Os problemas de EMI costumam ser o último grande gargalo no final do desenvolvimento do produto. A modelagem e as primeiras medições ajudam a reduzir o risco, mas especialmente quando um design compacto é necessário, há pouco espaço para mudanças de última hora. Conforme as escalas de tempo diminuem, os preços do componentes usei aumento proporcional ao desespero e pressão para colocar a unidade no mercado.
Os problemas da EMI
Raramente vi filtros EMI sendo otimizados em termos de custo depois que uma solução foi encontrada. O tempo, os orçamentos de engenharia e os riscos não permitem; tornando ainda mais importante ter uma solução EMI boa e econômica desde o início. Recentemente, ajudei a depurar uma unidade monofásica de 3kW com um PFC de reforço padrão. O Transistor uma super junção padrão 650V T0-247 MOSFET estava injetando muito ruído de modo comum no chassi. Eliminando a fonte do ruído, substituindo o mosfet com uma fonte com guias, Nexperia GAN063-650W, era uma solução simples e econômica. Este artigo mostra medidas e métodos de diagnóstico.
LISN
As medições EMI são conduzidas usando um LISN na entrada da fonte de alimentação. O LISN fornece uma impedância de fonte definida para as medições, bem como remove os sinais de baixa frequência.
Figura 1: LISN padrão
A Figura 1 mostra o LISN padrão. A terminação de 50Ω no receptor com o limite 100nF, fornece uma frequência de corte LF de 30kHz; o que efetivamente remove a ondulação da rede da medição para que as pequenas perturbações de nível possam ser vistas pelo receptor. Para observar a perturbação de HF com um osciloscópio, é necessário remover a rede dominante. Um sistema de 50Ω como o usado no LISN mudaria o sistema e distorceria significativamente as medições, então um filtro de alta impedância (1nF cap com 10k para GND) foi usado. O filtro remove os componentes de baixa frequência. Apenas o ruído HF é visível sem carregar significativamente o circuito. O canal de matemática do osciloscópio foi usado para calcular a parte diferencial do ruído. (ch1-ch2) e para ter uma ideia em tempo real da eficácia do filtro.
Medidas
Usando o filtro HF, o ruído pode ser visto em vários nós ao redor do esquema PFC (Figura 2). Os traços verdes e amarelos sobrepostos mostram a tensão para o terra, e o traço azul claro é a tensão diferencial. Observe que a escala é 2V/div e 1V div para o canal matemático.
Olhando para as várias parcelas; (5) a saída, após o Indutor quase não tem ruído de modo comum (azul). No mosfet (4), o ruído de modo comum pode ser claramente visto como sincronizado com a comutação do mosfet. O gráfico 3 mostra o ruído que o filtro deve atenuar, o ruído de modo comum é dominante, mas também o ruído diferencial significativo. O gráfico 2 mostra o ruído após um estágio de filtro. A escala é a mesma do gráfico 3, o ruído de modo comum da frequência de comutação foi reduzido em 14dB de ~1V para ~200mV; poderíamos esperar mais de um estágio de filtro.
Figura 2: ruído HF em torno do esquema
Os gráficos mostram claramente que o ruído é produzido pelo mosfet (nenhuma grande surpresa!), mas o mais surpreendente é que a maior parte do ruído de alta frequência é de modo comum (gráficos 1-3). A remoção do dreno do dissipador de calor aterrado confirmou que a capacitância do gabinete do mosfet, alternando 400V em 20nS, gera a maior parte do ruído de modo comum.
Corrente injetada no dissipador de calor A guia mosfet possui uma área de cerca de 245mm². Ele é montado em um isolador de 100μm que cria uma capacitância de cerca de 120pF no dissipador de calor. A 20V/nS, a corrente injetada no dissipador é de 400mA. A parte de retorno desta corrente é primeiro os limites Y locais. Ignorando
indutância; a tensão sobre os capacitores Y pode ser calculada como um divisor de tensão; capacitância da guia com 120pF e 400V dividida pelo Y capacitores (2x4n7), resultando em 5V (134dBμV) sobre o Ycap (próximo ao valor medido). Para atender a um limite EMC de 65dBμV; seria necessário um filtro com cerca de 70dB de atenuação. Como o valor da capacitância Y é limitado devido às correntes de fuga à terra, apenas a indutância pode ser aumentada. Um filtro de 2 estágios com 65dB a 200kHz poderia ter Ycaps de 10mF e 10nF, o que é grande e caro.
Um isolador mais espesso, como alumina de 2 mm, pode reduzir a capacitância por um fator de 10, mas nesta aplicação seria necessária pasta de dissipador de calor e a resistência térmica seria significativamente degradada. A primeira regra das boas práticas de EMI é eliminar os geradores de ruído na fonte sempre que possível; aqui é fácil, um transistor com a aba de resfriamento conectada à fonte eliminaria a injeção de carga de tensão comutada no dissipador de calor. Transistores GaN embalados TO-247 com resfriamento conectado à fonte estão disponíveis em vários fornecedores com guias de fonte. A Nexperia gentilmente provou o GaN-063-650W.
Modificações para o transistor GaN
A primeira coisa a notar é que o GaN tem uma pinagem diferente do padrão T0-247. O MOSFET padrão possui o dreno no meio; o GaN tem a fonte como pino central. Para substituir o MOSFET pelo Transistor GaN; as pernas do GaN tiveram que ser dobradas, com o dreno e a fonte sendo efetivamente trocados. Mangas de PTFE foram usadas para garantir o isolamento. A reforma dos cabos significou que a fonte do GaN é mais longa que o normal e tem mais indutância; o que poderia criar problemas de comutação e possível oscilação em altas correntes. Isso não é o ideal, mas permite uma primeira olhada rápida sem redesenhar o quadro.
Figura 3: reformando pernas Gan
A carga do portão GaN com 15nC é cerca de um décimo de um MOSFET semelhante, então o portão Resistor foi aumentado para 18Ω, isso também significou que o estágio extra do driver poderia ser removido e o transistor poderia ser acionado diretamente do controlador PFC.
Medidas
A Figura 4 mostra formas de onda de comutação dreno-fonte comparáveis. A primeira surpresa foi a troca de formas de onda limpa, apesar das pontas tortas. As velocidades de comutação de desligamento (dV / dt) são semelhantes, mas o GaN não tem o tempo de aumento lento inicial no início do desligamento. O pequeno atraso entre o gate ficar baixo e a comutação é um benefício da capacitância de saída muito menor em Vds <50V. O turnon GaN é um pouco mais rápido, com 40V / nS é cerca de duas vezes mais rápido que o MOSFET, tocando no desligamento é semelhante. Há mais zumbidos ao ligar, o que não é muito surpreendente, considerando como o transistor é montado com cabos reformados estendidos com um cabo de fonte muito longo.
Os gráficos EMI na figura 5 mostram claramente o benefício da guia conectada à fonte. Todo o espectro parece mais limpo, com emissões cerca de 10dB mais baixas a 170kHz. Os testes mostraram que as emissões de 170 kHz poderiam ser ainda mais reduzidas com a adição de um valor x maior. capacitor, enquanto que com o MOSFET seriam necessários Ycaps e Xcaps maiores. O MOSFET tem um tempo de subida de 20nS, comparado ao GaN 10nS, de modo que o espectro de ruído do GaN teria a frequência de corte dupla, mas o mais importante é a eliminação virtual da capacitância do dreno comutado para o dissipador de calor. Com as correntes injetadas no chassi eliminadas pelo uso do GaN; esperávamos que o chassi estivesse silencioso. Uma investigação mais aprofundada revelou que a indutância do cátodo do diodo SiC era agora o principal injetor de ruído no chassi. A corrente comutada na indutância do terminal catódico induz uma tensão na guia. Esta tensão é acoplada capacitivamente ao dissipador de calor e injeta corrente no chassi. Como não há grande tensão aqui, um pequeno amortecedor entre o terminal do diodo e o elco removeu a maior parte do ruído com custo e perda de energia mínimos. EMC típico, remova apenas uma fonte de ruído para descobrir mais.
Figura 4: Comparação de formas de onda de comutação
Figura 5: Medição de EMI Mosfet e GaN
Conclusão
Usar o transistor com guias eliminou uma fonte significativa de EMI em sua origem. Fiquei surpreso com o desempenho do GaN, apesar de ter cabos longos e tortos. A pinagem com o pino central da fonte TO-247 permitirá um layout muito melhor do que o transistor com abas de dreno atual, provavelmente com mais melhorias EMI e perdas menores.