Araştırma, elektrikli araçların yüksek gerilimli DC güç aktarma sistemlerinde kullanılmak üzere tasarlanan 1 kW'lık galyum nitrür (GaN) tabanlı phase-shift full-bridge (PSFB) DC–DC dönüştürücünün elektromanyetik uyumluluğunu geniş bant sanal prototipleme ile incelemektedir. CST Studio Suite içindeki tam dalga üç boyutlu elektromanyetik model ile PathWave ADS devre simülasyonu birleştirilmiş; PCB parazitleri, GaN güç elemanları, transformatör, DC-link kondansatörü, yüksek gerilim bataryası, LISN ve kalkanlı güç kabloları aynı ortak simülasyon zincirine dahil edilmiştir. Dönüştürücü tam yükte standalone durumda %97,26, clamping diyotları aktif tam DC güç aktarma sistemi içinde %97,03 verime ulaşmıştır. Buna karşın 150 kHz–108 MHz CISPR 25 değerlendirme bandındaki common-mode ve differential-mode iletilen emisyonlar Class 2 sınırlarını aşmıştır. Bulgular sanal EMC modeline dayanmaktadır; fiziksel araç veya laboratuvar CISPR 25 doğrulaması gerçekleştirilmemiştir.

Çalışmanın temel mühendislik mesajı, yüksek verimin tek başına elektromanyetik uyumluluk anlamına gelmediğidir. GaN anahtarların hızlı geçişleri dönüştürücünün güç yoğunluğu ve verim açısından avantajlı çalışmasını desteklerken PCB, transformatör ve özellikle araç güç kablolarındaki dağıtılmış endüktans ve kaçak kapasiteler yüksek frekanslı gürültünün yayılım yollarını belirlemektedir. Araştırmacılar bu nedenle yalnız dönüştürücü şemasını değil, dönüştürücünün bağlandığı DC güç ağının tamamını EMC modeline dahil etmiştir.

Kablo demetlerinin sisteme eklenmesi dönüştürücü davranışını ölçülebilir biçimde değiştirmiştir. Clamping diyotları kapalı durumda standalone dönüştürücü verimi %97,26 iken tam DC powertrain simülasyonunda %96,62'ye düşmüş; çıkış gerilimi ripple'ı 403 mVpp'den 480 mVpp'ye, çıkış akım ripple'ı ise 175 mApp'den 209 mApp'ye yükselmiştir. Araştırmacılar güç kablolarının direnç, dağıtılmış endüktans ve kaçak kapasitanslarının hem güç dönüşümüne hem de EMI yayılımına etki ettiğini göstermektedir.

Clamping diyotlarının etkinleştirilmesi anahtarlama salınımlarını güçlü biçimde sönümlemiştir. Transformatör sekonder gerilimindeki overshoot 136,1 V, undershoot 24,61 V azaltılmış; spektral bileşenlerde 6,7 MHz'de 12,35 dBV ve 102,4 MHz'de 19,44 dBV azalma elde edilmiştir. İletilen EMI açısından differential-mode gürültü ana tepesinde yaklaşık 70,45 MHz'de 12,69 dBµV, common-mode gürültüde ise 3,658 MHz'de en fazla 20,91 dBµV azalma raporlanmıştır. Buna rağmen CISPR 25 Class 2 uyumluluğu sağlanamamıştır.

Çalışma ayrıca EMI'nin tek bir kaynaktan oluşmadığını göstermektedir. Differential-mode gürültü düşük frekansta ağırlıklı olarak DC-link kondansatörünün empedansıyla belirlenirken yüksek frekansta kablo ve PCB endüktansları önem kazanmaktadır. Common-mode gürültü ise GaN anahtarlama düğümlerinden toprağa uzanan parazitik kapasitanslar ve transformatörün sargılar arası kapasitansı üzerinden yayılmaktadır. Model, 7 MHz ve yaklaşık 75 MHz bölgelerinde görülen belirgin EMI tepelerini bu parazitik LC rezonanslarıyla ilişkilendirmektedir.

Türkiye açısından değerlendirme: Bu çalışma Türkiye'de elektrikli araç güç elektroniği, yerli DC–DC dönüştürücü, araç içi yüksek gerilim tesisatı ve otomotiv EMC tasarımı üzerinde çalışan ekipler açısından özellikle erken tasarım aşamasında değerlidir. PCB henüz fiziksel olarak üretilmeden güç kablosu uzunluğu, transformatör parazitleri, DC-link elemanları ve anahtarlama düğümlerinin EMI üzerindeki etkilerinin sanal ortamda incelenmesi pahalı yeniden tasarım döngülerini azaltabilecek bir mühendislik yaklaşımı sunmaktadır. Ancak çalışmanın sayısal değerleri belirli PSFB geometrisine, GaN elemanlarına, 400 V/48 V çalışma noktasına, modellenen kablo düzenine ve sanal CISPR 25 test düzeneğine aittir; farklı araç platformlarına doğrudan aynı emisyon seviyeleri aktarılamaz.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Elektrikli araçlarda yüksek gerilim bataryasındaki enerjinin 12 V, 24 V veya 48 V gibi düşük gerilimli yardımcı sistemlere aktarılması için izole DC–DC dönüştürücüler kullanılır. Bu çalışmada hedef, 400 V DC girişten 48 V DC çıkış sağlayan 1 kW'lık bir PSFB dönüştürücüdür.

Güç elektroniğinde yalnız enerji dönüşüm verimi yeterli değildir. Anahtarlama elemanlarının hızlı gerilim ve akım değişimleri kablolar, PCB yolları, kondansatörler, transformatör ve şasi üzerinden yayılan elektromanyetik girişim oluşturabilir. Araştırmanın temel sorusu bu nedenle şöyledir: GaN tabanlı yüksek verimli bir PSFB dönüştürücünün EMI davranışı, yalnız devre modeli yerine bütün DC güç aktarma zincirinin parazitikleriyle birlikte sanal olarak ne kadar ayrıntılı modellenebilir?

Hangi güç aktarma sistemi modellendi?

Çalışmadaki sanal sistem beş ana bölümden oluşmaktadır:

• 400 V yüksek gerilim Li-ion batarya modeli,
• CISPR 25 yüksek gerilim LISN,
• 0,2 m giriş/DC-link kalkanlı kablo demeti,
• 1 kW GaN tabanlı PSFB DC–DC dönüştürücü,
• 1 m çıkış/yük kablo demeti ve statik yük.

Bu düzen, dönüştürücü kartının yalnız elektriksel şemasını değil kabloların uzaydaki konumlarını, toprak referans düzlemini ve kablo–şasi kapasitif bağlaşımını da içermektedir.

PSFB dönüştürücünün temel özellikleri nelerdir?

Dönüştürücü birincil tarafta dört anahtarlı phase-shift full-bridge, yüksek frekans transformatörü, sekonder doğrultucu, çıkış endüktansı ve filtre kondansatöründen oluşmaktadır. Birincil taraftaki iki clamping diyodu, commutating inductor içinde depolanan enerjinin anahtarlama sırasında kontrol edilmesi amacıyla kullanılmıştır.

Neden GaN kullanıldı?

Çalışmanın tasarımında GaN güç elemanları, yüksek anahtarlama performansı ve yüksek güç dönüşüm verimi sağlayabilen geniş bant aralıklı yarı iletkenler olarak kullanılmaktadır. Ancak çalışma açısından kritik nokta, hızlı anahtarlamanın EMC modelinde yüksek frekans parazitlerini önemsiz hâle getirmemesi, tam tersine PCB ve kablo parazitlerinin doğru temsil edilmesini gerektirmesidir.

Bu nedenle aktif bileşenler mevcut olduğunda üretici SPICE modelleriyle, pasif elemanlar ise ölçülmüş Touchstone modelleri veya parazitik ESR, ESL, saturasyon ve kaçak kapasitans içeren modellerle temsil edilmiştir. İdeal L ve C elemanlarıyla sınırlı bir model kullanılmamıştır.

CISPR 25 sanal test düzeneği nasıl oluşturuldu?

Çalışma 150 kHz–108 MHz CISPR 25 conducted-emission değerlendirme bandını temsil eden bir sanal EMC test rig'i kurmuştur. Yüksek gerilim bataryası ile dönüştürücü arasına LISN eklenmiş, dönüştürücü ve yük kabloları standart geometriye uygun olarak bir ground reference plane üzerinde modellenmiştir.

Kablo ve PCB elektromanyetik alanları CST Studio Suite içinde, dönüştürücü kontrolü ve elektronik elemanlar ise PathWave ADS içinde modellenmiştir. İki ortam S-parametreleri üzerinden birleştirilerek zaman alanında anahtarlama transient'leri hesaplanmış, LISN portlarındaki gerilim ve akımlar FFT ile frekans alanına dönüştürülmüş ve CISPR 25 Class 2 limitleriyle karşılaştırılmıştır.

Kablo demetleri neden ayrı ayrı karakterize edildi?

Çünkü kablo, ideal bir iletken değildir. Uzunluğu arttıkça seri endüktans, toprağa kaçak kapasitans, kablolar arası kapasitans ve frekansa bağlı rezonanslar artmaktadır.

Giriş tarafındaki shielded DC-link harness yaklaşık 0,2 m, çıkıştaki load harness ise 1 m uzunluğundadır. Araştırmacılar iki kablo demeti için common-mode ve differential-mode açık-devre/kısa-devre impedanslarını ayrı ayrı çıkarmıştır.

Bir metre uzunluğundaki yük kablosunda kapasitif ve endüktif parazitlerin belirgin biçimde daha büyük olması, güç tesisatının EMI analizinde dönüştürücü kartından bağımsız düşünülemeyeceğini göstermektedir.

Kablolar common-mode gürültüyü neden artırıyor?

Common-mode akım, iki güç iletkeninden aynı yönde akıp şasi veya referans düzlem üzerinden geri dönebilen yüksek frekanslı bileşendir. Kablonun şasiye karşı dağıtılmış kaçak kapasitansı büyüdükçe toprağa daha düşük empedanslı bir yüksek frekans yolu oluşur.

Çalışmada tam powertrain'e kablolar eklendiğinde 1 kHz–1 MHz civarında CM kaynak empedansı standalone dönüştürücüye göre düşmektedir. Araştırmacılar bunu toprağa kapasitif bağlaşımın güçlenmesi ve common-mode gürültü akımının artmasıyla ilişkilendirmektedir.

Differential-mode gürültü hangi elemanlarla belirleniyor?

Standalone PSFB'de düşük frekanstaki differential-mode kaynak empedansı büyük ölçüde DC-link kondansatörünün parazitik modeliyle belirlenmektedir.

İki adet 560 µF DC-link kondansatörü paralel olduğundan:

\[ C_{IN,total}=1120\ \mu F \]

olarak değerlendirilmiştir.

Kaynak üç frekans bölgesi ayırmaktadır:

• 10 kHz altı: kapasitif davranış,
• 10 kHz–1 MHz: yaklaşık 31,5 mΩ eşdeğer ESR tarafından belirlenen dirençli plato,
• 1 MHz üzeri: yaklaşık 4,9 nH eşdeğer ESL ve bağlantı endüktanslarının belirlediği endüktif bölge.

Common-mode gürültünün temel parazitik yolu nedir?

GaN FET'lerin yüksek dv/dt içeren birincil anahtarlama düğümlerindeki gerilim değişimleri parazitik kapasiteler üzerinden toprağa akım üretmektedir.

Kaynak modelinde başlıca kapasiteler:

• birincil taraftaki \(C_{pri}=252,8\) pF,
• transformatör sargılar arası \(C_T=60,42\) pF

olarak verilmiştir.

Bunların toplamı:

\[ C_{CM,eq}=C_{pri}+C_T=313,22\ \text{pF} \]

şeklinde kullanılmaktadır.

Transformatörün hangi parazitleri kritik?

Özellikle \(L_{pri,lk}\) ve \(C_T\), common-mode spektrumundaki megahertz bölgesi rezonanslarının açıklanmasında kullanılmaktadır.

7 MHz civarındaki common-mode tepe nereden geliyor?

Araştırmacılar standalone PSFB'nin ilk belirgin CM emisyon tepesini yaklaşık 7 MHz'de gözlemlemiştir. Teorik LC rezonansı:

\[ f_r= \frac{1} {2\pi\sqrt{LC}} \]

ile değerlendirildiğinde:

\[ f_r\approx \frac{1} {2\pi\sqrt{12,21\ \mu H \times 60,42\ pF}} \approx5,9\ \text{MHz} \]

elde edilmektedir.

Kaynak, 5,9 MHz teorik değer ile yaklaşık 7 MHz simülasyon tepesi arasındaki farkı PCB ve sistemdeki diğer parazitik elemanların rezonansı kaydırmasıyla ilişkilendirmektedir.

75 MHz bölgesindeki ana EMI tepesinin kökeni nedir?

Çalışmada clamping diyotları kapalı durumdaki en yüksek differential-mode emisyon tepelerinden biri 75,21 MHz civarında tanımlanmıştır. Araştırmacılar bu tepeyi \(C_T=60,42\) pF transformatör sargılar arası kapasitansı ile yaklaşık \(L_{loop,DM}=74,2\) nH artık yüksek frekans döngü endüktansı arasındaki rezonansla ilişkilendirmektedir.

Common-mode için de yaklaşık aynı yüksek frekans bölgesindeki belirgin tepe, \(C_{CM,eq}=313,22\) pF ile PCB ve harness kaynaklı yaklaşık \(L_{loop,CM}=14,3\) nH artık endüktansın rezonansına bağlanmaktadır.

PCB neden dört katmandan iki katmana indirildi?

İlk güç kartı dört katmanlı olarak tasarlanmıştır. Ancak çok katmanlı yapının CST içine aktarılmasında iç power/ground düzlemleri üzerindeki lumped port tanımları ve mesh maliyeti sorun oluşturmuştur.

Araştırmacılar kontrol katını elektromanyetik modelden çıkarıp ADS içinde harici devre bloğu olarak bırakmış ve güç kartını iki katmanlı geometriye dönüştürmüştür. Kartın boyutları, temel routing'i ve bileşen yerleşimi korunmuş; elektromanyetik hesaplamayı kolaylaştırmak için iz geometrileri sadeleştirilmiştir.

İki katmanlı modelde:

• bakır kalınlığı 5,8 mil,
• FR4 substrate kalınlığı 28 mil,
• port sayısı 87'den 77'ye

indirilmiştir.

İki katmanlı sadeleştirme ne kadar yakın sonuç verdi?

Dört kritik güç bağlantısındaki S-parametreleri 108 MHz'de karşılaştırılmıştır.

Seçilen yolların tamamındaki fark 1,2 dB'nin altında kalmıştır. Bu sonuç, sadeleştirilmiş modelin araştırmacıların hedeflediği baskın yüksek frekans davranışını büyük ölçüde koruduğuna ilişkin sayısal model-içi doğrulamadır.

CST elektromanyetik çözümü nasıl gerçekleştirildi?

Üç boyutlu EM çözüm frequency-domain Finite Element Method (FEM) ile yapılmıştır. CISPR 25 değerlendirme bandının ötesinde yeterli sayısal marj sağlamak amacıyla interpolating sweep DC'den 600 MHz'e kadar genişletilmiş, mesh çözüm frekansı 1 GHz seçilmiştir.

Doğrusal çözücü doğruluk eşiği:

\[ 10^{-6} \]

olarak sıkılaştırılmış; düşük frekans stabilizasyonu etkinleştirilmiştir. Adaptive mesh refinement sırasında ardışık mesh geçişleri arasındaki maksimum S-parametre değişimi için:

\[ \Delta S=0,04 \]

eşik değeri kullanılmış ve nihai çözüm bu sınırın altında yakınsamıştır.

77 portlu model ne işe yaradı?

CST çözümünden oluşan elektromanyetik yapı 77 lumped port içeren Touchstone çok-portlu S-parametre modeli olarak dışa aktarılmıştır. ADS içinde GaN FET'ler, diyotlar, transformatör, çıkış doğrultucu, batarya, LISN, yük ve kontrolcü bu portlara bağlanmıştır.

Böylece elektromanyetik geometrinin yüksek frekans davranışı ile gerçek devre anahtarlama modeli aynı transient co-simulation içinde çalıştırılabilmiştir.

Standalone PSFB'nin güç dönüşüm performansı neydi?

Clamping diyotları kapalı ve güç harness'leri sisteme eklenmemiş standalone durumda kaynak şu sonuçları vermektedir:

Kablolar eklenince güç dönüşümü nasıl değişti?

Clamping diyotları yine kapalı tutulup yüksek gerilim bataryası ve güç harness'leri eklendiğinde tam DC powertrain için:

Gerilim ripple'ındaki artış 77 mVpp, akım ripple'ındaki artış 34 mApp'dir. Kaynak bu değişimleri güç kablolarının elektriksel parazitleri ve kayıplarıyla ilişkilendirmektedir.

Kapalı çevrim kontrol kablo gerilim düşümünü nasıl telafi etti?

PSFB kontrolcüsü çıkış gerilimindeki değişime karşı anahtarlama duty cycle'ını ayarlamakta ve anahtarların açık kalma süresini genişleterek harness kaynaklı gerilim düşümünü kısmen telafi etmektedir.

Bu davranış özellikle transformatör sekonder gerilimi \(V_{sec}\) dalga biçiminde görülmektedir. Çalışmada tam powertrain'e geçildiğinde dalga biçimi değişse de dönüştürücü çıkış gerilimini 48 V hedefine yakın tutmaya devam etmektedir.

Kablolar EMI spektrumunu ne kadar değiştirdi?

Standalone dönüştürücü ile tam DC powertrain'in EMI spektrumları karşılaştırıldığında kablo demetlerinin özellikle düşük frekanslarda güçlü etkisi görülmüştür.

Kaynak geniş bant simülasyon spektrumunda 50 kHz'de:

• DM gürültü farkını 38,15 dBµV,
• CM gürültü farkını 45,22 dBµV

olarak vermektedir.

Önemli sınır: 50 kHz, çalışmanın CISPR 25 uyumluluk için kullandığı 150 kHz alt sınırının altındadır. Bu değerler standardın compliance sonucu değil, kablo etkisinin geniş bant teşhis örnekleridir.

Clamping diyotları anahtarlama transient'ini nasıl değiştirdi?

Clamping diyotları aktif edildiğinde transformatör sekonderindeki anahtarlama overshoot ve undershoot'ları belirgin biçimde azaltılmıştır.

Clamping diyotları conducted EMI'yi ne kadar azalttı?

Diyotlar aktif edildiğinde differential-mode ve common-mode EMI spektrumlarında da azalma görülmüştür.

En büyük raporlanan clamping kaynaklı EMI azalması bu değerler arasında 3,658 MHz'deki common-mode spektrumda 20,91 dBµV'dir.

Clamping diyotları açıldığında verim ne oldu?

Kaynağın tam yük ve clamp-diode-on durumunu özetleyen Tablo 3'üne göre:

Bu sonuç, clamping diyotlarının transient ve EMI tepe seviyelerini azaltmasının tek başına EMC uyumluluğu sağlamadığını göstermektedir.

CISPR 25 Class 2 sonucu nedir?

İncelenen sanal tasarım CISPR 25 Class 2 conducted-emission sınırlarını karşılamamaktadır. Çalışmanın sonucu hem standalone dönüştürücü hem de tam DC powertrain için common-mode ve differential-mode emisyonların değerlendirme bandında limitlerin üzerinde kaldığıdır.

Makalenin özetinde emisyon fazlalığının bazı bölgelerde 72 dBµV'ye kadar ulaştığı belirtilmektedir. Araştırmacılar mevcut filtrelenmemiş tasarımı nihai uyumlu ürün olarak değil, ileride tasarlanacak giriş EMI filtresi ve aktif CM bastırma yöntemleri için bir baseline olarak değerlendirmektedir.

Bu çalışma neden filtre tasarlamıyor?

Araştırmanın amacı mevcut PSFB'yi doğrudan CISPR 25 uyumlu hâle getirmekten önce, doğru gürültü kaynaklarını ve yayılım yollarını belirleyen güvenilir bir sanal model oluşturmaktır.

Sonuç bölümünde mevcut undamped EMI seviyelerinin gelecekteki özel EMI filtre tasarımı için başlangıç noktası olacağı; impedance balancing ve transformatör parazitik kapasitans kompanzasyonu gibi active common-mode cancellation yöntemlerinin gelecek çalışmalar arasında bulunduğu belirtilmektedir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• 1 kW GaN tabanlı PSFB dönüştürücü, araştırmanın sanal güç modeli altında tam yükte %97'nin üzerinde verim sağlamıştır.
• PCB, kablo ve bileşen parazitlerinin aynı EMC ortak simülasyonuna dahil edilmesi CM ve DM rezonanslarını görünür hâle getirmiştir.
• Kablo demetleri EMI kaynak empedansını ve LISN'de görülen conducted-emission seviyelerini belirgin biçimde değiştirmiştir.
• Uzun yük kablosunun parazitik kapasitans ve endüktansı kısa DC-link kablosundan belirgin biçimde yüksektir.
• İki katmanlı sadeleştirilmiş PCB modeli seçilen kritik güç yollarında dört katmanlı sayısal modele 108 MHz'de 1,2 dB'den daha küçük farkla yaklaşmıştır.
• Clamping diyotları transformatör sekonderindeki overshoot/undershoot ve çeşitli EMI tepe seviyelerini azaltmıştır.
• Clamping diyotları aktif olduğunda tam powertrain verimi %97,03 olarak raporlanmıştır.
• Clamping diyotlarına rağmen hem CM hem DM conducted emissions CISPR 25 Class 2 limitlerini aşmıştır.
• Kaynak, gelecekteki EMI filtre tasarımı için gürültü kaynakları ve rezonans bölgelerine ilişkin sayısal bir baseline oluşturmuştur.

Çalışmanın desteklemediği veya test etmediği sonuçlar

• Fiziksel PSFB prototipinin CISPR 25 Class 2 testinden geçtiği gösterilmemiştir.
• Fiziksel araç üzerinde conducted EMI ölçümü yapılmamıştır.
• Sanal model sonuçları gerçek araç emisyonlarının birebir ölçülmüş değerleri değildir.
• Çalışmada nihai giriş EMI filtresi tasarlanıp doğrulanmamıştır.
• Aktif common-mode cancellation fiziksel olarak uygulanmamıştır.
• LLC, DAB veya diğer izole topolojilerle doğrudan deneysel karşılaştırma yapılmamıştır.
• GaN ve Si anahtarlama elemanları aynı donanım üzerinde karşılaştırılmamıştır.
• Dört katmanlı–iki katmanlı PCB doğrulaması fiziksel VNA kart ölçümü değildir; iki sayısal model arasındaki S-parametre karşılaştırmasıdır.
• Modelin bütün araç kablo uzunluklarına ve bütün EV mimarilerine aynı doğrulukla genellenebileceği gösterilmemiştir.
• Yüksek verimin otomatik olarak EMC uyumluluğu sağladığı gösterilmemiştir; çalışma tam tersine iki performans alanının ayrı değerlendirilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Sanal EMC modelleme zinciri

Elektromanyetik çözüm ve ortak simülasyon ayarları

Verim üzerindeki sistem entegrasyonu ve clamping etkisi

Verim sonuçları clamping diyotlarının tam DC powertrain durumunda yalnız EMI transient'lerini değil genel güç dönüşüm performansını da etkilediğini göstermektedir. Bununla birlikte çalışmanın ana EMC sonucu değişmemiştir: %97'nin üzerindeki verim CISPR 25 uyumluluğu sağlamamıştır.

Clamping diyotlarının conducted EMI üzerindeki sayısal etkisi

CM tarafındaki 3,658 MHz sonucu clamping diyotlarının belirli rezonans bölgelerinde çok güçlü sönüm sağlayabildiğini göstermektedir. Ancak EMI spektrumu tek bir frekanstan oluşmadığı için birkaç tepenin azaltılması tüm CISPR 25 bandının uyumlu hâle gelmesi için yeterli olmamıştır.

Şekil 22 ve Şekil 24'ün temel mesajı

Şekil 22 standalone PSFB ile tam DC powertrain'in CM ve DM spektrumlarını karşılaştırmaktadır. Tam powertrain spektrumunun özellikle düşük ve orta frekanslarda yükselmesi, harness'lerin yalnız pasif bağlantı elemanları olmadığını açık biçimde göstermektedir.

Şekil 24 aynı tam powertrain'i clamping diyotları kapalı ve açık durumda karşılaştırmaktadır. Açık durum birçok rezonans tepesini aşağı çekmesine rağmen spektrumun geniş kısmı Class 2 limit çizgisinin üzerinde kalmaktadır. Bu iki şekil birlikte incelendiğinde çalışmanın ana tasarım mesajı ortaya çıkar: EMI sorununun çözümü yalnız switching-node clamp ile sınırlı değildir; güç ağı ve kablo yayılım yollarını hedefleyen ek filtreleme gerekmektedir.

Modelin doğrulama düzeyi

Başlıca yöntemsel sınırlılıklar

• Çalışmanın nihai EMI sonuçları simülasyon tabanlıdır.
• Fiziksel PSFB kartı üzerinde CISPR 25 conducted-emission ölçüm korelasyonu raporlanmamıştır.
• PCB'nin iki katmanlı EM sadeleştirmesi sayısal S-parametre karşılaştırmasıyla doğrulanmıştır; fiziksel kart ölçümüyle değil.
• Kontrol katı CST 3D modeline doğrudan dahil edilmemiş, ADS içinde harici circuit block olarak bağlanmıştır.
• Power harness etkileri belirli uzunluk, kablo tipi, kalkan ve ground-plane geometrisine bağlıdır.
• Çalışmanın nihai tasarımında giriş EMI filtresi bulunmamaktadır.
• Clamping diyotları bütün spektrumdaki CISPR 25 aşımını ortadan kaldırmamaktadır.
• Aktif common-mode cancellation yalnız gelecek çalışma önerisidir.
• Farklı izole DC–DC topolojileri mevcut çalışmada aynı test bench üzerinde karşılaştırılmamıştır.
• Si ve GaN elemanlarının EMI farkı doğrudan incelenmemiştir.
• 50 kHz'de verilen harness kaynaklı CM/DM farkları CISPR 25'in 150 kHz alt sınırının dışındaki tanısal simülasyon noktalarıdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Broadband Simulation-Based EMC Modeling and EMI Assessment of a GaN-Based Phase-Shift Full-Bridge Converter for EV DC Powertrains

Yazarlar: Sofiane Khelladi, Nassim Rizoug, Cristina Morel ve Abdelchafik Hadjadj.

Yazar sırası: 1. Sofiane Khelladi; 2. Nassim Rizoug; 3. Cristina Morel; 4. Abdelchafik Hadjadj.

Sorumlu yazarlar: Sofiane Khelladi ve Cristina Morel.

Eş katkı/eş birinci yazarlık: Kaynakta belirtilmemiştir.

Kurumlar:

1. LACoSERE Laboratory, University of Amar Telidji, Laghouat 03000, Algeria.
2. ESTACA’Lab-Laval, École Supérieure des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile (ESTACA), F-53000 Laval, France.

Dergi: Actuators.

Yayınevi: MDPI, Basel, Switzerland.

Bibliyografik bilgi: Actuators 2026, 15(6), 340.

DOI:10.3390/act15060340

Resmî yayın bağlantısı:MDPI – Actuators 15(6), 340

Yayın tarihi: 13 Haziran 2026. Çalışma 27 Nisan 2026'da alınmış, 8 Haziran 2026'da revize edilmiş ve 9 Haziran 2026'da kabul edilmiştir.

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Actuators dergisinde kabul edilerek yayımlanmış hakemli araştırma makalesidir. Bilimsel yöntem tam dalga elektromanyetik modelleme, devre ortak simülasyonu ve sanal CISPR 25 conducted-EMI değerlendirmesine dayanmaktadır.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY).

Akademik editör: Dong Jiang.

Finansman: Yazarlar araştırmanın dış finansman almadığını bildirmiştir.

Etik kurul: Uygulanabilir değildir.

Bilgilendirilmiş onam: Uygulanabilir değildir.

Veri erişilebilirliği: Çalışmada sunulan verilerin sorumlu yazarlardan talep üzerine edinilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bulunmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma, metodoloji ve doğrulama Nassim Rizoug; yazılım, araştırma, analiz ve ilk taslak Sofiane Khelladi; inceleme ve düzenleme Cristina Morel; danışmanlık Abdelchafik Hadjadj tarafından yürütülmüştür.

Bilimsel kapsam: Çalışma, 400 V girişten 48 V çıkış üreten 1 kW GaN tabanlı PSFB dönüştürücünün PCB, güç harness'leri, HV batarya, LISN, yük ve bileşen parazitlerini kapsayan geniş bant EMC sanal modelini geliştirmektedir. Sonuçlar 150 kHz–108 MHz CISPR 25 conducted-emission değerlendirmesine odaklanmaktadır.

Simülasyon sınırı: Çalışmanın verim ve EMI sonuçları sanal prototipten elde edilmiştir. Fiziksel araç, fiziksel PSFB EMC prototipi veya akredite CISPR 25 laboratuvar ölçümüyle tam sistem korelasyonu raporlanmamıştır.

PCB sadeleştirme sınırı: Dört katmanlı kart, CST port tanımlama ve mesh gereksinimleri nedeniyle iki katmanlı elektromanyetik güç modeliyle sadeleştirilmiştir. Seçilen dört kritik güç yolunda 108 MHz farkları 0,02–1,11 dB arasında bulunmuştur. Bu karşılaştırma sayısal model–sayısal model doğrulamasıdır.

Kablo etkisi sınırı: DC-link ve load harness sonuçları çalışmadaki 0,2 m ve 1 m shielded cable geometrilerine bağlıdır. Farklı kablo uzunluğu, kalkan, şasi mesafesi veya routing aynı CM/DM impedanslarını üretmek zorunda değildir.

50 kHz notu: Çalışmada kablo etkisini örneklemek için 50 kHz'de DM için 38,15 dBµV ve CM için 45,22 dBµV fark verilmektedir. CISPR 25 değerlendirme bandı 150 kHz'de başladığı için bu örnekler standardın compliance bandı dışındaki geniş bant teşhis değerleridir.

Clamping diyodu ve verim notu: Tam DC powertrain için Şekil 20'de clamping diyotları kapalı verim %96,62, Tablo 3'te clamping diyotları açık verim %97,03'tür. Bu iki sayı farklı çalışma koşullarını temsil etmektedir ve kaynak içi çelişki olarak değerlendirilmemelidir.

EMC sonuç sınırı: Clamping diyotları bazı CM/DM gürültü bileşenlerini 20,91 dBµV'ye kadar azaltmasına rağmen filtrelenmemiş tam DC powertrain modeli CISPR 25 Class 2 limitlerini karşılamamaktadır.

Gelecek çalışma: Yazarlar mevcut EMI sonuçlarını özel giriş filtresi tasarımı için baseline olarak kullanmayı; impedance balancing, transformer parasitic capacitance compensation ve aktif common-mode EMI cancellation yöntemlerini araştırmayı; ayrıca LLC ve DAB gibi farklı izole topolojiler ile Si–GaN karşılaştırmalarını incelemeyi önermektedir.

Bu Verianla içeriğindeki elektromanyetik model, parazitik parametreler, verim değerleri, rezonans yorumları, EMI azalmaları ve CISPR 25 sonucu yalnızca incelenen çalışmaya dayanmaktadır. Dış kaynak yalnız bibliyografik yayın kimliğinin doğrulanması amacıyla kullanılmış; dışarıdan yeni deneysel EMI sonucu, araç performansı veya EMC iddiası eklenmemiştir.