetten en risico's laten het niet toe; waardoor het nog belangrijker wordt om vanaf het begin een goede en kosteneffectieve EMI-oplossing te hebben. Onlangs hielp ik bij het debuggen van een 3kW enkelfasige unit met een standaard boost PFC. De Transistor een standaard 650V T0-247 superjunction MOSFET injecteerde veel common-mode ruis in het chassis. Elimineer de bron van het geluid door de mosfet met een brontabblad, Nexperia GAN063-650W, was een eenvoudige en kosteneffectieve oplossing. Dit artikel toont metingen en diagnostische methoden.
LISN
EMI-metingen worden uitgevoerd met behulp van een LISN bij de voedingsingang. Het LISN zorgt voor een gedefinieerde bronimpedantie voor de metingen en verwijdert laagfrequente signalen.
Figuur 1: Standaard LISN
Figuur 1 toont het standaard LISN. De 50Ω afsluiting in de ontvanger met de 100nF kap geeft een LF afsnijfrequentie van 30kHz; die effectief de netspanningsrimpel uit de meting verwijdert, zodat de kleine niveaustoringen door de ontvanger kunnen worden gezien. Om met een scoop naar de HF-storing te kijken, is het noodzakelijk om het dominante net weg te halen. Een 50Ω-systeem zoals gebruikt in het LISN zou het systeem veranderen en de metingen aanzienlijk vervormen, dus werd een filter met hoge impedantie (1nF cap met 10k naar GND) gebruikt. Het filter verwijdert de laagfrequente componenten. Alleen de HF-ruis is zichtbaar zonder de schakeling noemenswaardig te belasten. Het scoop-wiskundig kanaal werd gebruikt om het differentiële deel van de ruis te berekenen. (ch1-ch2) en om in realtime een gevoel te krijgen hoe effectief het filter is.
Afmetingen
Met behulp van het HF-filter is de ruis te zien op verschillende knooppunten rond het PFC-schema (Figuur 2). De over elkaar liggende groene en gele sporen tonen de spanning naar aarde, en het lichtblauwe spoor is de differentiële spanning. Merk op dat de schaling 2V/div en 1V div is voor het wiskundekanaal.
Kijkend naar de verschillende percelen; (5) de uitvoer, na de Inductor heeft bijna geen common mode ruis (blauw). Bij de mosfet (4), de common-mode ruis is duidelijk te zien als gesynchroniseerd met het schakelen van de mosfet. Plot 3 toont de ruis die het filter zou moeten dempen, common-mode ruis is dominant, maar ook significante differentiële ruis. Grafiek 2 toont de ruis na één filtertrap. De schaalverdeling is hetzelfde als plot 3, de common-mode ruis van de schakelfrequentie is met 14 dB verlaagd van ~1V naar ~200mV; van een filtertrap mogen we meer verwachten.
Figuur 2: HF-ruis rond het schema
De grafieken laten duidelijk zien dat er ruis wordt geproduceerd door de mosfet (geen grote verrassing!), maar verrassender is dat de meeste hoogfrequente ruis common-mode is (grafieken 1-3). Het verwijderen van de afvoer van het geaarde koellichaam bevestigde dat de capaciteit van de mosfet-behuizing, die 400 V in 20 nS schakelt, het grootste deel van de common-mode-ruis genereert.
Stroom geïnjecteerd in het koellichaam. Het mosfet-lipje heeft een oppervlakte van ongeveer 245 mm². Het is gemonteerd op een isolator van 100 μm, die een capaciteit van ongeveer 120 pF naar het koellichaam creëert. Bij 20V/nS bedraagt de stroom die in het koellichaam wordt geïnjecteerd 400mA. Het retourdeel voor deze stroom zijn eerst de lokale Y-kappen. Negeren
inductie; de spanning over de Y-condensatoren kan worden berekend als een spanningsdeler; tabcapaciteit met 120pF en 400V gedeeld door de Y Condensatoren (2x4n7), resulterend in 5V (134dBμV) over de Ycap (dicht bij de gemeten waarde). Om te voldoen aan een EMC-limiet van 65 dBμV; een filter met ongeveer 70dB demping zou nodig zijn. Omdat de Y-capaciteitswaarde beperkt is door aardlekstromen, kan alleen de inductantie worden verhoogd. Een 2-traps filter met 65dB bij 200kHz zou 10mF en 10nF Ycaps kunnen hebben, wat groot en duur is.
Een dikkere isolator, zoals aluminiumoxide van 2 mm, kan de capaciteit met een factor 10 verminderen, maar bij deze toepassing zou koelpasta nodig zijn en zou de thermische weerstand aanzienlijk afnemen. De eerste regel van goede EMI-praktijken is om geluidsgeneratoren waar mogelijk aan de bron te elimineren; hier is het eenvoudig: een transistor waarvan het koellipje is aangesloten op de bron, zou de injectie van geschakelde spanningslading in het koellichaam elimineren. TO-247 verpakte GaN-transistoren met brongekoppelde koeling zijn verkrijgbaar bij meerdere leveranciers met brontabbladen, Nexperia was zo vriendelijk om de GaN-063-650W te bemonsteren.
Aanpassingen voor de GaN-transistor
Het eerste dat moet worden opgemerkt, is dat de GaN een andere pin-out heeft dan een standaard T0-247. De standaard MOSFET heeft de drain in het midden; de GaN heeft de bron als middelste pin. Om de MOSFET te vervangen door de GaN-transistor; de GaN-poten moesten worden gebogen, waarbij de afvoer en de bron effectief werden verwisseld. Om de isolatie te garanderen werd gebruik gemaakt van PTFE-kousen. Het hervormen van de kabels betekende dat de bron op de GaN langer is dan normaal en meer inductie heeft; wat problemen zou kunnen veroorzaken bij het schakelen en mogelijke oscillatie bij hoge stromen. Dit is niet ideaal, maar maakt wel een snelle eerste blik mogelijk zonder een herontwerp van het bord.
Figuur 3: Gan-benen hervormen
De GaN-poortlading met 15nC is ongeveer een tiende van een vergelijkbare MOSFET, dus de poort Weerstand verhoogd naar 18Ω betekende dit ook dat de extra drivertrap kon worden verwijderd en de transistor rechtstreeks vanuit de PFC-controller kon worden aangestuurd.
Afmetingen
Figuur 4 toont vergelijkbare golfvormen van drain-source-schakeling. De eerste verrassing was de schone schakelgolfvorm, ondanks de verbogen kabels. Uitschakelen Schakelsnelheden (dV/dt) zijn vergelijkbaar, maar de GaN heeft niet de initiële langzame stijgtijd aan het begin van het uitschakelen. De korte vertraging tussen het laag gaan van de poort en het schakelen is een voordeel van de veel kleinere uitgangscapaciteit bij Vds<50V. Het inschakelen van GaN is iets sneller, met 40V/nS is het ongeveer twee keer zo snel als de MOSFET, het rinkelen bij het uitschakelen is vergelijkbaar. Er is meer gerinkel bij het inschakelen, wat niet zo verwonderlijk is als je bedenkt hoe de transistor is gemonteerd met verlengde gereformeerde kabels met een zeer lange bronkabel.
EMI-diagrammen in figuur 5 laten duidelijk het voordeel zien van het tabblad met bronverbinding. Het hele spectrum ziet er schoner uit, met ongeveer 10 dB lagere emissies bij 170 kHz. Uit tests bleek dat de 170 kHz-emissies verder konden worden verminderd door een grotere x toe te voegen condensator, terwijl bij de MOSFET grotere Ycaps en Xcaps nodig zouden zijn. De MOSFET heeft een stijgtijd van 20 nS, vergeleken met de GaN 10nS, zodat het GaN-ruisspectrum de dubbele afsnijfrequentie zou hebben, maar belangrijker is de virtuele eliminatie van de capaciteit van de geschakelde afvoer naar het koellichaam. Met de geïnjecteerde stromen in het chassis geëlimineerd door gebruik te maken van de GaN; we hadden verwacht dat het chassis stil zou zijn. Nader onderzoek bracht aan het licht dat de inductantie van de SiC-diodekathodeleiding nu de primaire ruisinjector in het chassis was. De geschakelde stroom in de kathodeleidinginductantie induceert een spanning op het lipje. Deze spanning wordt capacitief gekoppeld aan het koellichaam en injecteert stroom in het chassis. Omdat er hier geen grote spanning is, heeft een kleine demper tussen de diodekabel en de elco de meeste ruis verwijderd met minimale kosten en vermogensverlies. Typisch EMC, verwijder slechts één ruisbron om vervolgens meer te ontdekken.
Figuur 4: Golfvormvergelijking schakelen
Figuur 5: EMI-meting Mosfet en GaN
Conclusie
Door gebruik te maken van de brontransistor met tabbladen werd een belangrijke bron van EMI aan de oorsprong geëlimineerd. Ik was verrast door hoe goed de GaN presteerde ondanks de lange gebogen kabels. De pinout met de source center pin TO-247 zal een veel betere lay-out mogelijk maken dan de huidige drain tabbed transistor, met waarschijnlijk meer EMI-verbeteringen en lagere verliezen.