EMI sorunları genellikle ürün geliştirmenin sonundaki son büyük darboğazdır. Modelleme ve ilk ölçümler riski azaltmaya yardımcı olur ancak özellikle kompakt bir tasarım gerektiğinde son dakika değişiklikleri için çok az yer kalır. Zaman ölçekleri kayarken fiyatlar da bileşenler cihazı piyasaya sürmek için duyulan çaresizlik ve baskıyla orantılı olarak kullanım artışı.
EMI Sorunları
Bir çözüm bulunduğunda EMI filtrelerinin maliyetinin optimize edildiğini nadiren gördüm. Zaman, mühendislik bütçeleri ve risk buna izin vermiyor; başından itibaren iyi ve uygun maliyetli bir EMI çözümüne sahip olmayı daha da önemli hale getiriyor. Son zamanlarda standart takviyeli PFC'li 3kW'lık tek fazlı bir ünitenin hatalarını ayıklamaya yardım ediyordum. Transistor standart bir 650V T0-247 süper bağlantı MOSFET kasaya çok fazla ortak mod gürültüsü enjekte ediyordu. Değiştirilerek gürültünün kaynağının ortadan kaldırılması mosfet kaynak sekmeli Nexperia GAN063-650W ile basit ve uygun maliyetli bir çözümdü. Bu makalede ölçümler ve teşhis yöntemleri gösterilmektedir.
LİSN
EMI ölçümleri güç kaynağı girişindeki bir LISN kullanılarak gerçekleştirilir. LISN, ölçümler için tanımlanmış bir kaynak empedansı sağlamanın yanı sıra düşük frekanslı sinyalleri de ortadan kaldırır.
Şekil 1: Standart LISN
Şekil 1 standart LISN'yi göstermektedir. 50nF kapaklı alıcıdaki 100Ω sonlandırma, 30kHz'lik bir LF kesme frekansı sağlar; Bu, şebeke dalgalanmasını ölçümden etkili bir şekilde ortadan kaldırır, böylece küçük seviyedeki bozulmalar alıcı tarafından görülebilir. HF bozulmasına bir açıdan bakmak için baskın şebekeyi ortadan kaldırmak gerekir. LISN'de kullanılan 50Ω'luk bir sistem, sistemi değiştirecek ve ölçümleri önemli ölçüde bozacaktır, bu nedenle yüksek empedanslı bir filtre (1k'den GND'ye kadar 10nF başlık) kullanıldı. Filtre düşük frekanslı bileşenleri çıkarır. Devreyi önemli ölçüde yüklemeden yalnızca HF gürültüsü görülebilir. Gürültünün diferansiyel kısmını hesaplamak için kapsam matematik kanalı kullanıldı. (ch1-ch2) ve filtrenin ne kadar etkili olduğunu gerçek zamanlı olarak hissetmek için.
Ölçümler
HF filtresi kullanılarak gürültü PFC şeması etrafındaki çeşitli düğümlerde görülebilir (Şekil 2). Üst üste binen yeşil ve sarı izler toprağa giden voltajı gösterir, açık mavi iz ise diferansiyel voltajı gösterir. Matematik kanalı için ölçeklendirmenin 2V/böl ve 1V böl olduğunu unutmayın.
Çeşitli parsellere baktığımızda; (5) çıktıdan sonra indüktör neredeyse hiç ortak mod gürültüsü yoktur (mavi). Şunda mosfet (4), ortak mod gürültüsünün, anahtarlamanın değiştirilmesiyle senkronize olduğu açıkça görülebilir. mosfet. Grafik 3, filtrenin azaltması gereken gürültüyü göstermektedir; ortak mod gürültüsü baskındır, fakat aynı zamanda önemli diferansiyel gürültüdür. Grafik 2, bir filtre aşamasından sonraki gürültüyü göstermektedir. Ölçeklendirme çizim 3 ile aynıdır, anahtarlama frekansı ortak mod gürültüsü ~14V'den ~1mV'ye 200dB düşürülmüştür; bir filtre aşamasından daha fazlasını bekleyebilirdik.
Şekil 2: Şemanın etrafındaki HF gürültüsü
Grafikler, gürültünün mosfet tarafından üretildiğini açıkça gösteriyor (hiç de şaşırtıcı değil!), ancak daha da şaşırtıcı olanı, yüksek frekanslı gürültünün çoğunun ortak mod olmasıdır (grafik 1-3). Drenajın topraklanmış soğutucudan çıkarılması, mosfet kasasının 400nS'de 20V'ye geçiş yapan kapasitansının ortak mod gürültüsünün çoğunu ürettiğini doğruladı.
Soğutucuya verilen akım Mosfet sekmesinin alanı yaklaşık 245mm²'dir. Soğutucuya yaklaşık 100pF'lik bir kapasitans oluşturan 120μm'lik bir izolatör üzerine monte edilmiştir. 20V/nS'de soğutucuya enjekte edilen akım 400mA'dır. Bu akımın dönüş kısmı ilk olarak yerel Y kapaklarıdır. Görmezden geliniyor
indüktans; Y Kondansatörleri üzerindeki voltaj, voltaj bölücü olarak hesaplanabilir; 120pF ve 400V ile sekme kapasitansının Y'ye bölünmesi Kondansatörler (2x4n7), sonuçta Ycap üzerinden 5V (134dBμV) elde edilir (ölçülen değere yakın). 65dBμV EMC sınırını karşılamak için; yaklaşık 70dB zayıflamaya sahip bir filtre gerekli olacaktır. Y kapasitans değeri toprak kaçak akımlarından dolayı sınırlı olduğundan sadece endüktans artırılabilir. 2kHz'de 65dB'lik 200 aşamalı bir filtre, 10mF ve 10nF Ycaps'e sahip olabilir; bu da büyük ve pahalıdır.
2 mm'lik alümina gibi daha kalın bir yalıtkan, kapasitansı 10 kat azaltabilir, ancak bu uygulamada soğutucu macunu gerekli olacaktır ve termal direnç önemli ölçüde azalacaktır. İyi EMI uygulamasının ilk kuralı, mümkün olduğunda gürültü üreteçlerini kaynağında ortadan kaldırmaktır; burada bu kolaydır, kaynağa bağlı soğutma çıkıntısına sahip bir Transistör, soğutucuya anahtarlamalı voltaj şarjı enjeksiyonunu ortadan kaldıracaktır. Kaynağa bağlı soğutmalı TO-247 paketlenmiş GaN transistörleri, kaynak sekmeli birden fazla satıcıdan temin edilebilir; Nexperia, GaN-063-650W'yi nazikçe örnekledi.
GaN Transistörü için Değişiklikler
Dikkat edilmesi gereken ilk şey, GaN'nin standart T0-247'den farklı bir pin çıkışına sahip olmasıdır. Standart MOSFET'te drenaj ortadadır; GaN'nin merkezi pini kaynaktır. MOSFET'i GaN Transistör ile değiştirmek için; GaN bacaklarının, drenaj ve kaynağın etkili bir şekilde değiştirilmesiyle bükülmesi gerekiyordu. İzolasyonu garanti altına almak için PTFE kılıf kullanıldı. Uçların yeniden düzenlenmesi, GaN'deki kaynağın normalden daha uzun olması ve daha fazla endüktansa sahip olması anlamına geliyordu; bu da anahtarlama sorunlarına ve yüksek akımlarda olası salınımlara neden olabilir. Bu ideal değildir, ancak tahtanın yeniden tasarlanmasına gerek kalmadan hızlı bir ilk bakışa izin verir.
Şekil 3: Gan bacaklarının yeniden düzenlenmesi
15nC ile GaN geçit yükü benzer bir MOSFET'in yaklaşık onda biri kadardır, dolayısıyla geçit rezistans 18Ω'a yükseltildi, bu aynı zamanda ekstra sürücü aşamasının kaldırılabileceği ve Transistörün doğrudan PFC kontrol cihazından sürülebileceği anlamına da geliyordu.
Ölçümler
Şekil 4'te karşılaştırılabilir drenaj kaynağı anahtarlama dalga formları gösterilmektedir. İlk sürpriz, bükülmüş uçlara rağmen temiz geçiş dalga biçimleriydi. Kapatma Anahtarlama hızları (dV/dt) benzerdir ancak GaN, kapanmanın başlangıcında başlangıçtaki yavaş yükselme süresine sahip değildir. Geçidin alçalması ile anahtarlama arasındaki kısa gecikme, Vds<50V'de çok daha küçük çıkış kapasitansının bir avantajıdır. GaN dönüşü biraz daha hızlıdır, 40V/nS ile MOSFET'in yaklaşık iki katı kadar hızlıdır, kapanma sırasındaki zil sesi benzerdir. Açılışta daha fazla çınlama var; transistörün çok uzun bir kaynak ucuna sahip uzatılmış yeniden düzenlenmiş kablolarla nasıl monte edildiği göz önüne alındığında bu pek de şaşırtıcı değil.
Şekil 5'teki EMI grafikleri, kaynağa bağlı sekmenin faydasını açıkça göstermektedir. 10kHz'de yaklaşık 170dB daha düşük emisyonla tüm spektrum daha temiz görünüyor. Testler, 170 kHz emisyonların daha büyük bir x eklenerek daha da azaltılabileceğini gösterdi. kondansatörMOSFET'te ise daha büyük Ycaps ve Xcaps'e ihtiyaç duyulur. MOSFET, GaN 20nS ile karşılaştırıldığında 10nS'lik bir yükselme süresine sahiptir, böylece GaN gürültü spektrumu çift kesme frekansına sahip olur, ancak daha önemlisi, anahtarlamalı drenajın soğutucuya olan kapasitansının sanal olarak ortadan kaldırılmasıdır. Şasiye enjekte edilen akımların GaN kullanılarak ortadan kaldırılmasıyla; kasanın sessiz olmasını bekliyorduk. Daha ileri araştırmalar, artık kasanın birincil gürültü enjektörü olan SiC diyot katot ucunun endüktansını ortaya çıkardı. Katot kurşun endüktansındaki anahtarlanan akım, sekme üzerinde bir voltajı indükler. Bu voltaj soğutucuya kapasitif olarak bağlanır ve akımı kasaya enjekte eder. Burada büyük bir voltaj olmadığından, diyot kablosu ile elco arasındaki küçük bir susturucu, minimum maliyet ve güç kaybıyla gürültünün çoğunu ortadan kaldırdı. Tipik EMC, yalnızca bir gürültü kaynağını ortadan kaldırarak daha fazlasını keşfetmenizi sağlar.
Şekil 4: Anahtarlama Dalga Formu Karşılaştırması
Şekil 5: EMI Ölçümü Mosfet ve GaN
Sonuç
Kaynak sekmeli transistörün kullanılması, kaynağında önemli bir EMI kaynağını ortadan kaldırdı. Uzun kavisli uçlara rağmen GaN'ın bu kadar iyi performans göstermesi beni şaşırttı. Kaynak merkez pimi TO-247 ile yapılan pin çıkışı, muhtemelen daha fazla EMI iyileştirmesi ve daha düşük kayıplarla, mevcut drenaj sekmeli transistörden çok daha iyi bir düzene izin verecektir.