Примерно в 2020 году компания Tesla прекратила устанавливать AM-радио в свои автомобили. Tesla и другие производители электромобилей (EV) заявили, что электрические помехи от высокочастотных переключателей и электронного оборудования на основе широкозонных полупроводников ухудшают прием. Обычные FM-радио страдают меньше, но и они постепенно уходят с рынка.
Электромагнитные помехи (EMI) могут быть просто раздражающим фактором для слушателей радио, но в промышленной среде проблемы EMI усиливаются по мере того, как современные энергетические системы масштабируются для повышения эффективности. В таких масштабах последствия гораздо серьезнее, чем просто плохой прием.
Современные энергетические системы разрабатываются с упором на эффективность. Распространённый подход — использование приводов с переменной частотой для электродвигателей, что позволяет оптимизировать скорость и минимизировать энергопотребление. Такие системы всё чаще используют компоненты на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) вместо традиционного кремния благодаря их широкозонным свойствам, обеспечивающим лучшую работу при высоком напряжении, температуре и частоте. В результате достигается более низкое энергопотребление и более высокая плотность мощности, что особенно важно в сложных применениях, таких как электромобили.
Электронное оборудование, используемое в таких системах, должно проходить испытания на электромагнитную совместимость (EMC) в соответствии с различными стандартами и протоколами. Эти испытания также оценивают характеристики EMI. Успешное прохождение EMC обычно необходимо для выхода на рынок и помогает снизить риск помех для соседнего оборудования и инфраструктуры.
В этой статье рассматривается, как высокоэффективное преобразование энергии с использованием устройств на SiC и GaN увеличивает проводимые помехи EMI в современных промышленных и энергетических системах, а также как правильная входная фильтрация помогает снизить эти эффекты.
Высокая эффективность как базовый уровень
Проектирование электрического оборудования связано с балансировкой сложных компромиссов, при этом рыночные факторы определяют приоритеты. В современных циклах разработки часто на ранних этапах оптимизируют уровень мощности, эффективность, стоимость и плотность мощности. Это понятно, но при этом вопросы EMI отходят на второй план.
Для каждого типа транзисторов используются максимально возможные скорости переключения: SiC — для работы с высокой мощностью, GaN — для высоких скоростей. Разработчики доводят их до предельных режимов, стремясь выжать максимум эффективности, теплового запаса и плотности мощности. Некоторые механизмы снижения EMI закладываются, но не должны ухудшать производительность. После оптимизации характеристик производители надеются, что продукт всё же пройдет испытания EMC.
Базовая архитектура системы и пути протекания токов определяют, как распространяются проводимые помехи EMI. Когда токи проходят через дисбалансы цепи или паразитные элементы, возникают проводимые помехи. Они также могут возникать из-за индуктивностей и ёмкостей дорожек печатных плат. Возникающий шум может распространяться по цепи магнитным (индуктивным) или электрическим (ёмкостным) способом.
На эти эффекты влияют следующие конструктивные решения:
- топология силовой части — расположение ключей, диодов, индуктивностей и т.д.;
- структура DC-шины и входной сети — промежуточный этап, отделяющий источник от последующих преобразователей;
- длина кабелей, схема заземления и конструкция корпуса — грамотный выбор снижает нежелательные эффекты.
После принятия этих решений исправить последствия на поздних этапах крайне сложно, поэтому важно учитывать их заранее.
Как высокоэффективные конструкции создают EMI
Лаборатории EMC тщательно проверяют оборудование. Хотя они не измеряют напрямую эффективность, по конфигурации можно сделать выводы о потенциальном уровне EMI.
Разработчики часто сами ухудшают ситуацию, повышая частоты переключения для увеличения эффективности. Это уменьшает потери на переключение, но расширяет спектр шума. Некоторые диапазоны частот и их гармоники создают проблемы для другого оборудования, включая медицинские устройства. Особое внимание уделяется диапазону 150 кГц – 30 МГц, поскольку он наиболее критичен для бытового, медицинского и промышленного оборудования.
Паразитные элементы также создают EMI. Хотя связь между скоростью переключения и EMI известна, паразитные эффекты разводки и компоновки могут вызывать неожиданные резонансы и пути связи, усиливая как синфазные, так и дифференциальные помехи.
К таким паразитным источникам относятся:
- взаимосвязанные дорожки и контуры,
- расположение компонентов,
- тип и прокладка силовых кабелей,
- конструкция корпуса.
Все эти элементы ведут себя как индуктивности и ёмкости в высокочастотных схемах. Например, трансформатор в DC-DC преобразователе может индуцировать ток в соседней дорожке платы. Такие эффекты трудно предсказать, поскольку они зависят от множества факторов, включая даже небольшие изменения в расположении компонентов или кабелей.
Проблемы и методы их решения
Использование систем с переменным напряжением и частотой позволило значительно снизить энергопотребление во многих областях, таких как:
- приводы с регулируемой скоростью,
- системы HVAC и тепловые насосы,
- инфраструктура зарядки электромобилей.
Все эти системы имеют общие характеристики:
- высокая скорость переключения и мощность для максимальной эффективности;
- трёхфазное питание с нейтралью;
- повышенные синфазные помехи (токи замыкаются через землю или нейтраль);
- повышенные дифференциальные помехи (токи текут в обоих направлениях по линии).
При разработке нового оборудования можно заранее заложить меры по снижению EMI, хотя это может потребовать нескольких этапов прототипирования. Однако на поздних стадиях приходится искать способы уменьшения помех в уже существующих системах.
Если изменить само оборудование невозможно, более практичным является системный подход — установка фильтров на линии питания, чтобы изолировать источник помех и защитить другие устройства. Для подавления проводимых помех необходимы фильтры, способные работать с нейтральным проводом.
Итоги
Повышение эффективности благодаря широкозонным полупроводникам может быть значительным, но проблемы проводимых EMI остаются актуальными. Однако после внедрения мер по их снижению дополнительные расходы обычно не возникают. Эффективная фильтрация — это практичное и экономичное решение, позволяющее компаниям максимально использовать преимущества высокой эффективности.