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Com o rápido desenvolvimento da indústria de veículos de nova energia, o carregador embarcado (OBC) atua como componente central de conexão entre a rede elétrica e a bateria de tração, tornando seu projeto de compatibilidade eletromagnética (EMC) cada vez mais vital. A comutação em alta velocidade dos dispositivos de potência em fontes de alimentação com modo de comutação gera interferência eletromagnética (EMI) de alta frequência, que inclui ruído conduzido em modo comum e em modo diferencial ao longo das linhas de alimentação, bem como interferência irradiada no espaço. Os carregadores embarcados devem apresentar um projeto robusto de filtro EMC para se adaptar ao complexo ambiente eletromagnético automotivo, garantir sua própria operação estável e evitar interferências com outros equipamentos eletrônicos do veículo. Entre estes, o indutor de modo comum e o circuito de filtro tipo π são os componentes centrais da filtragem EMC, e a seleção do indutor determina diretamente o desempenho de filtragem, o volume total do sistema e a confiabilidade térmica.
1-Fontes de Ruído EMI e Arquitetura de Filtro
Quando um carregador a bordo (OBC) está em operação, os transistores de comutação de alta frequência do circuito PFC na sua extremidade frontal (IGBTs ou MOSFETs de SiC) e os circuitos ressonantes do conversor CC-CC na sua extremidade traseira geram uma quantidade significativa de componentes harmônicos. O ruído EMI conduzido é classificado em dois tipos :ruído em modo diferencial e ruído em modo comum. A interferência em modo diferencial ocorre entre as duas linhas de entrada de energia (por exemplo, entre a linha L e a linha N), com direções opostas de corrente, sendo causada principalmente pelas ondulações de corrente geradas no laço de potência devido à comutação rápida de ligar/desligar dos transistores; a interferência em modo comum ocorre entre as linhas de energia e a linha de terra (PE), com a mesma direção de corrente, sendo causada principalmente pela acoplamento à terra, através da capacitância parasita, de nós transitórios de alta tensão durante as ações de comutação, bem como pelo acoplamento de campos eletromagnéticos externos .
A extremidade de entrada de um OBC é normalmente configurada com um circuito filtro EMI do tipo π, utilizando uma combinação de indutores e capacitores para suprimir interferências eletromagnéticas em diferentes faixas de frequência. A arquitetura geral da rede de filtragem consiste em um capacitor X (filtragem em modo diferencial), um indutor de modo comum, um capacitor Y (filtragem em modo comum) e um indutor em modo diferencial dispostos sequencialmente a partir do lado da rede, formando uma estrutura de filtragem de dois estágios ou multicamadas. O estágio frontal trata principalmente das interferências conduzidas e harmônicos provenientes do lado da rede, enquanto o estágio traseiro é responsável por atenuar ainda mais o ruído de alta frequência gerado pelas ações de comutação. 。
Figura 1. Diagrama esquemático do OBC
2 – Princípio de funcionamento e seleção de materiais principais para indutores de modo comum
2.1 Princípio de funcionamento
Um filtro comum de modo comum é enrolado em um núcleo magnético fechado, com bobinas tendo direções opostas e o mesmo número de espiras, para obter supressão de ruído de modo comum com alta impedância. Quando uma corrente de modo comum flui, a direção do fluxo magnético nas bobinas é idêntica e se superpõe, fazendo com que o filtro de modo comum apresente alta impedância, atenuando eficazmente os sinais de modo comum. Quando uma corrente de modo diferencial (como a corrente normal de operação) flui pelas duas bobinas, as direções dos fluxos magnéticos gerados no núcleo são opostas e se anulam mutuamente, permitindo que os sinais de modo diferencial passem praticamente sem atenuação.
Figura 2. Campos magnéticos se superpõem quando corrente de modo comum flui
Figura 3. Campos magnéticos se anulam mutuamente quando corrente de modo diferencial flui
De acordo com a fórmula de impedância de um filtro de modo comum:
E a fórmula de indutância:
A permeabilidade magnética efetiva μe do núcleo determina diretamente a indutância obtida sob um tamanho e número de espiras dados. Quanto maior a permeabilidade, maior a impedância para o mesmo tamanho, resultando em um efeito de filtragem mais forte .
2.2 Seleção do Material do Núcleo Magnético
Materiais comumente utilizados para núcleos de filtros de modo comum incluem ferrita de manganês-zinco, ferrita de níquel-zinco, ligas amorfas e ligas nanocristalinas. As diferenças em suas características determinam seus respectivos limites de aplicação ：
◾ Ferrita: Uma Escolha Economicamente Eficiente para Frequências Médias a Altas Aplicações
A ferrita (como Mn-Zn e Ni-Zn) tornou-se o material preferido para filtros de modo comum de alta frequência devido à sua alta resistividade e baixas perdas por correntes parasitas. A ferrita Mn-Zn apresenta excelente desempenho na faixa de frequência de 100 kHz a 1 MHz, mas sua temperatura de Curie é relativamente baixa (cerca de 120 ℃) ，causando uma queda acentuada na permeabilidade em altas temperaturas; a ferrite Ni-Zn é adequada para faixas de frequência superiores. Embora sua permeabilidade inicial seja baixa (μ < 1000) ，sua estabilidade em alta frequência é superior .
◾ Ligas Amorfas e Nanocristalinas : A Solução Definitiva para Aplicações de Alta Frequência e Baixas Perdas
As ligas amorfas (como as à base de ferro e à base de cobalto) formam uma estrutura atômica desordenada por meio de um processo de resfriamento rápido, exibindo densidade de fluxo magnético de saturação extremamente alta (Bs > 1,2 T) e perdas em alta frequência extremamente baixas. As ligas nanocristalinas desenvolvem ainda mais uma estrutura nanocristalina por tratamento térmico, reduzindo as perdas em mais de 50 % em comparação com ferrites na faixa de frequência de 100 kHz a 500 kHz e melhorando significativamente a estabilidade térmica. São adequadas para cenários com requisitos rigorosos de eficiência, como módulos de carregamento de veículos elétricos.
2.3 Principais Critérios de Seleção para Indutores de Modo Comum
（1）Indutância: Selecione a indutância apropriada com base na frequência de operação e nas características de interferência do carregador embarcado. Geralmente, uma indutância mais alta proporciona melhor supressão em baixa frequência, mas aumenta a perda de inserção do circuito. Normalmente, a indutância dos filtros de modo comum varia entre algumas centenas de microhenrys （μH ）e alguns milihenrys （mH ）.
（2) Corrente nominal: A corrente nominal do filtro de modo comum deve ser maior que a corrente máxima de operação do carregador embarcado para evitar a degradação da eficiência de todo o sistema causada pelo aquecimento do indutor, garantindo, ao mesmo tempo, excelente estabilidade do indutor sob a corrente nominal.
（3) Características de frequência: Escolha um filtro de modo comum com boas características de supressão em alta frequência para atender aos requisitos de supressão de interferência em larga faixa do carregador embarcado. Verifique a curva de impedância versus frequência do filtro de modo comum para assegurar impedância suficiente dentro da faixa de frequência-alvo.
Para cenários de aplicação de OBC de alta potência, os filtros comuns automotivos são impulsionados principalmente por requisitos personalizados. A equipe de P&D da CODACA Electronics possui ampla experiência no desenvolvimento personalizado de filtros comuns e pode fornecer rapidamente soluções de produtos adequadas com base nos requisitos específicos do cliente.
3 – Princípio de circuito de Filtro Tipo π e Pontos-Chave para Seleção de Indutores em Modo Diferencial
A π o circuito de filtro é composto por dois capacitores e um indutor em modo diferencial, com formato semelhante à letra π . Ele utiliza o efeito de desvio dos capacitores e o efeito de filtragem dos indutores para suprimir eficazmente a interferência em modo diferencial. Nos carregadores embarcados (OBC), circuitos filtros do tipo π podem reduzir ainda mais os sinais de interferência nas linhas de alimentação e melhorar o desempenho EMC. A frequência típica de comutação de um OBC varia entre 40 kHz e 150 kHz, e os ensaios de emissão conduzida começam em 150 kHz. Portanto, a filtragem em modo diferencial visa principalmente o ruído em modo diferencial na faixa de frequência de 150 kHz a 1 MHz.
A fórmula da frequência de corte para um filtro do tipo π é:
Onde Cx é a capacitância equivalente dos dois estágios de capacitores X no filtro do tipo π. (Em projetos reais, frequentemente são utilizados dois estágios de capacitores X com a mesma capacitância; portanto, a capacitância de filtragem equivalente combinada geralmente é estimada de forma conservadora com base no valor de um único estágio de capacitor X). O projeto deve garantir que a frequência de corte seja significativamente menor que a frequência fundamental de chaveamento, normalmente adotada como 1/5 a 1/10 da frequência de chaveamento, para assegurar que a faixa de frequência de interferência alvo caia dentro da banda de rejeição do filtro.
3.1 Princípio de Funcionamento dos Indutores de Modo Diferencial
Um indutor em modo diferencial consiste principalmente em um único enrolamento conectado em série na linha de entrada de energia. Ao utilizar as características de impedância do indutor contra correntes de alta frequência, ele forma um caminho de alta impedância para interferências em modo diferencial entre a linha L e a linha N, alcançando atenuação de ruído. Ao selecionar um indutor, preferem-se indutores blindados para reduzir a radiação externa e a interferência externa.
(1) Indutância: A indutância é o parâmetro mais fundamental de um indutor em modo diferencial, determinando sua capacidade de suprimir ruído em frequências específicas. A faixa de frequência de filtragem alvo deve ser considerada durante a seleção; uma indutância maior geralmente proporciona efeitos de supressão mais significativos em ruídos de baixa frequência.
(2) Corrente nominal: Isso refere-se à corrente máxima na qual o indutor pode operar com segurança a longo prazo, sob condições específicas de elevação de temperatura. A seleção deve garantir que a corrente máxima de operação seja inferior à corrente nominal, deixando uma margem adequada (normalmente ＞ 30%).
(3) Resistência CC (DCR): A resistência CC refere-se à resistência interna da bobina do indutor sob condições de corrente contínua. Quanto menor a resistência CC, menor será o consumo de potência gerado quando a corrente contínua passar por ela, melhorando assim a eficiência geral.
Como os OBC e pertencem a aplicações automotivas, os indutores devem satisfazer os padrões de confiabilidade eletrônica automotiva AEC-Q200. Os ensaios incluem: testes de desempenho elétrico, testes de choque mecânico, testes de vibração, testes de resistência dos terminais, testes de soldabilidade, testes de umidade sob polarização, testes de ciclos térmicos, testes de armazenamento em alta temperatura, entre outros. A CODACA pode fornecer diversos tipos de produtos-padrão de potência para automóveis.
Abaixo está uma demonstração de alguns indutores de grau automotivo .Para obter mais detalhes, visite o site oficial da CODACA Electronics em https://www.codaca.com.cn/, ou entre em contato com a equipe de vendas da CODACA. Consultas são muito bem-vindas.
Legenda da figura: Figura 4. Indutor automotivo da CODACA