Практическое руководство по электромагнитным помехам силовых преобразователей
Руководство о том, как связать помеху в спектре с конкретным событием переключения, проследить путь её распространения и убедиться, что сам измерительный тракт не искажает осциллограмму, — на примерах преобразователей на SiC и GaN.
Приборы на SiC и GaN позволяют преобразователям переключаться быстрее, повышая КПД и удельную мощность. Но переключение за наносекунды делает паразитные индуктивности и ёмкости гораздо важнее: большие скорости изменения напряжения и тока превращают корпус, печатную плату, звено постоянного тока и шины в пути высокочастотного шума.
Частота переключения — не единственная причина электромагнитных помех (ЭМП). Например, преобразователь на десятках или сотнях килогерц всё равно может отдавать заметную энергию в десятки и сотни мегагерц из-за крутых фронтов, выбросов и паразитного звона. Эти эффекты формируют спектр излучений, который инженеры видят при испытаниях на кондуктивные и излучаемые помехи.
Испытания на ЭМП должны не только показать, превышен ли предел. Инженеру нужно связать измеренную помеху с породившим её событием переключения, проследить, как она распространялась по преобразователю, и убедиться, что сам щуп или измерительная установка не исказили форму сигнала.
Связать поведение при переключении со спектром помех. Первый шаг в отладке ЭМП — связать то, что видно в спектре, с тем, что происходит при переключении. Частота переключения и скорость перехода описывают разные стороны поведения. Частота переключения определяет, как часто повторяется сигнал и где лежат основная гармоника и гармоники низших порядков. Времена нарастания и спада определяют, сколько высокочастотных составляющих содержит каждый отдельный переход (рис. 1).
Рис. 1. Активность переключения во временной области и её частотное представление (источник: Rohde & Schwarz). Переходы занимают всего несколько наносекунд, поэтому даже преобразователь на десятках или сотнях килогерц создаёт шум далеко в мегагерцевом диапазоне. Паразитные индуктивность и ёмкость преобразователя затем формируют этот высокочастотный шум.
Быстрое изменение тока даёт напряжение на паразитной индуктивности по закону v = L(di/dt). Это может происходить в контурах коммутации, дорожках платы, соединениях звена постоянного тока и шинах. Результат — выброс напряжения или звон. Быстрое изменение напряжения действует сходным образом через паразитную ёмкость. Большая скорость изменения напряжения может гнать ток из узла переключения в соседние конструкции — радиатор, шасси или слои платы. Даже несколько пикофарад могут переносить заметный ток, когда напряжение меняется очень быстро.
Эти эффекты часто видны и в осциллограмме, и в спектре помех. Например, звон после включения или выключения может проявиться как пик или подъём спектральной энергии примерно на той же частоте. Инженеры могут охарактеризовать напряжение узла переключения и напряжение затвора, анализируя времена нарастания и спада, выброс, амплитуду и частоту звона, а затем сопоставить наблюдения с кондуктивным или излучаемым спектром. Совпадение частоты — тоже полезная информация. Если при выключении звон идёт около 75 МГц и на развёртке излучений тоже есть сильная особенность около 75 МГц, следующий шаг — возмутить предполагаемый механизм. Изменение сопротивления затвора, добавление или изменение снаббера, изменение паразитного пути должны устойчиво менять и временную, и спектральную картину, если диагноз верен.
Проследить путь шума. Связав спектральную особенность с событием переключения, нужно понять, как шум распространяется по преобразователю. Удобно думать в терминах источника, пути связи и приёмника. Источником может быть быстрый узел переключения, сильноточный контур коммутации или звон при включении либо выключении. Путь связи — маршрут шума через систему. Приёмник — место, где шум измеряют или где он создаёт проблему.
Путь может быть неочевиден по схеме: узел переключения способен передавать ток через паразитную ёмкость на радиатор, шасси или слой платы. В приводе двигателя синфазное напряжение может гнать ток через двигатель, экран кабеля и шасси. Помеху создаёт полупроводник, но главным путём может стать кабель или металлическая конструкция. Полезно также определить, помеха дифференциальная или синфазная: дифференциальная течёт по обычным силовым проводникам, синфазная — по путям вроде шасси, земли или паразитных ёмкостей. Различие помогает понять, какая часть преобразователя требует внимания.
Подтвердить предполагаемый путь можно измерительными средствами: ближнепольные щупы находят шумные узлы переключения и контуры тока, токовые щупы показывают высокочастотный ток в кабелях, а разделение синфазной и дифференциальной составляющих — какая мода помехи доминирует. Главный вопрос — где течёт высокочастотный ток и как он возвращается. Поняв путь, инженер выбирает точечное решение вместо перебора вариантов.
Когда врёт измерение. Быстрое переключение SiC и GaN трудно измерить точно. Сигнал затвора верхнего ключа может быть всего в несколько вольт, тогда как потенциал истока меняется на сотни вольт за наносекунды. Дифференциальный щуп может хорошо подавлять это синфазное напряжение на низких частотах, но хуже справляться с ростом частоты (рис. 2). Тогда осциллограф покажет выброс или звон на затворе, частично созданные самим щупом.
Рис. 2. Сравнение дифференциального и оптически развязанного щупа (источник: Tektronix Inc.). Соединение щупа тоже влияет на результат. Длинные провода земли добавляют индуктивность и увеличивают контур измерения, из-за чего легче поймать соседние магнитные поля. Ёмкость щупа также может изменить узел переключения. Эти эффекты способны усилить существующий звон или создать звон, которого не было.
Измерение тока даёт похожие проблемы, если шунт или щуп меняет контур коммутации. Полоса пропускания тоже важна: слишком узкая скрывает выброс и звон, слишком широкая добавляет шум и затрудняет чтение осциллограммы. Если напряжение и ток измеряются вместе, щупы нужно ещё и синхронизировать по времени: даже небольшая задержка заставит одно событие выглядеть раньше или позже другого.
Простой способ проверить измерение — изменить установку, не меняя преобразователь. Можно укоротить соединение щупа, уменьшить площадь контура, попробовать развязанный щуп или изменить полосу пропускания. Если выброс или звон заметно меняются, значит, на результат влияет измерительная установка. Инженер должен убедиться в этом, прежде чем переделывать преобразователь под сомнительную осциллограмму.
Итог. Более быстрое переключение SiC и GaN повышает важность паразитных эффектов и ошибок измерения. Поэтому инженеру нужно проследить проблему ЭМП до события переключения, увидеть, как шум идёт по преобразователю, и убедиться в точности самого измерения, прежде чем выбирать решение. Изображение на обложке: Rohde & Schwarz.