چگونه سلف مناسب را برای مدار فیلتر سازگاری الکترومغناطیسی شارژر داخل خودرو انتخاب کنیم

با توسعهٔ سریعِ صنعت وسایل نقلیهٔ انرژی جدید، شارژر بوردی (OBC) به‌عنوان مؤلفهٔ اصلی اتصال بین شبکهٔ برق و باتری تأمین‌کنندهٔ انرژی عمل می‌کند؛ بنابراین طراحی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) آن روزبه‌روز حیاتی‌تر می‌شود. سوئیچینگ پرسرعت دستگاه‌های توان در منابع تغذیهٔ سوئیچینگ، تداخل الکترومغناطیسی فرکانس بالا (EMI) ایجاد می‌کند که شامل نویز هدایتی حالت مشترک و حالت تفاضلی منتقل‌شده ازطریق خطوط برق و همچنین تداخل تابشی فضایی است. شارژرهای بوردی باید دارای طراحی فیلتر EMC قوی باشند تا در محیط الکترومغناطیسی پیچیدهٔ خودروها سازگار شوند، عملکرد پایدار خود را تضمین کنند و از ایجاد تداخل با سایر تجهیزات الکترونیکی داخل خودرو جلوگیری نمایند. در میان این اجزا، سرند حالت مشترک و مدار فیلتر π‌شکل اجزای اصلی فیلتراسیون EMC هستند و انتخاب سیم‌پیچ مستقیماً بر عملکرد فیلتراسیون، حجم کلی سیستم و قابلیت اطمینان حرارتی آن تأثیر می‌گذارد.

1-منابع نویز EMI و معماری فیلتر

هنگامی که شارژر بوردی (OBC) در حال کار است، ترانزیستورهای سوئیچینگ با فرکانس بالا در مدار PFC جلویی آن (IGBTها یا ترانزیستورهای SiC MOSFET) و مدار رزونانس در مبدل DC-DC عقب آن، اجزای هارمونیک قابل توجهی تولید می‌کنند. نویز الکترومغناطیسی هدایت‌شده به دو نوع تقسیم می‌شود :نویز حالت تفاضلی و نویز حالت مشترک. تداخل حالت تفاضلی بین دو سیم ورودی برق (مانند بین سیم L و سیم N) با جهت جریان‌های متضاد وجود دارد و عمدتاً ناشی از نوسانات جریان در حلقه برق‌رسانی است که در اثر روشن و خاموش شدن سریع ترانزیستورهای سوئیچینگ ایجاد می‌شود؛ تداخل حالت مشترک بین سیم‌های برق و سیم زمین (PE) با جهت یکسان جریان‌ها رخ می‌دهد و عمدتاً ناشی از اتصال گره‌های ولتاژ لحظه‌ای بالا در طول عملیات سوئیچینگ به زمین از طریق ظرفیت پارازیتیک و همچنین القای میدان الکترومغناطیسی خارجی است .

اتصال‌دهندهٔ ورودی یک OBC معمولاً با مدار فیلتر EMI از نوع پی‌نما پیکربندی می‌شود که از ترکیبی از سیم‌پیچ‌ها و خازن‌ها برای سرکوب تداخل الکترومغناطیسی در باندهای فرکانسی مختلف استفاده می‌کند. معماری عمومی شبکهٔ فیلتر شامل یک خازن X (برای فیلتر کردن حالت تفاضلی)، یک سیم‌پیچ جذب‌کنندهٔ حالت مشترک، یک خازن Y (برای فیلتر کردن حالت مشترک) و یک سیم‌پیچ تفاضلی است که به‌صورت متوالی از سمت شبکه قرار گرفته‌اند و ساختاری دو مرحله‌ای یا چندمرحله‌ای فیلتر را تشکیل می‌دهند. مرحلهٔ پیشین عمدتاً با تداخلات هدایتی و هارمونیک‌های ناشی از سمت شبکه سروکار دارد، درحالی‌که مرحلهٔ پسین مسئولیت تضعیف بیشتر نویزهای فرکانس بالا را که در اثر عملیات سوئیچینگ ایجاد می‌شوند، بر عهده دارد. 。

شکل ۱. نمودار شماتیک OBC

۲- اصل کار و انتخاب مواد اصلی برای سیم‌پیچ‌های جذب‌کنندهٔ حالت مشترک

2.1  اصول کار

یک سیم‌پیچ مسدودکنندهٔ حالت مشترک روی هستهٔ مغناطیسی بسته پیچیده می‌شود، به‌گونه‌ای که دو سیم‌پیچ جهت‌های مخالفی دارند و تعداد دورهای یکسانی دارند تا سرکوب با امپدانس بالا برای نویز حالت مشترک انجام شود. وقتی جریان حالت مشترک از آن عبور می‌کند، جهت شار مغناطیسی تولیدشده توسط سیم‌پیچ‌ها یکسان است و بر هم انباشته می‌شوند؛ در نتیجه سیم‌پیچ مسدودکنندهٔ حالت مشترک امپدانس بالایی ارائه می‌دهد و سیگنال‌های حالت مشترک را به‌طور مؤثری تضعیف می‌کند. اما وقتی جریان حالت تفاضلی (مانند جریان عادی کاری) از دو سیم‌پیچ عبور می‌کند، جهت شارهای مغناطیسی تولیدشده در هسته مخالف یکدیگر است و به‌طور کامل خنثی می‌شوند؛ بنابراین سیگنال‌های حالت تفاضلی تقریباً بدون تضعیف از آن عبور می‌کنند.

شکل ۲. انباشتگی میدان‌های مغناطیسی هنگام عبور جریان حالت مشترک

شکل ۳. خنثی‌شدن متقابل میدان‌های مغناطیسی هنگام عبور جریان حالت تفاضلی

بر اساس فرمول امپدانس یک سیم‌پیچ مسدودکنندهٔ حالت مشترک:

و فرمول اندازه‌گیری اندوکتانس:

نفوذپذیری مغناطیسی مؤثر هسته (μe) به‌طور مستقیم بر القای حاصل‌شده در ابعاد و تعداد دور مشخص تأثیر می‌گذارد. هرچه نفوذپذیری بیشتر باشد، امپدانس در ابعاد یکسان نیز بالاتر می‌رود و این امر منجر به اثر فیلترکردن قوی‌تر می‌شود. .

2.2  انتخاب مادهٔ هستهٔ مغناطیسی

مواد رایج هستهٔ استفاده‌شده در سیم‌پیچ‌های جریان مشترک شامل فریت منگنز-زنک، فریت نیکل-زنک، آلیاژهای آمورف و آلیاژهای نانوبلورین است. تفاوت‌های موجود در ویژگی‌های این مواد، مرزهای کاربردی هر یک را تعیین می‌کند. ：

◾ فریت: گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای فرکانس‌های متوسط تا بالا کاربردها

فریت (مانند Mn-Zn و Ni-Zn) به‌دلیل مقاومت الکتریکی بالا و تلفات جریان گردابی پایین، به مادهٔ ترجیحی برای سیم‌پیچ‌های جریان مشترک فرکانس بالا تبدیل شده است. فریت منگنز-زنک در باند فرکانسی ۱۰۰ کیلوهرتز تا ۱ مگاهرتز عملکرد عالی دارد، اما دمای کوری آن نسبتاً پایین است (حدود ۱۲۰ درجهٔ سانتی‌گراد). ，باعث کاهش شدید نفوذپذیری در دمای بالا می‌شود؛ فریت نیکل-روی برای باندهای فرکانسی بالاتر مناسب است. اگرچه نفوذپذیری اولیه آن پایین است (μ<۱۰۰۰) ，اما پایداری آن در فرکانس‌های بالا برتر است .

◾ آلیاژهای آمورف و نانوبلور : راه‌حل نهایی برای کاربردهای با فرکانس بالا و تلفات پایین

آلیاژهای آمورف (مانند آلیاژهای مبتنی بر آهن و کبالت) از طریق فرآیند سردکردن سریع، ساختار اتمی نامنظمی ایجاد می‌کنند و چگالی شار مغناطیسی اشباع بسیار بالایی (Bs=۱٫۲T) و تلفات بسیار پایین در فرکانس‌های بالا نشان می‌دهند. آلیاژهای نانوبلور با عملیات حرارتی، ساختار نانوبلوری را تشکیل می‌دهند و تلفات را در باند فرکانسی ۱۰۰ کیلوهرتز تا ۵۰۰ کیلوهرتز بیش از ۵۰ درصد نسبت به فریت کاهش می‌دهند و پایداری دمایی را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشند. این آلیاژها برای سناریوهایی با الزامات سختگیرانه‌ی بازده، مانند ماژول‌های شارژ خودروهای الکتریکی (EV)، مناسب هستند.

2.3 نکات کلیدی انتخاب سیم‌پیچ‌های جریان مشترک

（1）اندامپذیری: بر اساس فرکانس کاری و ویژگی‌های تداخلی شارژر داخلی، اندازهٔ مناسب القایی را انتخاب کنید. به‌طور کلی، القایی بالاتر، سرکوب بهتری در فرکانس‌های پایین ایجاد می‌کند، اما اتلاف ورودی مدار را افزایش می‌دهد. معمولاً القایی سیم‌پیچ‌های جفت‌شدهٔ عمومی بین چند صد میکروهنری و （میکروهنری ）چند میلی‌هنری متغیر است. （mH ）.

（۲) جریان نامی: جریان نامی سیم‌پیچ جفت‌شدهٔ عمومی باید از بیشترین جریان کاری شارژر داخلی بیشتر باشد تا از کاهش بازده کل سیستم ناشی از گرم‌شدن سیم‌پیچ جلوگیری شود و همچنین پایداری عالی سیم‌پیچ در جریان نامی تضمین گردد.

（۳) ویژگی‌های فرکانسی: سیم‌پیچ جفت‌شدهٔ عمومی با ویژگی‌های سرکوب عالی در فرکانس‌های بالا را انتخاب کنید تا نیازهای سرکوب تداخل در طیف وسیع فرکانسی شارژر داخلی برآورده شود. منحنی امپدانس بر حسب فرکانس سیم‌پیچ جفت‌شدهٔ عمومی را بررسی کنید تا اطمینان حاصل شود که در محدودهٔ فرکانسی مورد نظر امپدانس کافی وجود دارد.

برای سناریوهای کاربردی OBC با توان بالا، سیم‌پیچ‌های جریان معمولی درجه خودرو عمدتاً بر اساس نیازهای سفارشی طراحی می‌شوند. تیم تحقیق و توسعه شرکت CODACA Electronics سابقهٔ طولانی در توسعهٔ سفارشی سیم‌پیچ‌های جریان معمولی دارد و می‌تواند به‌سرعت راه‌حل‌های محصول منطبق با نیازهای ویژگی مشتری ارائه دهد.

۳. اصل کار  مدار فیلتر پی‌نما و نکات کلیدی انتخاب سیم‌پیچ‌های جریان اختلافی

آمپر π مدار فیلتر از دو خازن و یک سیم‌پیچ جریان اختلافی تشکیل شده است و شکلی شبیه حرف π دارد. π این مدار از اثر جلبکی خازن‌ها و اثر فیلترکنندگی سیم‌پیچ‌ها استفاده می‌کند تا تداخل حالت تفاضلی را به‌طور مؤثری سرکوب کند. در شارژرهای داخلی خودرو، مدارهای فیلتر نوع π می‌توانند سیگنال‌های تداخلی روی خطوط تغذیه را بیشتر کاهش داده و عملکرد الکترومغناطیسی (EMC) را بهبود بخشند. فرکانس سوئیچینگ معمولی یک شارژر داخلی خودرو (OBC) بین ۴۰ کیلوهرتز تا ۱۵۰ کیلوهرتز متغیر است و آزمون انتشار هدایتی از ۱۵۰ کیلوهرتز آغاز می‌شود. بنابراین، فیلترکردن حالت تفاضلی عمدتاً بر روی نویز حالت تفاضلی در باند فرکانسی ۱۵۰ کیلوهرتز تا ۱ مگاهرتز متمرکز است.

فرمول فرکانس قطع برای یک فیلتر نوع π عبارت است از:

جایی که Cx ظرفیت خازن معادل خازنهای X دو مرحله‌ای در فیلتر نوع π است. (در طراحی‌های واقعی، اغلب از دو مرحله خازن X با ظرفیت یکسان استفاده می‌شود؛ بنابراین ظرفیت معادل فیلترینگ ترکیبی معمولاً به‌صورت محافظه‌کارانه بر اساس مقدار خازن X تک‌مرحله‌ای تخمین زده می‌شود.) طراحی باید اطمینان حاصل کند که فرکانس قطع بسیار پایین‌تر از فرکانس سوئیچینگ اصلی باشد؛ معمولاً این مقدار برابر با ۱⁄۵ تا ۱⁄۱۰ فرکانس سوئیچینگ در نظر گرفته می‌شود تا اطمینان حاصل شود که باند فرکانسی مورد نظر تداخل در ناحیه توقف فیلتر قرار می‌گیرد.

3.1 اصل کار القاگرهای حالت تفاضلی

یک سیم‌پیچ حالت تفاضلی عمدتاً از یک سیم‌پیچ تنها تشکیل شده که به‌صورت سری در خط ورودی توان قرار می‌گیرد. با استفاده از ویژگی‌های امپدانسی سیم‌پیچ در برابر جریان‌های فرکانس بالا، مسیری با امپدانس بالا برای تداخل حالت تفاضلی بین خط L و خط N ایجاد می‌شود و این امر منجر به کاهش نویز می‌گردد. هنگام انتخاب سیم‌پیچ، سیم‌پیچ‌های محافظت‌شده ترجیح داده می‌شوند تا تابش خارجی و تداخل خارجی کاهش یابد.

3.2 نقاط کلیدی انتخاب سیم‌پیچ‌های حالت تفاضلی

(۱) اندازهٔ سیم‌پیچ: اندازهٔ سیم‌پیچ اساسی‌ترین پارامتر یک سیم‌پیچ حالت تفاضلی است و توانایی آن در سرکوب نویز در فرکانس‌های مشخصی را تعیین می‌کند. هنگام انتخاب، باید باند فرکانسی مورد نظر برای فیلتر کردن در نظر گرفته شود؛ به‌طور کلی، اندازهٔ بزرگ‌تر سیم‌پیچ اثر سرکوب قابل‌توجه‌تری بر نویز فرکانس پایین دارد.

(۲) جریان نامی: این به بیشینه جریانی اشاره دارد که القاگر می‌تواند در شرایط افزایش دمای مشخص، به‌صورت ایمن و در بلندمدت کار کند. انتخاب القاگر باید طوری باشد که بیشینه جریان کاری از جریان نامی کمتر باشد و حاشیه ایمنی کافی (معمولاً ＞ 30%).

(۳) مقاومت مستقیم (DCR): مقاومت مستقیم به مقاومت داخلی سیم‌پیچ القاگر در شرایط جریان مستقیم اشاره دارد. هرچه مقاومت مستقیم کمتر باشد، تلفات توان ناشی از عبور جریان مستقیم کوچک‌تر می‌شود و در نتیجه بازده کلی بهبود می‌یابد.

از آنجا که OBC من ها در زمره کاربردهای خودرویی قرار دارند، القاگرهای مربوطه باید استانداردهای قابلیت اطمینان الکترونیک خودرویی AEC-Q200 را برآورده کنند. آزمایش‌های مورد نیاز شامل: آزمون عملکرد الکتریکی، آزمون ضربه مکانیکی، آزمون ارتعاش، آزمون استحکام ترمینال، آزمون لحیم‌پذیری، آزمون رطوبت در حالت بایاس، آزمون چرخه‌های دمایی، آزمون ذخیره‌سازی در دمای بالا و غیره می‌شود. شرکت CODACA انواع مختلفی از محصولات توان استاندارد درجه خودرویی را ارائه می‌دهد.

در ادامه نمونه‌هایی از اندوکتورهای سطح خودرو .برای جزئیات بیشتر، لطفاً به وب‌سایت رسمی الکترونیک کوداکا مراجعه کنید در https://www.codaca.com.cn/، یا با پرسنل فروش کوداکا تماس بگیرید. پذیرش سؤالات و استعلامات با کمال میل انجام می‌شود.

شرح شکل: شکل ۴. القاگر خودرویی کوداکا