EN
Liên kết nhanh
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe chạy bằng năng lượng mới, bộ sạc trên xe (OBC) đóng vai trò là thành phần kết nối cốt lõi giữa lưới điện và pin động lực, do đó thiết kế khả năng tương thích điện từ (EMC) của nó ngày càng trở nên quan trọng. Việc chuyển mạch tốc độ cao của các linh kiện công suất trong nguồn điện chế độ chuyển mạch tạo ra nhiễu EMI tần số cao, bao gồm cả nhiễu dẫn theo chế độ chung và chế độ vi sai truyền dọc theo đường dây điện, cũng như nhiễu bức xạ trong không gian. Các bộ sạc trên xe phải được trang bị thiết kế bộ lọc EMC vững chắc để thích nghi với môi trường điện từ phức tạp trên ô tô, đảm bảo hoạt động ổn định của chính chúng và ngăn chặn gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác trên xe. Trong số này, cuộn kháng chế độ chung và mạch lọc kiểu π là các thành phần cốt lõi của việc lọc EMC, và việc lựa chọn cuộn cảm trực tiếp quyết định hiệu suất lọc, thể tích tổng thể của hệ thống cũng như độ tin cậy nhiệt.
1-Các nguồn nhiễu EMI và kiến trúc bộ lọc
Khi một bộ sạc trên xe (OBC) đang hoạt động, các linh kiện chuyển mạch tần số cao (IGBT hoặc MOSFET SiC) trong mạch PFC ở đầu vào và các mạch cộng hưởng trong bộ chuyển đổi DC-DC ở đầu ra tạo ra một lượng lớn thành phần hài. Nhiễu điện từ dẫn truyền (conducted EMI) được phân loại thành hai loại :nhiễu chế độ vi sai và nhiễu chế độ chung. Nhiễu chế độ vi sai xuất hiện giữa hai dây đầu vào nguồn (ví dụ như giữa dây L và dây N), với chiều dòng điện ngược nhau; nguyên nhân chủ yếu là do các gợn dòng điện phát sinh trong vòng lặp nguồn khi các linh kiện chuyển mạch bật/tắt với tốc độ cao. Nhiễu chế độ chung xuất hiện giữa các dây nguồn và dây nối đất (PE), với chiều dòng điện giống nhau; nguyên nhân chủ yếu là do các nút điện áp xung cao trong quá trình chuyển mạch ghép nối xuống đất thông qua điện dung ký sinh, cũng như do sự ghép nối từ trường điện từ bên ngoài. .
Đầu vào của bộ sạc OBC thường được cấu hình với mạch lọc EMI kiểu π, sử dụng sự kết hợp giữa cuộn cảm và tụ điện nhằm ức chế nhiễu điện từ trên các dải tần số khác nhau. Kiến trúc chung của mạng lọc bao gồm một tụ X (lọc chế độ vi sai), một cuộn chống nhiễu chế độ chung, một tụ Y (lọc chế độ chung) và một cuộn cảm chế độ vi sai, được bố trí tuần tự từ phía lưới điện, tạo thành cấu trúc lọc hai cấp hoặc nhiều cấp. Cấp đầu chủ yếu xử lý nhiễu dẫn và sóng hài từ phía lưới điện, trong khi cấp sau chịu trách nhiệm làm suy giảm thêm nhiễu tần số cao do các hoạt động chuyển mạch sinh ra 。
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý OBC
2- Nguyên lý hoạt động và lựa chọn vật liệu lõi cho cuộn chống nhiễu chế độ chung
2.1 Nguyên tắc hoạt động
Bộ lọc chung (common-mode choke) được quấn trên lõi từ kín, với các cuộn dây có chiều quấn ngược nhau và cùng số vòng để đạt khả năng suy giảm nhiễu chế độ chung (common-mode noise) ở trở kháng cao. Khi dòng chế độ chung chạy qua, hướng từ thông do các cuộn dây sinh ra là giống nhau và cộng dồn, khiến bộ lọc chung biểu hiện trở kháng cao, từ đó suy giảm hiệu quả tín hiệu chế độ chung. Khi dòng chế độ vi sai (ví dụ: dòng hoạt động bình thường) chạy qua hai cuộn dây, hướng từ thông sinh ra trong lõi là ngược nhau và triệt tiêu lẫn nhau, cho phép tín hiệu chế độ vi sai đi qua gần như không bị suy hao.
Hình 2. Các trường từ cộng dồn khi dòng chế độ chung chạy qua
Hình 3. Các trường từ triệt tiêu lẫn nhau khi dòng chế độ vi sai chạy qua
Theo công thức trở kháng của bộ lọc chung:
Và công thức độ tự cảm:
Độ từ thẩm hiệu dụng μe của lõi trực tiếp quyết định độ tự cảm đạt được ở kích thước và số vòng dây nhất định. Độ từ thẩm càng cao thì trở kháng càng lớn ở cùng một kích thước, dẫn đến hiệu quả lọc mạnh hơn .
2.2 Lựa chọn vật liệu lõi từ
Các vật liệu lõi thường dùng cho cuộn chống nhiễu chế độ chung bao gồm ferrite mangan-kẽm, ferrite niken-kẽm, hợp kim vô định hình và hợp kim nano tinh thể. Sự khác biệt về đặc tính của chúng xác định ranh giới ứng dụng tương ứng ：
◾ Ferrite: Lựa chọn kinh tế cho dải tần trung bình đến cao Ứng dụng
Ferrite (ví dụ như Mn-Zn, Ni-Zn) đã trở thành vật liệu ưu tiên cho cuộn chống nhiễu chế độ chung ở tần số cao nhờ điện trở suất cao và tổn hao dòng xoáy thấp. Ferrite Mn-Zn hoạt động xuất sắc trong dải tần 100 kHz–1 MHz, nhưng nhiệt độ Curie của nó tương đối thấp (khoảng 120 ℃) ，gây ra độ thấm giảm mạnh ở nhiệt độ cao; ferrit Ni-Zn phù hợp cho các dải tần số ở trên. ，độ ổn định ở tần số cao của nó vượt trội .
◾ Hợp kim vô định hình và nano tinh thể : Giải pháp tối ưu cho ứng dụng tần số cao, tổn hao thấp
Hợp kim vô định hình (như loại dựa trên sắt và loại dựa trên coban) hình thành cấu trúc nguyên tử hỗn loạn thông qua quá trình làm nguội nhanh, thể hiện mật độ từ cảm bão hòa cực cao (Bs ≥ 1,2 T) và tổn hao ở tần số cao cực thấp. Hợp kim nano tinh thể tiếp tục hình thành cấu trúc nano tinh thể nhờ xử lý nhiệt, làm giảm tổn hao hơn 50% so với ferrit trong dải tần 100 kHz–500 kHz và cải thiện đáng kể độ ổn định theo nhiệt độ. Chúng thích hợp cho các tình huống yêu cầu hiệu suất nghiêm ngặt, ví dụ như mô-đun sạc xe điện (EV).
2.3 Các điểm lựa chọn chính cho cuộn chống nhiễu chung
（1）Độ tự cảm: Chọn độ tự cảm phù hợp dựa trên tần số hoạt động và đặc tính nhiễu của bộ sạc trên xe. Nói chung, độ tự cảm cao hơn mang lại khả năng triệt tiêu nhiễu tần số thấp tốt hơn nhưng làm tăng tổn hao chèn vào mạch. Thông thường, độ tự cảm của cuộn kháng chế độ chung nằm trong khoảng vài trăm microhenry （μH ）đến vài millihenry （mH ）.
（2) Dòng điện định mức: Dòng điện định mức của cuộn kháng chế độ chung phải lớn hơn dòng điện hoạt động cực đại của bộ sạc trên xe nhằm ngăn ngừa suy giảm hiệu suất toàn hệ thống do cuộn cảm bị nóng lên, đồng thời đảm bảo độ ổn định xuất sắc của cuộn cảm ở dòng điện định mức.
（3) Đặc tính tần số: Chọn cuộn kháng chế độ chung có đặc tính triệt tiêu nhiễu tần số cao tốt để đáp ứng yêu cầu triệt tiêu nhiễu dải rộng của bộ sạc trên xe. Kiểm tra đường cong trở kháng theo tần số của cuộn kháng chế độ chung nhằm đảm bảo đạt đủ giá trị trở kháng trong dải tần mục tiêu.
Đối với các tình huống ứng dụng OBC công suất cao, cuộn chống nhiễu chế độ chung dành cho ô tô chủ yếu được thúc đẩy bởi các yêu cầu tùy chỉnh. Đội ngũ R&D của CODACA Electronics có kinh nghiệm phong phú trong việc phát triển tùy chỉnh cuộn chống nhiễu chế độ chung và có thể nhanh chóng cung cấp các giải pháp sản phẩm phù hợp dựa trên các yêu cầu đặc trưng của khách hàng.
3- Nguyên lý mạch lọc kiểu π và các điểm lựa chọn then chốt đối với cuộn cảm chế độ vi sai
Một π mạch lọc bao gồm hai tụ điện và một cuộn cảm chế độ vi sai, có hình dạng giống chữ π nó sử dụng hiệu ứng nối tắt của tụ điện và hiệu ứng lọc của cuộn cảm để ức chế hiệu quả nhiễu chế độ chênh lệch. Trong bộ sạc trên xe (OBC), mạch lọc kiểu π có thể giảm thêm tín hiệu nhiễu trên đường dây điện và cải thiện hiệu năng EMC. Tần số chuyển mạch điển hình của một OBC nằm trong khoảng 40 kHz–150 kHz, và việc kiểm tra phát xạ dẫn truyền bắt đầu từ 150 kHz. Do đó, lọc chế độ chênh lệch chủ yếu nhắm vào nhiễu chế độ chênh lệch trong dải tần số 150 kHz–1 MHz.
Công thức tính tần số cắt của bộ lọc kiểu π là:
Trong đó Cx là điện dung tương đương của hai tụ điện X hai cấp trong bộ lọc kiểu π. (Trong các thiết kế thực tế, thường sử dụng hai cấp tụ điện X có cùng giá trị điện dung, do đó điện dung lọc tương đương tổng thường được ước tính một cách thận trọng dựa trên giá trị của một cấp tụ điện X). Thiết kế phải đảm bảo tần số cắt thấp hơn đáng kể so với tần số chuyển mạch cơ bản, thường lấy bằng 1/5 đến 1/10 tần số chuyển mạch, nhằm đảm bảo dải tần số nhiễu mục tiêu nằm trong dải chặn của bộ lọc.
3.1 Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm chế độ vi sai
Một cuộn cảm chế độ vi sai chủ yếu gồm một cuộn dây đơn được nối tiếp trong đường dây đầu vào điện. Bằng cách tận dụng đặc tính trở kháng của cuộn cảm đối với dòng điện tần số cao, nó tạo ra một đường dẫn có trở kháng cao cho nhiễu chế độ vi sai giữa dây L và dây N, từ đó đạt được hiệu quả suy giảm nhiễu. Khi chọn cuộn cảm, nên ưu tiên loại có vỏ bọc để giảm bức xạ ra ngoài và giảm nhiễu từ bên ngoài.
(1) Độ tự cảm: Độ tự cảm là thông số cơ bản nhất của một cuộn cảm chế độ vi sai, xác định khả năng ức chế nhiễu của nó ở các tần số cụ thể. Cần xem xét dải tần số lọc mục tiêu khi lựa chọn; độ tự cảm lớn hơn thường mang lại hiệu quả ức chế rõ rệt hơn đối với nhiễu tần số thấp.
(2) Dòng định mức: Điều này đề cập đến dòng điện tối đa mà cuộn cảm có thể hoạt động an toàn trong thời gian dài dưới các điều kiện tăng nhiệt độ đã nêu. Việc lựa chọn phải đảm bảo rằng dòng điện vận hành tối đa nhỏ hơn dòng điện định mức, đồng thời để lại một khoảng dự phòng dồi dào (thông thường ＞ 30%).
(3) Điện trở một chiều (DCR): Điện trở một chiều đề cập đến điện trở nội tại của cuộn dây cuộn cảm trong điều kiện một chiều. Điện trở DCR càng thấp thì tổn hao công suất sinh ra khi dòng một chiều đi qua càng nhỏ, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể.
Do bộ sạc trên xe (OBC) n thuộc ứng dụng ô tô, nên các cuộn cảm phải đáp ứng tiêu chuẩn độ tin cậy điện tử ô tô AEC-Q200. Các bài kiểm tra bao gồm: kiểm tra đặc tính điện, kiểm tra sốc cơ học, kiểm tra rung, kiểm tra độ bền đầu nối, kiểm tra khả năng hàn, kiểm tra độ ẩm có tải, kiểm tra chu kỳ nhiệt độ, kiểm tra lưu kho ở nhiệt độ cao, v.v. CODACA có thể cung cấp nhiều loại sản phẩm nguồn tiêu chuẩn dành riêng cho ô tô.
Dưới đây là một số ví dụ minh họa bộ cảm cấp ô tô .Để biết thêm chi tiết, vui lòng truy cập trang web chính thức của CODACA Electronics tại https://www.codaca.com.cn/, hoặc liên hệ nhân viên bán hàng của CODACA. Chúng tôi rất hoan nghênh các yêu cầu tư vấn.
Chú thích hình ảnh: Hình 4. Cuộn cảm dành cho ô tô của CODACA