EN
Быстрые ссылки
С быстрым развитием индустрии новых энергетических транспортных средств бортовой зарядный модуль (OBC) становится ключевым компонентом, обеспечивающим связь между электросетью и тяговой аккумуляторной батареей, поэтому проектирование его электромагнитной совместимости (EMC) приобретает всё большее значение. Высокочастотное переключение силовых элементов в импульсных источниках питания создаёт высокочастотные помехи ЭМП, включая как общемодовые, так и дифференциальные проводимые шумы, распространяющиеся по силовым линиям, а также пространственные излучаемые помехи. Бортовые зарядные модули должны оснащаться надёжной конструкцией фильтра EMC для адаптации к сложной электромагнитной обстановке в автомобиле, обеспечения собственной стабильной работы и предотвращения помех другим электронным устройствам в транспортном средстве. Среди этих компонентов общемодовый дроссель и П-образная фильтровая схема являются основными элементами фильтрации EMC, а выбор индуктивных компонентов напрямую определяет эффективность фильтрации, общий объём системы и её тепловую надёжность.
1-Источники шумов ЭМИ и архитектура фильтра
Когда работает зарядное устройство (OBC), высокочастотные переключательные транзисторы (IGBT или SiC MOSFET) на входной ступени корректора коэффициента мощности (PFC) и резонансные цепи постоянного тока на выходной ступени преобразователя DC-DC генерируют значительное количество гармонических составляющих. Проводимые помехи ЭМС делятся на два типа :дифференциальные помехи и синфазные помехи. Дифференциальные помехи возникают между двумя линиями питания (например, между линией L и линией N) с противоположными направлениями тока и обусловлены в первую очередь пульсациями тока в силовой цепи, вызванными быстрым включением и выключением переключательных транзисторов; синфазные помехи возникают между линиями питания и защитным проводником (PE) с одинаковыми направлениями тока и обусловлены в первую очередь переходными высоковольтными узлами при коммутации, которые через паразитную ёмкость наводят ток на землю, а также наводками внешнего электромагнитного поля .
Входной конец зарядного устройства OBC обычно оснащён фильтром электромагнитных помех типа «Пи», в котором используются индуктивности и конденсаторы для подавления электромагнитных помех в различных частотных диапазонах. Общая архитектура фильтрующей сети состоит из конденсатора X (фильтрация дифференциальных помех), дросселя общего режима, конденсатора Y (фильтрация помех общего режима) и дифференциального дросселя, расположенных последовательно от стороны сети, образуя двухступенчатую или многоступенчатую фильтрующую структуру. Первая ступень в основном подавляет проводимые помехи и гармоники со стороны сети, а вторая ступень дополнительно ослабляет высокочастотные шумы, возникающие при переключениях. 。
Рисунок 1. Схема зарядного устройства OBC
2 — Принцип работы и выбор основных материалов для дросселей общего режима
2.1 Принцип работы
Общий дроссель наматывается на замкнутый магнитопровод с обмотками, имеющими противоположные направления и одинаковое число витков, чтобы обеспечить подавление помех синфазного сигнала с высоким импедансом. При протекании синфазного тока направления магнитных потоков обмоток совпадают и складываются, что приводит к высокому импедансу дросселя синфазного сигнала и эффективному ослаблению синфазных сигналов. При протекании дифференциального тока (например, нормального рабочего тока) через две обмотки создаваемые в магнитопроводе направления магнитных потоков противоположны и взаимно компенсируются, позволяя дифференциальным сигналам проходить практически без ослабления.
Рисунок 2. Магнитные поля складываются при протекании синфазного тока
Рисунок 3. Магнитные поля взаимно компенсируются при протекании дифференциального тока
Согласно формуле импеданса дросселя синфазного сигнала:
А также формуле индуктивности:
Эффективная магнитная проницаемость μe сердечника напрямую определяет индуктивность, получаемую при заданных размерах и числе витков. Чем выше проницаемость, тем выше импеданс при одинаковых габаритах, что обеспечивает более сильный фильтрующий эффект .
2.2 Выбор материала магнитного сердечника
Распространённые материалы сердечников для дросселей общего режима включают ферриты на основе марганец-цинк, ферриты на основе никель-цинк, аморфные сплавы и нанокристаллические сплавы. Различия в их характеристиках определяют соответствующие границы применения ：
◾ Феррит: Экономичный выбор для средних и высоких частот Области применения
Феррит (например, Mn-Zn, Ni-Zn) стал предпочтительным материалом для высокочастотных дросселей общего режима благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению и низким потерям на вихревые токи. Феррит Mn-Zn демонстрирует отличные характеристики в диапазоне частот 100 кГц–1 МГц, однако его температура Кюри относительно невысока (около 120 °C) ，вызывает резкое снижение проницаемости при высоких температурах; никель-цинковый феррит подходит для частотных диапазонов выше. Хотя его начальная проницаемость низка (μ<1000) ，его стабильность на высоких частотах превосходна .
◾ Аморфные и нанокристаллические сплавы : окончательное решение для высокочастотных применений с низкими потерями
Аморфные сплавы (например, железо- и кобальтсодержащие) формируют неупорядоченную атомную структуру посредством быстрого закаливания и обладают чрезвычайно высокой индукцией насыщения (Bs 1,2 Тл) и чрезвычайно низкими потерями на высоких частотах. Нанокристаллические сплавы дополнительно формируют нанокристаллическую структуру путём термообработки, снижая потери более чем на 50 % по сравнению с ферритом в диапазоне частот 100 кГц–500 кГц и значительно улучшая температурную стабильность. Они подходят для сценариев с жёсткими требованиями к эффективности, например, модули зарядки электромобилей (EV).
2.3 Ключевые критерии выбора дросселей общего вида
（1）Индуктивность: Выберите подходящую индуктивность с учетом рабочей частоты и характеристик помех бортового зарядного устройства. Как правило, более высокая индуктивность обеспечивает лучшее подавление низкочастотных помех, но увеличивает вносимые потери в цепи. Обычно индуктивность дросселей для подавления синфазных помех находится в диапазоне от нескольких сотен микрогенри （μH ）до нескольких миллигенри （mH ）.
（2) Номинальный ток: Номинальный ток дросселя для подавления синфазных помех должен превышать максимальный рабочий ток бортового зарядного устройства, чтобы предотвратить снижение общей эффективности системы из-за нагрева индуктивности, а также обеспечить превосходную стабильность индуктивности при номинальном токе.
（3) Частотные характеристики: Выберите дроссель для подавления синфазных помех с хорошими характеристиками подавления на высоких частотах, чтобы удовлетворить требования по подавлению широкополосных помех бортового зарядного устройства. Проверьте зависимость импеданса от частоты для дросселя для подавления синфазных помех, чтобы убедиться в достаточном значении импеданса в заданном диапазоне частот.
Для сценариев применения высокомощных бортовых зарядных устройств (OBC) автомобильные дроссели общего режима в первую очередь требуются по индивидуальным заказам. Исследовательско-конструкторская команда компании CODACA Electronics обладает большим опытом в разработке дросселей общего режима под конкретные требования заказчиков и способна оперативно предложить соответствующие решения на основе характеристик, указанных клиентом.
3 — Принцип пи-образной фильтровой схемы и ключевые критерии выбора дросселей для дифференциального режима
А π фильтровая схема состоит из двух конденсаторов и дросселя дифференциального режима и имеет форму буквы π он использует эффект обхода конденсаторов и фильтрующий эффект индуктивностей для эффективного подавления дифференциального помехового воздействия. В бортовых зарядных устройствах П-образные фильтровые цепи могут дополнительно снизить помеховые сигналы на силовых линиях и улучшить характеристики ЭМС. Типичная частота переключения OBC находится в диапазоне от 40 кГц до 150 кГц, а испытания на проводимые излучения начинаются с 150 кГц. Следовательно, фильтрация дифференциального сигнала направлена в первую очередь на дифференциальный шум в частотном диапазоне от 150 кГц до 1 МГц.
Формула частоты среза для П-образного фильтра:
Где Cx — эквивалентная ёмкость двухступенчатых X-конденсаторов в Пи-образном фильтре. (На практике часто используются две ступени X-конденсаторов с одинаковой ёмкостью, поэтому суммарную эквивалентную фильтрующую ёмкость обычно консервативно оценивают на основе значения ёмкости одной ступени X-конденсатора.) Конструкция должна обеспечивать, чтобы частота среза была значительно ниже основной частоты переключения — обычно принимают её равной 1/5–1/10 частоты переключения, чтобы гарантировать попадание целевой полосы помех в полосу подавления фильтра.
3.1 Принцип работы дифференциальных дросселей
Дифференциальный дроссель состоит в основном из одной обмотки, подключённой последовательно в линию питания. Используя импедансные характеристики дросселя по отношению к высокочастотным токам, он создаёт высокоимпедансный путь для дифференциальных помех между линиями L и N, обеспечивая ослабление шумов. При выборе дросселя предпочтение отдаётся экранированным дросселям для снижения внешнего излучения и внешних помех.
(1) Индуктивность: Индуктивность — это наиболее базовый параметр дифференциального дросселя и определяет его способность подавлять шумы на конкретных частотах. При выборе необходимо учитывать целевую полосу фильтрации; большая индуктивность, как правило, обеспечивает более значительное подавление низкочастотных шумов.
(2) Номинальный ток: Это означает максимальный ток, при котором дроссель может безопасно работать в течение длительного времени при заданных условиях повышения температуры. При выборе необходимо обеспечить, чтобы максимальный рабочий ток был меньше номинального тока, с достаточным запасом (обычно ＞ 30%).
(3) Постоянное сопротивление (DCR): Постоянное сопротивление — это внутреннее сопротивление обмотки дросселя при постоянном токе. Чем ниже DCR, тем меньше потребляемая мощность при прохождении постоянного тока и, следовательно, выше общая эффективность.
Поскольку OBC о относятся к автомобильным применениям, дроссели должны соответствовать стандартам надёжности автомобильной электроники AEC-Q200. В перечень испытаний входят: проверка электрических параметров, испытания на механический удар, вибрационные испытания, испытания на прочность выводов, испытания на паяемость, испытания во влажной среде при подаче напряжения, циклические температурные испытания, испытания при хранении при высокой температуре и др. CODACA может поставлять различные типы стандартных автомобильных силовых компонентов.
Ниже представлены некоторые индукторы автомобильного класса .Для получения дополнительной информации посетите официальный веб-сайт компании CODACA Electronics по адресу https://www.codaca.com.cn/, или свяжитесь с сотрудниками отдела продаж CODACA. Мы с удовольствием ответим на ваши вопросы.
Подпись к рисунку: Рисунок 4. Автомобильный дроссель высокого качества от CODACA