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Con el rápido desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía, el cargador a bordo (OBC) actúa como el componente de conexión central entre la red eléctrica y la batería de tracción, lo que hace que su diseño de compatibilidad electromagnética (EMC) sea cada vez más crucial. La conmutación a alta velocidad de los dispositivos de potencia en las fuentes de alimentación conmutadas genera interferencias electromagnéticas (EMI) de alta frecuencia, que incluyen ruido conducido en modo común y en modo diferencial a lo largo de las líneas de alimentación, así como interferencias radiadas en el espacio. Los cargadores a bordo deben incorporar un diseño robusto de filtro EMC para adaptarse al complejo entorno electromagnético automotriz, garantizar su propio funcionamiento estable y evitar interferir con otros equipos electrónicos del vehículo. Entre estos, la bobina de modo común y el circuito de filtro tipo π son los componentes centrales de la filtración EMC, y la selección del inductor determina directamente el rendimiento de filtrado, el volumen total del sistema y la fiabilidad térmica.
1-Fuentes de ruido EMI y arquitectura de filtro
Cuando un cargador a bordo (OBC) está en funcionamiento, los transistores de conmutación de alta frecuencia del circuito PFC de su etapa frontal (IGBT o MOSFET de carburo de silicio) y los circuitos resonantes del convertidor CC-CC de su etapa posterior generan una cantidad considerable de componentes armónicos. El ruido electromagnético conducido se clasifica en dos tipos :ruido en modo diferencial y ruido en modo común. La interferencia en modo diferencial aparece entre las dos líneas de entrada de alimentación (por ejemplo, entre la línea L y la línea N), con corrientes de sentido opuesto, y está causada principalmente por las ondulaciones de corriente generadas en el bucle de alimentación debido a la conmutación a alta velocidad de los transistores; la interferencia en modo común aparece entre las líneas de alimentación y la línea de tierra (PE), con corrientes del mismo sentido, y está causada principalmente por la acoplamiento a tierra, mediante la capacitancia parásita, de los nodos de alto voltaje transitorio que surgen durante las acciones de conmutación, así como por el acoplamiento de campos electromagnéticos externos .
El extremo de entrada de un OBC normalmente está configurado con un circuito filtro EMI de tipo π, que utiliza una combinación de inductores y condensadores para suprimir la interferencia electromagnética en distintas bandas de frecuencia. La arquitectura general de la red de filtrado consta de un condensador X (filtrado en modo diferencial), una bobina de modo común, un condensador Y (filtrado en modo común) y un inductor de modo diferencial dispuestos secuencialmente desde el lado de la red, formando una estructura de filtrado de dos o más etapas. La etapa frontal se encarga principalmente de las interferencias conducidas y los armónicos provenientes del lado de la red, mientras que la etapa posterior se encarga de atenuar aún más el ruido de alta frecuencia generado por las acciones de conmutación. 。
Figura 1. Diagrama esquemático del OBC
2- Principio de funcionamiento y selección de materiales clave para las bobinas de modo común
2.1 Principio de funcionamiento
Una bobina de modo común está devanada sobre un núcleo magnético cerrado con bobinados de direcciones opuestas y el mismo número de vueltas para lograr una supresión de alto impedancia del ruido de modo común. Cuando circula una corriente de modo común, la dirección del flujo magnético en los devanados es idéntica y se superpone, lo que hace que la bobina de modo común presente una alta impedancia, atenuando así eficazmente las señales de modo común. Cuando circula una corriente de modo diferencial (por ejemplo, la corriente normal de funcionamiento) a través de los dos devanados, las direcciones del flujo magnético generadas en el núcleo son opuestas y se anulan mutuamente, permitiendo que las señales de modo diferencial pasen con casi ninguna atenuación.
Figura 2. Los campos magnéticos se superponen cuando circula una corriente de modo común
Figura 3. Los campos magnéticos se anulan mutuamente cuando circula una corriente de modo diferencial
Según la fórmula de impedancia de una bobina de modo común:
Y la fórmula de inductancia:
La permeabilidad magnética efectiva μe del núcleo determina directamente la inductancia obtenida para unas dimensiones y un número de espiras dados. Cuanto mayor sea la permeabilidad, mayor será la impedancia para unas mismas dimensiones, lo que da lugar a un efecto de filtrado más intenso .
2.2 Selección del material del núcleo magnético
Los materiales de núcleo más utilizados en los filtros de modo común son las ferritas de manganeso-zinc, las ferritas de níquel-zinc, las aleaciones amorfas y las aleaciones nanocristalinas. Las diferencias en sus características definen sus respectivos ámbitos de aplicación ：
◾ Ferrita: Una opción rentable para frecuencias medias y altas Aplicaciones
La ferrita (por ejemplo, Mn-Zn, Ni-Zn) se ha convertido en el material preferido para los filtros de modo común de alta frecuencia gracias a su alta resistividad y sus reducidas pérdidas por corrientes parásitas. La ferrita Mn-Zn ofrece un rendimiento excelente en la banda de frecuencias de 100 kHz a 1 MHz, aunque su temperatura de Curie es relativamente baja (aproximadamente 120 ℃) ，provocando una caída brusca de la permeabilidad a altas temperaturas; la ferrita de níquel-zinc es adecuada para bandas de frecuencia superiores. Aunque su permeabilidad inicial es baja (μ < 1000) ，su estabilidad en alta frecuencia es superior .
◾ Aleaciones amorfas y nanocristalinas : La solución definitiva para aplicaciones de alta frecuencia y bajas pérdidas
Las aleaciones amorfas (como las basadas en hierro y las basadas en cobalto) forman una estructura atómica desordenada mediante un proceso de enfriamiento rápido, presentando una densidad de flujo magnético de saturación extremadamente alta (Bs > 1,2 T) y unas pérdidas en alta frecuencia extremadamente bajas. Las aleaciones nanocristalinas desarrollan, además, una estructura nanocristalina mediante un tratamiento térmico, reduciendo las pérdidas en más del 50 % respecto a las ferritas en la banda de frecuencia de 100 kHz a 500 kHz, y mejorando notablemente la estabilidad térmica. Son adecuadas para escenarios con requisitos estrictos de eficiencia, como los módulos de carga de vehículos eléctricos (EV).
2.3 Puntos clave de selección para filtros de modo común
（1）Inductancia: Seleccione la inductancia adecuada según la frecuencia de funcionamiento y las características de interferencia del cargador a bordo. Por lo general, una inductancia mayor ofrece una mejor supresión a baja frecuencia, pero aumenta la pérdida de inserción del circuito. Normalmente, la inductancia de los filtros de modo común oscila entre varios cientos de microhenrios （μH ）y varios milihenrios （mH ）.
（2) Corriente nominal: La corriente nominal del filtro de modo común debe ser mayor que la corriente máxima de funcionamiento del cargador a bordo para evitar la degradación de la eficiencia de todo el sistema causada por el calentamiento del inductor, además de garantizar una excelente estabilidad del inductor bajo la corriente nominal.
（3) Características de frecuencia: Elija un filtro de modo común con buenas características de supresión a alta frecuencia para cumplir con los requisitos de supresión de interferencias de banda ancha del cargador a bordo. Revise la curva de impedancia frente a frecuencia del filtro de modo común para asegurar una impedancia suficiente dentro del rango de frecuencias objetivo.
Para escenarios de aplicación de OBC de alta potencia, las bobinas de modo común de grado automotriz están impulsadas principalmente por requisitos personalizados. El equipo de I+D de CODACA Electronics tiene amplia experiencia en el desarrollo personalizado de bobinas de modo común y puede ofrecer rápidamente soluciones de productos adaptadas según los requisitos específicos del cliente.
3- Principio de circuito de filtro tipo π y puntos clave para la selección de inductores de modo diferencial
A π el circuito de filtro consta de dos condensadores y un inductor de modo diferencial, con forma de la letra π . Utiliza el efecto de derivación de los condensadores y el efecto de filtrado de las bobinas para suprimir eficazmente la interferencia en modo diferencial. En los cargadores a bordo (OBC), los circuitos de filtro tipo π pueden reducir aún más las señales de interferencia en las líneas de alimentación y mejorar el rendimiento EMC. La frecuencia de conmutación típica de un OBC oscila entre 40 kHz y 150 kHz, y las pruebas de emisión conducida comienzan a partir de 150 kHz. Por lo tanto, el filtrado en modo diferencial se centra principalmente en el ruido en modo diferencial dentro de la banda de frecuencias de 150 kHz a 1 MHz.
La fórmula de la frecuencia de corte para un filtro tipo π es:
Donde Cx es la capacitancia equivalente de los condensadores X de dos etapas en el filtro tipo π. (En diseños reales, con frecuencia se utilizan dos etapas de condensadores X con la misma capacitancia, por lo que la capacitancia de filtrado equivalente combinada suele estimarse de forma conservadora basándose en el valor de un condensador X de una sola etapa). El diseño debe garantizar que la frecuencia de corte sea significativamente inferior a la frecuencia fundamental de conmutación, normalmente tomada como 1/5 a 1/10 de la frecuencia de conmutación, para asegurar que la banda de frecuencias de interferencia objetivo caiga dentro de la banda de supresión del filtro.
3.1 Principio de funcionamiento de los inductores de modo diferencial
Un inductor en modo diferencial consta principalmente de un único devanado conectado en serie dentro de la línea de entrada de energía. Al aprovechar las características de impedancia del inductor frente a corrientes de alta frecuencia, crea una trayectoria de alta impedancia para las interferencias en modo diferencial entre la línea L y la línea N, logrando así la atenuación del ruido. Al seleccionar un inductor, se prefieren los inductores apantallados para reducir la radiación externa y las interferencias externas.
(1) Inductancia: La inductancia es el parámetro más fundamental de un inductor en modo diferencial y determina su capacidad para suprimir el ruido a frecuencias específicas. Al realizar la selección, debe considerarse la banda de frecuencias objetivo para filtrado; una inductancia mayor generalmente ofrece efectos de supresión más significativos sobre el ruido de baja frecuencia.
(2) Corriente nominal: Esto se refiere a la corriente máxima a la que el inductor puede operar de forma segura a largo plazo bajo condiciones especificadas de elevación de temperatura. La selección debe garantizar que la corriente máxima de funcionamiento sea inferior a la corriente nominal, dejando un margen amplio (típicamente ＞ 30%).
(3) Resistencia en corriente continua (DCR): La resistencia en corriente continua hace referencia a la resistencia interna de la bobina del inductor bajo condiciones de corriente continua. Cuanto menor sea la DCR, menor será el consumo de potencia generado cuando pase corriente continua, mejorando así la eficiencia general.
Dado que los OBC i pertenecen a aplicaciones automotrices, los inductores deben cumplir con los estándares de fiabilidad electrónica automotriz AEC-Q200. Los ensayos incluyen: pruebas de rendimiento eléctrico, pruebas de impacto mecánico, pruebas de vibración, pruebas de resistencia de terminales, pruebas de soldabilidad, pruebas de humedad bajo tensión, pruebas de ciclos térmicos, pruebas de almacenamiento a alta temperatura, etc. CODACA puede ofrecer diversos tipos de productos de potencia estándar para automoción.
A continuación se muestra una selección de algunos inductores de grado automotriz .Para obtener más detalles, visite el sitio web oficial de CODACA Electronics en https://www.codaca.com.cn/, o póngase en contacto con el personal de ventas de CODACA. Se aceptan consultas con gusto.
Leyenda de la figura: Figura 4. Inductor automotriz de CODACA