Come un circuito integrato con filtro EMI attivo e autonomo riduce le dimensioni del filtro di modo comune
I caricabatterie di bordo per uso automobilistico e gli alimentatori per server sono ambienti di sistema estremamente vincolati in termini di spazio, in cui la densità di potenza è un elemento fondamentale. È importante ridurre il volume dei componenti del filtro contro i disturbi elettromagnetici (EMI) in modo che la soluzione possa rientrare in fattori di forma impegnativi.
I filtri di modo comune (CM) per queste e per altre applicazioni ad alta densità limitano spesso la capacità Y totale (legata a requisiti di sicurezza per la corrente di contatto) e richiedono quindi bobine di blocco di modo comune di grandi dimensioni per ottenere la frequenza angolare obiettivo o caratteristiche di attenuazione del filtro. Il risultato è una struttura del filtro passivo soggetta a compromessi con bobine di blocco di modo comune ingombranti, pesanti e costose che incidono pesantemente sulle dimensioni complessive del filtro.
Gli sviluppi nel campo dei componenti passivi procedono a rilento rispetto ai dispositivi a semiconduttori di potenza ad alta velocità e alle topologie di circuito; pertanto, il volume del filtro passivo è uno dei fattori limitanti per la crescente densità di potenza. Implementazioni pratiche del filtro possono occupare fino al 30% del volume totale di una soluzione di potenza, come mostrato in Figura 1.
Riduzione di dimensioni, peso e costi del sistema
I circuiti per filtro EMI attivo (AEF) consentono di realizzare soluzioni di filtraggio più compatte per i sistemi di gestione della potenza di nuova generazione. Le applicazioni con vincoli di spazio possono utilizzare i circuiti integrati (IC) per filtro di alimentazione attivo per ridurre le dimensioni dei componenti magnetici e quelle del filtro nel suo complesso. Ulteriori vantaggi di un AEF sono le minori perdite di potenza dei componenti per una migliore gestione termica e una maggiore affidabilità, la riduzione degli accoppiamenti fra i componenti all'interno di uno spazio ridotto, una struttura meccanica e del package più semplice, e costi inferiori.
Le Figure 2 e 3 sono rispettivamente schemi di circuiti per filtro monofase e trifase, dove una soluzione attiva va a sostituire una struttura passiva tradizionale. I circuiti integrati AEF monofase TPSF12C1, TPSF12C1-Q1 e trifase TPSF12C3, TPSF12C3-Q1, posizionati fra le bobine di modo comune, forniscono un percorso shunt a impedenza inferiore per le correnti di modo comune. Come mostrato in figura, la soluzione attiva presenta bobine di blocco di modo comune LCM1 e LCM2 con un'induttanza molto inferiore rispetto agli stessi componenti nel filtro passivo.
AEF
Con i condensatori di rilevamento e iniezione di classe Y collegati alle linee in CA, i circuiti puntano a ridurre il volume totale del filtro, pur mantenendo valori ridotti della corrente di dispersione alla frequenza di linea verso la massa del telaio. Questo è possibile grazie all'utilizzo di un circuito attivo che conforma la risposta in frequenza del condensatore di iniezione, andando effettivamente ad aumentarne il valore per le alte frequenze. A sua volta, la capacità di iniezione amplificata sull'intervallo di frequenza di interesse per la riduzione delle EMI andrà a ridurre le induttanze della bobina di blocco di modo comune rispetto ai valori di un filtro passivo dotato di attenuazione paragonabile.
I vantaggi di un circuito che utilizza un AEF sono:
- Una più semplice struttura del filtro con un ampio intervallo di frequenza di esercizio ed elevati margini di stabilità (calcolati utilizzando lo strumento di calcolo per avvio rapido per AEF di modo comune).
- Riduzione delle dimensioni, del peso e del costo della bobina di blocco di modo comune. In questo modo si ottengono minori perdite nel rame e migliori prestazioni di attenuazione ad alta frequenza dalla riduzione degli elementi auto-parassiti della bobina di blocco.
- Assenza di ulteriori componenti magnetici: il circuito AEF utilizza solo condensatori di rilevamento e iniezione di classe Y, senza alcun impatto sulla corrente di contatto di picco durante una condizione di guasto.
- Maggiore sicurezza con utilizzo di un circuito integrato AEF a bassa tensione con riferimento sulla massa del telaio.
- Un'implementazione a circuito integrato indipendente che offre flessibilità in termini di posizionamento in prossimità dei componenti del filtro.
- Immunità ai picchi di tensione di linea per contribuire a soddisfare i requisiti IEC 61000-4-5.
Il condensatore o i condensatori X posti tra le due bobine di blocco di modo comune nelle Figure 2 e 3 offrono un percorso a bassa impedenza tra le linee di potenza da un punto di vista del modo comune, tipicamente fino a frequenze a basso numero di megahertz. Questo consente l'iniezione di corrente su una sola linea di potenza, solitamente il neutro, utilizzando un solo condensatore di iniezione. Se il filtro trifase è un sistema a tre fili senza neutro, il pin SENSE4 del TPSF12C3-Q1 si lega alla massa e il condensatore di iniezione si accoppia attraverso un collegamento punto stella dei condensatori X.
Implementazione AEF pratica
La Figura 4 mostra un'implementazione AEF pratica adatta al convertitore in Figura 1. L'utilizzo del circuito integrato AEF monofase TPSF12C1-Q1 consente di ottenere l'attenuazione del rumore di modo comune.
La Figura 5 mostra i risultati EMI risultati con AEF disabilitato e abilitato.
Come appare evidente nella Figura 5, un AEF fornisce fino a 30 dB di attenuazione del rumore di modo comune nell'intervallo a bassa frequenza (da 100 kHz a 3 MHz), che rende possibile un filtro con utilizzo di due bobine di blocco nanocristalline da 2 mH per ottenere prestazioni di attenuazione di modo comune equivalenti a una struttura a filtro passivo con due bobine di blocco da 12 mH. Per un confronto equo, queste bobine di blocco provengono dalla stessa famiglia di componenti (prodotta da Würth Elektronik) con un'anima di materiale simile.
La Tabella 1 contiene i parametri applicabili per la bobina di modo comune per le strutture passiva e attiva, mentre la Figura 6 mette in evidenza i risparmi in termini di volume, ingombro, peso e costi.
L'AEF in questo esempio permette di ottenere una riduzione totale delle perdite del rame del 60% a 10 A (trascurando l'aumento della resistenza di avvolgimento dovuto all'aumento di temperatura), che comporta temperature di esercizio inferiori per i componenti e una maggiore affidabilità.
Conclusione
È difficile ottenere una struttura compatta ed efficiente per lo stadio del filtro EMI in regolatori switching ad alta intensità, in particolare per applicazioni automotive e industriali in cui le dimensioni e il costo della soluzione sono delle priorità. I risultati pratici ricavati da una soluzione filtro attivo per sopprimere la firma misurata del rumore di modo comune indicano una notevole riduzione volumetrica dei componenti della bobina di blocco di modo comune in benchmark rispetto a una struttura equivalente con filtro solo passivo.
