Teljesítményelektronikai ötletek – 46

A cikksorozat 39. részében megvizsgáltuk, hogyan okoz közös módusú áramot a szigeteletlen kapcsolóüzemű tápegységeinek kapcsolófokozatában keletkező, nagyfeszültségű lengés, amely áramot kelt a kondenzátorokon kereszül a földpotenciálú, közös vezetékben. Ez a cikk a szigetelt tápegységeket tekinti át hasonló szempontból.

„Szelidítsük meg” a szigetelt kapcsolóüzemű tápegységek közös módusú zavarsugárzását – 1. rész

A leválasztott tápegységekben a nagyfeszültségű tranziensek okozta közös módusú áram még kellemetlenebb problémákat okoz, mint a szigeteletlenek esetében, mert a leválasztótranszformátor szekunder tekercse is a földpontra kapcsolódik. A különbséget a primer és a szekunder tekercsek között mérhető jelentékeny parazita kapacitás okozza. Az 1. ábra egyszerűsítve mutatja a problémát okozó konfigurációt. Az áramkör egy offline működésű, szigetelt flyback tápegységet ábrázol, amely a 110…230 V-os hálózati váltakozó feszültséget egyenirányítja, és ezzel 100…400 V-os egyenfeszültséget ad át a teljesítménykapcsoló fokozatnak. A teljesítménykapcsoló gyors be- és kikapcsolásai 500…600 V-os kapcsolt feszültséghullámként jelennek meg a Q1-tranzisztor nyelőelektródáján, amely a teljesítménytranszformátor primer tekercsére kapcsolódik. Ez a kapcsolóval modulált feszültség áramot kelt a transzformátor primer és szekunder tekercse közötti szórt kapacitáson. Ez az áram kétféle módon jut el a földelt pontig: egyrészt a terhelésen át, „tervezett módon”, másrészt a földpotenciálú pont felé mérhető szórt kapacitásokon keresztül. A C1-kondenzátor nélkül ez az áramkör a váltakozó áramú hálózaton és a tápegység bemeneti kapcsán keresztül záródna, ahol több mint valószínű, hogy az elektromágneses interferenciára (EMI) megengedett specifikációt meghaladó zajt okozna.

1. ábra A nagyfeszültségű Q1-kapcsolótranzisztor közös módusú áramot kelt a C_STRAY parazita kapacitásban

Ezt az áramot különösen nehéz szűrni, mivel a nagy forrás­im­pedancia miatt áramgenerátoros jellegű. A transzformátor szórt kapacitása 100 pF nagyságrendű, amelynek – egy tipikus kapcsolóüzemű tápegység kapcsolási frekvenciáján – néhányszor 10 kΩ az impedanciája. Ezért az az ötlet, hogy helyezzünk egy induktivitást az áram útjába, nem okoz gyakorlati javulást. Például ahhoz, hogy a zavaráramot a tizedére csökkenthessük, legalább 100 kΩ-os reaktanciájú, tehát nagyjából 0,1 H induktivitású tekercsre lenne szükségünk, 10 pF-nál kisebb szórt kapacitással, ami gyakorlatilag kivitelezhetetlen.
A C1-kondenzátor beépítése jelenti az alternatív megoldást. Ez ugyanis „helyben” zárja a zavarjel áramkörét; a közös módusú zavaráram jelentős része a tápegységen belül záródik a váltakozó áramú hálózat helyett. A C1 a rendszer forrásimpedanciáját is csökkenti, ezért a sorba kapcsolt, közös módusú L1 szűrőinduktivitás hatásosabbá és megvalósíthatóvá válik.
A közös módusú zavarszűrő tervezésének egyik fontos lépése a C1-kondenzátor értékének meghatározása. Egyszerű lenne a válasz, ha ezt egyedül az elektromágneses zavarok szempontjából vizsgálnánk: minél nagyobb, annál jobb. A nagyobb kapacitás kisebb EMI-jelet eredményez, és a nyereség a kapacitásérték négyzetével arányos. Azonban a nagyobb kapacitás nagyobb hálózati frekvenciájú áramot is jelent a közös földpont felé. Ez az áram biztonsági okokból korlátozva van az áramütések elkerülése érdekében abban az esetben, ha a tápegység földelő vezetéke leszakad, és az áramkör egy személy testén keresztül záródik, amint azt a a 2. ábrán is láthatjuk. Az IEC 601-1-szabvány a megengedett maximális áramot jelenleg 0,5 mA_eff-ben állapítja meg, de még ennél is szigorúbb szabály bevezetését tervezik. 230 V-os bemeneti váltakozó feszültséget feltételezve az IEC-szabványból a C1-kondenzátor értékére 4700 pF-os megengedett maximális érték adódik.

2. ábra A nem megfelelően megválasztott, „túlméretezett” C1-kondenzátor áramütés okozója lehet

Összegezve, a nagy sebességű feszültségváltozást (nagy dV/dt) mutató hullámformáknál a földelt közös pont felé közös módusú zavaráram keletkezik. Ezt az áramot a nagy forrásimpedancia miatt különösen nehéz szűrni. A szűréshez egy szűrőkondenzátorra van szükség, hogy a zavaráram részére alternatív útvonalat kínáljon és csökkentse a forrásimpedanciát. Miközben az EMI-zavarszűrés szempontjából a minél nagyobb kondenzátor lenne a kedvezőbb, a teljes kapacitást biztonsági megfontolások korlátozzák.
A következő folytatásban a közös módusú szűrő induktivitásának kérdését vizsgáljuk meg, amely teljessé teszi az EMI-csökkentésre szolgáló közös módusú szűrők tervezési szempontjainak áttekintését.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: