Рубрики
Электрическая сопоставимость

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения Андрей Колпаков Лев Журавлев Главные усилия компаний, производящих составляющие для силовой

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения Андрей Колпаков
Лев Журавлев

Главные усилия компаний, производящих составляющие для силовой электроники, ориентированы на ублажение жесточайших требований, предъявляемых сейчас к преобразователям напряжения. Одним из главных является требование по электрической сопоставимости. Современные силовые ключи, сначала MOSFET и IGBT, имеющие очень высочайшие скорости переключения, безизбежно становятся источником электрических помех (EMI — ElectroMagnetic Interference). В статье описаны механизмы появления EMI и пути решения трудности электрической сопоставимости.

Одним из самых фаворитных силовых ключей, более нередко применяемых в современных импульсных преобразователях напряжения, является IGBT. Способность работать в критериях промышленных напряжений питания, большая плотность тока, высочайшие скорости переключения — вот главные достоинства IGBT, делающие эти составляющие неподменными в таких применениях, как импульсные источники питания, частотные преобразователи напряжения, электроприводы и т. д. Обычно, в данных схемах силовые ключи работают в режиме «жесткого переключения» при частоте коммутации до 20 кГц. Рвение к обеспечению хороших динамических черт и понижению уровня утрат переключения просит ускорения коммутации по напряжению до 15 кВ/мкс и току — до 2 кА/мкс. Соответственно растет и уровень электрических помех, вырабатываемых при коммутации, и остро встает неувязка электрической сопоставимости. В статье мы разглядим основной вид EMI — так именуемые кондуктивные помехи, возникающие при коммутации тока.

Импульсные процессы, происходящие в массивных преобразователях напряжения, безизбежно приводят к появлению высокочастотных шумов и помех. Частотный спектр генерируемых шумов простирается от несущей частоты ШИМ (обычно, 10-20 кГц) до радиочастот (30 МГц). Низкочастотные помехи попадают в питающую сеть, высокочастотные составляющие делают массивные радиопомехи. Сетевые помехи обычно характеризуются дискретными гармониками на частотах приблизительно до 2 кГц. Гармонические составляющие с частотами выше 10 кГц именуются радиопомехами, их уровень измеряется в дБ/мкВ.

Зависимо от нрава и происхождения кондуктивные помехи могут быть симметричными и несимметричными, также дифференциальными и синфазными.

На облегченной эквивалентной схеме, приведенной на рис. 1, показаны направления распространения кондуктивных помех. Ток, вызывающий дифференциальную составляющую, протекает только по проводящим цепям. Дифференциальная помеха (dm — differential mode) появляется при коммутации этого тока силовыми ключами: IGBT и антипараллельными диодиками (FWD — Free Wheel Diodes).

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 1. Эквивалентная схема и спектральный анализ повторяющегося импульсного сигнала: a) временная диаграмма, б) линейная частотная черта, в) ЛАХ

Высочайшая скорость коммутации dv/dt и наличие паразитных емкостей С, меж токоведущими цепями и корпусом становятся причинами возникновения синфазных помех (cm — common mode). Синфазная цепь замыкается через токонесущие цепи и паразитные емкости на шину заземления (либо корпус). «Приемником» данного типа помехи может быть как основной преобразователь напряжения, так и хоть какое устройство, соединенное с ним по цепям питания.

Безупречное прямоугольное напряжение при разложении в ряд Фурье генерирует линейный дискретный диапазон, огибающая которого имеет спад -20 дБ/дек. Все спектральные полосы являются гармониками, кратными основной частоте (рис. 1б).

Реальный график цикла переключения c продолжительностью импульса t и периодом повторения Т (рис. 1а) имеет трапецеидальную форму и характеризуется конечным временем нарастания ta и спада. Его логарифмическая амплитудная черта (ЛАХ) на частотах ниже fg( fg= 1/(πxta)) имеет наклон -20 дБ/дек, а на частотах выше fgнаклон равен -40 дБ/дек (рис. 1в). Форма огибающей диапазона сигнала имеет огромное значение при исследовании спектральных параметров помехи.

Электронные свойства транзисторов и диодов, применяемых в массивных силовых модулях, оказывают существенное воздействие на уровень излучаемых радиопомех, так же как и распределенные характеристики частей конструкции. Для анализа диапазона помех, возникающих при коммутации тока, используются эквивалентные схемы, одна из которых приведена на рис. 2. Это простая схема полумостового каскада в чопперном включении.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 2. Эквивалентная схема для анализа EMI, схема LISN

Заместо импульсного источника питания в эквивалентной схеме употребляется так именуемая цепь стабилизации импеданса сети — LISN (Line Impedance Stabilization Network). LISN представляет собой двунаправленный фильтр нижних частот, установленный меж питающей сетью и измеряемым устройством и исключающий воздействие наружных шумов на результаты измерений. Сразу LISN является фильтром верхних частот, предотвращающим проникновение шумов, генерируемых устройством, в анализатор диапазона. Принципная схема цепи также показана на рисунке, характеристики LISN: 50 Ом // 50 мкГн +5 Ом. Данный узел нужен для получения корректных и воспроизводимых результатов измерений, в определениях, предусмотренных международными эталонами по электрической сопоставимости. Схема питается от регулируемого линейного источника неизменного напряжения, это позволяет исключить воздействие помех, генерируемых выпрямителем. В качестве нагрузки употребляется RL-цепь, к которой обычно добавляются паразитные распределенные емкости и индуктивности.

Мы проведем анализ диапазона помех для нескольких силовых модулей IGBT разного типа с номинальными значениями тока 50 А и напряжения 1200 В. Основными объектами исследования процессов, влияющих на EMI, являются:

  • режимы работы силового ключа (V, I, fsw );
  • разработка IGBT;
  • структура силового модуля (кристаллы IGBT и диодов, топология соединений, изоляция);
  • характеристики цепи управления затвором;
  • температура;
  • условия заземления.

Результаты измерений обрабатываются при помощи специальной модели, созданной для оценки уровня EMI. На рис. 3а приведены кривые спектров помех, приобретенные для силовых модулей IGBT разных производителей (SKM50GB121D — Semikron, BSM50GB120DN2 — EUPEC, 2MBI50L-120, 2MBI50F-120 — Fuji). Измерения проводились при схожих критериях работы ключей (450 В, 20 А, 5 кГц),и схожих значениях резисторов затвора Rgon/Rgoff. Все исследуемые силовые модули IGBT, сделанные по технологиям NPT и PT, показывают близкие диапазоны помех. Различие кривых разъясняется сначала различием в нраве процессов оборотного восстановления оппозитных диодов и их воздействии на di/dt. Таким макаром, более резвые NPT IGBT имеют схожие свойства, а уровень генерируемых ими помех на частотах выше 3 МГц несколько больше, чем у модулей PT IGBT.

Уменьшение скорости переключения понижает уровни di/dt, dv/dt и, соответственно, изменяет ток и нрав оборотного восстановления диодов. В простом случае этот процесс можно изучить, изменяя значение резисторов затвора Rgon /Rgoff , конкретно влияющих на скорость переключения силовых модулей IGBT. Результаты анализа зависимости спектрального состава излучаемых помех от величины импеданса цепи управления затвором приведены на рис. 3б.

Как демонстрируют графики, приведенные на рис. 3, уровень излучаемых высокочастотных помех падает с ростом значения Rg . Но повышение импеданса цепи управления затвором безизбежно приводит к росту динамических утрат, что ограничивает способности борьбы с EMI при помощи конфигурации резисторов Rg .

Диапазон помех испытательной схемы в обозначенной рабочей точке (450 В, 20 А, 5 кГц) в спектре частот 10 кГц — 1 МГц определяется сначала током нагрузки (током IGBT), а в спектре частот 1-30 МГц — током оборотного восстановления диодов.

На частотах выше 200 кГц рост электрического излучения дифференциальных помех обоснован, сначала, воздействием паразитной индуктивности конденсаторов DC-шины на импеданс схемы. Графики, показанные на рис. 4, показывают эффект внедрения снабберных конденсаторов CS, устанавливаемых конкретно на DC-терминалах модуля. Предпосылкой понижения уровня EMI является шунтирующее действие снаббера по отношению к высокочастотному сигналу помехи. Резонанс, наблюдаемый на графике в районе 400 кГц, вызван параллельным контуром, состоящим из CS и паразитной индуктивности шин и конденсаторов звена неизменного тока. Выше этой точки уровень излучения падает, нрав кривой при наличии CS определяется своей индуктивностью и сопротивлением снабберного конденсатора на частотах выше 2 МГц.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 4. Изменение спектрального состава EMI при наличии снабберного конденсатора (a), заземлении теплоотвода, использовании разных изоляционных материалов

На рис. 4б приведены графики спектров помех, приобретенные при заземленном и незаземленном радиаторе. В критериях заземленного теплоотвода уровень EMI растет с 75 дБ/мкВ приблизительно до 92 дБ/мкВ в спектре частот 0,2-8 МГц. В этом случае идет речь о синфазных помехах, наводимых высокочастотными токами, текущими через паразитные емкости заземления CP. Эти емкости образуются изолирующими материалами, находящимися меж коллекторами IGBT (либо катодами антипараллельных диодов) и теплоотводом. Величина CP находится в зависимости от площади А, толщины d и диэлектрической проницаемости ? изолирующего материала: CP = ?A/d.

Воздействие материала изоляции на электрическое излучение показано на графиках (рис. 4в), характеристики изолирующего слоя более очень оказывают влияние на диапазон синфазных помех на частотах 0,5-8 МГц. Как указывает набросок, их уровень меняется в спектре 72-88 дБ/мкВ. Наихудшая ситуация наблюдается при использовании в качестве изолятора кремнийорганического (силиконового) каучука. Глиняние материалы, такие как оксид алюминия Al2O3, позволяют получить наилучшие результаты, но малый уровень помех обеспечивается при использовании силиконового каучука с медным экранирующим слоем, соединенным с одним из выводов DC-шины.

Спектральный состав EMI фактически не находится в зависимости от температуры, с ее ростом некординально возрастает уровень излучения, что связано с конфигурацией нрава оборотного восстановления диодов.

Чтоб наметить лучшие методы борьбы с помехами и обеспечить требуемый уровень электрической сопоставимости (EMC — ElectroMagnetic Compatibility), нужно проанализировать источники и пути распространения электрического излучения. Основными факторами, влияющими на уровень дифференциальных помех, являются ток оборотного восстановления антипараллельных диодов и наличие распределенных индуктивностей у конденсаторов и соединительных цепей, участвующих в процессе коммутации массивных токов. Паразитные составляющие схемы образуют контуры, инициирующие возникновение резонансных пиков (см. график на рис. 4а). Соответственно, для понижения уровня EMI требуется уменьшать токи оборотного восстановления диодов и уровень паразитных индуктивностей конденсаторов звена неизменного тока.

Уровень синфазных помех сначала находится в зависимости от величины паразитных емкостей заземления CP, и для борьбы с ними следует находить пути понижения этих емкостей.

На рис. 5 показано размещение кристаллов на глиняной DCB-подложке и геометрия слоев IGBT силового модуля традиционной конструкции. Площадь DCB-керамики под кристаллом IGBT, коммутирующим сигнал и являющимся конкретным источником dv/dt, почти во всем определяет значение CP.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 5. Размещение кристаллов на DCB-керамике, структура слоев IGBT силового модуля, эквивалентная схема

Для исследования процессов образования и распространения синфазных и дифференциальных помех употребляется эквивалентная тестовая схема, вид которой представлен на рис. 6. Данная схема содержит узлы, отображающие воздействие физических компонент силового модуля и их паразитных составляющих на появление EMI.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 6. Тестовая схема моделирования

Рис. 7 иллюстрирует результаты исследования спектров помех, приобретенные при моделировании разных ситуаций:

  • 7а: расчетный полный диапазон EMI (cm, dm) стандартного силового модуля (1), промоделированный диапазон модуля усовершенствованной конструкции (2). Условия испытаний: VCE = 450 В, IC = 20 A, f = 5 кГц, заземленный радиатор;
  • 7б: диапазон EMI (cm) стандартного силового модуля (1), стандартного модуля без учета тока оборотного восстановления IRM (к примеру, в режиме «плавной коммутации» — 2), усовершенствованного модуля с применением снабберно-го конденсатора CS (3),
  • 7в: диапазон EMI (dm) стандартного силового модуля (1), стандартного модуля с уменьшенной паразитной емкостью «чип-радиатор» (емкость снижена со 130 до 60 пФ за счет оптимизации площади контакта DCB и кристалла — 2), расчетный диапазон усовершенствованного модуля с низкоиндуктивным проводящим экраном меж кристаллом и радиатором (экран подключен к DC-шине — 3 и 4). График 3 получен с учетом воздействия паразитных характеристик нагрузки и цепи управления затвором, 4 — без учета этих характеристик.

Как демонстрируют кривые, лучший итог достигается при использовании экранирующего слоя, экран понижает уровень синфазных помех, генерируемых силовым модулем практически на 30 дБ. Но таковой метод борьбы с EMI на практике практически не применяется, так как двойной слой изоляции наращивает термическое сопротивление. Результаты моделирования испытательной схемы должны быть доказаны надлежащими измерениями и экспериментальными исследовательскими работами. Измерения проводились на измененном силовом модуле IGBT с вставленными дополнительными конденсаторами и экранирующим слоем, соединенным с DC-терминалом. На рис. 8 показаны результаты измерений спектров помех, выполненных на стандартном и измененном силовом модуле IGBT BSM50GB120DN2 (EUPEC).

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 8. Результаты измерений спектров помех силовых модулей стандартной и усовершенствованной конструкции

Как демонстрируют графики, уровень EMI, генерируемый модулем усовершенствованной конструкции, на 15-25 дБ ниже, чем у стандартного силового ключа. Несколько образцов измененных силовых модулей были испытаны в составе резонансного преобразователя в режиме ZVC (Zero Voltage Commutation — режим переключения при нулевом напряжении). Отсутствие воздействия токов оборотного восстановления и наименьший уровень dv/dt, характерные данным применениям, приводят к значительному понижению излучения помех, что видно из рис. 8б. Дополнительного улучшения спектрального состава удается достигнуть при использовании снабберных конденсаторов. При разработке топологии силовых модулей компания Semikron уделяет очень огромное внимание дилеммам обеспечения электрической сопоставимости. Для анализа процесса генерации и распространения помех спецы компании употребляют эквивалентную схему, приведенную на рис. 9, ключи S1 и S2 на которой имитируют работу транзисторов полумостового каскада. В режиме «жесткого переключения» при работе на индуктивную нагрузку, когда значения LK (индуктивность шин питания) и СK (эквивалентные коммутационные емкости) — малы, ток полумоста коммутируется со скоростью di/dt, определяемой чертами силовых транзисторов. При открывании 1-го из ключей происходит оборотное восстановление оппозитного диодика, который до того был в состоянии проводимости. В этот момент не считая тока нагрузки через транзистор течет ток оборотного восстановления iRR, скорость конфигурации которого diRR/dt находится в зависимости от черт диодика, тока нагрузки IL, коммутируемого напряжения и эквивалентной емкости CK. Ее значение определяется всеми емкостями, имеющими связь с корпусом (шиной заземления).

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 9. Эквивалентная схема для анализа шумовых черт

Процесс переключения транзистора S1 вызывает возникновение симметричного (дифференциального) тока idm в параллельном ему контуре питания (сеть 1 на рис. 9). При окончании коммутационного цикла процесс оборотного восстановления диодика ключа S2 вызывает возникновение перенапряжения dv/dt на индуктивности шины. Уровень перенапряжения определяется скоростью оборотного восстановления diRR/dt и индуктивностью шины LK. Результирующий синфазный ток icm асимметрично протекает через шину заземления и цепи, параллельные коммутационным емкостям CK.

Внедрение режима «мягкого включения» либо ZСS (Zero Current Switch — коммутация при нулевом токе) при увеличении индуктивностей LK позволяет понизить значение di/dt и, как следует, уровень помех, вызываемых дифференциальными токами. В то же время при увеличении индуктивности будут возрастать перенапряжения, асимметричные токи и вызываемые ими синфазные помехи.

Закрывание ключа S2 приводит к возникновению «емкостного» переходного процесса. В режиме «жесткого переключения» ток синфазной помехи определяется параметрами ключа S1 и им-педансами цепей, связанных с земельный шиной и параллельных коммутационным емкостям CK. Нрав переходного процесса и, соответственно, уровень шумовых токов в этом случае зависят от характеристик выключения транзистора S1 и включения транзистора S2.

Для обеспечения режима «мягкого выключения», либо ZVS (Zero Voltage Switch — коммутация при нулевом напряжении), нужно прирастить значение CK. Замедленный процесс нарастания напряжения dv/dt уменьшает асимметричный ток в процессе коммутации напряжения. Понижение синфазного тока помехи в режиме ZVS происходит без приметного конфигурации дифференциального тока. Все же повышение CK приведет к уменьшению симметричного тока в контуре питания (сеть 1 на рис. 9) пропорционально соотношению емкостей, образующих делитель тока. Как следует, инвертор, работающий в режиме «мягкого переключения» с контролем фазового сдвига при включении либо выключении, имеет малый уровень дифференциальных либо синфазных помех зависимо от того, какой режим употребляется (коммутация при нулевом напряжении ZCS либо нулевом токе ZCS).

Измерение уровней радиопомех, излучаемых преобразователем напряжения в сеть, делается на сетевых клеммах относительно шины общего провода (шины заземления). Для анализа диапазона токов помех Semikron употребляет более сложную эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 10. Эквивалентная EMI-схема понижающего DC-DC преобразователя напряжения

На данной схеме (структурно это понижающий DC-DC преобразователь напряжения) контур импульсного источника питания представлен в виде схемы LISN, а контур нагрузки заменен эквивалентной схемой «Нагрузка». Паразитные характеристики силового модуля имитируются эквивалентной RLC-схемой «Модуль». Источники помех заданы генератором импульсного тока IS для дифференциальных токов помех и источником импульсного напряжения VS для синфазных токов помех. Схема VS содержит полумостовой каскад IGBT и генератор импульсов. Характеристики эквивалентных RLC-цепей подобраны таким макаром, чтоб показать частотные характеристики компонент схемы.

Для анализа процесса образования асимметричных помех были разработаны особые SPICE-модели силовых ключей и антипараллельных диодов, повышенное внимание в каких уделено корректному отображению временных черт тока коллектора и напряжения «коллектор-эмиттер». Данные модели очень достоверно имитируют процессы включения и выключения транзисторов с учетом процесса оборотного восстановления оппозитного диодика и токового «хвоста» IGBT транзистора.

Результаты, приобретенные при моделировании эквивалентной схемы, демонстрируют фактически полное совпадение с плодами измерений, проведенных на реальных устройствах.

На рис. 11 показан диапазон сигнала помехи, приобретенный при моделировании схемы, приведенной на рис. 10. Моделирование выполнялось при стандартных значениях рабочих режимов: напряжение питания 450 В, выходной ток 20 А, частота коммутации 5 кГц. При анализе использовались математические модели кристаллов NPT IGBT, используемых в полумостовом модуле SKM75GB124.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 11. Спектральный состав сигналов радиопомех VRI, приобретенный при моделировании. (+VZ, и -VZ — напряжение на выводах импульсного источника питания относительно шины заземления)

Эквивалентная схема, позволяющая рассматривать пути появления и распространения сигналов помехи, позволяет улучшить конструкцию силового модуля исходя из убеждений понижения EMI. Задачка оптимизации состоит в повышении импеданса контуров, в каких наводятся токи помех, либо разработке коротко-замкнутых цепей для токов помехи при помощи селективных подавляющих фильтров.

Дифференциальные токи помех замыкаются через емкости импульсного источника питания и коммутационные емкости. Безупречные емкости, присоединенные к транзисторам S1 и S2, могли бы сделать требуемые короткозамкнутые контуры для токов помех. Синфазные токи помех проходят через шину заземления и паразитные емкости заземления. Соответственно, для угнетения данного типа помех нужно сделать высочайший импеданс во всех коммутируемых цепях, имеющих значимые перепады напряжения относительно корпуса. На схеме, приведенной на рис. 9, угнетение помех может быть осуществлено методом понижения паразитных емкостей, связывающих силовой модуль с базисной платой и радиатором.

Один из путей уменьшения паразитных емкостей — гальваническая изоляция питания схемы управления затворами. Если драйверы не связаны по питанию с нулевой шиной, то в силовом модуле не появляются дополнительные токи смещения, генерирующие синфазные помехи. Излучение, вызванное токами, проходящими через паразитные емкости заземления, может быть снижено за счет внедрения особых изолирующих и экранирующих материалов.

На рис. 12 представлены эпюры спектров помех, измеренные для стандартного силового модуля IGBT и силового модуля Semikron, имеющего оптимизированную топологию. Эпюры демонстрируют, что на неких частотах уровень EMI модуля усовершенствованной конструкции снижен более чем на 20 дБ.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Рис. 12. Диапазон помех стандартного и оптимизированного силового модуля IGBT
Заключение

Обеспечение электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения является одной из самых сложных заморочек, которые обязаны решать производители силовых модулей и разработчики систем. Бессчетные исследования, проводимые в данном направлении, демонстрируют, что уровень EMI и состав диапазона помех почти во всем зависят от структуры и топологии электронных связей силовых ключей. Вот поэтому оптимизация конструкции силовых модулей исходя из убеждений понижения паразитных распределенных черт настолько принципиальна для понижения уровня помех, в особенности их синфазных составляющих. При разработке умственных силовых модулей SKiiP, маленьких силовых ключей MiniSKiiP, силовых модулей IGBT нового поколения SEMiX, производимых компанией Semikron, таким дилеммам уделялось повышенное внимание.

Принципиальное воздействие на спектральный состав оказывают также технологии производства силовых кристаллов. К примеру, дифференциальные помехи вызываются токами оборотного восстановления антипараллельных диодов. Диоды, производимые Semikron по технологии CAL (Controlled Axial Lifetime), отличаются очень плавным нравом оборотного восстановления, по этому параметру они числятся наилучшими в собственном классе [5]. Соответственно, силовые модули IGBT, в составе которых употребляются CAL-диоды, характеризуются пониженным уровнем излучения электрических помех.

Стандартным методом угнетения радиопомех является внедрение сетевых фильтров, включаемых в линиях питания импульсных преобразователей напряжения. Требования по уровню излучаемых в сеть помех, так же как и требования по стойкости к воздействию помех, изложены в эталонах, приведенных в таблицах 1 и 2. Применение схожих фильтров приметно наращивает цена и габариты устройства. Представляется более логичным очень понизить уровень помех при проектировании силового модуля. Конкретно таковой подход применяется при разработке силовых модулей Semikron.

Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Таблица 1. Эталоны электрической сопоставимости, регламентирующие уровень радиопомех
Трудности электрической сопоставимости массивных импульсных преобразователей напряжения
Таблица 2. Производственные эталоны электрической сопоставимости

Совместно с развитием импулсных преобразователей напряжения я совершенствуются методики измерения уровней шумов и помех. Сразу разрабатываются эталоны, обусловливающие максимально допустимые уровни воздействия на питающие сети и радиосвязь. В Рф такие требования изложены в эталоне ГОСТ Р51318.14.1-99 «Электромагнитная сопоставимость технических средств. Радиопомехи промышленные от бытовых устройств, электронных инструментов и подобных устройств. Нормы и способы испытаний». В данном документе обсуждены допустимые уровни напряжения помех, излучаемых электрическим устройством в сеть на разных частотах. Но, невзирая на все пробы стандартизации, требования остаются довольно противоречивыми, так же как и методики их проверки. Основная причина противоречий — неоднозначность определения устройств появления шумов.