Teljesítményelektronikai ötletek – 47

Folytatódik a 2015. 7-8. lapszámunkban elkezdett elemzés, amely a közös módusú zavarsugárzás csökkentésének módjaival foglalkozik.

„Szelidítsük meg”  a szigetelt kapcsolóüzemű  tápegységek közös módusú  zavarsugárzását – 2. rész

Ebben a cikkben folytatjuk a 46. részben megkezdett vizsgálatunkat, amely a közös módusú áramok keltette zavarással foglalkozik. Megállapítottuk, hogy a közös módusú áramkört egy testpotenciálra kapcsolt „hidegítőkondenzátor” segítségével zárhatjuk, amely a zajt is csökkenti. Viszont van egy biztonsági korlát, amely megszabja, mekkora kapacitású kondenzátort használhatunk erre a célra, és amely meghatározza a közös módusú szűrő további részei­nek tervezését. Az 1. ábrán a közös módusú áramot a nagy értékű, kapcsolt váltakozó feszültség okozza a Q1 MOS-tranzisztor nyelő­elektródáján, amelynek hatására áram folyik a szórt kapacitáson keresztül a testpotenciálú pont felé. A C1 hidegítőkondenzátor utat enged ahhoz, hogy ez az áram visszatérhessen a tápegységbe ahelyett, hogy a földcsatlakozáson kereszül a váltakozó áramú bemenet felé záró­dna. Az L1 közös módusú induktivitás által képviselt impedancia, ami a váltakozó áramú bemenet és a tápegység közé ékelődik, korlátozza a közös módosú zajok kibocsátását. 1 MHz-en a maximálisan megengedhető 4700 pF-os hidegítőkon­denzátor reaktanciája 30 Ω. Ahhoz, hogy a kapcsoló által generált áram túlnyomó részét a C1 hidegítőkondenzátor felé tereljük, az L1 induktivitásnak – széles frekvenciasávban – nagy impedanciaértéket (több ezer ohmos reaktanciát) kell képviselnie.

Vizsgáljuk meg közelebbről a két csatolt tekercsből álló induktivitást, amely a fázis- és a nullavezetékkel sorosan kapcsolódik: ez nem igazán alkalmas a közös módusú áram csökkentésére. Mégis sok tervező használja az L1 szórt induktivitását differenciális szűrésre. Az induktivitás az 1. ábra szerint van az áramkörbe beiktatva, és rajta nem folyik eredő egyenáram. Ez azt jelenti, hogy nagy permeabilitású, légrés nélküli vasmagot használhatunk a megvalósításához.

1. ábra A nagy impedanciájú, közös módusú L1-induktivitás csökkenti az elektromágneses zavarkibocsátást

A 2. ábra mutatja egy tipikus, közös módusú induktivitás vasmagjának permeabilitását a frekvencia függvényében. Az induktivitásnak van egy valós és egy képzetes összetevője. A valós rész mutatja az induktív komponens viselkedését, míg a képzetes rész a mágnesanyagban keletkező veszteségeket írja le. Mivel az ábrán a soros helyettesítő képnek megfelelő frekvenciamenetet tüntettük fel, a teljes impedancia tehát a két vektor összege. Ez rendkívül hasznos tulajdonság ugyanis míg az induktivitás valós összetevője 300 kHz-nél csökkenni kezd és 1...2 MHz felett már jelentéktelen, addig 1 MHz-től felfelé a mágnesanyag veszteségei határozzák meg az impedanciát 10 MHz-ig kitolva ezáltal annak hatásosságát.

 2. ábra Olyan vasmag anyagot kell keresnünk, amely nagy permeabilitással rendelkezik

Ha már sikerült szert tennünk egy megfelelő vasmag anyagra, a következő nagy feladatunk a nagy permeabilitás előnyeinek teljes kihasználása. A 3. ábrán egy 28 mH-értékű, közös módusú induktivitás frekvenciafüggése látható. Alacsony frekvencián az eszköz induktivitásként viselkedik. Nagy frekvenciákon viszont egyre erősebben látható a szórt kapacitás hatása. Ez a kapacitás rezonanciát ad az induk­tivitással. Ennek a nagy értékű induktivitásnak a hatását egy 23 pF-os tekercselési kapacitás 200 kHz felett teljesen lerontja. A megoldás k­ulcsa tehát egy olyan jó minőségű, közös módusú induktivitás tervezése, amelynek minimális a tekercselési kapacitása. Ezt osztott tekercseléssel, a közös vasmag helyett külön vasmagokon megvalósított tekercsekkel, vagy megfelelően megválasztott anyagú vas­maggal és elérhető minimális menetszámmal lehet megvalósítani. Néha ezek a rezonanciák még így is elkerülhetetlenek, ezért további szűrőelemeket kell beépíteni a nagyobb frekvenciájú zavarójelek szűrésére. Az ilyen esetekben egy második, nagyobb frekvenciájú szűrésre alkalmas induktivitás beépítése is szükségessé válhat.

3. ábra A tekercselési kapacitás a rezonanciafrekvencián túl csökkenti a közös módusú induktivitás impedanciáját

Összegezve: a váltakozó áramú tápegységek közös módusú szűrése nagy impedanciájú alkatrészek használatát teszi szükségessé a zaj nagy forrásimpedanciája miatt, és azért, mert biztonsági megfon­tolásokból korlátozni kell a testpotenciálra kapcsolódó hidegítő­kondenzátor értékét. A közös módusú induktivitások használata indokolt ezek nagy impedanciája miatt, de a tekercselés menetei közötti kapacitás csökkenti a hatásukat. Válasszunk gondosan olyan vasmag anyagot, amely nagy frekvencián is megtartja nagy perme­abilitását. Ezenkívül a tekercselési kapacitást is megfelelően alacsony értéken kell tartani. Egy 30 pF-nál nagyobb tekercselési kapacitás „lerombolja” az induktivitás impedanciáját. Esetenként előfordulhat, hogy két induktivitást kell alkalmaznunk soros kapcsolásban úgy, hogy mindegyik a saját specifikus, egymást kiegészítő frekvenciasávjában szűrjön megfelelően.

A következő számunkban a megfelelő kondenzátorok kiválasztásával foglalkozunk a kapcsolóüzemű tápegységekben való felhasználásra.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: