S rychlým rozvojem průmyslu vozidel na novou energii slouží nabíjecí zařízení pro vozidla (OBC) jako klíčová spojovací součást mezi elektrickou sítí a trakční baterií, čímž se stává návrh jeho elektromagnetické kompatibility (EMC) stále důležitější. Vysokorychlostní spínání výkonových prvků ve spínaných zdrojích napájení generuje vysocefrekvenční EMI rušení, které zahrnuje jak vodivé rušení společného i diferenciálního režimu šířené po napájecích vodičích, tak i prostorové vyzařované rušení. Nabíjecí zařízení pro vozidla musí mít odolný návrh EMC filtru, aby se přizpůsobila složitému elektromagnetickému prostředí v automobilu, zajistila svou vlastní stabilní činnost a zabránila rušení ostatních elektronických zařízení v vozidle. Mezi nimi tlumivka pro společný režim a π-tvarový obvod filtru jsou klíčovými součástmi EMC filtrace a výběr tlumivek přímo určuje účinnost filtrace, celkový rozměr systému a tepelnou spolehlivost.
1-Zdroje EMI rušení a architektura filtru
Při provozu OBC generují vysokofrekvenční spínací tranzistory (IGBT nebo SiC MOSFET) na vstupní straně PFC obvodu a rezonanční obvody na výstupní straně DC-DC měniče významné množství harmonických složek. Vedené EMI rušení se dělí na dva typy :rušení mezi vodiči (diferenciální režim) a rušení mezi vodiči a zemí (společný režim). Rušení mezi vodiči vzniká mezi dvěma napájecími vodiči (např. mezi fázovým L a neutrálním N vodičem) s opačným směrem proudu a je způsobeno především proudovými výkyvy v napájecím okruhu vyvolanými rychlým zapínáním a vypínáním spínacích tranzistorů; rušení mezi vodiči a zemí vzniká mezi napájecími vodiči a ochranným vodičem PE se stejným směrem proudu a je způsobeno především přechodnými vysokonapěťovými uzly během spínacích operací, které se vazbou přes parazitní kapacity propojí se zemí, a také vazbou vnějšího elektromagnetického pole .
Vstupní konec nabíjecí jednotky OBC je obvykle vybaven filtračním obvodem EMI typu π, který kombinuje tlusté cívky a kondenzátory k potlačení elektromagnetického rušení v různých frekvenčních pásmech. Obecná architektura filtrační sítě se skládá z kondenzátoru X (filtrace diferenciálního režimu), společného tlumivku, kondenzátoru Y (filtrace společného režimu) a diferenciálního tlumivku, které jsou uspořádány postupně od strany sítě a tvoří dvoustupňovou nebo vícestupňovou filtrační strukturu. Přední stupeň se primárně zabývá vedeným rušením a harmonickými složkami ze strany sítě, zatímco zadní stupeň má za úkol dále potlačit vysokofrekvenční šum vznikající při spínacích operacích. 。
Obrázek 1. Schéma nabíjecí jednotky OBC
2 – Princip činnosti a výběr základních materiálů pro společné tlumivky
2.1 Pracovní princip
Společný tlumivý člen je navinut na uzavřeném magnetickém jádře s cívkami opačného směru a stejným počtem závitů, aby bylo dosaženo potlačení šumu společného režimu s vysokou impedancí. Při průchodu společného proudu mají magnetické toky vinutí stejný směr a vzájemně se zesilují, čímž tlumivý člen společného režimu nabývá vysoké impedance a tak účinně potlačuje signály společného režimu. Při průchodu rozdílového proudu (např. normálního provozního proudu) skrz obě vinutí mají magnetické toky v jádře opačný směr a vzájemně se ruší, což umožňuje rozdílovým signálům procházet téměř bez útlumu.
Obrázek 2. Magnetická pole se vzájemně zesilují při průchodu společného proudu
Obrázek 3. Magnetická pole se vzájemně ruší při průchodu rozdílového proudu
Podle impedance vzorce společného tlumivého členu:
A podle vzorce indukčnosti:
Efektivní magnetická permeabilita μe jádra přímo určuje indukčnost získanou při daných rozměrech a počtu závitů. Čím vyšší je permeabilita, tím vyšší je impedance při stejných rozměrech, což vede k silnějšímu filtračnímu účinku .
2.2 Výběr materiálu magnetického jádra
Běžně používané materiály pro jádra společných tlumivek zahrnují ferity na bázi manganu a zinku, ferity na bázi niklu a zinku, amorfní slitiny a nanokrystalické slitiny. Rozdíly v jejich vlastnostech určují jejich příslušné oblasti použití ：
◾ Ferit: Nákladově efektivní volba pro střední a vysoké frekvence Použití
Ferity (např. Mn-Zn, Ni-Zn) se staly preferovaným materiálem pro vysokofrekvenční společné tlumivky díky jejich vysoké rezistivitě a nízkým ztrátám vířivými proudy. Ferit Mn-Zn vykazuje vynikající vlastnosti v pásmu frekvencí 100 kHz až 1 MHz, avšak jeho Curieho teplota je relativně nízká (přibližně 120 °C) ，způsobující prudký pokles propustnosti při vysokých teplotách; ferit Ni-Zn je vhodný pro frekvenční pásma nad tímto rozsahem. I když je jeho počáteční permeabilita nízká (μ<1000) ，je jeho stabilita ve vysokofrekvenční oblasti lepší .
◾ Amorfní a nanokrystalické slitiny : Nejlepší řešení pro vysokofrekvenční aplikace s nízkými ztrátami
Amorfní slitiny (např. železo- a kobalt-založené) vytvářejí neuspořádanou atomovou strukturu prostřednictvím rychlého chlazení, čímž vykazují extrémně vysokou hustotu magnetického toku nasycení (Bs 1,2 T) a extrémně nízké ztráty ve vysokofrekvenční oblasti. Nanokrystalické slitiny dále vytvářejí nanokrystalickou strukturu tepelným zpracováním, čímž snižují ztráty o více než 50 % ve srovnání s feritem v frekvenčním pásmu 100 kHz až 500 kHz a výrazně zlepšují teplotní stabilitu. Jsou vhodné pro scénáře s přísnými požadavky na účinnost, např. moduly nabíjení elektrických vozidel.
2.3 Klíčové body pro výběr společných tlumivek
（1）Indukčnost: Vyberte vhodnou indukčnost na základě provozní frekvence a charakteristik rušení nabíječe pro vozidlo. Obecně vyšší indukčnost poskytuje lepší potlačení nízkofrekvenčních rušení, ale zvyšuje vloženou ztrátu obvodu. Indukčnost běžných tlumivk pro společný proud se obvykle pohybuje v rozmezí několika set mikrohenry （μH ）až několika milihenry （mH ）.
（2) Jmenovitý proud: Jmenovitý proud tlumivky pro společný proud musí být vyšší než maximální provozní proud nabíječe pro vozidlo, aby nedošlo k poklesu účinnosti celého systému způsobenému zahříváním tlumivky, a zároveň musí zaručovat vynikající stabilitu tlumivky při jmenovitém proudu.
（3) Frekvenční charakteristiky: Vyberte tlumivku pro společný proud s dobrými vlastnostmi potlačení vysokofrekvenčních rušení, aby byly splněny požadavky na širokopásmové potlačení rušení nabíječe pro vozidlo. Zkontrolujte křivku impedance v závislosti na frekvenci u tlumivky pro společný proud, abyste zajistili dostatečnou impedanci v požadovaném frekvenčním rozsahu.
Pro scénáře aplikací vysokovýkonových nabíjecích zařízení pro vozidla (OBC) jsou automobilové běžné tlumivky proti společnému režimu především určeny na základě individuálních požadavků. Výzkumný a vývojový tým společnosti CODACA Electronics má rozsáhlé zkušenosti s individuálním vývojem běžných tlumivek proti společnému režimu a dokáže rychle poskytnout odpovídající řešení produktů na základě charakteristických požadavků zákazníků.
3 – Princip π-tvarového filtru a klíčové body pro výběr tlumivek pro diferenciální režim
A π filtr je tvořen dvěma kondenzátory a tlumivkou pro diferenciální režim a má tvar písmene π využívá přesměrovací účinek kondenzátorů a filtrační účinek induktorů k účinnému potlačení diferenciálního rušení. V nabíječkách pro vozidla (OBC) lze pomocí filtrů typu π dále snížit rušivé signály na napájecích vodičích a zlepšit elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Typický spínací kmitočet OBC se pohybuje v rozmezí 40 kHz až 150 kHz, zatímco měření vedeného vyzařování začíná od 150 kHz. Filtrace diferenciálního rušení se proto zaměřuje především na diferenciální šum v kmitočtovém pásmu 150 kHz až 1 MHz.
Vzorec pro mezní kmitočet filtru typu π je:
Kde Cx je ekvivalentní kapacita dvoustupňových X kondenzátorů v π-tvarovém filtru. (V praxi se často používají dvě stupně X kondenzátorů se stejnou kapacitou, takže celková ekvivalentní filtrační kapacita se obvykle konzervativně odhaduje na základě hodnoty jednoho stupně X kondenzátoru.) Návrh musí zajistit, že mezní frekvence je výrazně nižší než základní spínací frekvence, obvykle se volí jako 1/5 až 1/10 spínací frekvence, aby bylo zajištěno, že cílové pásmo rušivých frekvencí leží v zastavovacím pásmu filtru.
3.1 Princip činnosti diferenciálních tlumičů
Diferenciální induktor se skládá převážně z jediné cívky zapojené sériově v napájecí síti. Využívá impedančních vlastností induktoru vůči vysokofrekvenčním proudům a vytváří tak vysokou impedanci pro diferenciální rušení mezi fázovým (L) a neutrálním (N) vodičem, čímž dosahuje potlačení šumu. Při výběru induktoru jsou preferovány stíněné induktory, aby se snížilo vnější vyzařování i vnější rušení.
(1) Indukčnost: Indukčnost je nejdůležitějším parametrem diferenciálního induktoru a určuje jeho schopnost potlačovat šum na konkrétních frekvencích. Při výběru je třeba zohlednit požadovaný frekvenční pásmo filtrace; vyšší indukčnost obvykle poskytuje výraznější účinek potlačení nízkofrekvenčního šumu.
(2) Jmenovitý proud: Toto označuje maximální proud, při kterém může tlumivka bezpečně provozovat po dlouhou dobu za zadaných podmínek nárůstu teploty. Výběr musí zajistit, že maximální provozní proud je nižší než jmenovitý proud, s dostatečnou rezervou (obvykle ＞ 30%).
(3) Stejnosměrný odpor (DCR): Stejnosměrný odpor označuje vnitřní odpor vinutí tlumivky za podmínek stejnosměrného proudu. Čím je DCR nižší, tím je menší spotřeba energie vznikající při průchodu stejnosměrného proudu a tím se zvyšuje celková účinnost.
Protože OBC já patří do automobilových aplikací, tlumivky musí splňovat automobilové elektronické normy spolehlivosti AEC-Q200. Mezi zkoušené položky patří: zkoušky elektrických vlastností, zkoušky mechanického rázu, zkoušky vibrací, zkoušky pevnosti svorek, zkoušky pájitelnosti, zkoušky vlhkosti za zatížení, zkoušky cyklů teploty, zkoušky uložení za vysoké teploty atd. Společnost CODACA nabízí různé typy standardních automobilových napájecích produktů.
Níže je ukázka některých induktory pro automobilní průmysl .Podrobnosti naleznete na oficiální webové stránce společnosti CODACA Electronics na adrese https://www.codaca.com.cn/, nebo kontaktujte prodejní personál CODACA. Dotazy jsou velmi vítány.
Popis obrázku: Obrázek 4. Automobilový induktor společnosti CODACA
EN