Gestión EMC en aplicaciones de carga

Imagínese como parte de un equipo de ingenieros especializados en el diseño de cargadores. Llega un nuevo proyecto. ¿Cómo se garantiza que el diseño final pasará las pruebas estándar de EMC la primera vez?

Un primer paso típico es interpretar los estándares EMC relevantes que son aplicables a la aplicación específica. (Los estándares de calidad, seguridad y medio ambiente son igualmente importantes, si no más, pero no están dentro del alcance de esta discusión). Hay que observar los estándares comerciales de EMC si el producto es un cargador rápido para teléfonos móviles y computadoras portátiles. Se deben aplicar las normas EMC de automoción si el producto es un cargador de a bordo (OBC) utilizado en un vehículo eléctrico. Si se trata de un producto basado en la transferencia inalámbrica de energía (WPT), se deben consultar las normas pertinentes y estar alerta a los cambios, ya que las normas aún se están desarrollando.

Como ejemplo, la Tabla 1 enumera los requisitos de prueba típicos de EMC que se aplican a un OBC.

Una vez que la empresa de diseño y su cliente han acordado los requisitos, sigue el proceso de diseño. Este proceso de diseño generalmente sigue un enfoque por etapas, como se muestra en la Figura 1. Se recomienda encarecidamente que las revisiones del diseño de EMC se realicen en cada etapa del diseño de un producto y que se organicen pruebas preliminares tan pronto como el prototipo de PCB esté listo. . Quizás sea la única manera de garantizar un control estricto de EMC para evitar cambios importantes en el diseño en una etapa posterior.

Figura 1: Un proceso de diseño típico que muestra las etapas de diseño.

En este artículo, analizamos cómo implementar la gestión de EMC durante la etapa de diseño y desarrollo mediante demostraciones prácticas.

En la etapa de concepto, los ingenieros evalúan y seleccionan la topología de un convertidor de carga en función de los requisitos del producto. Es fundamental revisar el diseño teniendo en cuenta la EMC. Una topología de convertidor de potencia popular para aplicaciones de carga es una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) seguida de un circuito resonante. Los circuitos PFC comunes incluyen convertidores elevadores intercalados, convertidores tótem sin puente y convertidores tótem entrelazados. Los circuitos resonantes populares son un LLC, un convertidor de puente completo desfasado con un rectificador duplicador de corriente, etc. La Figura 2 ilustra la topología del convertidor de un OBC de 12 kW (para fines de demostración, solo se muestra el carril 1 del convertidor).

Figura 2: Esquemas de un cargador a bordo de 12 kW (los rieles 2 y 3 no se muestran en este diagrama)

Es fundamental disponer de una etapa PFC para mejorar el factor de potencia de la red y conseguir una menor distorsión armónica total (THD) durante el estado de carga. Sin el PFC, la carga, especialmente la carga rápida, consume una corriente máxima alta en el pico de voltaje y casi ninguna corriente durante el ciclo de red restante. Esto da como resultado un flujo de corriente excesivo en los conductores principales, las líneas de transmisión de energía y los transformadores de potencia.

En el ejemplo que se muestra en la Figura 3, se selecciona un PFC de tótem de refuerzo entrelazado porque la topología de dos rieles entrelazados logra una clasificación de corriente reducida a la mitad por medio puente. Esto da como resultado la cancelación de la corriente de rizado tanto en la entrada como en la salida de la etapa PFC. Como resultado, esto reduce el tamaño del condensador en masa y reduce el impacto EMC del PFC. Pero este enfoque aumenta el número de dispositivos de conmutación y la complejidad del control. (La referencia 1 ofrece un estudio comparativo detallado entre diferentes topologías de PFC, pero no se centra en el análisis de rendimiento de EMC).

Figura 3: Uno de los beneficios de utilizar una topología de tótem entrelazado es la cancelación de la corriente ondulada

Es trabajo del ingeniero de diseño seleccionar la topología PFC según la aplicación prevista. La decisión debe basarse en las compensaciones entre eficiencia, facilidad de fabricación, costo, peso, consideraciones térmicas y EMC. La topología también depende de la potencia nominal de las aplicaciones. Por ejemplo, si se trata de un dispositivo de carga rápida para una computadora portátil o un teléfono móvil, la topología PFC será un PFC de refuerzo simple sin intercalado. También se pueden observar una serie de compensaciones cuando se trata de seleccionar la etapa del convertidor resonante. Cabe señalar que la conmutación de voltaje cero (ZVS) se ha utilizado ampliamente para convertidores resonantes. Cuando se diseña correctamente, ZVS proporciona mejoras significativas en los circuitos en la conmutación de voltaje cero y otras áreas, como la reducción de las corrientes de modo común.

La referencia 2 analiza la importancia de seleccionar los tipos correctos de dispositivos electrónicos de potencia. Para aplicaciones de carga, elegir los dispositivos adecuados es esencial para lograr un diseño compacto y cumplir con los requisitos de EMC. Entre los dispositivos elegidos, los dispositivos de banda prohibida amplia, como los dispositivos de nitruro de galio (GaN), se ven ampliamente en aplicaciones comerciales como cargadores rápidos para computadoras portátiles y teléfonos, mientras que los dispositivos de carburo de silicio (SiC) son dominantes en aplicaciones de alto voltaje y alta potencia, como OBC utilizados en vehículos eléctricos.

Como se muestra en la Figura 4, la mayoría de los dispositivos GaN se montan en superficie con circuitos controladores integrados, mientras que la mayoría de los SiC son dispositivos discretos de orificio pasante debido al alto nivel de potencia. Aunque los dispositivos D2PAK SiC están disponibles, no son la opción favorita de los ingenieros de diseño, principalmente debido a las diferentes características térmicas asociadas con el paquete.

Figura 4: Los dispositivos de banda prohibida amplia, como los FET de GaN y SiC, se ven ampliamente en aplicaciones de carga

Los dispositivos de orificio pasante son robustos, de bajo costo y disfrutan de mejores características térmicas y, por lo tanto, se usan ampliamente en aplicaciones de alto voltaje y alta potencia. Pero, para EMC, no son tan buenos como los dispositivos montados en superficie porque los cables extralargos del paquete introducen una inductancia mayor.2 Al ser físicamente altos, también irradian de manera más eficiente en comparación con los dispositivos montados en superficie. El diseño térmico de estos dispositivos es crucial, ya que los disipadores de calor suelen ser mucho más grandes que los propios dispositivos. Si el disipador de calor no está bien conectado a tierra, puede irradiar mucho más en un rango de frecuencia más bajo (30-300MHz).3

Además de los dispositivos de conmutación, los componentes magnéticos, como el transformador utilizado en la etapa del convertidor resonante, también deben diseñarse teniendo en cuenta consideraciones EMC. La eficiencia del sistema es siempre el factor de diseño más importante. Por lo tanto, las pérdidas de un transformador (incluidas las pérdidas del núcleo, las pérdidas del cobre, el efecto superficial y el efecto de proximidad) a menudo reciben una consideración importante durante la etapa de diseño. El esquema ZVS también requiere un núcleo saturable del transformador y prefiere una mayor inductancia de fuga. Esto significa que a menudo se pasa por alto el diseño EMC de un transformador.

Un simple blindaje electrostático a menudo puede ayudar a reducir la corriente de modo común cuando se agrega al transformador.4 El blindaje debe conectarse a 0 V en el lado primario y debe mantenerse lo más delgado posible para minimizar la pérdida de corrientes parásitas debido al efecto de proximidad. Un segundo blindaje en el lado secundario mejora aún más el rendimiento EMC, pero con un coste de fabricación adicional.

Otras técnicas en el diseño del transformador incluyen la cancelación de corriente en modo común o el llamado equilibrio de corriente en modo común basado en un diseño de estructura de devanado único.5 Cabe señalar que el diseño del transformador también es la clave para optimizar el ZVS del convertidor.

Durante la revisión del diseño, se deben evaluar los pros y los contras de la selección de cada componente. La eficiencia, el tamaño y el costo suelen ser los factores clave en la selección de componentes. Pero la comparación también debería tener en cuenta consideraciones de EMC. Por ejemplo, los ingenieros a menudo seleccionan componentes de manera que se logre el mejor factor de forma y el costo mínimo, solo para descubrir que es necesario agregar un filtro pesado, voluminoso y costoso en una etapa posterior porque los interruptores/transformadores seleccionados crean demasiados. Problemas EMI. Si el problema se hubiera destacado temprano durante la etapa de selección de componentes, el tiempo y el costo total podrían haberse reducido.

Durante la revisión esquemática, se debe prestar atención a las siguientes áreas:

Cuando se trata de revisar el diseño, el problema está en los detalles. Una revisión del diseño puede costar fácilmente unos días con ingenieros de diseño de múltiples disciplinas involucradas. Los condensadores de desacoplamiento, las ubicaciones de los filtros, los conectores, las pistas, las vías y más necesitan un escrutinio en la etapa de revisión.

En la Figura 5 se muestra un ejemplo. Para disipar el calor generado por los dispositivos de GaN, a menudo se utiliza una gran área de cobre y vías térmicas. Esta es una característica de diseño generalmente preferida tanto por los ingenieros electrónicos como por los ingenieros térmicos, ya que las grandes áreas de cobre disipan el calor de manera más eficiente, logrando así una conversión de mayor eficiencia. El nodo de conmutación de un medio puente conecta el nodo fuente de un dispositivo y el nodo drenaje del otro. Pero tener una gran área de cobre aumenta efectivamente el tamaño del nodo de conmutación, lo que empeora la emisión y la hace difícil de contener. Este riesgo relacionado con EMC debe resaltarse en la etapa de diseño del diseño y debe diseñarse un plan de mitigación. En este caso, un posible plan de mitigación sería utilizar una lámina de aluminio/cobre sobre los dispositivos. Esta lámina ayuda a disipar el calor y al mismo tiempo proporciona protección sobre el nodo de conmutación. Este plan de contingencia puede luego implementarse y probarse en la etapa mecánica y de embalaje.

Figura 5: El uso de una gran área de cobre debajo del nodo de conmutación podría provocar una EMI peor. Un blindaje sobre los dispositivos es beneficioso tanto para la temperatura como para la EMC.

Se debe realizar una prueba preliminar tan pronto como el primer prototipo de PCB esté listo. Es cierto que el rendimiento EMC de un producto depende del diseño y el embalaje, y el perfil de ruido de un producto final será diferente del de una sola PCB. Sin embargo, un ejercicio de sondeo de campo cercano en una etapa temprana a menudo puede indicar señales de alerta y obtendrá beneficios al final del proceso de diseño.

A nivel de PCB, se pueden realizar dos pruebas sencillas de mesa. El sondeo de campo cercano, como el uso de un bucle de campo magnético sobre el área de la PCB, puede localizar la fuente de ruido (consulte la Figura 6). El perfil de ruido es generalmente una buena indicación de las emisiones tanto conducidas como radiadas.6 Como se muestra en la Figura 7, medir la corriente de modo común en los cables usando una sonda de monitoreo de corriente de RF es otra manera eficiente de predecir las emisiones conducidas y radiadas de la PCB bajo investigación.7

Figura 6: El uso de una sonda magnética de campo cercano sirve como una forma rápida de probar el rendimiento EMC de la PCB

Figura 7: Uso de una sonda de monitoreo de corriente de RF para medir la corriente de modo común en los cables de la PCB

El embalaje del producto final suele considerarse un trabajo mecánico. En esta etapa, se ensambla el producto final y se aplica el diseño térmico. Los conjuntos de PCB podrían implicar apilar PCB, apilar PCB en separadores al chasis, conectar cables de PCB, conexiones de PCB a conectores del chasis, etc. En el diseño térmico, para aplicaciones de pequeña potencia, esto significa aplicar pasta/pegamento térmico y pegamento térmico. almohadillas. Para aplicaciones de gran potencia, esto significa implementar disipadores de calor y tuberías de refrigeración líquida.

Los desafíos clave en esta etapa son minimizar la impedancia de la conexión. Por ejemplo, la altura de los separadores determina la inductancia entre las PCB y el chasis. Por lo tanto, desde el punto de vista de EMC, son preferibles múltiples distancias más cortas, una preferencia que también suelen respaldar los ingenieros mecánicos2. Sin embargo, con los PCB apilados, podrían ocurrir resonancias en las cavidades, y en las Referencias 8 y 9 se pueden encontrar formas de eliminar el riesgo de estructuras de resonancia.

Los disipadores de calor deben estar conectados a 0 V o a rieles de alimentación para evitar que irradien emisiones. Los blindajes como el blindaje de aluminio/cobre introducido anteriormente también deben unirse al plano de 0 V para que funcionen para EMC.3 (para el diseño térmico, no es necesario unirlos a ningún punto).

Las dos pruebas EMC más importantes para aplicaciones de carga son las emisiones conducidas y radiadas. Siempre es una buena práctica probar los productos en una configuración de prueba de EMC previa al cumplimiento antes de enviar la unidad para una prueba de cumplimiento formal. La buena noticia es que las pruebas de cumplimiento previo de emisiones radiadas y conducidas se pueden realizar en una mesa de trabajo a un costo relativamente bajo.

Dependiendo de la potencia nominal del DUT, se pueden utilizar LISN con potencia nominal adecuada para las pruebas de emisiones realizadas. Debido a que se trata de una aplicación de alto voltaje, la seguridad de alto voltaje debe tener prioridad al configurar una prueba de cumplimiento previo. El uso de un transformador de aislamiento y la conexión a tierra del plano de tierra de prueba a una tierra de seguridad son absolutamente necesarios para garantizar la operación segura de la prueba de emisiones realizada. La Figura 8 muestra una configuración de emisiones conducidas de cumplimiento previo de mesa para un producto en desarrollo que utiliza interruptores de GaN.

Figura 8: Se está probando un cargador rápido contra emisiones conducidas en una configuración de prueba previa al cumplimiento

A menudo se utiliza una celda electromagnética transversal abierta (TEM) para determinar los patrones radiados de un DUT. Cabe señalar que una configuración de celda TEM no proporcionará exactamente los mismos resultados cuantitativos que una medición con antenas de campo lejano. Debido a limitaciones de espacio, a menudo se enrollan cables más largos dentro del espacio de la celda TEM, lo que también afecta el perfil de emisión radiada. No obstante, el uso de una celda TEM ha demostrado ser una forma eficaz de predecir las emisiones radiadas de un DUT.

Como se muestra en la Figura 9, se coloca un OBC dentro de la celda TEM. Para dibujar un perfil de emisión completo del DUT, es necesario colocar tres orientaciones ortogonales principales del DUT.10 Pero esto también ilustra las limitaciones del uso de una celda TEM para probar productos de gran potencia, como los OBC, debido a la altura del espectro. de una celda TEM (en este caso, esta celda TEM tiene una altura de espectro de 15 cm). Por lo tanto, en este caso, sólo se prueba una orientación del DUT. Sin embargo, para aplicaciones de carga de electrodomésticos, un DUT es lo suficientemente pequeño como para probarlo con las tres orientaciones ortogonales principales.

Figura 9: Se está probando un OBC para aplicaciones automotrices frente a emisiones radiadas en una celda TEM

Es de esperar que, en esta etapa, los resultados del cumplimiento previo proporcionen un alto nivel de confianza de que el dispositivo pasará las pruebas de emisiones. Sin embargo, si se resaltan señales de alerta, los ingenieros pueden volver a la etapa anterior para elaborar un plan de solución de problemas que eventualmente abordará los problemas resaltados.

Siempre existe cierto grado de incertidumbre cuando se trata de las pruebas finales de EMC. Pero, si se sigue el proceso de gestión de EMC descrito en este artículo, no debería haber grandes sorpresas. El proceso ayuda a garantizar que todos los aspectos previsibles de EMC se hayan considerado y abordado durante el proceso de diseño. Las notas de la reunión de cada revisión de diseño deben estar bien documentadas en una evaluación de riesgos de EMC. La evaluación de riesgos de EMC sirve como prueba convincente de que la empresa al menos ha intentado abordar los problemas de EMC.

aplicaciones de cargacumplimientodiseñoemcemc diseñoMin Zhang

El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor principal de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, resolución de problemas y capacitación de EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, máquinas eléctricas y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.

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