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Autore: Brent McDonald, System Engineer Power Supply Design Services
Il caricabatterie di bordo (OBC) è un elemento fondamentale di ogni veicolo elettrico. Per ridurre le dimensioni e il peso del veicolo, i dispositivi ad ampio bandgap come il nitruro di gallio (GaN) sono una scelta apprezzata per l’implementazione della conversione di potenza. Gli interruttori al GaN sono dotati di una bassa capacità di uscita (COSS) che quindi consente loro di commutare più velocemente e con maggiore efficienza rispetto ai tradizionali transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) al silicio e permettendo di ridurre drasticamente il volume dell’OBC. La maggiore velocità di commutazione solleva comunque preoccupazioni per quanto riguarda il relativo impatto della firma di interferenza elettromagnetica (EMI).
Questo articolo esamina i requisiti per EMI della CISPR 32 del Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques per un OBC e tratta le best practice di misurazione per ottenere dati affidabili, l’impatto del GaN sullo spettro EMI e le idee per contribuire a risolvere i problemi osservati in termini di emissioni condotte.
La Figura 1 mostra lo schema di un OBC. La correzione del fattore di potenza (PFC) comprende due fasi che operano con uno sfasamento di 180° a una frequenza fissa di 120 kHz ciascuna. Il condensatore-induttore-induttore-induttore-condensatore (CLLLC) funziona con una frequenza variabile tra 250 kHz e 800 kHz. Nel funzionamento a piena potenza (6,6 kW), il CLLLC lavora con una frequenza nominale di circa 500 kHz. Il sistema è raffreddato a liquido con una piastra di raffreddamento in alluminio, mostrata nella parte inferiore della Figura 1. Questa piastra di raffreddamento è particolarmente importante per il tema delle EMI in quanto è collegata alla messa a terra; pertanto, l’eventuale capacità parassita verso la piastra di raffreddamento può potenzialmente portare alla generazione di emissioni di modo comune.
La Figura 1 mostra la struttura del filtro, insieme ai relativi collegamenti con la fonte in CA e l’OBC. Il filtro è un filtro a due stadi con induttanza di modo differenziale proveniente dall’induttanza di dispersione e che entra nelle bobine di blocco di modo comune.
La Figura 2 mostra il sistema fisico con la piastra di raffreddamento collegata.
Progetto del filtro EMI
In generale, le EMI comprendono il rumore di modo differenziale e di modo comune. In un sistema OBC, la corrente di ingresso del PFC è il generatore principale del rumore di modo differenziale, mentre il rumore di modo comune può provenire sia dal PFC che dal CLLLC. La Figura 1 mostra le capacità parassite fra i nodi di commutazione verso la piastra di raffreddamento, fra le masse primaria e secondaria verso la piastra di raffreddamento e fra gli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore CLLLC. Queste capacità parassite possono generare o influenzare i livelli di corrente del rumore di modo comune nel sistema [1].
Con le capacità parassite stimate, le simulazioni mostrano che, nel caso peggiore, il semplice rumore di modo differenziale soltanto con il condensatore di ingresso da 2,2 μF, CX1, è pari a circa 110 dBμV. Analogamente, il semplice rumore di modo comune senza un filtro di modo comune è pari a circa 115 dBμV a circa 350 kHz. Il progetto di un filtro a due stadi, come mostrato in Figura 1, attenua il rumore EMI al di sotto di quanto previsto dalla norma CISPR 32 [2]. L’impedenza di modo comune di LCM1 e LCM2 in Figura 1 a 350 kHz è pari a circa 3 kΩ, mentre le loro induttanze di dispersione sono di circa 6,4 μH, utilizzate per l’attenuazione del rumore di modo differenziale.
Nella Figura 1, CX1 e CX2 sono condensatori a pellicola da 2,2 μF per l’attenuazione del rumore di modo differenziale, mentre CY1, CY2, CY3 e CY4 sono condensatori ceramici da 4,7 nF per l’attenuazione del rumore di modo comune. A livello ideale, con il filtro progettato, sia il semplice rumore di modo comune sia il semplice rumore di modo differenziale dovrebbero essere attenuati per più di 65 dBμV, mentre il rumore EMI dovrebbe soddisfare la norma CISPR 32.
Tuttavia, permangono ancora alcune sfide pratiche alle alte frequenze e nei test pratici.
Configurazione di misurazione
La configurazione di misurazione è fondamentale per comprendere le sfide correlate alle EMI. La Figura 3 mostra gli elementi fondamentali da considerare. L’OBC necessita di una fonte di alimentazione a 12 V per alimentare il circuito di controllo e polarizzazione. Questa polarizzazione non è generata all’interno dell’unità nel test e, quindi, è necessaria una qualche fonte di alimentazione ausiliaria per il funzionamento.
Prima di scegliere un alimentatore, è importante capire che qualsiasi apparecchiatura di prova al banco è dotata dei propri condensatori a Y interni. Questi condensatori creano un percorso attraverso il quale possono passare le correnti di modo comune interne all’OBC. Tuttavia, poiché questi condensatori non fanno parte del sistema nel test, il loro effetto comporta un errore in qualsiasi EMI misurata. L’utilizzo di un alimentatore (in questo caso, una batteria a 12 V) ben isolato dalla messa a terra aiuta a evitare questo problema.
Il carico per l’OBC presenta lo stesso problema potenziale, che richiede l’utilizzo di un banco di carico resistivo. Inoltre, nonostante sia stato utilizzato un PC per configurare l’OBC per l’esercizio, il PC è stato rimosso prima di eseguire la scansione delle EMI; pertanto, non è mostrato nella configurazione di misurazione.
Risultati
Molte problematiche si sono presentate durante la fase di prova. I test iniziali hanno tentato di caratterizzare le EMI con un carico elettronico, un alimentatore ausiliario e un PC, tutti collegati all’OBC durante la scansione delle EMI. Ciò ha creato problemi provenienti dai numerosi percorsi di ritorno a massa attraverso l’apparecchiatura di prova e il PC. Tutti questi elementi contengono condensatori a Y interni che consentono il passaggio del rumore di modo comune. In definitiva, per eliminare tali percorsi è stato necessario rimuovere il PC durante il test, utilizzare una batteria per l’alimentazione ausiliaria e passare a un carico resistivo.
Dopo aver affrontato i problemi di messa a terra nella configurazione di misurazione, rimaneva la necessità di migliorare sensibilmente lo spettro. Si noti che la Figura 3 mostra un filtro in serie con la fonte in CA. Le uniche EMI che desideriamo misurare sono quelle generate dall’OBC. Eventuali EMI generate dalla fonte in CA sono un problema che non ha nulla a che fare con l’OBC. Dopo aver determinato che la fonte in CA stava introducendo una quantità non trascurabile di rumore nello spettro misurato, l’aggiunta di un filtro in serie con la fonte in CA ha evitato a eventuali emissioni condotte generate dalla fonte di corrompere la firma di EMI misurate dell’OBC.
Nelle prime fasi di sviluppo del sistema era presente un ulteriore condensatore a X nel filtro EMI, non mostrato in Figura 1. Questo condensatore a X è indicato come CX0 in Figura 4. Questo condensatore faceva parte di una risonanza a 240 kHz causata dal CX0, dal filtro per le induttanze di interconnessione parassite dell’OBC (LP1 e LP2) e da CX1. Come indicato in precedenza, ciascuna fase del PFC lavora a 120 kHz e con uno sfasamento di 180° l’una rispetto all’altra. In pratica, la frequenza fondamentale della corrente generata dal PFC è di 240 kHz. Poiché la risonanza era prodotta a questa frequenza, si è verificato un notevole aumento di ampiezza della componente a 240 kHz dello spettro. La rimozione di CX0 ha permesso di eliminare questa risonanza.
Un’ulteriore notevole problematica era data dal rumore che bypassava il filtro EMI, per affrontare il quale si è utilizzata una schermatura intorno al filtro EMI, unitamente a cavi schermati per l’interconnessione. Per la schermatura del filtro EMI, l’intero filtro EMI è stato rimosso dalla scheda madre, ad eccezione di CX1. Il filtro EMI è stato posto all’interno di una custodia schermata. Infine, una serie di condensatori a Y da 4,7 nF Y (CY5 e CY6) è stata rimessa sulla scheda madre in un punto molto vicino a quello della connessione fra la massa sul telaio della scheda madre e la piastra di raffreddamento. L’aggiunta di questi condensatori ha ridotto sensibilmente lo spettro EMI al di sopra dei 5 MHz. La Figura 5 mostra il filtro finale con i condensatori a Y aggiuntivi.
La Figura 6 mostra le prestazioni EMI finali. A questo punto, non rimane altro che una piccola risonanza in prossimità dei 10 MHz. Per eliminare questa risonanza, è possibile migliorare le caratteristiche ad alta frequenza dell’induttore di modo comune nel secondo stadio del filtro, migliorare il layout del circuito stampato oppure aggiungere un ulteriore stadio con nuclei di ferrite o piccole bobine di blocco di modo comune per il filtraggio del rumore ad alta frequenza.
Conclusione
Le EMI dipendono fortemente sia dalle caratteristiche elettriche sia dalla struttura fisica del sistema. Questi fattori rendono difficile riportare una formula semplice per ridurre le EMI con successo.
È comunque possibile evidenziare alcuni aspetti importanti dopo aver risolto le problematiche in questo esempio:
• La messa a terra è l’aspetto più importante della progettazione e dei test dei filtri. Comprendere tutti i percorsi di ritorno del proprio sistema è fondamentale sia per una corretta valutazione delle EMI sia per qualsiasi riduzione nei livelli di EMI.
• Ciò che si trova sullo schema descrive solo in parte la situazione. Sulla carta, il filtro potrebbe offrire tutta l’attenuazione che serve. Nella pratica, tuttavia, il filtro si troverà ad avere una capacità parassita imprevista e percorsi di accoppiamento di induttanze reciproche. Questi percorsi possono complicare notevolmente la gestione delle EMI, in particolare alle alte frequenze, ma anche alle basse frequenze. È necessario ricordare che il comportamento di segnali piccoli non sempre corrisponde al comportamento di segnali grandi. Il comportamento di un filtro con piccole ampiezze di corrente non è necessariamente lo stesso comportamento che lo stesso filtro avrà quando sottoposto a forti carichi.
• Il GaN può aumentare la densità di potenza dell’alimentatore senza effetti negativi sullo spettro EMI. Sebbene i miglioramenti in termini di densità di potenza resi possibili dal GaN non siano stati esaminati in questo articolo, è possibile notare l’opportunità di gestire eventuali impatti correlati a uno slew rate più rapido oppure a una frequenza di commutazione più rapida utilizzando strategie convenzionali di mitigazione delle EMI. Nella pratica, non vi è nulla nei dati a suggerire che le problematiche in termini di EMI per questo progetto fossero effettivamente peggiori di quelle in un progetto basato sul silicio. Forse è questo il risultato più significativo, in quanto gli aspetti di mitigazione relativi a questo fattore vanno a rendere il GaN ancora più interessante.
Il progetto di riferimento per caricabatterie di bordo bidirezionale da 6,6 kW basato sul GaN comprende lo schema, il layout dei risultati dei test resi possibili dai FET GaN di TI.
