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Collegamenti rapidi
Con lo sviluppo rapido del settore dei veicoli a nuova energia, il caricabatterie di bordo (OBC) funge da componente centrale di collegamento tra la rete elettrica e la batteria di trazione, rendendo sempre più cruciale la sua progettazione in termini di compatibilità elettromagnetica (EMC). L’alta frequenza di commutazione dei dispositivi di potenza nelle fonti di alimentazione a commutazione genera interferenze elettromagnetiche (EMI) ad alta frequenza, comprensive sia di rumore condotto in modo comune che in modo differenziale lungo le linee di alimentazione, sia di interferenze irradiate nello spazio. I caricabatterie di bordo devono integrare una progettazione robusta del filtro EMC per adattarsi all’ambiente elettromagnetico complesso dell’automobile, garantire il proprio funzionamento stabile e prevenire interferenze con altri dispositivi elettronici presenti sul veicolo. Tra questi, l’induttore in modo comune e il circuito filtro a tipo π costituiscono i componenti fondamentali della filtrazione EMC; la scelta degli induttori determina direttamente le prestazioni di filtraggio, il volume complessivo del sistema e l’affidabilità termica.
1-Sorgenti di rumore EMI e architettura del filtro
Quando un OBC è in funzione, i transistor ad alta frequenza di commutazione (IGBT o MOSFET SiC) del circuito PFC frontale e i circuiti risonanti del convertitore DC-DC posteriore generano una notevole quantità di armoniche. Il rumore EMI condotto è classificato in due tipi :rumore in modo differenziale e rumore in modo comune. L’interferenza in modo differenziale si verifica tra le due linee di ingresso di alimentazione (ad esempio tra la linea L e la linea N), con direzioni di corrente opposte; è causata principalmente dalle ripple di corrente generate nel loop di alimentazione a causa dell’accensione e dello spegnimento ad alta velocità dei transistor di commutazione; l’interferenza in modo comune si verifica tra le linee di alimentazione e la linea di terra (PE), con direzione di corrente identica; è causata principalmente dal coupling verso terra, tramite capacità parassita, dei nodi transitori ad alta tensione generati durante le operazioni di commutazione, nonché dal coupling del campo elettromagnetico esterno .
L’estremità di ingresso di un OBC è tipicamente configurata con un circuito filtro EMI a tipo π, che utilizza una combinazione di induttori e condensatori per sopprimere le interferenze elettromagnetiche su diverse bande di frequenza. L’architettura generale della rete filtrante comprende un condensatore X (filtraggio in modo differenziale), un induttore comune (common-mode choke), un condensatore Y (filtraggio in modo comune) e un induttore in modo differenziale disposti in sequenza a partire dal lato rete, formando una struttura filtrante a due o più stadi. Lo stadio anteriore si occupa principalmente delle interferenze condotte e delle armoniche provenienti dal lato rete, mentre lo stadio posteriore è responsabile dell’ulteriore attenuazione del rumore ad alta frequenza generato dalle azioni di commutazione. 。
Figura 1. Schema a blocchi dell’OBC
2 – Principio di funzionamento e selezione dei materiali fondamentali per gli induttori comuni (common-mode chokes)
2.1 Principio di funzionamento
Un filtro comune è avvolto su un nucleo magnetico chiuso con avvolgimenti di direzione opposta e con lo stesso numero di spire, per ottenere una soppressione ad alta impedenza del rumore in modo comune. Quando una corrente in modo comune fluisce attraverso il filtro, il verso del flusso magnetico generato negli avvolgimenti è identico e si somma, facendo sì che il filtro presenti un’alta impedenza e attenui efficacemente i segnali in modo comune. Quando invece una corrente in modo differenziale (ad esempio la corrente operativa normale) fluisce attraverso i due avvolgimenti, i versi dei flussi magnetici generati nel nucleo sono opposti e si annullano reciprocamente, consentendo ai segnali in modo differenziale di passare con quasi nessuna attenuazione.
Figura 2. I campi magnetici si sommano quando una corrente in modo comune fluisce attraverso
Figura 3. I campi magnetici si annullano reciprocamente quando una corrente in modo differenziale fluisce attraverso
Secondo la formula dell’impedenza di un filtro in modo comune:
E la formula dell’induttanza:
La permeabilità magnetica efficace μe del nucleo determina direttamente l’induttanza ottenuta per una data dimensione e un dato numero di avvolgimenti. Maggiore è la permeabilità, maggiore è l’impedenza per le stesse dimensioni, con conseguente effetto di filtraggio più intenso .
2.2 Selezione del materiale per il nucleo magnetico
I materiali per nuclei più comuni nei filtri bifilari sono le ferriti a base di manganese-zinco, le ferriti a base di nichel-zinco, le leghe amorfe e le leghe nanocristalline. Le differenze nelle loro caratteristiche definiscono i rispettivi ambiti applicativi ：
◾ Ferrite: Una scelta economica per frequenze medie-alte Applicazioni
Le ferriti (ad esempio Mn-Zn, Ni-Zn) sono diventate il materiale preferito per i filtri bifilari ad alta frequenza grazie alla loro elevata resistività e alle ridotte perdite per correnti parassitarie. Le ferriti Mn-Zn offrono prestazioni eccellenti nella banda di frequenza 100 kHz–1 MHz, ma la loro temperatura di Curie è relativamente bassa (circa 120 ℃) ，causando una brusca diminuzione della permeabilità a temperature elevate; la ferrite Ni-Zn è adatta per bande di frequenza superiori. Sebbene la sua permeabilità iniziale sia bassa (μ<1000) ，la sua stabilità ad alta frequenza è superiore .
◾ Leghe amorfe e nanocristalline : La soluzione definitiva per applicazioni ad alta frequenza e basse perdite
Le leghe amorfe (ad esempio a base di ferro e a base di cobalto) formano una struttura atomica disordinata mediante un processo di raffreddamento rapido, mostrando un’induzione magnetica di saturazione estremamente elevata (Bs 1,2 T) e perdite ad alta frequenza estremamente basse. Le leghe nanocristalline sviluppano ulteriormente una struttura nanocristallina tramite trattamento termico, riducendo le perdite di oltre il 50% rispetto alle ferriti nella banda di frequenza 100 kHz–500 kHz e migliorando significativamente la stabilità termica. Sono adatte a scenari con requisiti rigorosi di efficienza, come i moduli di ricarica per veicoli elettrici (EV).
2.3 Punti chiave per la selezione dei filtri comuni (common mode chokes)
（1）Induttanza: Selezionare l’induttanza appropriata in base alla frequenza di funzionamento e alle caratteristiche di interferenza del caricabatterie integrato. In generale, un’induttanza più elevata garantisce una migliore soppressione alle basse frequenze, ma aumenta la perdita d’inserzione del circuito. Tipicamente, l’induttanza dei filtri bifilari a modo comune varia da alcune centinaia di microhenry （μH ）a qualche millihenry （mH ）.
（2) Corrente nominale: La corrente nominale del filtro bifilare a modo comune deve essere superiore alla corrente massima di funzionamento del caricabatterie integrato, per evitare una riduzione dell’efficienza dell’intero sistema causata dal riscaldamento dell’induttore, garantendo al contempo un’eccellente stabilità dell’induttore alla corrente nominale.
（3) Caratteristiche in frequenza: Scegliere un filtro bifilare a modo comune con ottime caratteristiche di soppressione alle alte frequenze, per soddisfare i requisiti di soppressione delle interferenze su larga banda del caricabatterie integrato. Verificare la curva di impedenza in funzione della frequenza del filtro bifilare a modo comune per assicurare un’impedenza sufficiente nell’intervallo di frequenza target.
Per scenari applicativi di caricabatterie a bordo (OBC) ad alta potenza, le bobine comuni automobilistiche sono principalmente guidate da requisiti personalizzati. Il team di R&S di CODACA Electronics vanta un’ampia esperienza nello sviluppo su misura di bobine comuni e può fornire rapidamente soluzioni prodotto adatte alle specifiche esigenze del cliente.
3 - Principio di circuito filtro a tipo π e punti chiave per la scelta degli induttori in modo differenziale
A π il circuito filtro è composto da due condensatori e da un induttore in modo differenziale, con forma simile alla lettera π . Utilizza l’effetto di by-pass dei condensatori e l’effetto di filtraggio delle induttanze per sopprimere efficacemente le interferenze in modo differenziale. Negli alimentatori a bordo (OBC), i circuiti filtranti di tipo π possono ulteriormente ridurre i segnali di interferenza sulle linee di alimentazione e migliorare le prestazioni EMC. La frequenza di commutazione tipica di un OBC varia da 40 kHz a 150 kHz, mentre i test di emissione condotta iniziano da 150 kHz. Di conseguenza, il filtraggio in modo differenziale mira principalmente al rumore in modo differenziale nella banda di frequenza compresa tra 150 kHz e 1 MHz.
La formula della frequenza di taglio per un filtro di tipo π è:
Dove Cx è la capacità equivalente dei due condensatori X a due stadi nel filtro di tipo π. (Nelle realizzazioni effettive, si usano spesso due stadi di condensatori X con la stessa capacità, quindi la capacità filtrante equivalente complessiva viene solitamente stimata in modo conservativo sulla base del valore di un singolo condensatore X). La progettazione deve garantire che la frequenza di taglio sia significativamente inferiore alla frequenza fondamentale di commutazione, tipicamente assunta pari a 1/5 ÷ 1/10 della frequenza di commutazione, per assicurare che la banda di frequenza dell’interferenza target cada nella banda di attenuazione del filtro.
3.1 Principio di funzionamento degli induttori in modo differenziale
Un induttore in modo differenziale è costituito principalmente da un singolo avvolgimento collegato in serie nella linea di alimentazione. Sfruttando le caratteristiche di impedenza dell’induttore nei confronti delle correnti ad alta frequenza, crea un percorso ad alta impedenza per le interferenze in modo differenziale tra la linea L e la linea N, ottenendo così l’attenuazione del rumore. Nella scelta di un induttore, si preferiscono modelli schermati per ridurre le emissioni esterne e le interferenze provenienti dall’esterno.
(1) Induttanza: L’induttanza è il parametro fondamentale di un induttore in modo differenziale e determina la sua capacità di sopprimere il rumore a specifiche frequenze. Durante la selezione va considerata la banda di frequenza target da filtrare; un’induttanza maggiore fornisce in genere un effetto di soppressione più significativo sul rumore a bassa frequenza.
(2) Corrente nominale: Questo si riferisce alla corrente massima alla quale l’induttore può funzionare in sicurezza a lungo termine, nelle condizioni specificate di aumento di temperatura. La selezione deve garantire che la corrente massima di funzionamento sia inferiore alla corrente nominale, lasciando un ampio margine (tipicamente ＞ 30%).
(3) Resistenza in corrente continua (DCR): La resistenza in corrente continua indica la resistenza interna della bobina dell’induttore in condizioni di corrente continua. Più bassa è la DCR, minore è il consumo di potenza generato quando la corrente continua attraversa l’induttore, migliorando così l’efficienza complessiva.
Poiché gli OBC s rientrano nelle applicazioni automobilistiche, gli induttori devono soddisfare gli standard di affidabilità per l’elettronica automobilistica AEC-Q200. Le prove includono: test delle prestazioni elettriche, test di shock meccanico, test di vibrazione, test di resistenza dei terminali, test di saldabilità, test di umidità sotto tensione, test di cicli termici, test di immagazzinamento ad alta temperatura, ecc. CODACA fornisce vari tipi di prodotti standard di potenza per applicazioni automotive.
Di seguito è riportata una selezione di alcuni induttori di grado automobilistico .Per ulteriori dettagli, visitare il sito ufficiale di CODACA Electronics all'indirizzo https://www.codaca.com.cn/, oppure contattare il personale vendite di CODACA. Sono benvenute eventuali richieste di informazioni.
Didascalia figura: Figura 4. Induttore per autoveicoli di CODACA