ปัญหา EMI มักเป็นปัญหาคอขวดที่สำคัญประการสุดท้ายเมื่อสิ้นสุดการพัฒนาผลิตภัณฑ์ การสร้างแบบจำลองและการวัดครั้งแรกช่วยลดความเสี่ยง แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจำเป็นต้องมีการออกแบบที่กะทัดรัดจึงมีพื้นที่น้อยสำหรับการเปลี่ยนแปลงในนาทีสุดท้าย เมื่อเครื่องชั่งเวลาลื่นไถลราคาของ ส่วนประกอบ ใช้เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความสิ้นหวังและความกดดันเพื่อให้หน่วยออกสู่ตลาด
ปัญหาของ EMI
ฉันไม่ค่อยเห็นตัวกรอง EMI ได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุนเมื่อพบโซลูชันแล้ว ไม่อนุญาตเวลา งบประมาณด้านวิศวกรรม และความเสี่ยง ทำให้การมีโซลูชัน EMI ที่ดีและคุ้มราคามีความสำคัญมากยิ่งขึ้นตั้งแต่เริ่มต้น เมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันได้ช่วยดีบักยูนิตเฟสเดียวขนาด 3kW ด้วย PFC บูสต์มาตรฐาน เดอะ ทรานซิสเตอร์ ซุปเปอร์จังก์ชั่นมาตรฐาน 650V T0-247 MOSFET กำลังฉีดสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไปจำนวนมากเข้าไปในแชสซี การกำจัดแหล่งที่มาของเสียงรบกวนโดยการเปลี่ยนไฟล์ MOSFET ด้วยแท็บต้นทาง Nexperia GAN063-650W เป็นโซลูชันที่ง่ายและคุ้มค่า บทความนี้แสดงการวัดและวิธีการวินิจฉัย
ลิส
การวัด EMI ดำเนินการโดยใช้ LISN ที่อินพุตแหล่งจ่ายไฟ LISN จัดเตรียมอิมพีแดนซ์ของแหล่งที่มาที่กำหนดไว้สำหรับการวัดเช่นเดียวกับการลบสัญญาณความถี่ต่ำ
รูปที่ 1: LISN มาตรฐาน
รูปที่ 1 แสดง LISN มาตรฐาน การสิ้นสุด50Ωในเครื่องรับที่มีฝาปิด 100nF ให้ความถี่ตัด LF ที่ 30kHz; ซึ่งกำจัดการกระเพื่อมของไฟหลักออกจากการวัดได้อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นเครื่องรับจึงสามารถมองเห็นการรบกวนในระดับเล็กน้อยได้ หากต้องการดูการรบกวน HF ด้วยขอบเขตจำเป็นต้องถอดสายไฟหลักออก ระบบ50Ωที่ใช้ใน LISN จะเปลี่ยนระบบและบิดเบือนการวัดอย่างมากดังนั้นจึงใช้ฟิลเตอร์อิมพีแดนซ์สูง (1nF cap ที่ 10k ถึง GND) ตัวกรองจะเอาส่วนประกอบความถี่ต่ำออก เฉพาะสัญญาณรบกวน HF เท่านั้นที่สามารถมองเห็นได้โดยไม่ต้องโหลดวงจรอย่างมีนัยสำคัญ ช่องทางคณิตศาสตร์ขอบเขตถูกใช้เพื่อคำนวณส่วนที่แตกต่างของสัญญาณรบกวน (ch1-ch2) และรับความรู้สึกแบบเรียลไทม์ว่าฟิลเตอร์มีประสิทธิภาพเพียงใด
การวัด
การใช้ตัวกรอง HF สามารถมองเห็นสัญญาณรบกวนได้ที่โหนดต่างๆ รอบแผนผัง PFC (รูปที่ 2) เส้นสีเขียวและสีเหลืองที่ซ้อนทับแสดงแรงดันไฟฟ้าลงกราวด์ และเส้นสีฟ้าอ่อนคือแรงดันไฟฟ้าส่วนต่าง โปรดทราบว่าสเกลคือ 2V/div และ 1V div สำหรับช่องคณิตศาสตร์
มองไปที่แปลงต่างๆ (5) เอาต์พุตหลัง Inductor แทบไม่มีสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป (สีน้ำเงิน) ที่ MOSFET (4) สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปสามารถเห็นได้ชัดเจนว่าซิงโครไนซ์กับการสลับของ MOSFET. แผนภาพที่ 3 แสดงสัญญาณรบกวนที่ตัวกรองควรลดทอน สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปมีความโดดเด่น แต่ก็มีสัญญาณรบกวนที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน แปลงที่ 2 แสดงสัญญาณรบกวนหลังจากขั้นตอนการกรองหนึ่งขั้นตอน สเกลจะเหมือนกับพล็อต 3 สัญญาณรบกวนโหมดทั่วไปของความถี่สวิตชิ่งลดลง 14dB จาก ~1V เป็น ~200mV; เราสามารถคาดหวังได้มากขึ้นจากขั้นตอนการกรอง
รูปที่ 2: สัญญาณรบกวน HF รอบ ๆ แผนผัง
แผนผังแสดงสัญญาณรบกวนอย่างชัดเจนโดยมอสเฟต (ไม่น่าแปลกใจเลย!) แต่ที่น่าแปลกใจกว่านั้นคือสัญญาณรบกวนความถี่สูงส่วนใหญ่เป็นโหมดร่วม (แปลง 1-3) การถอดท่อระบายออกจากฮีทซิงค์แบบต่อสายดินเป็นการยืนยันว่าความจุของเคสมอสเฟตที่เปลี่ยน 400V เป็น 20nS ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปส่วนใหญ่
กระแสไฟฟ้าที่ฉีดเข้าไปในฮีทซิงค์ แท็บ mosfet มีพื้นที่ประมาณ 245 มม.² ติดตั้งอยู่บนตัวแยกขนาด 100μm ซึ่งสร้างความจุประมาณ 120pF ไปยังฮีทซิงค์ ที่ 20V/nS กระแสไฟฟ้าที่ฉีดเข้าไปในฮีทซิงค์คือ 400mA ส่วนที่ส่งคืนสำหรับกระแสนี้คือส่วนแรกคือตัวพิมพ์ใหญ่ Y ในเครื่อง ไม่สนใจ
ตัวเหนี่ยวนำ; แรงดันไฟฟ้าเหนือตัวเก็บประจุ Y สามารถคำนวณเป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าได้ ความจุของแท็บด้วย 120pF และ 400V หารด้วย Y ตัวเก็บประจุ (2x4n7) ส่งผลให้ 5V (134dBμV) เหนือ Ycap (ใกล้เคียงกับค่าที่วัดได้) เพื่อให้เป็นไปตามขีดจำกัด EMC 65dBμV ต้องใช้ตัวกรองที่มีการลดทอนประมาณ 70dB เนื่องจากค่าความจุ Y ถูกจำกัดเนื่องจากกระแสไฟรั่วลงดิน จึงสามารถเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำได้เท่านั้น ตัวกรอง 2 ระดับที่มี 65dB ที่ 200kHz อาจมี 10mF และ 10nF Ycaps ซึ่งมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง
ตัวแยกไอโซเลเตอร์ที่หนากว่า เช่น อลูมินา 2 มม. สามารถลดความจุไฟฟ้าลงได้ 10 เท่า แต่ในการใช้งานนี้ จำเป็นต้องใช้ฮีทซิงค์เพสต์ และความต้านทานความร้อนจะลดลงอย่างมาก กฎข้อแรกของการปฏิบัติ EMI ที่ดีคือกำจัดเครื่องกำเนิดเสียงที่แหล่งกำเนิดเมื่อเป็นไปได้ ง่ายมาก ทรานซิสเตอร์ที่มีแถบระบายความร้อนเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดจะช่วยลดการฉีดประจุแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตช์เข้าไปในฮีทซิงค์ ทรานซิสเตอร์ GaN ที่บรรจุ TO-247 พร้อมการระบายความร้อนที่เชื่อมต่อกับแหล่งมีจำหน่ายจากผู้ขายหลายรายที่มีแท็บแหล่งที่มา Nexperia กรุณาสุ่มตัวอย่าง GaN-063-650W
การปรับเปลี่ยนสำหรับ GaN Transistor
สิ่งแรกที่ควรทราบคือ GaN มี pinout ที่แตกต่างจาก T0-247 มาตรฐาน MOSFET มาตรฐานมีท่อระบายน้ำอยู่ตรงกลาง GaN มีแหล่งกำเนิดเป็นพินตรงกลาง เพื่อแทนที่ MOSFET ด้วยทรานซิสเตอร์ GaN ต้องงอขา GaN โดยเปลี่ยนท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดอย่างมีประสิทธิภาพ ปลอกหุ้ม PTFE ใช้เพื่อรับประกันการแยกตัว การปฏิรูปลีดหมายความว่าแหล่งกำเนิดบน GaN ยาวกว่าปกติและมีความเหนี่ยวนำมากขึ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาในการสวิตชิ่งและการแกว่งที่กระแสสูงได้ สิ่งนี้ไม่เหมาะ แต่ช่วยให้สามารถตรวจดูครั้งแรกได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องออกแบบบอร์ดใหม่
รูปที่ 3: การปฏิรูปขา Gan
ค่าประตู GaN กับ 15nC มีค่าประมาณหนึ่งในสิบของ MOSFET ที่คล้ายกันดังนั้นประตู ตัวต้านทาน เพิ่มขึ้นเป็น 18Ω และยังหมายความว่าสามารถถอดสเตจไดรเวอร์พิเศษออกได้ และสามารถขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์ได้โดยตรงจากคอนโทรลเลอร์ PFC
การวัด
รูปที่ 4 แสดงรูปคลื่นการสลับแหล่งระบายที่เทียบเคียงได้ สิ่งแรกที่น่าประหลาดใจคือรูปคลื่นการสลับที่สะอาดแม้จะมีการโค้งงอ ความเร็วในการสลับการปิด (dV / dt) ใกล้เคียงกัน แต่ GaN ไม่มีเวลาเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆในช่วงเริ่มต้นของการปิดเครื่อง การหน่วงเวลาสั้น ๆ ระหว่างเกตไปต่ำและสวิตชิ่งเป็นประโยชน์ของความจุเอาต์พุตที่เล็กกว่ามากที่ Vds <50V เทิร์นออนของ GaN ค่อนข้างเร็วกว่าโดย 40V / nS จะเร็วกว่า MOSFET ประมาณสองเท่าเสียงเรียกเข้าเมื่อปิดเครื่องจะคล้ายกัน มีเสียงเรียกเข้ามากขึ้นเมื่อเปิดเครื่องซึ่งไม่น่าแปลกใจนักเมื่อพิจารณาถึงวิธีการติดตั้งทรานซิสเตอร์ด้วยสายนำที่ได้รับการปฏิรูปแบบขยายที่มีตะกั่วแหล่งที่มาที่ยาวมาก
แผนภาพ EMI ในรูปที่ 5 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงประโยชน์ของแท็บที่เชื่อมต่อกับแหล่งที่มา สเปกตรัมทั้งหมดดูสะอาดขึ้น โดยมีการปล่อยสัญญาณลดลงประมาณ 10dB ที่ 170kHz การทดสอบแสดงให้เห็นว่าสามารถลดการปล่อยคลื่น 170kHz ได้อีกโดยการเพิ่ม x ให้มากขึ้น capacitorในขณะที่ MOSFET จำเป็นต้องใช้ Ycaps และ Xcaps ที่ใหญ่กว่า MOSFET มีเวลาเพิ่มขึ้นที่ 20nS เมื่อเทียบกับ GaN 10nS ดังนั้นสเปกตรัมสัญญาณรบกวน GaN จะมีความถี่ในการตัดออกเป็นสองเท่า แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือการกำจัดความจุเสมือนของสวิตช์เดรนไปยังฮีทซิงค์ ด้วยกระแสที่ฉีดเข้าไปในแชสซีถูกกำจัดโดยใช้ GaN เราคาดว่าแชสซีจะเงียบ การตรวจสอบเพิ่มเติมพบว่าการเหนี่ยวนำของตะกั่วแคโทดไดโอด SiC ซึ่งปัจจุบันกลายเป็นตัวส่งเสียงรบกวนหลักในแชสซี กระแสไฟสลับในตัวเหนี่ยวนำตะกั่วแคโทด ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบนแท็บ แรงดันไฟฟ้านี้ถูกต่อเข้ากับฮีทซิงค์แบบคาปาซิเตอร์และจ่ายกระแสไฟเข้าไปในแชสซี เนื่องจากไม่มีแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่นี่ ตัวลดขนาดเล็กระหว่างตะกั่วไดโอดและ elco จึงขจัดเสียงรบกวนส่วนใหญ่โดยมีค่าใช้จ่ายและการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด EMC ทั่วไป ลบแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนเพียงแหล่งเดียวเท่านั้น แล้วจึงค้นพบเพิ่มเติม
รูปที่ 4: การเปรียบเทียบการสลับรูปคลื่น
รูปที่ 5: EMI Measurement Mosfet และ GaN
สรุป
การใช้ทรานซิสเตอร์แบบแท็บต้นทางจะกำจัดแหล่งที่มาที่สำคัญของ EMI ที่จุดกำเนิด ฉันประหลาดใจกับการที่ GaN ทำได้ดีเพียงใดแม้ว่าจะมีลีดที่งอมานานก็ตาม พินเอาต์ที่มีพินศูนย์ต้นทาง TO-247 จะให้เลย์เอาต์ที่ดีกว่าทรานซิสเตอร์แบบแท็บท่อระบายน้ำในปัจจุบันโดยอาจมีการปรับปรุง EMI มากกว่าและลดการสูญเสีย