Gerenciamento EMC em aplicações de carregamento

Imagine-se como parte de uma equipe de engenheiros especializados em projetar carregadores. Um novo projeto surge. Como você garante que o projeto final passará nos testes padrão de EMC pela primeira vez?

Um primeiro passo típico é interpretar os padrões de EMC relevantes aplicáveis ​​à aplicação específica. (Os padrões de qualidade, segurança e ambientais são igualmente, se não mais importantes, mas não estão no âmbito desta discussão.) Deve-se olhar para os padrões comerciais de EMC se o produto for um carregador rápido para telemóveis e computadores portáteis. Os padrões automotivos de EMC devem ser aplicados se o produto for um carregador integrado (OBC) usado em um veículo elétrico. Se for um produto baseado em transferência de energia sem fio (WPT), deve-se consultar os padrões relevantes e ficar atento às mudanças, pois os padrões ainda estão em desenvolvimento.

Como exemplo, a Tabela 1 lista os requisitos típicos de teste de EMC aplicáveis ​​a um OBC.

Depois que os requisitos forem acordados entre a empresa de design e seu cliente, segue-se o processo de design. Este processo de design normalmente segue uma abordagem em etapas, conforme mostrado na Figura 1. É altamente recomendável que as revisões de projeto de EMC sejam realizadas em cada estágio do projeto de um produto e testes preliminares sejam organizados assim que o protótipo do PCB estiver pronto . Talvez seja a única maneira de garantir um controle EMC rigoroso para evitar grandes alterações no projeto em um estágio posterior.

Figura 1: Um processo de design típico mostrando os estágios de design

Neste artigo, discutimos como implementar o gerenciamento de EMC durante a fase de projeto e desenvolvimento por meio de demonstrações práticas.

Na fase de conceito, os engenheiros avaliam e selecionam a topologia de um conversor de carregamento com base nos requisitos do produto. É essencial revisar o projeto tendo em mente a EMC. Uma topologia popular de conversor de energia para aplicações de carregamento é um estágio de correção do fator de potência (PFC) seguido por um circuito ressonante. Os circuitos PFC comuns incluem conversores boost intercalados, conversores totem-pole sem ponte e conversores totem-pole intercalados. Os circuitos ressonantes populares são um LLC, um conversor de ponte completa com mudança de fase com retificador duplicador de corrente e assim por diante. A Figura 2 ilustra a topologia do conversor de um OBC de 12 kW (para fins de demonstração, apenas o trilho 1 do conversor é mostrado).

Figura 2: Esquema de um carregador integrado de 12 kW (os trilhos 2 e 3 não são mostrados neste diagrama)

É essencial ter um estágio PFC para melhorar o fator de potência da rede e obter menor distorção harmônica total (THD) durante o estado de carga. Sem o PFC, o carregamento, especialmente o carregamento rápido, consome uma corrente de pico elevada no pico de tensão e quase nenhuma corrente durante o ciclo restante da rede elétrica. Isso resulta em um fluxo excessivo de corrente nos condutores da rede elétrica, nas linhas de transmissão de energia e nos transformadores de potência.

No exemplo mostrado na Figura 3, um PFC de totem de reforço intercalado é selecionado porque a topologia de dois trilhos intercalados atinge a classificação de corrente reduzida pela metade por meia ponte. Isso resulta no cancelamento da corrente de ondulação tanto na entrada quanto na saída do estágio PFC. Como resultado, isso reduz o tamanho do capacitor bruto e diminui o impacto EMC do PFC. Mas esta abordagem aumenta o número de dispositivos de comutação e a complexidade do controle. (A referência 1 oferece um estudo comparativo detalhado entre diferentes topologias PFC, mas não se concentra na análise de desempenho de EMC.)

Figura 3: Um dos benefícios de usar uma topologia totem-pole intercalada é o cancelamento da corrente ondulada

É função do engenheiro de projeto selecionar a topologia PFC com base na aplicação pretendida. A decisão precisa ser baseada nas compensações entre eficiência, facilidade de fabricação, custo, peso, considerações térmicas e EMC. A topologia também depende da potência das aplicações. Por exemplo, se for um dispositivo de carregamento rápido para um laptop ou telefone celular, a topologia PFC será um PFC de reforço simples sem intercalação. Uma série de compensações também podem ser vistas quando se trata de selecionar o estágio do conversor ressonante. Deve-se notar que a comutação de tensão zero (ZVS) tem sido amplamente utilizada para conversores ressonantes. Quando projetado corretamente, o ZVS fornece melhorias significativas no circuito na comutação de tensão zero e em outras áreas, como a redução das correntes de modo comum.