In che modo le diverse topologie di alimentazione con bias isolato influiscono sull’EMI

Gli alimentatori piccoli e isolati forniscono alimentazione attraverso le barriere di isolamento in applicazioni che vanno dagli inverter di trazione dei veicoli elettrici ai moduli di controllo di fabbrica. In questo suggerimento, esaminerò diverse topologie di alimentazione polarizzata isolata e le relative prestazioni di interferenza elettromagnetica (EMI). Come vedrai, la capacità parassita attraverso il trasformatore di isolamento contribuisce in modo determinante alla propagazione del rumore di modo comune.

Negli inverter di trazione, i gate driver azionano gli interruttori ad alta potenza – solitamente transistor bipolari a gate isolato (IGBT) o MOSFET al carburo di silicio (SiC) – che convertono l’energia tra la batteria ad alta tensione e la macchina elettrica (vedi Figura 1). I gate driver sono generalmente isolati, con una parte del circuito integrato del gate driver collegata al dominio a bassa tensione (il lato primario) e un’altra parte collegata al dominio ad alta tensione (il lato secondario). I segnali di controllo del gate provengono da un microcontrollore sul lato primario e vengono passati al lato secondario per accendere e spegnere l’interruttore di alimentazione.

Figura 1 Un inverter di trazione con gate driver isolati. Fonte: Texas Instruments

Il lato secondario del gate driver isolato necessita di un’alimentazione isolata per attivare l’accensione e lo spegnimento dell’interruttore di alimentazione (vedere figura 2).

figura 2 Un’alimentazione polarizzata isolata fornisce alimentazione attraverso la barriera di isolamento per il gate driver isolato. Fonte: Texas Instruments

I valori di potenza per gli alimentatori polarizzati isolati sono generalmente piuttosto bassi, inferiori a 10 W. L’equazione seguente stima i loro requisiti di potenza come:

P_DRV = V_DRV xQ_G xF_SW (1)

dove V_DRV è la tensione di gate-drive, Q_G è la carica del gate di commutazione e F_SW è la frequenza di commutazione dell’interruttore (non la frequenza di commutazione dell’alimentazione polarizzata isolata). La tensione del gate dipende dall’interruttore selezionato, ma in genere varia da +15 V a +25 V sul binario positivo e da –8 V a 0 V sul binario negativo.

Le topologie comuni per gli alimentatori di polarizzazione isolati includono flyback, push-pull e induttore-induttore-condensatore (LLC). Alcuni moduli di potenza completamente integrati (che includono il trasformatore nel pacchetto) utilizzano una configurazione a ponte intero sul lato primario. I convertitori flyback, come l’LM5180-Q1 di Texas Instruments (TI), sono ben noti, forniscono una buona regolazione della tensione di uscita, sono abbastanza efficienti, possono essere progettati senza un fotoaccoppiatore (utilizzando la regolazione del lato primario) e possono avere più uscite isolate . I loro svantaggi sono che tendono ad avere una gamma di frequenza limitata (<350 kHz) e hanno un trasformatore di grandi dimensioni. I convertitori push-pull, come i convertitori SN6507-Q1 e LLC, come UCC25800-Q1 di TI, sono semplici ma non dispongono di feedback ad anello chiuso. Di conseguenza, la regolazione della tensione di uscita ne risente, richiedendo potenzialmente un pre-regolatore, un post-regolatore o entrambi. I moduli di potenza integrati (come UCC14341-Q1 di TI) possono regolare la tensione di uscita e sono semplici e piccoli, ma i loro svantaggi sono una potenza in uscita limitata (in genere <1,5 W) e un'efficienza inferiore rispetto alle opzioni alternative.

Una domanda che potresti avere riguarda le prestazioni EMI di diverse topologie: alcune topologie hanno un impatto maggiore o minore sui risultati di compatibilità elettromagnetica? Per rispondere a queste domande, esaminiamo prima il trasformatore di isolamento. Esiste una certa capacità parassita tra gli avvolgimenti del trasformatore, che si carica o si scarica quando il nodo di commutazione dell’inverter di trazione (V_SW) commuta tra i nodi HV+ e HV–. Un breve impulso di corrente di modo comune carica o scarica la capacità parassita durante la transizione di commutazione. La corrente di modo comune è direttamente proporzionale alla capacità parassita e alla velocità di variazione del nodo di commutazione (dv/dt). Una capacità elevata o velocità di risposta del nodo switch più elevate, come si potrebbe vedere con i semiconduttori con ampio gap di banda come il nitruro di gallio (GaN) e il SiC, si tradurranno in una maggiore corrente di modo comune. Figura 3 evidenzia questa capacità parassita e la corrente di modo comune utilizzata per caricarla e scaricarla.

Figura 3 La corrente di modo comune carica la capacità parassita del trasformatore quando il nodo di commutazione (V_SW) transizioni. Fonte: Texas Instruments

La topologia del convertitore influenza la progettazione del trasformatore e la conseguente capacità parassita. I trasformatori convertitori flyback (o induttori accoppiati se preferisci questa nomenclatura) sono progettati per avere un forte accoppiamento tra il lato primario e quello secondario nel tentativo di ridurre l’induttanza di dispersione. L’induttanza di dispersione provoca picchi di tensione indesiderati e perdite di potenza nei circuiti soppressori. L’impatto negativo della progettazione per un’induttanza a bassa dispersione è che la capacità degli avvolgimenti generalmente aumenta e può essere di 20 pF o più. D’altro canto, è possibile progettare convertitori LLC in modo che utilizzino l’induttanza di dispersione del trasformatore nel suo serbatoio risonante. Di conseguenza, non sarebbe necessario progettare i trasformatori per ridurre al minimo l’induttanza di dispersione; possono avere una capacità parassita intorno a 2 pF. Come vedrai, questo aiuta a ridurre le correnti di modo comune.

Tabella 1 mostra alcuni parametri di uno studio di quattro topologie di polarizzazione isolate per convalidare sperimentalmente l’impatto della capacità parassita del trasformatore sulla corrente di modo comune. Tutti i convertitori sono stati progettati per una tensione di 15 V_IN15 V_FUORI, applicazione da 1,5 W. La frequenza di commutazione di ciascuna topologia si basa su valori tipici, con i trasformatori progettati di conseguenza. Come puoi vedere, il trasformatore del convertitore flyback ha l’induttanza di dispersione più bassa e la capacità parassita più alta. Il trasformatore convertitore LLC ha la più alta induttanza di dispersione e la più bassa capacità parassita.

Tabella 1 Parametri del trasformatore per quattro esempi di convertitori con alimentazione polarizzata isolata. Fonte: Texas Instruments

Il confronto di queste topologie di alimentazione polarizzate isolate ha comportato l’esecuzione di una vasta serie di test: efficienza, regolazione del carico, ondulazione di ingresso e uscita, caratteristiche termiche ed EMI condotte e irradiate. Per concentrarsi sulla corrente di modo comune misurata tra le masse isolate nel sistema, i miei colleghi hanno collegato un filo tra le due masse e hanno misurato la corrente di modo comune quando l’alta potenza commuta (in questo esempio, un semiponte GaN che utilizza la LMG3522R030-Q1) acceso e spento a 400 V. Figura 4 E Figura 5 mostrano i risultati per uno slew rate di nodo di commutazione ad alta tensione rispettivamente di 40 V/ns e 100 V/ns.

Figura 4 Confronto della corrente in modalità comune con una velocità di risposta di 40 V/ns sul nodo di commutazione. Il canale 1 è il nodo di commutazione ad alta tensione (200 V/div) e il canale 2 è la corrente di modo comune (500 mA/div). Fonte: Texas Instruments

Figura 5 Confronto della corrente in modalità comune con una velocità di risposta di 100 V/ns sul nodo di commutazione. Il canale 1 è il nodo di commutazione ad alta tensione (200 V/div) e il canale 2 è la corrente di modo comune (500 mA/div). Fonte: Texas Instruments

I risultati misurati dimostrano che la corrente di modo comune per il trasformatore flyback era la più elevata (935 mA e 1.420 mA per velocità di risposta di 40 V/ns e 100 V/ns). Questo è prevedibile, poiché il trasformatore aveva la capacità parassita più grande. Inoltre, poiché il convertitore LLC aveva la capacità parassita più bassa, la corrente di modo comune misurata era la più piccola (197 mA e 570 mA per velocità di risposta di 40 V/ns e 100 V/ns). Grandi picchi di corrente di modo comune sono dannosi, poiché possono condurre il rumore dal dominio ad alta tensione a quello a bassa tensione e causare rimbalzi del terreno; e potenzialmente portare a un cattivo funzionamento del convertitore, inclusi impulsi saltati, perdita di regolazione o arresti imprevisti.

Le correnti di modo comune possono essere particolarmente difficili da mitigare. Uno dei modi migliori per affrontare i problemi relativi alla corrente di modo comune è innanzitutto evitare di generare corrente di modo comune. Sebbene l’applicazione qui discussa fosse un inverter di trazione in un veicolo elettrico, i principi si applicano ad applicazioni quali convertitori collegati alla rete e alimentatori per server.

Pradeep Shenoy guida il team Power Design Services di TI, focalizzato sui sistemi automobilistici. In precedenza ha lavorato nel Kilby R&D Lab di TI e nella business unit Switching Regulators. Ha presentato presentazioni tecniche e di settore alla Applied Power Electronics Conference quasi ogni anno dal 2011 e ricopre il ruolo di presidente generale nel 2023. Ha ricevuto l’Illinois International Graduate Achievement Award nel 2010, il Jack Kilby Award per l’innovazione nel 2015 e l’Institute per Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Richard Bass Award nel 2020. Lavora attivamente nella IEEE Power Electronics Society come tesoriere. Shenoy ha un dottorato di ricerca. dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign.

Ringraziamenti

Prashant Kumar e Markus Zehendner hanno completato la progettazione e il test dell’hardware.

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