充電アプリケーションにおけるEMC管理

自分が充電器の設計を専門とするエンジニア チームの一員であると想像してください。 新しいプロジェクトが登場します。 最終設計が標準の EMC テストに初めて合格することをどのように確認しますか?

一般的な最初のステップは、特定のアプリケーションに適用される関連する EMC 規格を解釈することです。 (品質、安全性、および環境基準は、それ以上に重要ではないにしても同等に重要ですが、この議論の範囲には含まれません。)製品が携帯電話やラップトップ用の急速充電器である場合は、商用 EMC 基準を検討する必要があります。 製品が電気自動車に使用される車載充電器 (OBC) である場合、自動車 EMC 規格が適用される必要があります。 ワイヤレス給電 (WPT) に基づく製品の場合は、関連する規格を参照し、規格がまだ開発中であるため、変更に注意を払う必要があります。

例として、表 1 に、OBC に適用される一般的な EMC テスト要件を示します。

設計会社とその顧客が要件に同意すると、設計プロセスが続きます。 この設計プロセスは通常、図 1 に示すように段階的なアプローチに従います。EMC 設計レビューは製品設計の各段階で実行し、PCB のプロトタイプの準備ができたらすぐに予備テストを手配することを強くお勧めします。 。 おそらくこれが、後の設計段階での大幅な設計変更を回避するための厳格な EMC 制御を確保する唯一の方法です。

図 1: 設計段階を示す一般的な設計プロセス

この記事では、実際のデモンストレーションを使用して、設計および開発段階で EMC 管理を実装する方法について説明します。

コンセプト段階では、エンジニアは製品要件に基づいて充電コンバータのトポロジを評価し、選択します。 EMC を念頭に置いて設計を検討することが不可欠です。 充電アプリケーション用の一般的な電力コンバータ トポロジは、力率補正 (PFC) 段とその後に共振回路が続くものです。 一般的な PFC 回路には、インターリーブ ブースト コンバータ、ブリッジレス トーテムポール コンバータ、およびインターリーブ トーテムポール コンバータが含まれます。 一般的な共振回路は、LLC、電流ダブラー整流器を備えた移相フルブリッジ コンバータなどです。 図 2 は、12 kW OBC のコンバータ トポロジを示しています (デモンストレーションの目的で、コンバータのレール 1 のみを示しています)。

図 2: 12 kW のオンボード充電器の回路図 (レール 2 と 3 はこの図には示されていません)

グリッドの力率を改善し、充電状態での全高調波歪み (THD) を低減するには、PFC 段を設けることが不可欠です。 PFC がないと、充電、特に急速充電では電圧ピーク時に高いピーク電流が流れ、残りの主電源サイクルではほとんど電流が流れません。 その結果、幹線、送電線、および電源変圧器に過剰な大電流が流れます。

図 3 に示す例では、2 つのインターリーブ レール トポロジによりハーフ ブリッジあたりの定格電流が半分になるため、インターリーブ ブースト トーテムポール PFC が選択されています。 これにより、PFC ステージの入力と出力の両方でリップル電流がキャンセルされます。 その結果、バルク コンデンサのサイズが小さくなり、PFC の EMC の影響が軽減されます。 しかし、このアプローチではスイッチング デバイスの数が増加し、制御が複雑になります。 (参考資料 1 では、さまざまな PFC トポロジー間の詳細な比較研究が提供されていますが、EMC パフォーマンス分析には重点が置かれていません。)

図 3: インターリーブ トーテムポール トポロジを使用する利点の 1 つは、リップル電流のキャンセルです。

意図したアプリケーションに基づいて PFC トポロジを選択するのは、設計エンジニアの仕事です。 決定は、効率、製造の容易さ、コスト、重量、熱に関する考慮事項、および EMC の間のトレードオフに基づいて行う必要があります。 トポロジはアプリケーションの電力定格にも依存します。 たとえば、ラップトップまたは携帯電話用の急速充電デバイスの場合、PFC トポロジはインターリーブなしの単純なブースト PFC になります。 共振コンバータ段の選択に関しては、多くのトレードオフも見られます。 ゼロ電圧スイッチング (ZVS) は共振コンバータに広く使用されていることに注意してください。 適切に設計された場合、ZVS は、コモンモード電流の削減など、ゼロ電圧スイッチングやその他の領域で回路を大幅に改善します。