Power Electronics'de Anahtarlama Frekansının Temelleri

Anahtarlama frekansı, bir güç yarı iletken cihazının, bir MOSFET veya IGBT gibi bir güç kümesinin veya güç tedarikinde bulunan eyaletler arasındaki geçişleri tanımlar.Bu parametre, kilohertz (kHz) veya megahertz (pakt), doğrudan pasif bileşenlerinin boyutunu etkiler - doğrudan geçişçiler ve kapasitörler - dönüştürücüler ve kapasitörler - dönüştürücülerin genel güç yoğunluğuna izin verir.

Geçiş süreci yüksek oranda değişimle gerilim ve mevcut dalgaformları yaratır (dV/dt ve dI /dt), 500 kHz'de çalışan bir bu parasitik elementler, harmonik içerik ile onlara kadar uzanır ve bu ilişkiyi tahmin etmek ve tasarıma ulaşır.

Modern güç dönüştürücüleri genellikle sabit bir geçiş frekansıyla nabız genişliği (PWM) kullanıyor, ancak değişken frekans programları da mevcut. Sabit frekans PWM filtreye daha basit, çünkü gürültü spektrumu iyi tanımlanmış, değişken frekans teknikleri gürültüyü daha geniş bir bant üzerinden yayılabilir, her bir yaklaşım, verimlilik, bileşen stresi ve EMC performansı arasındaki ticaret-offları da beraberinde getirir.

Frekansın EMI Spectrum Şekillerini Nasıl Değiştirilir

Bir geçiş dönüştürücünden elektromanyetik emisyonlar hem diferansiyel-mode (DM) hem de ortak mod (CM) bileşenleri arasında değişken gürültü akışları ve özellikle geçiş geçişleri yoluyla elde edilen yüksek frekanslı geçişler sonucunda, geçiş hacminin daha belirgin hale getirilmesi ve giriş kapasitesinin değiştirilmesi gibi, geçiş limitlerinin düşmesi, belirlenen kesintilerin azaltılması, potansiyel olarak düşüklüğün frekansının düşmesine izin vermeden daha yüksek frekanslı içeriklerin azaltılmasına olanak sağlar.

Yaygın mod gürültüsü, bu parasitik kapasitörlerin uzaklığı, zemin yolunda daha yüksek frekanslıların akışları azaltmaktadır.Bu artışlar 150 kHz ile 30 MHz aralığında CM emisyonlarının sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık CISPR 32 ( multimedya ekipmanları için) veya CISPR 25 (havalım ekipmanları için) gibi standartlar tarafından yönetilen emisyonların azalmasına olanak sağlar.

Bu fenomenin pratik bir gösteri, 2 MHz tasarım ile bu harmonikleri karşılaştırarak gözlemlenebilir. 100 kHz tedariki Federal İletişim Komisyonu (FCC) veya Uluslararası Radyo Interference (CIS) ile ilgili 200 kHz, ve bu nedenle, filtreleme stratejilerini 2 millik bir diziye kadar değiştirir.

EMC Standartları ve Uyumları

Elektromanyetik uyumluluk standartları, diğer bölgelerdeki en güvenli minimum standartları tanımlar ve bu standartlar, A (endüstriyel) ve B sınıfı için daha sıkı bir şekilde geçiş için.En yaygın düzenleyici çerçeveler doğrudan giriş filtre tasarımını etkiler -tipsiz 32 (Avrupa), ve diğer bölgelerdeki harmoniz standartların bir kombinasyonunun bir kombinasyonunun - B sınıfı (residential) sınırlarına sınıflandırması gerekir.

Bir örnek: 1 MHz'de geçiş yapan bir Sınıf B gücü, 10-15 dB'nin altındaki emisyonları sergilemeli, ek filtreleme veya ovuşturma ağı (LISN) ve ortalama algılama yöntemleri ile ölçülmüş ve bu algılama modları arasında düşüşler hala uyum sorunları olabilir.

Tıbbi cihazlar (IEC 60601-1-2) veya askeri sistemler (MIL-STD-461) gibi daha talep edilen ortamlar için, frekans aralığı 1 GHz'nin ötesine geçer ve emisyon limitleri daha düşük. Bu durumlarda, birkaç megahertz'ın üzerindeki frekansları sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan malzemeler ve PCB ayak izi gibi gelişmiş masyon tekniklerini talep eder.

Çeşitli Frequencies'da Optimizing EMC için Tasarım Stratejileri

Frekans ve Modulation Schemes

Herhangi bir geçiş dönüştürücü tasarımındaki ilk karar, geçiş frekansının kendisi seçimidir. Alt ayarlı frekanslar (daha düşük 200 kHz) kolay filtre tasarımı çünkü harmonikler, konvansiyonel indüktörler ve kapasitörler aralığında iyi kullanılır, ancak daha büyük manyetik bileşenler gerektirir ve yüksek çözünürlükte bir gürültü oluşturabilirler. Mid-range frekansı (200 kHz ila 2 MHz) standart ve çözünürlükte en aza indirmek için daha zor hale gelir ve AC-DC adaptörlerinde yaygın olarak kullanılır.

Genişleme modulama, pasif bileşenler eklemeden önce, küçük bir aralığın geçiş frekansına (örneğin, ±5% bir nominal değere) yayılabilir ve enerjiyi daha geniş bir kanaldaki yayılabilir.Bu teknik, geçen bir tatil olarak veya diğer yöntemlerle birleştirilebilir.

PCB Layout ve Bitirme Yeri

Layout optimizasyonu, EMI'yi artan bileşen saymadan kontrol etmek için en etkili stratejidir. Anahtar kural, yüksek frekanslı mevcut döngülerin alanını en aza indirmektir, özellikle giriş kapasitörünü içeren güç döngüsü, anahtarlama cihazı ve ücretsiz olarak, küçük bir döngü alanı altüstelik bir sinyal için döngüyü azaltır ve hassas olmayan manyetik alan kılavuzları dağıtır.

1 MHz'in üzerinde çalışan dönüştürücüler için, PCB materyali önemli hale gelir. Standart FR-4, frekansla artış gösteren bir kayıp Tangent vardır, potansiyel olarak geri bildirimde bulunan sinyal bütünlüğüne sahip değildir.Ses 4350B gibi yüksek frekanslı laminatlar doğrudan daha yüksek maliyetle ortaya koyar.

Filtreleme ve Snubber Teknikleri

Giriş ve çıkış filtreleri, geçiş frekansı ve harmonikleri ile ilgili gürültüyü atlatmak için tasarlanmıştır. Test edilen emisyonlar için, filtre genellikle optik şarj edilebilirliği için en düşük maliyetli (daha yüksek çözünürlükte) ve yüksek çözünürlükte bulunan kapasitörler kümesi (X-kapılayıcılar) ve parasitik kapasitörler nedeniyle ayarlanabilir.

Snubber devreleri (RC veya RCD) geçiş cihazıyla bağlantılı veya yeniden tasarlanmış emisyonlar 6-10 dB ile zirve emisyonlarını azaltabilir, ancak aynı zamanda geçiş kayıpları ve bileşen sayımını da artırmalıdır.

Yumuşak Anahtarlama ve Gelişmiş Topolojiler

Sıfır gerilim geçişi (ZVS) ve sıfır akım geçiş (ZCS) gibi esnek-switching teknikleri, geçiş geçişleri sırasında üretilen EMI'yi dramatik bir şekilde azaltır.Bir ZVS dönüştürücüde, ZVS dönüştürücüleri arasındaki gerilim, ilk anahtarlar ve ZCS'yi parasitik kapasitansta depolayarak ve CM akımını ortadan kaldırır.Resonant dönüştürücüler (örneğin, LLC, CLLC) doğal olarak ZVS'ye ulaşır.

Ancak, yumuşak-switching dönüştürücüler daha karmaşık kontrole sahiptir ve bu karmaşık tasarımlara rağmen, EMC avantajları genellikle ek tasarım çabasını haklı çıkarır.

Pratik Ticaret-Resimler: Verimlilik, Boyut ve Maliyet

Anahtarlama frekansı manyetik bileşenler ve kapasitörler boyutunu azaltır, daha küçük bir genel ayak izi sağlar. Örneğin, 1 MHz bir buck dönüştürücü, 1 μH'nin bir inductorunu kullanabilir, aynı dalgalama modunda çalışan için 100 kHz dönüştürücüye ihtiyaç duyar. Küçük bileşenler de daha küçük ısıtılır, ancak daha yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte veya çıkış kapasitesinin daha düşük olması gerekir.

Tipik bir ticaret analizi: 100 W AC-DC dönüştürücü için tasarımcılar, daha yüksek geçiş kayıpları nedeniyle% 92 oranında bir frekans seçebilirler. Filtre bileşeni değerlerini tutarken, 400 kHz ısıtılabilir ısıtılabilir, ancak verimlilik% 30 oranında azalır, ancak daha yüksek kaymalar nedeniyle% 92'den% 92'ye kadar azalır.

Düşük güç bataryası çalıştırılmış cihazlar (örneğin, giyilebilir), 2 MHz'in üzerindeki geçiş frekansları yaygındır, çünkü güç, bu kayıpların kabul edilebilir olması ve küçük ayak izi önceliklidir. İşte EMC meydan okuyan bir PCB düzeni kullanarak karşılanır ve bazen küçük bir kalkanı kolayca kontrol edilir.

Vaka Çalışması: 500 kHz Buck Converter'te Emisyonları Yeniden Üretin

Bir 5 V, 3 Bir endüstriyel kontrol kurulu için 500 kHz'ye geçiş yapan bir otobüs dönüştürücü göz önüne alındığında, ilk EMC testi, CISPR 32 Sınıf B limitini 1.5 MHz'de 8 dB. Analiz, düşük yan yana ringe geçişin yüzde 20 oranında azaltıldığını ve yüzde 60'lık bir aradaki uyumsuzluğun azaldığını açıkladı.

Bu örnek, yalnızca simülasyona güvenmek yerine gerçek gürültü spektrumunu ölçmenin önemini vurgulamaktadır. Parasitic elementleri modelde yakalamaz - aynı zamanda kapasitörlerin ve PCB izlerinin eşdeğer serisi gibi - harmonik profili önemli ölçüde değiştirebilir.Bir spektrum analizörü kullanarak adım adım adım adım adım adım adım debug işlemi güçlü EMC performansı elde etmek için vazgeçilmezdir.

Future: Wide-Bandgap yarı iletkenleri ve EMC

Geniş bantlı malzemeler galyum nitride (GaN) ve silikon ışı (SiC) yüksek verimlilik devam ederken frekansları 10 MHz'in ötesine geçmek için sağlar. GaN FETs çok düşük çıktı kapasitesi ve kapı şarjları, Dv / hızları 100 V /n'in üzerindeki yüksek frekanslı filtrelerin boyutlarını artırmak için daha az etkili hale getirirler.

Başka bir yükselen yaklaşım, [[0)aktif EMI iptali) CM gürültüyü nullify için mevcut bir tazminata sahip olan devreler.Bu devreler, girişte gürültüyü hissediyor ve küçük yardımcı dönüştürücüyü kullanarak tam tersi bir sinyal üretiyor. Aktif iptaller karmaşıklık ve maliyetle, 20 dB veya daha fazla pasif bileşene sahip olmak için daha fazla çaba harcamak için, yüksek çözünürlükte güç modülleri için cazip hale getirmek gerekir.

Deeper için dış kaynaklar

  • EMI ölçüm prosedürlerinin kapsamlı bir genel bakış için, bkz.ENFLT:0)EEVblog rehberi EMI testlerine ) yol açtı.
  • [FONT=0]CISPR web sitesi[Dönetici:0)[Dönetici ve tüketici elektronikleri için EMC standartları üzerinde en son yayın listeleri ve güncellemeler sağlar.
  • Temel yarı iletken üreticilerden gelen başvuru notları, örneğin:0)Texas Instruments'ın "EMC-Compliant Power Supply Design" ), pratik filtre tasarım örnekleri sunar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Geçiş frekansı ve elektromanyetik uyumluluk arasındaki ilişki, güç elektronik tasarımında temel bir konudur. İyi-kosen geçiş frekansı, verimlilik, boyut, maliyet ve düzenleyici uyum talepleri ile dengelenebilir. EMI'nin ⁇ davranışını anlamak, ses düzeni ve filtreleme tekniklerini uygulamak ve ileri modülasyon ve üstoloji seçeneklerini araştırmak, mühendisler, ürünlerini performanstan ödün vermeden veya hesaplamadan ödün vermeden EMC gereklilikleriyle karşılayabilmelerini sağlar.