Các vấn đề về EMI thường là nút thắt cổ chai lớn cuối cùng khi kết thúc quá trình phát triển sản phẩm. Việc lập mô hình và các phép đo đầu tiên giúp giảm thiểu rủi ro, nhưng đặc biệt khi yêu cầu thiết kế nhỏ gọn, sẽ có rất ít không gian cho những thay đổi vào phút cuối. Khi thang thời gian trượt, giá của các thành phần đã sử dụng mức tăng tương ứng với sự tuyệt vọng và áp lực để đưa đơn vị ra thị trường.
Các vấn đề của EMI
Tôi hiếm khi thấy các bộ lọc EMI được tối ưu hóa chi phí sau khi tìm ra giải pháp. Thời gian, ngân sách kỹ thuật và rủi ro không cho phép điều đó; điều quan trọng hơn nữa là phải có một giải pháp EMI tốt và hiệu quả về chi phí ngay từ đầu. Gần đây, tôi đã giúp gỡ lỗi một thiết bị một pha 3kW với PFC tăng áp tiêu chuẩn. Các Transistor một siêu ngã ba 650V T0-247 tiêu chuẩn MOSFE đã đưa rất nhiều tiếng ồn ở chế độ thông thường vào khung xe. Loại bỏ nguồn gây ra tiếng ồn bằng cách thay thế mosfet với nguồn được gắn thẻ, Nexperia GAN063-650W, là một giải pháp đơn giản và hiệu quả về chi phí. Bài báo này trình bày các phép đo và phương pháp chẩn đoán.
LISN
Các phép đo EMI được thực hiện bằng cách sử dụng LISN ở đầu vào nguồn điện. LISN cung cấp trở kháng nguồn xác định cho các phép đo cũng như loại bỏ các tín hiệu tần số thấp.
Hình 1: LISN tiêu chuẩn
Hình 1 cho thấy LISN tiêu chuẩn. Đầu cuối 50Ω trong máy thu với giới hạn 100nF, cung cấp tần số cắt LF là 30kHz; có hiệu quả loại bỏ gợn sóng điện lưới khỏi phép đo để người nhận có thể nhìn thấy các nhiễu ở mức độ nhỏ. Để xem xét nhiễu loạn HF với một phạm vi, cần phải loại bỏ các nguồn điện chi phối. Hệ thống 50Ω như được sử dụng trong LISN sẽ thay đổi hệ thống và làm sai lệch đáng kể các phép đo, do đó, bộ lọc trở kháng cao (giới hạn 1nF với 10k đến GND) đã được sử dụng. Bộ lọc loại bỏ các thành phần tần số thấp. Chỉ có tiếng ồn HF được nhìn thấy mà không tải mạch đáng kể. Kênh toán học phạm vi được sử dụng để tính toán phần vi sai của tiếng ồn. (ch1-ch2) và để biết được mức độ hiệu quả của bộ lọc trong thời gian thực.
Đo lường
Sử dụng bộ lọc HF, nhiễu có thể được nhìn thấy ở nhiều nút khác nhau xung quanh sơ đồ PFC (Hình 2). Các dấu vết màu xanh lá cây và màu vàng phủ lên hiển thị điện áp nối đất và dấu vết màu xanh nhạt là điện áp chênh lệch. Lưu ý tỷ lệ là 2V/div và 1V div cho kênh toán học.
Soi cầu lô đề đa dạng; (5) đầu ra, sau Cuộn cảm hầu như không có tiếng ồn chế độ chung (màu xanh). tại mosfet (4), có thể thấy rõ tiếng ồn ở chế độ chung được đồng bộ hóa với việc chuyển đổi mosfet. Đồ thị 3 cho thấy tiếng ồn mà bộ lọc sẽ giảm bớt, tiếng ồn ở chế độ chung chiếm ưu thế, nhưng cũng có tiếng ồn vi sai đáng kể. Đồ thị 2 hiển thị tiếng ồn sau một giai đoạn lọc. Tỷ lệ giống như biểu đồ 3, tiếng ồn ở chế độ chung tần số chuyển mạch đã giảm 14dB từ ~1V xuống ~200mV; chúng ta có thể mong đợi nhiều hơn từ giai đoạn lọc.
Hình 2: Tiếng ồn HF xung quanh sơ đồ
Các sơ đồ cho thấy rõ tiếng ồn được tạo ra bởi mosfet (không có gì đáng ngạc nhiên!), nhưng đáng ngạc nhiên hơn là hầu hết nhiễu tần số cao là ở chế độ chung (ô1-3). Việc tháo ống thoát nước ra khỏi tản nhiệt nối đất xác nhận rằng điện dung của vỏ mosfet, chuyển đổi 400V ở 20nS, tạo ra hầu hết tiếng ồn ở chế độ thông thường.
Dòng điện được đưa vào tản nhiệt Tab mosfet có diện tích khoảng 245mm100. Nó được gắn trên một bộ cách ly 120μm tạo ra điện dung khoảng 20pF cho tản nhiệt. Ở 400V/nS, dòng điện đưa vào tản nhiệt là XNUMXmA. Phần trả về cho dòng điện này trước tiên là mũ Y cục bộ. Bỏ qua
độ tự cảm; điện áp trên tụ điện Y có thể được tính như một bộ chia điện áp; điện dung tab với 120pF và 400V chia cho Y Tụ (2x4n7), dẫn đến 5V (134dBμV) trên Ycap (gần với giá trị đo được). Để đáp ứng giới hạn EMC 65dBμV; một bộ lọc có độ suy giảm khoảng 70dB sẽ được yêu cầu. Vì giá trị điện dung Y bị giới hạn do dòng rò đất, nên chỉ có thể tăng điện cảm. Bộ lọc 2 tầng với 65dB ở 200kHz có thể có Ycaps 10mF và 10nF, lớn và đắt tiền.
Một bộ cách ly dày hơn như alumina 2 mm có thể giảm điện dung xuống hệ số 10, nhưng trong ứng dụng này, cần phải dán tản nhiệt và khả năng chịu nhiệt sẽ bị suy giảm đáng kể. Quy tắc thực hành EMI tốt đầu tiên là loại bỏ các nguồn tạo tiếng ồn tại nguồn khi có thể; Ở đây thật dễ dàng, một Transistor có tab làm mát được kết nối với nguồn sẽ loại bỏ việc nạp điện áp chuyển mạch vào tản nhiệt. Các bóng bán dẫn GaN đóng gói TO-247 có khả năng làm mát được kết nối với nguồn có sẵn từ nhiều nhà cung cấp có tab nguồn, Nexperia đã lấy mẫu GaN-063-650W.
Các sửa đổi cho Transistor GaN
Điều đầu tiên cần lưu ý là GaN có sơ đồ chân khác với T0-247 tiêu chuẩn. MOSFET tiêu chuẩn có rãnh thoát nước ở giữa; GaN có nguồn là chân trung tâm. Để thay thế MOSFET bằng Transitor GaN; chân GaN phải được uốn cong, với ống dẫn nước và nguồn được hoán đổi một cách hiệu quả. Ống bọc PTFE được sử dụng để đảm bảo sự cách ly. Việc cải tiến các dây dẫn có nghĩa là nguồn trên GaN dài hơn bình thường và có độ tự cảm cao hơn; điều này có thể tạo ra vấn đề với việc chuyển mạch và dao động có thể xảy ra ở dòng điện cao. Điều này không lý tưởng nhưng cho phép bạn xem nhanh lần đầu mà không cần thiết kế lại bảng.
Hình 3: Cải tạo chân Gan
Phí cổng GaN với 15nC bằng khoảng một phần mười của MOSFET tương tự, vì vậy cổng Điện trở được tăng lên 18Ω, điều đó cũng có nghĩa là tầng trình điều khiển bổ sung có thể bị loại bỏ và Transistor có thể được điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển PFC.
Đo lường
Hình 4 cho thấy các dạng sóng chuyển mạch nguồn cống có thể so sánh được. Điều ngạc nhiên đầu tiên là dạng sóng chuyển mạch rõ ràng, mặc dù các dây dẫn bị uốn cong. Khi tắt Tốc độ chuyển mạch (dV / dt) tương tự nhau, nhưng GaN không có thời gian tăng chậm ban đầu khi bắt đầu tắt. Độ trễ ngắn giữa cổng xuống thấp và chuyển mạch là một lợi ích của điện dung đầu ra nhỏ hơn nhiều ở Vds <50V. Vòng quay GaN có phần nhanh hơn, với 40V / nS, nó nhanh hơn khoảng hai lần so với MOSFET, đổ chuông khi tắt cũng tương tự. Có nhiều tiếng chuông hơn khi bật, điều này không quá ngạc nhiên khi xem xét cách bóng bán dẫn được gắn với các dây dẫn cải tiến mở rộng với một dây dẫn nguồn rất dài.
Các sơ đồ EMI trong hình 5 thể hiện rõ ràng lợi ích của tab kết nối nguồn. Toàn bộ quang phổ trông sạch hơn, với mức phát xạ thấp hơn khoảng 10dB ở tần số 170kHz. Các thử nghiệm cho thấy mức phát xạ 170kHz có thể giảm thêm bằng cách thêm x lớn hơn tụ, trong khi đó với MOSFET sẽ cần Ycaps và Xcaps lớn hơn. MOSFET có thời gian tăng là 20nS, so với GaN 10nS để phổ nhiễu GaN sẽ có tần số cắt đôi, nhưng quan trọng hơn là loại bỏ ảo điện dung của cống chuyển sang tản nhiệt. Loại bỏ dòng điện đưa vào khung máy bằng cách sử dụng GaN; chúng tôi mong đợi khung xe sẽ yên tĩnh. Điều tra sâu hơn cho thấy độ tự cảm của cực âm diode SiC, hiện là bộ phận tạo tiếng ồn chính vào khung máy. Dòng điện chuyển mạch trong cuộn cảm dẫn cực âm, tạo ra một điện áp trên tab. Điện áp này được ghép điện dung với tản nhiệt và bơm dòng điện vào khung máy. Vì ở đây không có điện áp lớn nên một bộ giảm âm nhỏ giữa dây dẫn diode và elco đã loại bỏ hầu hết tiếng ồn với chi phí và tổn thất điện năng ở mức tối thiểu. EMC điển hình, chỉ loại bỏ một nguồn nhiễu để khám phá thêm.
Hình 4: So sánh dạng sóng chuyển mạch
Hình 5: Mosfet đo EMI và GaN
Kết luận
Sử dụng bóng bán dẫn tab nguồn đã loại bỏ một nguồn EMI đáng kể tại nguồn gốc của nó. Tôi đã rất ngạc nhiên bởi GaN đã thể hiện tốt như thế nào mặc dù có những đoạn dẫn dài bị uốn cong. Sơ đồ chân với chân trung tâm nguồn TO-247 sẽ cho phép bố trí tốt hơn nhiều so với bóng bán dẫn có tab cống hiện tại, với nhiều cải tiến EMI hơn và tổn thất thấp hơn.