Проблемы EMI часто являются последним серьезным препятствием в конце разработки продукта. Моделирование и первые измерения помогают снизить риск, но особенно когда требуется компактная конструкция, остается мало места для внесения изменений в последнюю минуту. По мере того, как шкала времени скользит, цены на компоненты использовали увеличение пропорционально отчаянию и давлению, чтобы вывести устройство на рынок.
Проблемы EMI
Я редко видел, чтобы фильтры электромагнитных помех оптимизировались по стоимости после того, как решение было найдено. Время, инженерные бюджеты и риск не позволяют этого; что делает еще более важным иметь хорошее и экономически эффективное решение EMI с самого начала. Недавно я помогал отлаживать однофазный блок мощностью 3 кВт со стандартной повышающей коррекцией коэффициента мощности. Транзистор стандартный суперпереход Т650-0 247 В МОП-транзистор вносил в шасси много синфазного шума. Устранение источника шума путем замены MOSFET Nexperia GAN063-650W с вкладками для источника оказался простым и экономичным решением. В этой статье показаны измерения и методы диагностики.
Líšnice
Измерения EMI проводятся с использованием LISN на входе источника питания. LISN обеспечивает определенный импеданс источника для измерений, а также удаляет низкочастотные сигналы.
Рисунок 1: Стандартный LISN
На рисунке 1 показан стандартный LISN. Терминатор 50 Ом в приемнике с конденсатором 100 нФ дает частоту среза НЧ 30 кГц; который эффективно устраняет пульсации в сети при измерении, поэтому небольшие отклонения уровня могут быть замечены приемником. Чтобы посмотреть на ВЧ помехи с помощью осциллографа, необходимо удалить доминирующую сеть. Система 50 Ом, используемая в LISN, изменила бы систему и значительно исказила бы измерения, поэтому был использован фильтр с высоким импедансом (конденсатор 1 нФ с 10 кОм на землю). Фильтр удаляет низкочастотные составляющие. Виден только высокочастотный шум без значительной нагрузки на схему. Математический канал осциллографа использовался для вычисления дифференциальной части шума. (ch1-ch2) и почувствовать в реальном времени, насколько эффективен фильтр.
измерения
Используя ВЧ-фильтр, шум можно увидеть в различных узлах схемы PFC (рис. 2). Наложенные друг на друга зеленая и желтая линии показывают напряжение относительно земли, а голубая линия — дифференциальное напряжение. Обратите внимание, что для математического канала масштабирование составляет 2 В/дел и 1 В дел.
Глядя на различные сюжеты; (5) вывод после Индуктор почти не имеет синфазного шума (синий). В MOSFET (4) отчетливо видно, что синфазный шум синхронизирован с переключением MOSFET. На графике 3 показан шум, который должен подавлять фильтр, преобладает синфазный шум, но также присутствует значительный дифференциальный шум. На графике 2 показан шум после одной ступени фильтрации. Масштаб такой же, как на графике 3, синфазный шум частоты переключения уменьшен на 14 дБ с ~1 В до ~200 мВ; мы могли бы ожидать большего от этапа фильтрации.
Рисунок 2: ВЧ-шум вокруг схемы
Графики ясно показывают, что шум создается МОП-транзистором (неудивительно!), но что еще более удивительно, большая часть высокочастотного шума является синфазным (графики 1-3). Удаление стока из заземленного радиатора подтвердило, что емкость корпуса мосфета, переключающая 400 В за 20 нс, генерирует большую часть синфазного шума.
Ток подается в радиатор. Вывод МОП-транзистора имеет площадь около 245 мм². Он установлен на изоляторе толщиной 100 мкм, который создает емкость радиатора около 120 пФ. При 20 В/нс ток, подаваемый в радиатор, составляет 400 мА. Обратной частью этого тока являются сначала местные конденсаторы Y. Игнорирование
индуктивность; напряжение на конденсаторах Y можно рассчитать как делитель напряжения; емкость вкладки с 120 пФ и 400 В, разделенная на Y Конденсаторы (2x4n7), что дает 5 В (134 дБмкВ) на Ycap (близко к измеренному значению). Чтобы соответствовать пределу электромагнитной совместимости 65 дБмкВ; потребуется фильтр с затуханием около 70 дБ. Поскольку значение емкости Y ограничено из-за токов утечки на землю, можно увеличить только индуктивность. 2-ступенчатый фильтр с 65 дБ на частоте 200 кГц может иметь Ycaps 10 мФ и 10 нФ, что является большим и дорогим.
Более толстый изолятор, такой как оксид алюминия толщиной 2 мм, может уменьшить емкость в 10 раз, но в этом случае потребуется теплоотводящая паста, и термическое сопротивление будет значительно ухудшено. Первое правило хорошей практики электромагнитных помех — по возможности устранять генераторы шума в источнике; здесь это легко: транзистор с охлаждающей пластиной, подключенной к источнику, исключит инжекцию заряда коммутируемого напряжения в радиатор. GaN-транзисторы в корпусе TO-247 с охлаждением, подключенным к источнику, доступны у многих поставщиков с вкладками для источника, Nexperia любезно предоставила образец GaN-063-650W.
Модификации для GaN-транзистора
Первое, что следует отметить, это то, что распиновка GaN отличается от стандартной T0-247. Стандартный МОП-транзистор имеет сток посередине; GaN имеет источник в качестве центрального контакта. Заменить МОП-транзистор на GaN-транзистор; ножки GaN пришлось согнуть, при этом сток и исток фактически поменялись местами. Для обеспечения изоляции использовалась трубка из ПТФЭ. Реформирование выводов привело к тому, что источник на GaN стал длиннее обычного и имел большую индуктивность; что может создать проблемы с переключением и возможными колебаниями при больших токах. Это не идеально, но позволяет быстро взглянуть на проект без изменения дизайна платы.
Рисунок 3: Реформирование ног Гана
Заряд затвора GaN с 15 нКл составляет примерно десятую часть аналогичного полевого МОП-транзистора, поэтому затвор резистор было увеличено до 18 Ом, это также означало, что дополнительный каскад драйвера можно было удалить и транзистор можно было управлять напрямую от контроллера PFC.
измерения
На рисунке 4 показаны сопоставимые формы сигналов переключения сток-исток. Первым сюрпризом стали четкие формы сигналов переключения, несмотря на изогнутые выводы. Выключение Скорости переключения (dV / dt) аналогичны, но GaN не имеет начального времени медленного нарастания в начале выключения. Короткая задержка между понижением уровня затвора и переключением является преимуществом гораздо меньшей выходной емкости при Vds <50 В. Включение GaN несколько быстрее, при 40 В / нс это примерно в два раза быстрее, чем у полевого МОП-транзистора, сигнал при выключении аналогичен. При включении появляется больше звона, что неудивительно, учитывая, как транзистор установлен с удлиненными реформированными выводами с очень длинным выводом истока.
Графики электромагнитных помех на рисунке 5 ясно показывают преимущества вкладки «Подключение к источнику». Весь спектр выглядит чище, уровень выбросов примерно на 10 дБ ниже на частоте 170 кГц. Испытания показали, что выбросы на частоте 170 кГц можно дополнительно снизить, добавив больший x конденсатор, тогда как для MOSFET потребуются Ycap и Xcap большего размера. МОП-транзистор имеет время нарастания 20 нс по сравнению с GaN 10 нс, так что спектр шума GaN будет иметь двойную частоту среза, но более важным является фактическое устранение емкости переключаемого стока на радиаторе. При этом инжектируемые токи в шасси устраняются с помощью GaN; мы ожидали, что шасси будет тихим. Дальнейшее исследование выявило индуктивность катодного вывода SiC-диода, который теперь был основным источником шума в шасси. Коммутируемый ток в катоде выводит индуктивность, наводит напряжение на вкладке. Это напряжение емкостно связано с радиатором и подает ток в корпус. Поскольку здесь нет большого напряжения, небольшой демпфер между выводом диода и электропроводкой устранил большую часть шума с минимальными затратами и потерями мощности. Типичная ЭМС: удалите один источник шума только для того, чтобы обнаружить больше.
Рисунок 4: Сравнение формы сигнала переключения
Рисунок 5: Измерение электромагнитных помех Mosfet и GaN
Заключение
Использование транзистора с вкладками истока устранило значительный источник электромагнитных помех. Я был удивлен тем, насколько хорошо GaN работает, несмотря на длинные изогнутые провода. Распиновка с центральным контактом истока TO-247 обеспечит гораздо лучшую компоновку, чем транзистор с вкладками для стока тока, с, вероятно, большим количеством улучшений EMI и меньшими потерями.