domenica, Luglio 14, 2024
HomeIN EVIDENZAMitigazione dei transitori in modo comune (CMTI) nei progetti di inverter di...

Mitigazione dei transitori in modo comune (CMTI) nei progetti di inverter di trazione con FET SiC basati su flyback PSR

Mitigazione CMTI flyback PSR SiCL’elevata velocità di commutazione dei dispositivi SiC può aumentare i disturbi dovuti ai transitori di modo comune. In questo articolo tecnico, l’autore spiega come è possibile ridurre il CMTI nei sistemi flyback PSR con pochi, semplici, componenti passivi.

Recentemente si è registrato un aumento significativo nell’uso di transistor a effetto di campo (FET) al carburo di silicio (SiC) nei progetti di inverter di trazione. Il fatto che gli inverter SiC possano produrre segnali di tensione transitoria elevata (dv/dt) superiori a 100 V/ns solleva preoccupazioni per l’immunità ai transitori di modo comune (CMTI), rappresentando questa una nuova sfida quando si progetta un inverter con gate driver isolato.

Tra le topologie di alimentazione con polarizzazione isolata, il convertitore flyback regolato sul lato primario (PSR) presenta il miglior rapporto costo/prestazioni grazie al basso numero di componenti esterni, alla regolazione precisa della tensione di uscita, all’assenza di un fotoaccoppiatore, all’elevata efficienza e all’isolamento galvanico affidabile. Esiste un efficace metodo di mitigazione CMTI che può contribuire a migliorare l’immunità del flyback PSR in un inverter SiC, consentendo l’uso continuato del flyback PSR nei FET SiC e nelle alimentazioni di polarizzazione isolate.

Utilizzo di un flyback PSR come polarizzazione isolata

La figura 1 mostra la topologia del convertitore flyback PSR nelle applicazioni di inverter di trazione che utilizzano il convertitore LM5180 di Texas Instruments. I dispositivi flyback PSR come i convertitori LM5181, LM25180, LM25183, LM25184 e il controller LM5185 condividono tutti un’architettura comune con LM5180; le principali differenze sono nelle loro capacità di potenza.

La figura 1 mostra solo due rail di uscita che polarizzano un driver high-side dei FET SiC dell’inverter. È possibile aggiungere ulteriori uscite isolate accoppiando più avvolgimenti al trasformatore. I componenti rappresentati dalle linee tratteggiate sono opzionali per funzionalità aggiuntive.

Figura 1 – Alimentazione di polarizzazione flyback PSR per inverter di trazione.

A differenza di un convertitore flyback convenzionale, che in genere richiede un fotoaccoppiatore e un riferimento di tensione come il TI TLV431 sul lato secondario per formare il circuito di retroazione per una regolazione precisa dell’uscita, il convertitore flyback PSR rileva la tensione di uscita attraverso l’avvolgimento primario del trasformatore e raggiunge una precisa regolazione della tensione di uscita della guida di tensione isolata, il tutto senza la necessità di un fotoaccoppiatore o di un circuito di feedback secondario. Ciò si traduce in una semplice soluzione di fornitura differenziata con un migliore costo-prestazioni.

Nello specifico, le equazioni 1 e 2 determinano le tensioni di uscita, assumendo che Vo1 sia l’uscita principale (maggiore potenza):

dove 1,21 V è la tensione di riferimento del convertitore IC; NP, NS2 e NS2 sono il numero di spire dei corrispondenti avvolgimenti del trasformatore; RFB e RSET sono rispettivamente i resistori di rilevamento della tensione di uscita e di impostazione della regolazione; e VD1 e VD2 sono la caduta di tensione diretta dei due diodi di uscita.

RSET è solitamente fissato a 12,1 kΩ per LM5180, LM5181, LM5183 e LM5184 e a 10 kΩ per LM5185. Pertanto, potresti riscrivere l’equazione 1 come:

L’equazione 3 rivela che le tensioni di uscita rimangono stabili se la corrente di lavoro di 100 µA attraverso RFB non è influenzata dal rumore.

La sfida del CMTI

Come illustra la Figura 2, quando i FET SiC commutano entro pochi nanosecondi, il nodo di commutazione del ramo dell’inverter, che è anche la terra flottante del driver FET SiC, oscillerà a una velocità di variazione di >100 V/ns.

Mitigazione CMTI flyback PSR SiC

Figura 2 – CMTI nell’alimentazione di polarizzazione flyback PSR standard.

L’elevata oscillazione dv/dt della massa flottante è una CMT per l’alimentazione di polarizzazione isolata. La Figura 2 mostra anche come la CMT indurrà le correnti CMT a fluire attraverso i condensatori parassiti del trasformatore (rappresentati dalla linea tratteggiata) nel lato primario. Parte di questa corrente CMT fluirà attraverso RFB e influenzerà il funzionamento.

La figura 3 mostra le forme d’onda tipiche di un flyback PSR normale affetto da CMTI, catturate sul modulo di valutazione standard LM5180EVM-S05 (EVM). La traccia gialla è la CMT della gamba SiC. La traccia rossa è la tensione del pin SW del flyback PSR.

Spieghiamo il comportamento di commutazione intermittente. Quando il CMT rientra nella finestra temporale dell’intervallo di campionamento e mantenimento dell’uscita del PSR flyback, ciò influisce sul segnale di feedback poiché la corrente CMT influenza la corrente operativa di 100 µA dell’Equazione 3 . Il segnale di feedback interessato porta il convertitore ad allontanarsi erroneamente dal funzionamento stabile, provocando una commutazione intermittente e interrompendo il trasferimento costante di potenza all’uscita. La tensione di uscita potrebbe diminuire, il che a sua volta influisce sul funzionamento dell’inverter SiC.

Mitigazione CMTI flyback PSR SiC

Figura 3 –  Flyback PSR influenzato da CMT (verticale: canale 1 = 100 V/div, canale 2 = 10 V/div; orizzontale: 50 µs/div)

Mitigazione CMTI nel flyback PSR

La figura 4 mostra il metodo di mitigazione CMTI proposto. Introduce un resistore (R1) posto in serie con RFB e un condensatore ceramico (C1) posto attraverso la giunzione dei due resistori di feedback e del pin VIN. Il resistore-condensatore forma un filtro passa-basso, attenuando gli effetti della corrente CMT sulla corrente operativa di 100 µA di RFB. Il secondo condensatore di filtro opzionale (C2, posto sul pin RSET ) migliorare la mitigazione.

Figura 4 – Attenuazione CMTI in un flyback PSR

La Figura 5 illustra i principi di funzionamento del metodo di mitigazione CMTI. Le dimensioni relative delle frecce rappresentano le grandezze relative della corrente CMT in percorsi diversi. Dal segnale di feedback si può vedere che gli effetti della corrente CMT sono notevolmente ridotti.

Figura 5 – Attenuazione della corrente CM sul segnale di feedback sotto attenuazione CMTI in un flyback PSR.

Verifica teorica

Quando si verifica il metodo di mitigazione CMTI proposto su diverse schede convertitore flyback PSR TI, tra cui LM5180EVM-S05 e LM5185EVM-SIO, tutte hanno dimostrato i miglioramenti attesi. La Figura 6 è un markup schematico di LM5180EVM-S05 con mitigazione CMTI.

Figura 6 – Modifica LM5180EVM-S05 con mitigazione CMTI

La Figura 7 mostra le prestazioni EVM con il metodo di mitigazione CMTI. Nelle stesse condizioni operative della Figura 3, il funzionamento del convertitore è notevolmente migliorato, senza interruzioni evidenti. Abbiamo osservato miglioramenti simili su LM5185EVM-SIO.

Figura 7 – Prestazioni LM5180EVM-S05 con mitigazione CMTI (verticale: canale 1 = 100 V/div, canale 2 = 10 V/div; orizzontale: 50 µs/div)

Conclusione

Grazie al metodo di mitigazione CMTI proposto, il flyback PSR continuerà a essere una soluzione interessante e adatta come alimentazione di polarizzazione isolata, non solo per gli inverter SiC, ma anche per applicazioni quali caricabatterie di bordo, sistemi di gestione delle batterie e convertitori DC/DC ad alta potenza che impiegano FET SiC.

Youhao Xi è Applications Engineer presso Texas Instruments