充電アプリケーションにおけるEMC管理 - 株式会社キャッスルヒル

自分が充電器の設計を専門とするエンジニアチームの一員であると想像してください。新しいプロジェクトが登場します。最終設計が標準の EMC テストに初めて合格することをどのように確認しますか?

一般的な最初のステップは、特定のアプリケーションに適用される関連する EMC 規格を解釈することです。 (品質、安全性、および環境基準は、それ以上に重要ではないにしても同等に重要ですが、この議論の範囲には含まれません。)製品が携帯電話やラップトップ用の急速充電器である場合は、商用 EMC 基準を検討する必要があります。製品が電気自動車に使用される車載充電器 (OBC) である場合、自動車 EMC 規格が適用される必要があります。ワイヤレス給電 (WPT) に基づく製品の場合は、関連する規格を参照し、規格がまだ開発中であるため、変更に注意を払う必要があります。

例として、表 1 に、OBC に適用される一般的な EMC テスト要件を示します。

設計会社とその顧客が要件に同意すると、設計プロセスが続きます。この設計プロセスは通常、図 1 に示すように段階的なアプローチに従います。EMC 設計レビューは製品設計の各段階で実行し、PCB のプロトタイプの準備ができたらすぐに予備テストを手配することを強くお勧めします。。おそらくこれが、後の設計段階での大幅な設計変更を回避するための厳格な EMC 制御を確保する唯一の方法です。

図 1: 設計段階を示す一般的な設計プロセス

この記事では、実際のデモンストレーションを使用して、設計および開発段階で EMC 管理を実装する方法について説明します。

コンセプト段階では、エンジニアは製品要件に基づいて充電コンバータのトポロジを評価し、選択します。 EMC を念頭に置いて設計を検討することが不可欠です。充電アプリケーション用の一般的な電力コンバータトポロジは、力率補正 (PFC) 段とその後に共振回路が続くものです。一般的な PFC 回路には、インターリーブブーストコンバータ、ブリッジレストーテムポールコンバータ、およびインターリーブトーテムポールコンバータが含まれます。一般的な共振回路は、LLC、電流ダブラー整流器を備えた移相フルブリッジコンバータなどです。図 2 は、12 kW OBC のコンバータトポロジを示しています (デモンストレーションの目的で、コンバータのレール 1 のみを示しています)。

図 2: 12 kW のオンボード充電器の回路図 (レール 2 と 3 はこの図には示されていません)

グリッドの力率を改善し、充電状態での全高調波歪み (THD) を低減するには、PFC 段を設けることが不可欠です。 PFC がないと、充電、特に急速充電では電圧ピーク時に高いピーク電流が流れ、残りの主電源サイクルではほとんど電流が流れません。その結果、幹線、送電線、および電源変圧器に過剰な大電流が流れます。

図 3 に示す例では、2 つのインターリーブレールトポロジによりハーフブリッジあたりの定格電流が半分になるため、インターリーブブーストトーテムポール PFC が選択されています。これにより、PFC ステージの入力と出力の両方でリップル電流がキャンセルされます。その結果、バルクコンデンサのサイズが小さくなり、PFC の EMC の影響が軽減されます。しかし、このアプローチではスイッチングデバイスの数が増加し、制御が複雑になります。 (参考資料 1 では、さまざまな PFC トポロジー間の詳細な比較研究が提供されていますが、EMC パフォーマンス分析には重点が置かれていません。)

図 3: インターリーブトーテムポールトポロジを使用する利点の 1 つは、リップル電流のキャンセルです。

意図したアプリケーションに基づいて PFC トポロジを選択するのは、設計エンジニアの仕事です。決定は、効率、製造の容易さ、コスト、重量、熱に関する考慮事項、および EMC の間のトレードオフに基づいて行う必要があります。トポロジはアプリケーションの電力定格にも依存します。たとえば、ラップトップまたは携帯電話用の急速充電デバイスの場合、PFC トポロジはインターリーブなしの単純なブースト PFC になります。共振コンバータ段の選択に関しては、多くのトレードオフも見られます。ゼロ電圧スイッチング (ZVS) は共振コンバータに広く使用されていることに注意してください。適切に設計された場合、ZVS は、コモンモード電流の削減など、ゼロ電圧スイッチングやその他の領域で回路を大幅に改善します。

参考文献 2 では、適切なタイプのパワーエレクトロニクスデバイスを選択することの重要性について説明しています。充電アプリケーションの場合、コンパクトな設計を実現し、EMC 要件に準拠するには、適切なデバイスを選択することが不可欠です。選択されるデバイスの中で、窒化ガリウム (GaN) デバイスなどのワイドバンドギャップデバイスは、ラップトップや携帯電話用の急速充電器などの商用アプリケーションで広く見られますが、炭化ケイ素 (SiC) デバイスは、次のような高電圧高出力アプリケーションで主流です。電気自動車に使用される OBC。

図 4 に示すように、ほとんどの GaN デバイスは集積ドライバ回路を備えた表面実装型ですが、ほとんどの SiC は高出力レベルのため、スルーホール型ディスクリートデバイスです。 D2PAK SiC デバイスは入手可能ですが、主にパッケージに関連する熱特性が異なるため、設計エンジニアの好みの選択肢ではありません。

図 4: GaN や SiC FET などのワイドバンドギャップデバイスは充電アプリケーションで広く見られます

スルーホールデバイスは堅牢で低コストであり、優れた熱特性を備えているため、高電圧、高電力のアプリケーションで広く使用されています。ただし、EMC に関しては、パッケージの非常に長いリードにより大きなインダクタンスが導入されるため、表面実装型デバイスほど優れていません 2。また、物理的に高いため、表面実装型デバイスと比較して放射効率も高くなります。ヒートシンクはデバイス自体よりもはるかに大きいことが多いため、これらのデバイスの周囲の熱設計は非常に重要です。ヒートシンクが適切に接地されていない場合、より低い周波数範囲 (30 ～ 300MHz) でより多くの放射が発生する可能性があります。3

スイッチングデバイスとは別に、共振コンバータ段で使用されるトランスなどの磁気コンポーネントも EMC を考慮して設計する必要があります。システム効率は常に最も重要な設計要素です。したがって、変圧器の損失（鉄損、銅損、表皮効果、近接効果を含む）は設計段階で重要な考慮事項となることがよくあります。 ZVS 方式では、変圧器の可飽和コアも必要であり、より高い漏れインダクタンスが望まれます。これは、変圧器の EMC 設計が見落とされがちであることを意味します。

多くの場合、単純な静電シールドをトランスに追加すると、コモンモード電流の低減に役立ちます。4 シールドは、一次側の 0V に接続する必要があり、近接効果による渦電流損失を最小限に抑えるために、できるだけ薄く保つ必要があります。二次側の 2 番目のシールドにより EMC 性能がさらに向上しますが、製造コストが余分にかかります。

変圧器設計におけるその他の技術には、コモンモード電流キャンセル、または独自の巻線構造設計に基づくいわゆるコモンモード電流バランスが含まれます。 5 変圧器の設計は、コンバータの ZVS を最適化するための鍵でもあることに注意してください。

設計レビュー中に、各コンポーネントの選択の長所と短所を評価する必要があります。多くの場合、効率、サイズ、コストがコンポーネントを選択する際の重要な要素となります。ただし、比較では EMC についても考慮する必要があります。たとえば、エンジニアは、最良のフォームファクターと最小限のコストが達成されるようにコンポーネントを選択することがよくありますが、選択したスイッチ/トランスによって生成されるフィルターが多すぎるため、後の段階で重く、かさばり、高価なフィルターを追加する必要があることがわかります。 EMIの問題。コンポーネントの選択段階の早い段階でこの問題が浮き彫りになっていれば、合計の時間とコストが削減された可能性があります。

回路図のレビューでは、次の領域に注意を払う必要があります。

レイアウトのレビューに関しては、細部に問題が潜んでいます。レイアウトのレビューには、複数の分野の設計エンジニアが関与するため、簡単に数日の時間がかかることがあります。デカップリングコンデンサ、フィルタの位置、コネクタ、配線、ビアなどはすべてレビュー段階で精査する必要があります。

一例を図 5 に示します。GaN デバイスによって発生した熱を放散するために、大きな銅領域とサーマルビアがよく使用されます。これは、大きな銅領域がより効率的に熱を放散するため、電子エンジニアと熱エンジニアの両方が一般的に好む設計機能であり、それによってより高い変換効率が実現されます。ハーフブリッジのスイッチングノードは、一方のデバイスのソースノードと他方のデバイスのドレインノードを接続します。しかし、銅の面積が大きいとスイッチングノードのサイズが事実上大きくなり、エミッションが悪化して抑制が難しくなります。この EMC 関連のリスクはレイアウト設計段階で強調され、緩和計画が設計される必要があります。この場合、考えられる軽減策は、デバイスの上にアルミニウム/銅シートを使用することです。このシートは熱の放散に役立ち、またスイッチングノード上にシールドを提供します。この緊急時対応計画は、パッケージングおよび機械段階で実装およびテストできます。

図 5: スイッチノードの下に大きな銅領域を使用すると、EMI が悪化する可能性があります。デバイス上のシールドは熱と EMC の両方にとって有益です。

最初のプロトタイプ PCB の準備ができ次第、予備テストを実行する必要があります。確かに、製品の EMC 性能はレイアウトとパッケージングに依存しており、最終製品のノイズプロファイルは単一の PCB のノイズプロファイルとは異なります。ただし、初期段階のニアフィールドプロービング演習では危険信号が示されることが多く、設計プロセスの最終段階でメリットが得られます。

PCB レベルでは、2 つの単純なベンチトップテストを実行できます。 PCB 領域上で磁界ループを使用するなどの近接場プロービングにより、ノイズ源を特定できます (図 6 を参照)。一般に、ノイズプロファイルは、伝導性エミッションと放射性エミッションの両方を適切に示します。6 図 7 に示すように、RF 電流監視プローブを使用してケーブルのコモンモード電流を測定することは、環境下での PCB の伝導性エミッションと放射性エミッションを予測するもう 1 つの効率的な方法です。調査.7

図 6: 近接場磁気プローブの使用は、PCB の EMC 性能をテストする簡単な方法として機能します

図 7: RF 電流監視プローブを使用して PCB のケーブル上のコモンモード電流を測定する

最終製品の梱包は機械的な作業であると考えられることがよくあります。この段階では、最終製品が組み立てられ、熱設計が適用されます。 PCB アセンブリには、PCB の積み重ね、シャーシへのスタンドオフ上の PCB の積み重ね、PCB のワイヤ接続、シャーシコネクタへの PCB 接続などが含まれる場合があります。熱設計では、小電力アプリケーションの場合、これはサーマルペースト/接着剤を適用することを意味します。パッド。大電力アプリケーションの場合、これはヒートシンクと液体冷却パイプの実装を意味します。

この段階での主な課題は、接続インピーダンスを最小限に抑えることです。たとえば、スタンドオフの高さによって、PCB とシャーシの間のインダクタンスが決まります。したがって、EMC の観点からは、複数のより短いスタンドオフが望ましく、これは通常、機械エンジニアによっても支持されています 2。ただし、積層された PCB では空洞共振が発生する可能性があり、共振構造のリスクを回避する方法は参考文献 8 および 9 に記載されています。

ヒートシンクは、放射を防ぐために 0V または電源レールに接続する必要があります。以前に紹介したアルミニウム/銅シールドなどのシールドも、EMC.3 で機能させるために 0V プレーンに接着する必要があります (熱設計の場合、任意の点に接着する必要はありません)。

充電アプリケーションにとって最も重要な 2 つの EMC テストは、伝導性エミッションと放射性エミッションに対するものです。ユニットを正式な適合性テストに送る前に、事前適合性 EMC テスト設定で製品をテストすることを常に推奨します。良いニュースは、伝導エミッションと放射エミッションの両方の事前適合テストをベンチトップで比較的低コストで実行できることです。

DUT の電力定格に応じて、適切な電力定格の LISN を伝導性放射試験に使用できます。高電圧アプリケーションであるため、プレコンプライアンステストのセットアップを行う際には、高電圧の安全性を優先する必要があります。絶縁トランスを使用し、テストグランドプレーンを安全アースに接地することは、伝導性エミッションテストの安全な動作を確保するために絶対に必要です。図 8 は、GaN スイッチを使用した開発中の製品のベンチトッププリコンプライアンス伝導性放出セットアップを示しています。

図 8: プリコンプライアンステスト設定で、急速充電器の伝導性放射に対するテストが行われています。

オープン横電磁 (TEM) セルは、DUT の放射パターンを決定するためによく使用されます。 TEM セルのセットアップでは、遠距離場アンテナを使用した測定とまったく同じ定量的結果が得られるわけではないことに注意してください。スペースの制約により、TEM セルのスペース内で長いワイヤが巻かれることが多く、これも放射プロファイルに影響を与えます。それにもかかわらず、TEM セルの使用は、DUT の放射を予測する効果的な方法であることが証明されています。

図 9 に示すように、OBC は TEM セル内に配置されます。 DUT の完全な発光プロファイルを描画するには、DUT の 3 つの主な直交方向を配置する必要があります 10。ただし、これは、スペクトルの高さにより、OBC などの大出力定格製品のテストに TEM セルを使用する場合の制限も示しています。 TEM セルのスペクトル (この場合、この TEM セルのスペクトル高さは 15 cm)。したがって、この場合、DUT の 1 つの方向のみがテストされます。ただし、家電製品の充電アプリケーションの場合、DUT は 3 つの主な直交方向でテストできるほど小さいです。

図 9: TEM セルの放射に対してテストされている自動車アプリケーション用の OBC

この段階で、事前適合性の結果により、デバイスが排出試験に合格するという高いレベルの信頼が得られることを願っています。ただし、危険信号が強調表示された場合、エンジニアは前の段階に戻って、最終的に強調表示された問題に対処するトラブルシューティング計画を立てることができます。

最終的な EMC テストに関しては、常にある程度の不確実性が存在します。ただし、この記事で説明されている EMC 管理プロセスに従えば、大きな驚きはありません。このプロセスは、設計プロセス中に予見可能なすべての EMC 側面が考慮され、対処されていることを確認するのに役立ちます。各設計レビューの会議メモは、EMC リスク評価で十分に文書化される必要があります。 EMC リスク評価は、企業が少なくとも EMC 問題に対処しようとしていることを示す説得力のある証拠として機能します。

充電アプリケーションコンプライアンス設計emcemc設計Min Zhang

Min Zhang 博士は、EMC コンサルティング、トラブルシューティング、トレーニングを専門とする英国に本拠を置くエンジニアリング会社である Mach One Design Ltd の創設者であり主任 EMC コンサルタントです。パワーエレクトロニクス、デジタルエレクトロニクス、電気機械、製品設計に関する彼の深い知識は、世界中の企業に恩恵をもたらしています。

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