Управление ЭМС в приложениях для зарядки

Представьте себя частью команды инженеров, специализирующихся на разработке зарядных устройств. Появляется новый проект. Как вы можете гарантировать, что окончательная конструкция с первого раза пройдет стандартные испытания на ЭМС?

Типичным первым шагом является интерпретация соответствующих стандартов ЭМС, применимых к конкретному приложению. (Стандарты качества, безопасности и защиты окружающей среды не менее, если не более важны, но они не входят в сферу данного обсуждения.) Если продукт представляет собой быстрое зарядное устройство для мобильных телефонов и ноутбуков, следует обратить внимание на коммерческие стандарты EMC. Автомобильные стандарты ЭМС следует применять, если продукт представляет собой бортовое зарядное устройство (OBC), используемое в электромобиле. Если это продукт, основанный на беспроводной передаче энергии (WPT), следует обратиться к соответствующим стандартам и следить за изменениями, поскольку стандарты все еще разрабатываются.

В качестве примера в Таблице 1 перечислены типичные требования к испытаниям на ЭМС, применимые к OBC.

После того как проектная компания и заказчик согласовали требования, начинается процесс проектирования. Этот процесс проектирования обычно следует поэтапному подходу, как показано на рисунке 1. Настоятельно рекомендуется проводить анализ конструкции ЭМС на каждом этапе проектирования продукта, а предварительные испытания следует организовывать, как только прототип печатной платы будет готов. . Вероятно, это единственный способ обеспечить строгий контроль ЭМС и избежать серьезных изменений конструкции на более позднем этапе проектирования.

Рисунок 1. Типичный процесс проектирования, показывающий этапы проектирования.

В этой статье мы обсуждаем, как реализовать управление ЭМС на этапе проектирования и разработки, используя практические демонстрации.

На этапе концепции инженеры оценивают и выбирают топологию преобразователя зарядки исходя из требований к продукту. Очень важно проанализировать проект с учетом электромагнитной совместимости. Популярной топологией силового преобразователя для приложений зарядки является каскад коррекции коэффициента мощности (PFC), за которым следует резонансный контур. Общие схемы PFC включают в себя повышающие преобразователи с чередованием, безмостовые преобразователи с тотемным полюсом и преобразователи с чередующимся тотемным полюсом. Популярными резонансными схемами являются LLC, фазосдвинутый мостовой преобразователь с выпрямителем-удвоителем тока и так далее. На рисунке 2 показана топология преобразователя OBC мощностью 12 кВт (в демонстрационных целях показана только шина 1 преобразователя).

Рис. 2. Схема бортового зарядного устройства мощностью 12 кВт (каналы 2 и 3 на этой схеме не показаны)

Очень важно иметь ступень PFC для улучшения коэффициента мощности сети и достижения более низкого общего гармонического искажения (THD) во время зарядки. Без PFC зарядка, особенно быстрая зарядка, потребляет высокий пиковый ток на пике напряжения и практически не потребляет ток в течение оставшегося цикла работы от сети. Это приводит к протеканию чрезмерно сильного тока в сетевых проводниках, линиях электропередачи и силовых трансформаторах.

В примере, показанном на рисунке 3, выбран чередующийся повышающий тотемный PFC, поскольку топология с двумя чередующимися шинами обеспечивает вдвое меньший номинальный ток на полумост. Это приводит к подавлению пульсаций тока как на входе, так и на выходе каскада PFC. В результате это уменьшает размер объемного конденсатора и снижает влияние ЭМС на PFC. Но такой подход увеличивает количество коммутационных устройств и усложняет управление. (Ссылка 1 предлагает подробное сравнительное исследование различных топологий PFC, но не фокусируется на анализе производительности EMC.)

Рисунок 3. Одним из преимуществ использования топологии чередующегося тотемного полюса является подавление пульсаций тока.

Задача инженера-проектировщика — выбрать топологию PFC в зависимости от предполагаемого применения. Решение должно основываться на компромиссе между эффективностью, простотой изготовления, стоимостью, весом, тепловыми соображениями и электромагнитной совместимостью. Топология также зависит от мощности приложений. Например, если это устройство быстрой зарядки для ноутбука или мобильного телефона, топология PFC будет простой повышающей PFC без чередования. Когда дело доходит до выбора каскада резонансного преобразователя, также можно увидеть ряд компромиссов. Следует отметить, что коммутация при нулевом напряжении (ЗВС) нашла широкое применение в резонансных преобразователях. При правильном проектировании ZVS обеспечивает значительные улучшения схемы при переключении при нулевом напряжении и в других областях, например, снижение синфазных токов.