ด้วยการพัฒนาอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่อย่างรวดเร็ว ที่ชาร์จบนรถ (OBC) ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบหลักที่เชื่อมต่อระหว่างระบบไฟฟ้าและแบตเตอรี่ขับเคลื่อน ทำให้การออกแบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ของมันมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ การสลับสถานะของอุปกรณ์กำลังในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โมด์สร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ความถี่สูง ซึ่งประกอบด้วยสัญญาณรบกวนแบบคอมมอน-โหมดและแบบดิฟเฟอเรนเชียล-โหมดที่ส่งผ่านสายไฟ และสัญญาณรบกวนแบบแผ่กระจายในอากาศ ที่ชาร์จบนรถจำเป็นต้องมีการออกแบบตัวกรอง EMC ที่แข็งแรง เพื่อปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนภายในยานยนต์ รับประกันการดำเนินงานที่เสถียรของตัวเอง และป้องกันไม่ให้รบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ในยานยนต์ ท่ามกลางองค์ประกอบเหล่านี้ คอยล์กรองแบบคอมมอน-โหมด และวงจรตัวกรองแบบพาย (π-type) เป็นองค์ประกอบหลักของการกรอง EMC โดยการเลือกอินดักเตอร์มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการกรอง ขนาดรวมของระบบ และความน่าเชื่อถือด้านความร้อน
1-แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน EMI และสถาปัตยกรรมตัวกรอง
เมื่อ OBC กำลังทำงาน ทรานซิสเตอร์แบบสับเปลี่ยนความถี่สูงในวงจร PFC ด้านหน้า (IGBT หรือ SiC MOSFET) และวงจรเรโซแนนต์ในคอนเวอร์เตอร์ DC-DC ด้านหลัง จะสร้างส่วนประกอบฮาร์โมนิกจำนวนมาก ซึ่งเสียงรบกวน EMI ที่ส่งผ่านทางสายไฟแบ่งออกเป็นสองประเภท :คือ เสียงรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโมด (differential-mode noise) และเสียงรบกวนแบบคอมมอนโมด (common-mode noise) เสียงรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโมดเกิดขึ้นระหว่างสายไฟเข้าสองเส้น (เช่น ระหว่างสาย L กับสาย N) โดยมีทิศทางกระแสไหลตรงข้ามกัน ส่วนใหญ่เกิดจากคลื่นริปเปิลของกระแสที่เกิดขึ้นในวงจรจ่ายไฟเนื่องจากการเปิด-ปิดอย่างรวดเร็วของทรานซิสเตอร์แบบสับเปลี่ยน ส่วนเสียงรบกวนแบบคอมมอนโมดเกิดขึ้นระหว่างสายไฟกับสายกราวด์ (PE) โดยมีทิศทางกระแสไหลไปในทิศเดียวกัน ส่วนใหญ่เกิดจากโหนดแรงดันสูงชั่วคราวขณะสับเปลี่ยนที่ถูกเชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านความจุแฝง (parasitic capacitance) รวมทั้งการเหนี่ยวนำจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก .
ปลายขาเข้าของ OBC มักจะจัดวางวงจรกรอง EMI แบบพาย (π-type) ซึ่งใช้การผสมผสานระหว่างขดลวดเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเพื่อลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน โครงสร้างโดยรวมของเครือข่ายกรองประกอบด้วยตัวเก็บประจุชนิด X (สำหรับกรองสัญญาณแบบเชิงต่าง), คอยล์ต้านการรบกวนแบบร่วม (common-mode choke), ตัวเก็บประจุชนิด Y (สำหรับกรองสัญญาณแบบร่วม), และขดลวดเหนี่ยวนำแบบเชิงต่าง ซึ่งเรียงต่อกันตามลำดับจากฝั่งแหล่งจ่ายไฟ โดยสร้างโครงสร้างการกรองแบบสองขั้นตอนหรือหลายขั้นตอน ขั้นตอนแรกมีหน้าที่หลักในการจัดการกับการรบกวนที่ส่งผ่านสายไฟและฮาร์โมนิกจากฝั่งแหล่งจ่ายไฟ ส่วนขั้นตอนที่สองทำหน้าที่ลดเสียงรบกวนความถี่สูงเพิ่มเติมที่เกิดจากการสลับสถานะของอุปกรณ์ 。
รูปที่ 1 แผนผังวงจรของ OBC
2– หลักการทำงานและการเลือกวัสดุหลักสำหรับคอยล์ต้านการรบกวนแบบร่วม
2.1 หลักการทำงาน
ตัวต้านทานแบบร่วม (common-mode choke) ถูกพันรอบแกนแม่เหล็กที่ปิดสนิท โดยขดลวดมีทิศทางตรงข้ามกันและมีจำนวนรอบเท่ากัน เพื่อให้สามารถลดสัญญาณรบกวนแบบร่วม (common-mode noise) ได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านความต้านทานสูง เมื่อกระแสแบบร่วมไหลผ่าน สนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดจะมีทิศทางเดียวกันและรวมตัวกัน ส่งผลให้ตัวต้านทานแบบร่วมแสดงค่าความต้านทานสูง จึงสามารถลดสัญญาณแบบร่วมได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อกระแสแบบต่าง (differential-mode current) เช่น กระแสในการทำงานปกติ ไหลผ่านขดลวดทั้งสองเส้น สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในแกนจะมีทิศทางตรงข้ามกันและหักล้างกันจนหมด ทำให้สัญญาณแบบต่างสามารถผ่านไปได้โดยแทบไม่มีการลดทอน
รูปที่ 2 สนามแม่เหล็กจะรวมตัวกันเมื่อมีกระแสแบบร่วมไหลผ่าน
รูปที่ 3 สนามแม่เหล็กจะหักล้างกันเมื่อมีกระแสแบบต่างไหลผ่าน
ตามสูตรความต้านทานของตัวต้านทานแบบร่วม:
และสูตรความเหนี่ยวนำ:
ค่าความซึมผ่านแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพ (μe) ของแกนแม่เหล็กกำหนดค่าอินดักแตนซ์ที่ได้โดยตรงภายใต้ขนาดและจำนวนรอบที่กำหนด ยิ่งค่าความซึมผ่านสูงเท่าใด อิมพีแดนซ์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้นภายใต้ขนาดเดียวกัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการกรองดีขึ้น .
2.2 การเลือกวัสดุทำแกนแม่เหล็ก
วัสดุทำแกนที่ใช้กันทั่วไปสำหรับช็อกแบบโหมดร่วม ได้แก่ เฟอร์ไรต์แมงกานีส-สังกะสี เฟอร์ไรต์นิกเกิล-สังกะสี โลหะผสมแอมอร์ฟัส และโลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์ ความแตกต่างของคุณสมบัติแต่ละชนิดกำหนดขอบเขตการใช้งานที่เหมาะสมของแต่ละวัสดุ ：
◾ เฟอร์ไรต์: ทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับความถี่ปานกลางถึงสูง การประยุกต์ใช้งาน
เฟอร์ไรต์ (เช่น Mn-Zn, Ni-Zn) กลายเป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับช็อกแบบโหมดร่วมที่ทำงานที่ความถี่สูง เนื่องจากมีค่าความต้านทานจำเพาะสูงและสูญเสียพลังงานจากกระแสไหลวนต่ำ เฟอร์ไรต์แมงกานีส-สังกะสีให้สมรรถนะยอดเยี่ยมในช่วงความถี่ 100 กิโลเฮิร์ตซ์ ถึง 1 เมกะเฮิร์ตซ์ แต่อุณหภูมิคิวรีของมันค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 120 องศาเซลเซียส) ，ทำให้ความสามารถในการซึมผ่านลดลงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูง; เฟอร์ไรต์นิกเกิล-สังกะสีเหมาะสำหรับแถบความถี่ที่สูงกว่านี้ แม้ว่าค่าความสามารถในการซึมผ่านเริ่มต้นจะต่ำ (μ < 1000) ，แต่ความเสถียรที่ความถี่สูงนั้นเหนือกว่า .
◾ โลหะผสมแบบไม่มีผลึกและแบบนาโนคริสตัลไลน์ : ทางออกสุดยอดสำหรับการใช้งานที่ต้องการความถี่สูงและสูญเสียน้อย
โลหะผสมแบบไม่มีผลึก (เช่น ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักและที่มีโคบอลต์เป็นองค์ประกอบหลัก) เกิดโครงสร้างอะตอมแบบไม่เป็นระเบียบจากการทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว จึงมีความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดสูงมาก (Bs 1.2 T) และสูญเสียพลังงานที่ความถี่สูงต่ำมาก โลหะผสมแบบนาโนคริสตัลไลน์จะเกิดโครงสร้างนาโนคริสตัลไลน์เพิ่มเติมผ่านกระบวนการอบร้อน ทำให้สูญเสียพลังงานลดลงมากกว่าร้อยละ 50 เมื่อเทียบกับเฟอร์ไรต์ในช่วงความถี่ 100 kHz ถึง 500 kHz และปรับปรุงความเสถียรต่ออุณหภูมิได้อย่างมาก เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสูง เช่น โมดูลชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า
2.3 ประเด็นสำคัญในการเลือกช็อกโก้แบบร่วม
（1）ความ reluctance: เลือกค่าอินดักแตนซ์ที่เหมาะสมตามความถี่ในการทำงานและลักษณะการรบกวนของเครื่องชาร์จบนรถ โดยทั่วไปแล้ว ค่าอินดักแตนซ์ที่สูงขึ้นจะให้ประสิทธิภาพในการลดสัญญาณรบกวนที่ความถี่ต่ำได้ดีขึ้น แต่จะเพิ่มการสูญเสียการแทรก (insertion loss) ของวงจร ค่าอินดักแตนซ์ของตัวต้านทานแบบ common-mode มักอยู่ในช่วงไม่กี่ร้อยไมโครเฮนรี （μH ）ถึงไม่กี่มิลลิเฮนรี （mH ）.
（2) กระแสที่ระบุไว้: กระแสที่ระบุไว้ของตัวต้านทานแบบ common-mode ต้องมากกว่ากระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จบนรถใช้งาน เพื่อป้องกันไม่ให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบลดลงเนื่องจากการให้ความร้อนของตัวเหนี่ยวนำ และยังต้องรับประกันความมั่นคงของตัวเหนี่ยวนำภายใต้สภาวะกระแสที่ระบุไว้
（3) ลักษณะตามความถี่: เลือกตัวต้านทานแบบ common-mode ที่มีคุณสมบัติในการลดสัญญาณรบกวนที่ความถี่สูงได้ดี เพื่อตอบสนองความต้องการในการลดสัญญาณรบกวนแบบกว้างแถบ (wideband) ของเครื่องชาร์จบนรถ ตรวจสอบกราฟความต้านทานเชิงจินตภาพ (impedance) เทียบกับความถี่ของตัวต้านทานแบบ common-mode เพื่อให้มั่นใจว่ามีค่าความต้านทานเพียงพอภายในช่วงความถี่เป้าหมาย
สำหรับสถานการณ์การใช้งาน OBC ที่มีกำลังสูง ตัวเหนี่ยวนำแบบ common-mode ระดับอุตสาหกรรมยานยนต์มักถูกพัฒนาขึ้นตามความต้องการเฉพาะของลูกค้าเป็นหลัก ทีมวิจัยและพัฒนาของ CODACA Electronics มีประสบการณ์อย่างกว้างขวางในการออกแบบและพัฒนาตัวเหนี่ยวนำแบบ common-mode ตามความต้องการเฉพาะ และสามารถจัดเตรียมโซลูชันผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสมได้อย่างรวดเร็วตามคุณสมบัติเฉพาะที่ลูกค้ากำหนด
3- หลักการของ วงจรกรองแบบ π (ไพ) และจุดสำคัญในการเลือกตัวเหนี่ยวนำแบบ differential mode
เอ π วงจรกรองประกอบด้วยตัวเก็บประจุสองตัวและตัวเหนี่ยวนำแบบ differential mode ซึ่งมีรูปร่างคล้ายตัวอักษร π มันใช้ผลการเบี่ยงเบนของตัวเก็บประจุและผลการกรองของขดลวดเหนี่ยวนำเพื่อกดการรบกวนแบบเชิงความแตกต่างอย่างมีประสิทธิภาพ ในที่ชาร์จบนรถยนต์ วงจรตัวกรองแบบพายสามารถลดสัญญาณรบกวนบนสายไฟฟ้าให้น้อยลงอีก และปรับปรุงสมรรถนะด้านการเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ความถี่การสลับโดยทั่วไปของอุปกรณ์ชาร์จบนรถยนต์ (OBC) อยู่ในช่วง 40 กิโลเฮิร์ตซ์ ถึง 150 กิโลเฮิร์ตซ์ และการทดสอบการปล่อยคลื่นรบกวนผ่านสายเริ่มต้นที่ 150 กิโลเฮิร์ตซ์ ดังนั้น การกรองแบบเชิงความแตกต่างจึงมุ่งเน้นไปที่เสียงรบกวนแบบเชิงความแตกต่างในช่วงความถี่ 150 กิโลเฮิร์ตซ์ ถึง 1 เมกะเฮิร์ตซ์
สูตรหาความถี่ตัดสำหรับตัวกรองแบบพายคือ:
โดยที่ Cx คือความจุรวมของตัวเก็บประจุชนิด X สองขั้นตอนในตัวกรองแบบพาย (π-type filter) (ในการออกแบบจริง มักใช้ตัวเก็บประจุชนิด X สองขั้นตอนที่มีค่าความจุเท่ากัน ดังนั้นความจุรวมสำหรับการกรองมักจะประเมินอย่างระมัดระวังโดยอิงจากค่าความจุของตัวเก็บประจุชนิด X หนึ่งขั้นตอน) การออกแบบต้องรับประกันว่าความถี่ตัดจะต่ำกว่าความถี่การสลับพื้นฐานอย่างมาก โดยทั่วไปจะกำหนดเป็น 1/5 ถึง 1/10 ของความถี่การสลับ เพื่อให้แน่ใจว่าแถบความถี่ของการรบกวนเป้าหมายจะอยู่ภายในแถบหยุดของตัวกรอง
3.1 หลักการทำงานของขดลวดเหนี่ยวนำแบบโหมดเชิงต่าง
ตัวเหนี่ยวนำแบบดิฟเฟอเรนเชียลโมด์ประกอบด้วยขดลวดเดี่ยวที่ต่ออนุกรมเข้ากับสายส่งพลังงาน โดยอาศัยคุณสมบัติความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำต่อกระแสไฟฟ้าความถี่สูง เพื่อสร้างเส้นทางความต้านทานสูงสำหรับสัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโมด์ระหว่างสาย L กับสาย N จึงสามารถลดเสียงรบกวนได้ ในการเลือกตัวเหนี่ยวนำ ควรให้ความสำคัญกับตัวเหนี่ยวนำแบบมีฉนวนหุ้มเพื่อลดการแผ่รังสีภายนอกและลดสัญญาณรบกวนจากภายนอก
(1) ค่าอินดักแตนซ์: ค่าอินดักแตนซ์เป็นพารามิเตอร์พื้นฐานที่สุดของตัวเหนี่ยวนำแบบดิฟเฟอเรนเชียลโมด์ ซึ่งกำหนดความสามารถในการลดเสียงรบกวนที่ความถี่เฉพาะเจาะจง จำเป็นต้องพิจารณาช่วงความถี่ที่ต้องการกรองขณะเลือกใช้ โดยทั่วไปแล้ว ค่าอินดักแตนซ์ที่สูงกว่าจะให้ผลการลดเสียงรบกวนที่มีน้ำหนักมากขึ้นในช่วงความถี่ต่ำ
(2) กระแสที่ระบุ: สิ่งนี้หมายถึงกระแสสูงสุดที่ขดลวดเหนี่ยวนำสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยในระยะยาวภายใต้เงื่อนไขการเพิ่มอุณหภูมิที่ระบุไว้ การเลือกใช้งานต้องรับรองว่ากระแสการทำงานสูงสุดต่ำกว่ากระแสที่กำหนดไว้ โดยเว้นระยะสำรองที่เพียงพอ (โดยทั่วไป) ＞ 30%).
(3) ความต้านทานกระแสตรง (DCR): ความต้านทานกระแสตรงหมายถึงความต้านทานภายในของขดลวดเหนี่ยวนำภายใต้สภาวะกระแสตรง ยิ่งค่า DCR ต่ำเท่าใด กำลังไฟฟ้าที่สูญเสียเมื่อกระแสตรงไหลผ่านก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้น
เนื่องจาก OBC ฉัน จัดอยู่ในกลุ่มการใช้งานยานยนต์ ขดลวดเหนี่ยวนำจึงต้องเป็นไปตามมาตรฐานความน่าเชื่อถือด้านอิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์ AEC-Q200 รายการการทดสอบประกอบด้วย: การทดสอบสมรรถนะทางไฟฟ้า การทดสอบแรงกระแทกเชิงกล การทดสอบการสั่นสะเทือน การทดสอบความแข็งแรงของขั้วต่อ การทดสอบความสามารถในการบัดกรี การทดสอบความชื้นภายใต้แรงดันไฟฟ้า การทดสอบวงจรเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การทดสอบการเก็บรักษาภายใต้อุณหภูมิสูง เป็นต้น CODACA สามารถจัดหาผลิตภัณฑ์พลังงานระดับอุตสาหกรรมยานยนต์แบบมาตรฐานหลายประเภท
ด้านล่างนี้คือตัวอย่างบางส่วน อินดักเตอร์เกรดรถยนต์ .สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดเยี่ยมชมเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ CODACA Electronics ที่ https://www.codaca.com.cn/, หรือติดต่อเจ้าหน้าที่ฝ่ายขายของ CODACA ยินดีรับฟังคำถามจากท่านเป็นอย่างยิ่ง
คำอธิบายภาพ: รูปที่ 4 ขดลวดเหนี่ยวนำระดับอุตสาหกรรมยานยนต์ของ CODACA
EN