Gestion EMC dans les applications de charge

Imaginez-vous faisant partie d’une équipe d’ingénieurs spécialisés dans la conception de chargeurs. Un nouveau projet arrive. Comment pouvez-vous vous assurer que la conception finale réussira du premier coup les tests CEM standard ?

Une première étape typique consiste à interpréter les normes CEM pertinentes applicables à l'application spécifique. (Les normes de qualité, de sécurité et environnementales sont tout aussi importantes, sinon plus, mais elles n'entrent pas dans le cadre de cette discussion.) Il faut examiner les normes commerciales CEM si le produit est un chargeur rapide pour téléphones mobiles et ordinateurs portables. Les normes CEM automobiles doivent être appliquées si le produit est un chargeur embarqué (OBC) utilisé dans un véhicule électrique. S'il s'agit d'un produit basé sur le transfert d'énergie sans fil (WPT), il convient de se référer aux normes pertinentes et de rester attentif aux changements car les normes sont encore en cours d'élaboration.

À titre d'exemple, le tableau 1 répertorie les exigences typiques des tests CEM applicables à un OBC.

Une fois que les exigences ont été convenues par l'entreprise de conception et son client, le processus de conception suit. Ce processus de conception suit généralement une approche par étapes, comme le montre la figure 1. Il est fortement recommandé que les revues de conception CEM soient effectuées à chaque étape de la conception d'un produit et que des tests préliminaires soient organisés dès que le prototype du PCB est prêt. . C'est peut-être le seul moyen de garantir un contrôle CEM strict afin d'éviter des modifications majeures de conception à un stade ultérieur de la conception.

Figure 1 : Un processus de conception typique montrant les étapes de conception

Dans cet article, nous expliquons comment mettre en œuvre la gestion EMC pendant la phase de conception et de développement à l’aide de démonstrations pratiques.

Au stade de la conception, les ingénieurs évaluent et sélectionnent la topologie d'un convertisseur de charge en fonction des exigences du produit. Il est essentiel de revoir la conception en tenant compte de la CEM. Une topologie de convertisseur de puissance populaire pour les applications de charge est un étage de correction du facteur de puissance (PFC) suivi d'un circuit résonant. Les circuits PFC courants comprennent des convertisseurs élévateurs entrelacés, des convertisseurs totem-pôle sans pont et des convertisseurs totem-pôle entrelacés. Les circuits résonants populaires sont un LLC, un convertisseur en pont complet déphasé avec un redresseur doubleur de courant, etc. La figure 2 illustre la topologie du convertisseur d'un OBC de 12 kW (à des fins de démonstration, seul le rail 1 du convertisseur est représenté).

Figure 2 : Schémas d'un chargeur embarqué de 12 kW (les rails 2 et 3 ne sont pas représentés dans ce schéma)

Il est essentiel de disposer d'un étage PFC pour améliorer le facteur de puissance du réseau et obtenir une distorsion harmonique totale (THD) plus faible pendant l'état de charge. Sans le PFC, la charge, en particulier la charge rapide, consomme un courant de crête élevé au pic de tension et presque aucun courant pendant le cycle secteur restant. Cela entraîne un flux de courant excessif et élevé dans les conducteurs du secteur, les lignes de transport d'énergie et les transformateurs de puissance.

Dans l'exemple illustré à la figure 3, un PFC à mât totémique entrelacé est sélectionné car la topologie à deux rails entrelacés permet d'obtenir un courant nominal divisé par deux par demi-pont. Cela entraîne une annulation du courant d'ondulation à la fois à l'entrée et à la sortie de l'étage PFC. En conséquence, cela réduit la taille du condensateur global et diminue l'impact CEM du PFC. Mais cette approche augmente le nombre d'appareils de commutation et la complexité du contrôle. (La référence 1 propose une étude comparative détaillée entre différentes topologies PFC mais ne se concentre pas sur l'analyse des performances EMC.)

Figure 3 : L'un des avantages de l'utilisation d'une topologie à mâts totémiques entrelacés est l'annulation du courant d'ondulation.

Il incombe à l'ingénieur de conception de sélectionner la topologie PFC en fonction de l'application prévue. La décision doit être basée sur des compromis entre l'efficacité, la facilité de fabrication, le coût, le poids, les considérations thermiques et la CEM. La topologie dépend également de la puissance des applications. Par exemple, s’il s’agit d’un appareil à chargement rapide pour un ordinateur portable ou un téléphone portable, la topologie PFC sera un simple PFC boost sans entrelacement. Un certain nombre de compromis peuvent également être constatés lorsqu'il s'agit de sélectionner l'étage convertisseur résonant. Il convient de noter que la commutation sans tension (ZVS) a été largement utilisée pour les convertisseurs résonants. Lorsqu'il est conçu correctement, le ZVS apporte des améliorations significatives aux circuits dans la commutation à tension nulle et dans d'autres domaines, tels que la réduction des courants de mode commun.