Cause del rumore
Dobbiamo iniziare da ciò che gli ingegneri chiamano affettuosamente rumore. Questo viene generato ogni volta che si verifica una rapida transizione di tensione (dv/dt) e/o corrente (di/dt). I convertitori di potenza AC/DC utilizzano generalmente una gamma di topologie di commutazione di potenza, tra cui completamente risonante, quasi risonante e PWM (modulazione di larghezza di impulso), che è il metodo di controllo più diffuso nello stadio di ingresso del convertitore.
I convertitori controllati tramite PWM utilizzano un segnale di controllo rettangolare con una larghezza di impulso che varia continuamente in risposta alle condizioni operative del convertitore. Il risultato è tipicamente uno spettro di distribuzione di potenza a "rumore bianco". Se questo rumore non fosse filtrato e schermato, interferirebbe con i dispositivi elettronici di consumo che utilizzano la stessa alimentazione CA.
Le correnti di "rumore" che fuoriescono dal convertitore di potenza attraverso le linee di alimentazione CA e/o attraverso i cavi di uscita sono chiamate "emissioni condotte". Il rumore si manifesta in due forme: modo differenziale e modo comune. Il rumore in modo differenziale è definito come il rumore presente solo nelle linee di alimentazione e non a terra, e può essere misurato rispetto alle linee di alimentazione. Il rumore in modo comune è definito come il rumore che può essere misurato solo da terra a una delle linee di alimentazione.
I convertitori di potenza AC/DC utilizzano filtri EMI all'interno dell'involucro del convertitore. Questi filtri contengono topologie di soppressione del rumore che includono componenti sia induttivi che capacitivi. Questi componenti sono denominati elementi "X" e "Y". Gli elementi "X" sono posizionati lungo le linee di alimentazione e filtrano il rumore in modo differenziale; gli elementi "Y" sono posizionati tra le linee di alimentazione e la terra per filtrare il rumore in modo comune.
Come minimizzare il filtraggio EMI:
i convertitori di potenza AC/DC sono progettati per essere conformi a diverse normative e standard di sicurezza, inclusi numerosi standard EMI. Le caratteristiche e gli standard specifici che soddisfano sono dettagliati nella documentazione del prodotto. Tuttavia, durante l'integrazione di un sistema con più componenti, incluso un convertitore di potenza AC/DC, il progettista del sistema dovrebbe valutare se è necessario un filtraggio EMI aggiuntivo per garantire che il nuovo sistema integrato soddisfi tutti gli standard applicabili. Se tale valutazione è necessaria, si raccomanda di ridurre al minimo i componenti di filtraggio aggiuntivi necessari in base ai dati di test.
Occorre prestare particolare attenzione ai seguenti aspetti:
1. Testare il sistema senza filtri aggiuntivi. Questo fornirà all'ingegnere di sistema un buon punto di partenza.
2. Identificare le frequenze problematiche sui diagrammi EMI.
3. Cercare di correlare queste frequenze con le aree dell'hardware integrato nel sistema.
4. Ricontrollare tutti i collegamenti di terra e il percorso dei cavi; tutto ciò deve essere conforme alle buone pratiche di ingegneria. Queste includono, a titolo esemplificativo, la separazione dei cavi di segnale dai cavi di alimentazione, l'utilizzo di cavi a doppino intrecciato (3 o 5 torsioni per pollice, se possibile) per i segnali portanti e/o i segnali ad alta corrente e i relativi ritorni di terra. Se questa tecnica non è fattibile, i cavi possono essere posizionati il più vicino possibile per ridurre al minimo il rumore. Valutare l'utilizzo di cavi schermati per transizioni rapide di tensione e/o corrente. Nei sistemi integrati con più punti di messa a terra, è necessario eseguire un'analisi approfondita del diagramma a blocchi di integrazione del sistema per rilevare la presenza di anelli di massa. Se presenti, devono essere eliminati.
Considerazioni sull'aggiunta di filtri esterni:
Se i problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI) persistono, potrebbe essere necessario un filtro esterno. Diversi fattori devono essere considerati nella scelta di un filtro disponibile in commercio:
1. Il filtro deve essere in grado di gestire lo scenario peggiore alla corrente nominale massima del sistema.
2. Il filtro deve fornire un'attenuazione sufficiente per le frequenze di rumore in questione, tenendo conto delle variazioni di produzione tra i sistemi.
3. È necessario calcolare la corrente di dispersione aggiuntiva (corrente di contatto) causata dalla capacità "Y" aggiuntiva nel filtro. Se la corrente di dispersione aggiuntiva non è indicata nella scheda tecnica del filtro, è possibile utilizzare la seguente formula per calcolarla:
2p (V-max CA) x (frequenza massima CA) x (condensatori Y) = corrente di dispersione
A questo valore va aggiunto un valore compreso tra il 20% e il 25% prima di sommarlo alla corrente di dispersione totale. Se la corrente di dispersione totale supera il livello specificato nelle normative, si dovrebbe valutare la possibilità di utilizzare un filtro con un componente induttivo in serie interno al terminale di terra. Questi filtri in genere non hanno condensatori Y e possono essere commercializzati come filtri per applicazioni medicali.
4. Il filtro deve avere una resistenza interna tra le linee di alimentazione per garantire che, quando l'ingresso CA viene scollegato, i condensatori X interni si scarichino correttamente, generalmente in meno di un secondo, come raccomandato da VDE 0806 e IEC 380.
5. L'effetto dell'inserimento di un filtro esterno è che gli elementi induttivi aggiunti si trovano ora in serie con l'ingresso CA del convertitore di potenza. Occorre prestare molta attenzione per evitare un fenomeno chiamato auto-oscillazione o "ring-up", che si verifica quando la corrente continua che attraversa un induttore in serie è sufficientemente elevata da saturare l'induttore del filtro. Quando il campo magnetico risultante diminuisce bruscamente, può generarsi un picco molto elevato, con un'ampiezza di tensione equivalente al doppio dell'impulso originale. Questi picchi possono essere causati da fulmini, commutazioni nella rete di alimentazione o transizioni altamente induttive dovute a carichi motori in un edificio. I convertitori disponibili in commercio dispongono di elementi di protezione in ingresso e sono conformi agli standard normativi. Tuttavia, quando si aggiunge un filtro esterno, e proprio a causa dell'auto-oscillazione, i componenti di protezione possono essere sovraccaricati, potenzialmente danneggiando il convertitore di potenza. È necessario aggiungere componenti di protezione esterni, come i MOV (varistori a ossido di metallo), al filtro esterno per aumentare la robustezza del sistema.
6. Il filtro deve essere posizionato il più vicino possibile all'ingresso CA del contenitore del sistema. Ciò massimizzerà il filtraggio EMI. Tutti i collegamenti di terra del filtro devono essere il più corti possibile per ridurre al minimo l'induttanza in serie.
Per informazioni e assistenza sul rispetto di standard specifici, contatta il gruppo di supporto tecnico applicativo di Vicor.
Autore:
David Fletcher, ingegnere capo presso Vicor, divisione Westcor.
