スイッチング電源の電磁互換性設計について

2021-08-16

Author：IPCB

電力電子技術の発展に伴い、スイッチング電源モジュールは伝統的な整流電源に取って代わるようになり、その体積が相対的に小さく、効率が高く、動作が信頼できるため、社会の各分野に広く応用されている。しかし、スイッチング電源の動作周波数が高いため、内部には急速な電流と電圧変化、すなわちdv/dtとdi/dtが存在し、これによりスイッチング電源モジュールは強い高調波干渉とスパイク干渉を発生させ、伝導を通じて、放射線とクロストークという結合経路は、自身の回路や他の電子システムの正常な動作に影響を与え、もちろん他の電子機器の電磁干渉にも影響を受ける。これは議論されている電磁互換性の問題であり、スイッチング電源の電磁互換性に関する電磁干渉EMDと電磁感受性EMSの設計問題でもある。国はすでにいくつかの電子製品に3 C認証を実施し始めているため、1つの電子機器が電磁互換性基準を満たしているかどうかはその製品が市場で販売できるかどうかに影響するため、スイッチング電源に電磁互換性の研究を行うことは非常に重要である。

電磁互換性は総合性学科であり、数学、電磁場理論、アンテナと電波伝播、回路理論、信号分析、通信理論、材料科学、生物医学などの理論に関連する。

スイッチング電源の電磁互換性を設計するには、まずシステム設計を行い、次の点を明らかにします。

1.システムが満たさなければならない電磁互換性基準を明確にする、

2.強幹渉源回路と高感度回路を含むシステム中の重要な回路部分を決定する。

3.給電設備の動作環境における電磁干渉源と敏感設備を識別する、

4.給電設備がとるべき電磁適合措置を確定する。

一DC/DCコンバータ内部ノイズ源解析

1.ダイオードの逆回復によるノイズ干渉

スイッチング電源には、高周波整流ダイオード、高周波整流ダイオード、還流ダイオードなどがよく使用されている。これらのダイオードはスイッチ状態で動作しているので、図に示すように、非常に高い電圧スパイクVFP、ダイオードのオン状態から遮断動作までの間に逆回復時間trrが存在する。逆回復の過程では、ダイオードパッケージインダクタンスとリードインダクタンスの存在により、逆方向になることがあります。少数キャリアの蓄積と複合効果により、電圧スパイクVRPは過渡逆回復電流IRPを生成する。このような急速な電流と電圧突然変異は電磁干渉の根本的な原因である。

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電流と電圧波形

2.スイッチングチューブの開閉時に電磁干渉が発生する

ダイオードの逆回復過程における電流と電圧波形ダイオードの順方向電流と電圧

順方向、プッシュプル、ブリッジコンバータでは、スイッチング管を流れる電流波形は抵抗負荷下の矩形波に似ており、高周波成分が豊富に含まれている。これらの高周波高調波は強い電磁干渉を引き起こす。、インバータコンバータでは、抵抗負荷を印加すると、スイッチング管を流れる電流波形は三角波に似ており、比較的少ない高調波成分が存在する。スイッチング管がオンすると、スイッチング時間が短く、インバータ回路にリードインダクタンスが存在するため、大きなdV/dt突然変異と高ピーク電圧が発生する。スイッチチューブがオフになると、オフ時間が非常に長くなります。短時間では、非常に大きなdi/dt突然変異と非常に高い電流スパイクが発生し、これらの電流、電圧突然変異は非常に強い電磁干渉を発生する。

3.インダクタ、変圧器などの磁性素子による電磁干渉：スイッチング電源には入力フィルタインダクタ、電源変圧器、隔離変圧器、出力フィルタインダクタなどの磁性素子がある。分離トランスの一次と二次の間に寄生容量が存在し、高周波干渉信号は寄生容量を通過する。二次側に結合する、巻線過程などの原因で、電力変圧器は一次側と二次側の結合が理想的ではないために漏れ感が発生する。漏れインダクタンスは電磁放射妨害を引き起こす。また、電力変圧器のコイル巻線に高周波パルス電流が流れ、高周波環境が発生する。電磁場：インダクタに流れる脈動電流は電磁場放射を発生し、負荷が突然切断されると電圧スパイクを形成する。同時に、飽和状態で動作すると、突然の電流変化が生じ、電磁妨害を引き起こす。

4.制御回路における周期的な高周波パルス信号、例えば発振器が発生する高周波パルス信号は高周波と高次高調波を発生し、周囲の回路に電磁干渉を与える。

5.さらに、回路には接地回路干渉、共インピーダンス結合干渉、制御電力ノイズ干渉も存在する。

6.スイッチング電源における配線設計は非常に重要である。不合理な配線は、ワイヤ間の結合容量と分布の相互誘導、または隣接するワイヤに電磁干渉を与え、他の回路の正常な動作に影響を与えます。

7.熱放射による電磁干渉。熱放射は電磁波形式の熱交換である。この電磁干渉は、他の電子部品または回路の正常および安定動作に影響を与える。

2.外部電磁干渉

ある電子機器にとって、外界による電磁干渉には、電力網における高調波干渉、雷、太陽ノイズ、静電放電、周囲の高周波伝送装置による干渉が含まれる。

第三に、電磁干渉の結果

電磁干渉は伝送信号の歪みを招き、装置の正常な動作に影響を与える。雷や静電放電などの高エネルギー電磁妨害は深刻な場合には設備を破壊する。いくつかのデバイスにとって、電磁放射線は重要な情報の漏洩を引き起こすことがあります。

四、スイッチング電源の電磁互換性設計

スイッチング電源の内部と外部の電磁干渉源を理解した後、電磁干渉機構を形成する3つの要素は伝搬路と被干渉装置であることも知っておくべきである。そのため、スイッチング電源の電磁互換性設計は主に以下の3つの方面から着手した：1。干渉源の電磁干渉エネルギーを低減する、2.干渉伝播経路を遮断する、3.被干渉デバイスの耐干渉性を向上させる。

スイッチング電源の電磁干渉源とその発生メカニズムと干渉伝播経路を正しく理解し、把握することは、耐干渉措置を採用して装置に電磁互換性の要求を満たすために重要である。干渉源にはスイッチング電源内部で発生する干渉源と外部干渉源があるため、干渉源は除去できず、干渉される機器は常に存在するため、電磁互換性の問題は常に存在すると言える。

以下に隔離式DC/DCコンバータを例に、スイッチング電源の電磁互換性設計を検討する：

1.DC/DCコンバータ入力フィルタ回路の設計

図示するように、FV 1は過渡電圧抑制ダイオードであり、RV 1はバリスタである。どちらも強い過渡サージ電流吸収能力を持ち、後続の部品や回路をサージ電圧の損傷から保護することができます。Z 1は直流EMIフィルタであり、接地が良好でなければならず、接地線が短くなければならず、金属ハウジングに直接取り付けられることが好ましく、入力と出力リード間の遮蔽隔離を確保して、入力リード線に沿った伝導干渉の伝播を効果的に遮断しなければならない。放射線干渉は空間に沿って伝播する。L 1及びC 1は、ローパスフィルタ回路を形成する。L 1のインダクタンスが大きい場合は、図中に示したV 1とR 1成分を加算し、L 1が切断されたときに放出される電界エネルギーを吸収するための連続回路を形成しなければならない。そうしないと、L 1電磁干渉による電圧スパイクが形成される。インダクタL 1に用いられるコアは、閉磁コアであることが好ましい。エアギャップを有する開環コアの漏れ磁場は電磁妨害を引き起こす。C 1の方が容量が良いので、入力ラインを減らすことができます。入力リード上のリップル電圧は、入力リードの周囲に形成される電磁場を減少させる。

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DC/DCコンバータ入力フィルタ回路

2.高周波インバータ回路の電磁互換性設計、図に示すように、C 2、C 3、V 2とV 3からなるハーフブリッジインバータ回路、V 2とV 3はIGBTとMOSFETなどのスイッチング素子で、V 2とV 3の時にオンとオフする。オフの時、スイッチング時間が速いため、リードインダクタンスと変圧器の漏れインダクタンスが存在し、ループは、より高いdi/dtおよびdv/dt突然変異を生じ、電磁干渉を引き起こす。そのため、トランスの一次側の両端にR 4とC 4を追加する。吸収回路を形成するために、またはV 2とV 3の両端にコンデンサC 5とC 6を並列に接続し、ab、cd、gh、efのリードインダクタンスを低減するためにリード線を短縮する。設計では、C 4、C 5、C 6は一般的に低インダクタンスキャパシタを使用している。キャパシタの大きさは、リードインダクタンス、回路内の電流値、および許容オーバーシュート電圧値に依存する。式LI 2/2=C³V 2/2はCの大きさを得て、その中でLはループインダクタンスで、Iはループ電流で、³Vはオーバーシュート電圧値である。

土壌Vを低減するためには、回路リードインダクタンスを低減する必要がある。そのため、設計には「多層低インダクタンス複合母線」と呼ばれる装置がよく使われている。インダクタンスは10 nHまで十分に小さいレベルに低下し、高周波インバータ回路の電磁干渉を低減する目的を達成した。

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スイッチング管電流と電圧波形の比較図

電磁互換性設計の観点から、スイッチチューブV 2とV 3のスイッチング周波数をできるだけ低くし、di/dtとdv/dt値を下げるべきである。さらに、ZCSまたはZVSソフトスイッチ技術を使用することで、高周波インバータ回路の電磁干渉を効果的に低減することができる。高電流または高電圧での高速スイッチング動作は電磁ノイズの原因である。したがって、電磁ノイズをできるだけ低減する回路トポロジを選択する。例えば、同じ条件下では、単管順位相よりも二重管順位相の方が電磁ノイズを発生する可能性が高い。フルブリッジ回路は体積が小さく、発生する電磁ノイズはハーフブリッジ回路より小さい。

図示するように、吸収回路を添加したスイッチングチューブ上の電流と電圧波形を吸収回路のない波形と比較した。

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ハーフブリッジインバータ回路

3.高周波変圧器のEMC設計

高周波変圧器T 1を設計する際には、できるだけ電磁遮蔽性能の良いコア材料を選択する。

図示するように、C 7とC 8はターン間結合回路であり、C 11は巻線間結合コンデンサである。巻線変圧器の場合、分散コンデンサC 11は、変圧器の一次側から二次巻線への高周波干渉の結合を低減するために最小化される。また、電磁干渉をさらに低減するために、一次巻線と二次巻線との間にシールド層を追加し、シールド層を良好に接地することで、トランスの一次巻線と二次巻線とシールド層との間に結合コンデンサC 9とC 10を形成し、高周波干渉電流をC 9とC 9を介して接地することができる。

変圧器は加熱素子であるため、放熱条件差は変圧器の温度上昇を避けられず、熱放射を形成する。熱放射は電磁波の形で伝播する。そのため、変圧器は良好な放熱条件を持たなければならない。

一般に、高周波変圧器はアルミニウム製筐体ケースに封入される。アルミニウムケースはアルミニウム放熱器に取り付けられ、電子シリカゲルを充填し、変圧器により良い電磁遮蔽を形成させ、より良い放熱効果を確保することもできる。電磁放射線を低減する。

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高周波変圧器のEMC設計

5.出力整流回路のEMC設計

同図は出力半波整流回路を示し、V 6は整流ダイオード、V 7は還流ダイオードである。V 6とV 7は高周波スイッチング状態で動作するため、出力整流回路の電磁干渉源は主にV 6とV 7、R 5、C 12である。それはそれぞれR 6とC 13に接続され、V 6とV 7の吸収回路を形成し、スイッチング動作中に発生した電圧スパイクを吸収し、R 5とR 6上で熱の形で消散する。

整流ダイオードの数を減らすことで、電磁干渉のエネルギーを減らすことができます。したがって、同じ条件下で、半波整流回路を使用すると、全波整流と全ブリッジ整流を使用するよりも少ない電磁干渉が発生する。

ダイオードの電磁干渉を低減するためには、ソフトリカバリ特性を有し、逆リカバリ電流が小さく、逆リカバリ時間が短いダイオードデバイスを選択する必要がある。理論的には、Schottkyバリアダイオード（SBD）は多数キャリア電流を伝導し、少数キャリアの記憶と複合効果は存在しないため、逆電圧スパイク干渉は発生しない。動作電圧を有するショットキーダイオードでは、電子障壁厚の増加に伴って逆回復電流が増加し、電磁ノイズも発生する。したがって、出力電圧が低い場合、直流ダイオードとしてショットキーダイオードを選択することにより発生する電磁干渉は、他のダイオードデバイスを選択するよりも小さくなる。

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出力整流回路の電磁互換性設計

6.出力直流フィルタ回路のEMC設計

出力直流フィルタ回路は主に電磁伝導干渉の導線に沿った出力負荷端への伝播を遮断し、導線周辺の電磁干渉の電磁放射を低減するために用いられる。

図示するように、L 2、C 17、C 18からなるLCフィルタ回路は、放射線伝送による電磁干渉を低減するために、出力電流と電圧リップルの大きさを低減することができる。フィルタコンデンサC 17とC 18は、できるだけ多くのコンデンサと並列に接続されているべきである。等価直列抵抗を低下させ、リップル電圧を低下させる。出力インダクタンスL 2は、出力リップル電流の大きさを小さくするためにできるだけ大きくしなければならない。また、インダクタンスL 2には、空隙のない閉ループコアを用いることが好ましく、好ましくは飽和インダクタンスではない。設計時には、電線に電流と電圧の変化があり、電線の周りには絶えず変化する電磁場があり、電磁場は空間に沿って伝播し、電磁放射を形成することを覚えなければならない。

C 19はフィルタライン上のコモンモード干渉に使用され、できるだけ低インダクタンスキャパシタを使用し、配線は短く、C 20、C 21、C 22、C 23はフィルタ出力ライン上の差モード干渉に使用され、低インダクタンス三端キャパシタを使用し、接地線は短くて信頼性があるべきである。

Z 3は直流EMIフィルタである。その使用の有無は、単一レベルフィルタであれ、多段フィルタであれ、状況によって異なります。しかし、Z 3は金属シャーシに直接取り付けられることが要求されている。フィルタの入出力線は遮蔽され、隔離されることが好ましい。

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出力整流回路の電磁互換性設計

7.接触器、リレーなどのスイッチング装置の電磁互換性設計

リレー、コンタクタ、ファンなどが通電すると、そのコイルに大きな電圧スパイクが発生し、電磁妨害を引き起こす。そのため、直流コイルの両端にダイオードまたはRC吸収回路を並列接続し、交流コイルの両端に並列回路を接続する。バリスタは、コイルの電源遮断後に発生する電圧スパイクを吸収するために使用されます。また、コンタクタコイル電源と補助電源入力電源が同じ電源である場合は、EMIフィルタを間に通過することが好ましいことに注意してください。リレー接点動作時にも電磁干渉が発生するため、接点両端にRC吸収回路を追加する必要がある。

8.スイッチング電源ボックス構造の電磁互換性設計

材料選択：磁気絶縁材料はありません。電磁シールドは「磁気短絡」の原理を利用して、設備内部と外気中の電磁干渉の伝播経路を切断する。スイッチング電源のキャビネット構造を設計するには、電磁干渉への影響を十分に考慮する必要がある

遮蔽効果、遮蔽材料の選択原則は、妨害電磁場の周波数が高い場合、高導電性の金属材料を使用し、遮蔽効果がより良い、妨害電磁波の周波数が低い場合は、高透磁率の金属材料を使用し、遮蔽効果が良い、場合によっては、高周波電磁界と低周波電磁界の両方に良好な遮蔽効果が必要な場合、多層遮蔽を形成するために、高導電性と高透磁率を有する金属材料が一般的に使用される。

穴、隙間、重なり処理方法：電磁遮蔽方法は回路を再設計する必要がなく、良好な電磁互換効果を達成することができる。理想的な電磁遮蔽体は隙間がなく、穴がなく、貫通がない導電連続体と低インピーダンス金属密封体であるが、完全に密封された遮蔽体には実際の価値がない。スイッチング電源装置には、入出力線貫通孔、放熱孔などの孔があり、および箱体構造部材間の重複隙間は、対策を講じないと電磁漏れが発生し、箱体の遮蔽効果が低下し、遮蔽効果も完全に失われる。そのため、電源箱を開閉する設計では、金属板間の重複は溶接を使用することが望ましい。溶接ができない場合は、電磁ガスケットやその他のシールド材を使用します。箱の開口部は、遮蔽する電磁波の波長よりも小さくなければならない。1/2、そうしないとシールド効果が大幅に低下します。通気孔については、遮蔽要求が高くない場合は、穿孔金属板や金網を使用することができ、遮蔽効率が高く、通気効果が良い場合は、遮断導波路を使用する必要があります。その他の遮蔽効果を高める方法があります。ボックスの遮蔽効果がまだ要件を満たしていない場合は、ボックスに遮蔽塗料をスプレーすることができます。スイッチ電源のキャビネット全体を遮蔽することができるほか、干渉源や感知装置などの電源装置の内部部品を部分的に遮蔽することもできます。

キャビネット構造を設計する際に、静電放電試験を行う機器のすべての部品に低インピーダンス電流放電経路を設計する。キャビネットには確実な接地措置が必要であり、接地線の搬送能力を確保する必要があります。同時に、感受性回路または部品をこれらの放出回路から遠ざけたり、電界遮蔽措置を取ったりする。構造体の表面処理には、通常、銀、亜鉛、ニッケル、クロム、スズのめっきが用いられる。これには、導電性、電気化学反応、コスト、電磁互換性を考慮する必要があります。

9.構成部品レイアウトと配線におけるMC設計：

スイッチング電源装置の内部コンポーネントのレイアウトは、全体的に電磁互換性の要件を考慮しなければならない。装置内部の干渉源は、放射線とクロストークを介して他の部品やコンポーネントの動作に影響を与える。研究により、干渉源から一定の距離では、干渉源のエネルギーが大幅に減衰するため、合理的な配置は電磁干渉の影響を減らすのに役立つことが明らかになった。

EMI入出力フィルタは、金属シャーシの入り口に設置し、入力線と出力線が電磁環境から遮蔽され、隔離されていることを確認することが望ましい。

感受性回路または部品を熱源から遠ざける。