EN
Snabb länkar
Med den snabba utvecklingen inom nyenergibilsindustrin fungerar laddningsenheten ombord (OBC) som den centrala kopplingskomponenten mellan elnätet och kraftbatteriet, vilket gör dess elektromagnetiska kompatibilitetsdesign (EMC) allt mer avgörande. Högfrekvent växling av kraftelektronik i switchade strömförsörjningar genererar högfrekvent EMI-störning, inklusive både gemensam- och differentiellmodesspänningsstörning som överförs längs elkablarna samt rumslig utstrålning. Ombordladdare måste ha en robust EMC-filterdesign för att anpassas till den komplexa elektromagnetiska miljön i fordon, säkerställa sin egen stabila drift och förhindra störning av andra elektroniska enheter i fordonet. Bland dessa är gemensammodesspolarisatorn och π-typens filterkrets de centrala komponenterna i EMC-filtreringen, och val av induktor påverkar direkt filtreringsprestanda, total systemvolym och termisk tillförlitlighet.
1-EMI-störningskällor och filterarkitektur
När en OBC är i drift genererar högfrekventa växlingsrör (IGBT eller SiC MOSFET) i dess framänds PFC-krets samt resonanskretsarna i den bakre DC-DC-omvandlaren en betydande mängd harmoniska komponenter. Ledningsburen EMI-brus klassificeras i två typer :differensbrus och gemensamt brus. Differensstörningar finns mellan de två strömföringsledningarna (till exempel mellan L-ledningen och N-ledningen) med motsatta strömriktningar och orsakas främst av strömvågformen i strömslingan på grund av snabb på- och avsläppning av växlingsrören; gemensamma störningar finns mellan strömföringsledningarna och jordledningen (PE) med samma strömriktning och orsakas främst av högspänningstransienta noder under växlingshandlingar som kopplas till jord via parasitisk kapacitans, samt genom koppling från externa elektromagnetiska fält .
Ingångssidan till en OBC är vanligtvis utformad med en π-typ EMI-filterkrets, där induktorer och kondensatorer kombineras för att dämpa elektromagnetisk störning över olika frekvensband. Den allmänna arkitekturen för filternätverket består av en X-kondensator (för differentiell stördämpning), en gemensam-mode-spole, en Y-kondensator (för gemensam-mode-stördämpning) och en differentiell-mode-induktor, anordnade sekventiellt från nätanslutningssidan, vilket bildar en tvåstegs- eller flerstegsfilterstruktur. Det främre steget hanterar huvudsakligen ledningsbundna störningar och harmoniska svängningar från nätet, medan det bakre steget ansvarar för ytterligare dämpning av högfrekvent brus som genereras av switchningsåtgärder 。
Figur 1. OBC-schema
2 – Funktionsprincip och val av kärnmaterial för gemensam-mode-spolar
2.1 Arbetsprincip
En gemensam-modus-spole är lindad på en sluten magnetisk kärna med lindningar som har motsatta riktningar och samma antal varv för att uppnå högimpedansundertryckning av gemensam-modus-brus. När gemensam-modus-ström flödar genom lindningarna är riktningen för den magnetiska flödestätheten identisk i båda lindningarna och överlagras, vilket gör att gemensam-modus-spolen visar en hög impedans och därmed effektivt dämpar gemensam-modus-signaler. När differentiell-modus-ström (till exempel normal driftström) flödar genom de två lindningarna är riktningarna för den magnetiska flödestätheten i kärnan motsatta och tar ut varandra, vilket gör att differentiell-modus-signaler kan passera nästan utan någon dämpning.
Figur 2. Magnetfält överlagras när gemensam-modus-ström flödar genom
Figur 3. Magnetfält tar ut varandra när differentiell-modus-ström flödar genom
Enligt impedansformeln för en gemensam-modus-spole:
Och induktansformeln:
Den effektiva magnetiska permeabiliteten μe för kärnan bestämmer direkt induktansen som uppnås vid en given storlek och antal varv. Ju högre permeabilitet, desto högre impedans vid samma storlek, vilket ger en starkare filtreringseffekt .
2.2 Val av magnetisk kärnmaterial
Vanliga kärnmaterial för gemensamma mod-chokar inkluderar mangan-zink-ferrit, nickel-zink-ferrit, amorfa legeringar och nanokristallina legeringar. Skillnaderna i deras egenskaper avgör deras respektive tillämpningsområden ：
◾ Ferrit: Ett kostnadseffektivt val för medel- till högfrekventa applikationer Tillämpningar
Ferrit (till exempel Mn-Zn, Ni-Zn) har blivit det föredragna materialet för högfrekventa gemensamma mod-chokar tack vare dess höga resistivitet och låga virvelströmsförluster. Mn-Zn-ferrit presterar utmärkt i frekvensbandet 100 kHz–1 MHz, men dess Curie-temperatur är relativt låg (ca 120 °C) ，orsakar permeabiliteten att sjunka kraftigt vid höga temperaturer; Ni-Zn-ferrit är lämplig för frekvensband ovanför. Även om dess initiala permeabilitet är låg (μ<1000) ，är dess högfrekvensstabilitet överlägsen .
◾ Amorfa och nanokristallina legeringar : Den ultimata lösningen för högfrekvens-, lågförlusttillämpningar
Amorfa legeringar (t.ex. järnbaserade och kobaltbaserade) bildar en oordnad atomstruktur genom en snabb kylningsprocess och uppvisar extremt hög mättnadsmagnetisk flödestäthet (Bs 1,2 T) och extremt låga högfrekvensförluster. Nanokristallina legeringar bildar ytterligare en nanokristallin struktur genom värmebehandling, vilket minskar förlusterna med mer än 50 % jämfört med ferrit i frekvensbandet 100 kHz–500 kHz och avsevärt förbättrar temperaturstabiliteten. De är lämpliga för scenarier med strikta effektkrav, t.ex. laddningsmoduler för elbilar.
2.3 Viktiga urvalskriterier för gemensamma mod-chokes
（1）Induktans: Välj lämplig induktans baserat på driftfrekvensen och störningskarakteristikerna för bordshögtladdaren. Generellt ger en högre induktans bättre undertryckning vid låg frekvens, men ökar insättningsförlusten i kretsen. Vanligtvis ligger induktansen för gemensamma modus-spolar mellan några hundratal mikrohenry （μH ）och några millihenry （mH ）.
（2) Märkström: Märkströmmen för gemensam-modus-spolen bör vara större än den maximala driftströmmen för bordshögtladdaren för att förhindra effektminskning i hela systemet orsakad av uppvärmning av induktorn, samtidigt som man säkerställer utmärkt stabilitet hos induktorn vid märkströmmen.
（3) Frekvenskarakteristik: Välj en gemensam-modus-spol med god högfrekvens-undertryckningskarakteristik för att uppfylla kraven på bredbandig störningsundertryckning för bordshögtladdaren. Kontrollera impedans-frekvens-kurvan för gemensam-modus-spolen för att säkerställa tillräcklig impedans inom målfrekvensområdet.
För hög-effektsanvändningsfall för OBC används främst automobilklassens gemensamma mod-chokar som drivs av anpassade krav. R&D-teamet på CODACA Electronics har omfattande erfarenhet av anpassad utveckling av gemensamma mod-chokar och kan snabbt tillhandahålla matchande produktilösningar baserat på kundens specifika krav.
3 – Principen för π-typens filterkrets och viktiga valpunkter för differentiella mod-induktorer
A π filterkretsen består av två kondensatorer och en differentiell mod-induktor och har formen av bokstaven π den utnyttjar kondensatorernas bypass-effekt och induktorernas filtrerande effekt för att effektivt undertrycka differentiell störning. I bordmonterade laddare kan π-typsfilterskretsar ytterligare minska störsignalerna på elkablarna och förbättra EMC-prestandan. Den typiska switchfrekvensen för en OBC ligger mellan 40 kHz och 150 kHz, och genomledningsstörningstester börjar vid 150 kHz. Därför riktas differentiell filtrering främst mot differentiell brus i frekvensbandet 150 kHz–1 MHz.
Formeln för avskärningsfrekvensen för en π-typsfilterskrets är:
Där Cx är den ekvivalenta kapacitansen för de tvåstegs X-kondensatorerna i π-typens filter. (I verkliga konstruktioner används ofta två steg av X-kondensatorer med samma kapacitans, så den kombinerade ekvivalenta filtreringskapacitansen uppskattas vanligtvis försiktigt utifrån värdet för en enskild X-kondensator.) Konstruktionen måste säkerställa att snittfrekvensen är betydligt lägre än grundläggande switchfrekvensen, vanligtvis satt till 1/5–1/10 av switchfrekvensen, för att säkerställa att målfrekvensbandet för störningar hamnar inom filtrets stoppband.
3.1 Funktionsprincip för differentiella modinduktorer
En differentiell-modus-induktor består främst av en enda lindning som är ansluten i serie i kraftmatningsledningen. Genom att utnyttja induktorns impedansegenskaper mot högfrekventa strömmar skapas en högimpedansväg för differentiell-modus-störningar mellan L-ledningen och N-ledningen, vilket ger brusdämpning. Vid val av induktor föredras skärmade induktorer för att minska utstrålning utåt och påverkan från yttre störningar.
(1) Induktans: Induktans är den mest grundläggande parametern för en differentiell-modus-induktor och avgör dess förmåga att dämpa brus vid specifika frekvenser. Det målade filtreringsfrekvensbandet måste beaktas vid valet; en större induktans ger i allmänhet mer betydande dämpningseffekter för lågfrekvent brus.
(2) Märkström: Detta avser den maximala strömmen vid vilken induktorn kan drivas säkert på lång sikt under angivna temperaturstegringsskäl. Valet måste säkerställa att den maximala driftströmmen är lägre än den angivna strömmen, med ett tillräckligt stort marginalutrymme (vanligtvis ＞ 30%).
(3) Likströmsmotstånd (DCR): Likströmsmotstånd avser det inre motståndet i induktorns lindningslindning under likströmsförhållanden. Ju lägre DCR, desto mindre effektförbrukning genereras när likström passerar genom, vilket därmed förbättrar den totala verkningsgraden.
Eftersom OBC jag -enheter tillhör bilapplikationer måste induktorerna uppfylla AEC-Q200:s pålitlighetsstandard för bil-elektronik. Testområden inkluderar: elektrisk prestandatestning, mekanisk stöttestning, vibrationsprovning, terminalkrafttestning, lödbarhetstestning, fukttestning under spänningspåverkan, temperaturcykeltestning, testning vid lagring vid hög temperatur osv. CODACA kan erbjuda olika typer av standardkraftprodukter för bilanvändning.
Nedan visas en presentation av några bilindustri-nivå induktorer .För mer information, besök CODACA Electronics officiella webbplats på https://www.codaca.com.cn/, eller kontakta CODACA:s säljpersonal. Frågor är välkomna.
Bildtext: Figur 4. CODACA:s automobilklassinduktor