Gestione EMC nelle applicazioni di ricarica

Immagina di far parte di un team di ingegneri specializzati nella progettazione di caricabatterie. Arriva un nuovo progetto. Come si garantisce che il progetto finale supererà i test EMC standard al primo tentativo?

Un primo passo tipico è quello di interpretare gli standard EMC rilevanti applicabili all'applicazione specifica. (Gli standard di qualità, sicurezza e ambiente sono altrettanto se non più importanti, ma non rientrano nell'ambito di questa discussione.) È necessario considerare gli standard EMC commerciali se il prodotto è un caricabatterie rapido per telefoni cellulari e laptop. Gli standard EMC automobilistici dovrebbero essere applicati se il prodotto è un caricabatterie di bordo (OBC) utilizzato in un veicolo elettrico. Se si tratta di un prodotto basato sul trasferimento di potenza wireless (WPT), è necessario fare riferimento agli standard pertinenti e prestare attenzione ai cambiamenti poiché gli standard sono ancora in fase di sviluppo.

Ad esempio, la Tabella 1 elenca i requisiti tipici dei test EMC applicabili a un OBC.

Una volta che i requisiti sono stati concordati tra la società di progettazione e il cliente, segue il processo di progettazione. Questo processo di progettazione segue in genere un approccio graduale, come mostrato nella Figura 1. Si consiglia vivamente di eseguire le revisioni del progetto EMC in ogni fase della progettazione di un prodotto e di organizzare test preliminari non appena il prototipo del PCB è pronto . È forse l'unico modo per garantire un rigoroso controllo EMC per evitare importanti modifiche di progettazione in una fase successiva della progettazione.

Figura 1: un tipico processo di progettazione che mostra le fasi di progettazione

In questo articolo discuteremo come implementare la gestione EMC durante la fase di progettazione e sviluppo utilizzando dimostrazioni pratiche.

Nella fase di progettazione, gli ingegneri valutano e selezionano la topologia di un convertitore di carica in base ai requisiti del prodotto. È essenziale rivedere il progetto tenendo presente la compatibilità elettromagnetica. Una tipologia di convertitore di potenza diffusa per le applicazioni di ricarica è uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) seguito da un circuito risonante. I circuiti PFC comuni includono convertitori boost interlacciati, convertitori totem-pole senza ponte e convertitori totem-pole interlacciati. I circuiti risonanti più diffusi sono un LLC, un convertitore a ponte intero sfasato con raddrizzatore duplicatore di corrente e così via. La Figura 2 illustra la topologia del convertitore di un OBC da 12 kW (a scopo dimostrativo è mostrato solo il binario 1 del convertitore).

Figura 2: Schemi di un caricabatterie di bordo da 12 kW (i binari 2 e 3 non sono mostrati in questo diagramma)

È essenziale disporre di uno stadio PFC per migliorare il fattore di potenza della rete e ottenere una minore distorsione armonica totale (THD) durante lo stato di carica. Senza PFC, la ricarica, soprattutto quella rapida, assorbe un'elevata corrente di picco al picco di tensione e quasi nessuna corrente durante il restante ciclo di rete. Ciò si traduce in un flusso di corrente eccessivo nei conduttori di rete, nelle linee di trasmissione di potenza e nei trasformatori di potenza.

Nell'esempio mostrato nella Figura 3, viene selezionato un PFC totem-pole boost interlacciato perché la topologia a due binari interlacciati raggiunge una corrente nominale dimezzata per mezzo ponte. Ciò si traduce nella cancellazione della corrente di ripple sia sull'ingresso che sull'uscita dello stadio PFC. Di conseguenza, ciò riduce le dimensioni del condensatore di massa e riduce l'impatto EMC del PFC. Ma questo approccio aumenta il numero di dispositivi di commutazione e la complessità del controllo. (Il riferimento 1 offre uno studio comparativo dettagliato tra diverse topologie PFC ma non si concentra sull'analisi delle prestazioni EMC.)

Figura 3: Uno dei vantaggi derivanti dall'utilizzo di una topologia totem-pole interlacciata è la cancellazione della corrente di ondulazione

È compito del progettista selezionare la topologia PFC in base all'applicazione prevista. La decisione deve essere basata sui compromessi tra efficienza, facilità di produzione, costi, peso, considerazioni termiche ed EMC. La topologia dipende anche dalla potenza nominale delle applicazioni. Ad esempio, se si tratta di un dispositivo a ricarica rapida per un laptop o un telefono cellulare, la topologia PFC sarà un semplice PFC boost senza interleaving. Si possono riscontrare numerosi compromessi anche quando si tratta di selezionare lo stadio del convertitore risonante. Va notato che la commutazione a tensione zero (ZVS) è stata ampiamente utilizzata per i convertitori risonanti. Se progettato correttamente, ZVS fornisce miglioramenti significativi del circuito nella commutazione a tensione zero e in altre aree, come la riduzione delle correnti di modo comune.