EN
Szybkie linki
Wraz z szybkim rozwojem przemysłu pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii ładowarka pokładowa (OBC) stanowi kluczowy element łączący sieć energetyczną z akumulatorem napędowym, co czyni projektowanie jej zgodności elektromagnetycznej (EMC) coraz ważniejszym. Wysokoprędkościowe przełączanie urządzeń mocy w zasilaczach impulsowych generuje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) o wysokiej częstotliwości, obejmujące zarówno zakłócenia przewodzone typu wspólnego (common-mode), jak i różnicowego (differential-mode), przenoszone wzdłuż przewodów zasilających, oraz zakłócenia promieniowane w przestrzeni. Ładowarki pokładowe muszą być wyposażone w odporny projekt filtra EMC, aby dostosować się do złożonego elektromagnetycznego środowiska samochodowego, zapewnić własną stabilną pracę oraz zapobiec zakłócaniu działania innych urządzeń elektronicznych w pojeździe. Wśród nich dławik typu common-mode oraz obwód filtrujący typu π są kluczowymi elementami filtracji EMC, a dobór induktorów bezpośrednio decyduje o skuteczności filtracji, ogólnych wymiarach systemu oraz niezawodności cieplnej.
1-Źródła zakłóceń EMI i architektura filtru
Gdy ładowarka OBC działa, wysokoczęstotliwościowe tranzystory przełączające obwodu PFC (IGBT lub tranzystory MOSFET z węgliku krzemu) na jej wejściu oraz obwody rezonansowe przetwornicy DC-DC na wyjściu generują znaczne składowe harmoniczne. Przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) klasyfikuje się na dwa typy: :zakłócenia różnicowe i zakłócenia wspólnego trybu. Zakłócenia różnicowe występują między dwiema liniami zasilania (np. między fazą L a neutralnym N), przy przeciwnych kierunkach prądów; powstają głównie wskutek pulsacji prądu w pętli zasilania spowodowanych szybkim włączaniem i wyłączaniem tranzystorów przełączających. Zakłócenia wspólnego trybu występują między liniami zasilania a przewodem ochronnym (PE), przy jednakowych kierunkach prądów; powstają głównie wskutek sprzężenia się węzłów o wysokim napięciu chwilowym podczas działania przełączników z uziemieniem przez pojemności pasożytnicze oraz przez sprzężenie z zewnętrznym polem elektromagnetycznym .
Wejście OBC jest zwykle konfigurowane z obwodem filtra EMI typu π, wykorzystującym kombinację cewek i kondensatorów do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych w różnych pasmach częstotliwości. Ogólna architektura sieci filtrującej składa się z kondensatora X (filtracja trybu różnicowego), dławika wspólnego (common-mode choke), kondensatora Y (filtracja trybu wspólnego) oraz cewki trybu różnicowego ułożonych sekwencyjnie od strony sieci, tworząc dwustopniową lub wielostopniową strukturę filtrującą. Etap przedni zajmuje się głównie zakłóceniami przewodzonymi i harmonicznymi pochodzącymi ze strony sieci, podczas gdy etap tylny odpowiada za dalsze tłumienie szumów wysokiej częstotliwości generowanych przez przełączanie. 。
Rysunek 1. Schemat blokowy OBC
2 – Zasada działania i dobór kluczowych materiałów dla dławików wspólnych
2.1 Zasada działania
Dławik wspólny jest nawinięty na zamkniętym rdzeniu magnetycznym z cewkami o przeciwnych kierunkach uzwojenia i tej samej liczbie zwojów, aby osiągnąć tłumienie szumów wspólnych o wysokim oporze. Gdy przez dławik przepływa prąd wspólny, kierunki strumieni magnetycznych w uzwojeniach są identyczne i nakładają się na siebie, co powoduje, że dławik wspólny stawia wysoki opór, skutecznie tłumiąc sygnały wspólne. Gdy przez oba uzwojenia przepływa prąd różnicowy (np. normalny prąd roboczy), kierunki strumieni magnetycznych wytworzonych w rdzeniu są przeciwne i wzajemnie się znoszą, umożliwiając przechodzenie sygnałów różnicowych niemal bez tłumienia.
Rysunek 2. Pola magnetyczne nakładają się, gdy przepływa prąd wspólny
Rysunek 3. Pola magnetyczne wzajemnie się znoszą, gdy przepływa prąd różnicowy
Zgodnie ze wzorem impedancji dławika wspólnego:
Oraz wzorem indukcyjności:
Skuteczna przenikalność magnetyczna rdzenia μe bezpośrednio określa indukcyjność uzyskaną przy danej wielkości i liczbie zwojów. Im wyższa przenikalność, tym wyższy impedancja przy tej samej wielkości, co skutkuje silniejszym efektem filtracji .
2.2 Wybór materiału rdzenia magnetycznego
Do najczęściej stosowanych materiałów rdzeniowych w dławikach do tłumienia zakłóceń wspólnych należą ferryty manganowo-cynkowe, ferryty niklowo-cynkowe, stopy amorficzne oraz stopy nanokrystaliczne. Różnice w ich właściwościach określają odpowiednie granice zastosowań ：
◾ Ferryt: Opłacalny wybór dla średnich i wysokich częstotliwości Zastosowania
Ferryt (np. Mn-Zn, Ni-Zn) stał się materiałem preferowanym do dławików do tłumienia zakłóceń wspólnych pracujących na wysokich częstotliwościach ze względu na wysoką rezystywność i niskie straty prądów wirowych. Ferryt Mn-Zn charakteryzuje się doskonałą wydajnością w paśmie częstotliwości 100 kHz–1 MHz, ale jego temperatura Curie jest stosunkowo niska (około 120 °C) ，powodując gwałtowny spadek przepuszczalności w wysokich temperaturach; ferryt Ni-Zn jest odpowiedni dla pasm częstotliwości powyżej. Choć jego początkowa przepuszczalność jest niska (μ<1000) ，jego stabilność w wysokich częstotliwościach jest lepsza .
◾ Stopy amorficzne i nanokrystaliczne : Ostateczne rozwiązanie dla zastosowań wysokiej częstotliwości i niskich strat
Stopy amorficzne (np. oparte na żelazie i kobaltcie) tworzą nieuporządkowaną strukturę atomową poprzez szybkie chłodzenie, cechując się bardzo wysoką gęstością strumienia magnetycznego nasycenia (Bs 1,2 T) oraz bardzo niskimi stratami w wysokich częstotliwościach. Stopy nanokrystaliczne tworzą dodatkowo strukturę nanokrystaliczną poprzez obróbkę cieplną, zmniejszając straty o ponad 50% w porównaniu do ferrytu w paśmie częstotliwości 100 kHz–500 kHz oraz znacznie poprawiając stabilność temperaturową. Są one odpowiednie dla scenariuszy wymagających ścisłej efektywności, takich jak moduły ładowania pojazdów elektrycznych.
2.3 Kluczowe kryteria doboru dławików wspólnego prądu
（1）Indukcyjność: Wybierz odpowiednią indukcyjność na podstawie częstotliwości roboczej i charakterystyki zakłóceń ładowarki pokładowej. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa indukcyjność zapewnia lepsze tłumienie zakłóceń niskoczęstotliwościowych, ale zwiększa straty wstawkowe obwodu. Typowo indukcyjność dławików wspólnego trybu mieści się w zakresie od kilkuset mikrohenrów （μH ）do kilku milihenrów （mH ）.
（2) Prąd znamionowy: Prąd znamionowy dławika wspólnego trybu powinien być większy niż maksymalny prąd roboczy ładowarki pokładowej, aby zapobiec obniżeniu sprawności całego systemu spowodowanemu nagrzewaniem się cewki, a także zapewnić doskonałą stabilność cewki przy prądzie znamionowym.
（3) Charakterystyki częstotliwościowe: Wybierz dławik wspólnego trybu o dobrych właściwościach tłumienia wysokich częstotliwości, aby spełnić wymagania dotyczące szerokopasmowego tłumienia zakłóceń ładowarki pokładowej. Sprawdź krzywą impedancji w funkcji częstotliwości dławika wspólnego trybu, aby upewnić się, że impedancja w docelowym zakresie częstotliwości jest wystarczająco duża.
W scenariuszach zastosowania OBC o wysokiej mocy przemysłowe dławiki wspólnego prądu są głównie napędzane indywidualnymi wymaganiami. Zespół badań i rozwoju CODACA Electronics posiada bogate doświadczenie w tworzeniu na zamówienie dławików wspólnego prądu i może szybko dostarczyć odpowiednich rozwiązań produktowych zgodnie z charakterystycznymi wymaganiami klientów.
3 – Zasada działania obwód filtru typu π oraz kluczowe punkty wyboru dławików dla składowej różnicowej
A π obwód filtru składa się z dwóch kondensatorów i dławika dla składowej różnicowej, przyjmując kształt litery π wykorzystuje efekt obejścia kondensatorów oraz efekt filtrowania cewek, aby skutecznie tłumić zakłócenia trybu różnicowego. W ładowarkach pokładowych obwody filtrów typu π mogą dodatkowo zmniejszać sygnały zakłóceń na liniach zasilania i poprawiać wydajność EMC. Typowa częstotliwość przełączania ładowarki pokładowej (OBC) mieści się w zakresie od 40 kHz do 150 kHz, a testy emisji przewodzonej rozpoczynają się od 150 kHz. Dlatego filtrowanie trybu różnicowego skupia się głównie na szumie trybu różnicowego w paśmie częstotliwości od 150 kHz do 1 MHz.
Wzór na częstotliwość graniczną filtra typu π to:
Gdzie Cx to pojemność zastępcza dwustopniowych kondensatorów X w filtrze typu π. (W rzeczywistych projektach często stosuje się dwa stopnie kondensatorów X o tej samej pojemności, więc łączną zastępczą pojemność filtrującą szacuje się zwykle ostrożnie na podstawie wartości pojedynczego stopnia kondensatora X). Projekt musi zapewnić, że częstotliwość graniczna jest znacznie niższa od podstawowej częstotliwości przełączania, zwykle przyjmuje się ją jako 1/5 do 1/10 częstotliwości przełączania, aby zagwarantować, że docelowy zakres częstotliwości zakłóceń znajduje się w paśmie tłumienia filtra.
3.1 Zasada działania cewek filtrujących tryb różnicowy
Induktor trybu różnicowego składa się głównie z pojedynczej cewki połączonej szeregowo w linii wejściowej zasilania. Wykorzystując charakterystykę impedancji cewki wobec prądów wysokiej częstotliwości, tworzy ona ścieżkę o wysokiej impedancji dla zakłóceń trybu różnicowego pomiędzy przewodem L a przewodem N, co zapewnia tłumienie zakłóceń. Przy wyborze cewki preferowane są cewki ekranowane, aby zmniejszyć promieniowanie zewnętrzne oraz zakłócenia pochodzące ze środowiska zewnętrznego.
(1) Indukcyjność: Indukcyjność jest najważniejszym parametrem induktora trybu różnicowego i określa jego zdolność do tłumienia zakłóceń przy określonych częstotliwościach. Przy doborze należy uwzględnić docelowy pasmo filtracji; większa indukcyjność zazwyczaj zapewnia silniejsze efekty tłumienia zakłóceń niskoczęstotliwościowych.
(2) Prąd znamionowy: Odnosi się to do maksymalnego prądu, przy którym dławik może działać bezpiecznie przez długi czas przy określonym wzroście temperatury. Dobór musi zapewnić, że maksymalny prąd roboczy jest mniejszy niż prąd znamionowy, pozostawiając wystarczającą margines bezpieczeństwa (zazwyczaj ＞ 30%).
(3) Opór prądu stałego (DCR): Opór prądu stałego oznacza opór wewnętrzny uzwojenia dławika w warunkach prądu stałego. Im niższy DCR, tym mniejsze zużycie mocy powstaje przy przepływie prądu stałego, co poprawia ogólną wydajność.
Ponieważ OBC i należą do zastosowań motocyklowych, dławiki muszą spełniać standardy niezawodności elektroniki motocyklowej AEC-Q200. Do testów należą: badania parametrów elektrycznych, testy udarów mechanicznych, testy wibracji, testy wytrzymałości złączy, testy lutowalności, testy wilgotności przy obciążeniu, testy cykli temperaturowych, testy przechowywania w wysokiej temperaturze itp. CODACA może dostarczyć różnorodne typy standardowych, motocyklowych produktów mocy.
Poniżej przedstawiono przykład niektórych induktorzy klasy samochodowej .Aby uzyskać szczegółowe informacje, odwiedź oficjalną witrynę internetową CODACA Electronics pod adresem https://www.codaca.com.cn/, lub skontaktuj się z osobami odpowiedzialnymi za sprzedaż w CODACA. Chętnie odpowiemy na wszelkie pytania.
Podpis do rysunku: Rysunek 4. Przemysłowy dławik CODACA