Таҳқиқот мутобиқати электромагнитии табдилдиҳандаи 1 kW-и phase-shift full-bridge (PSFB) DC–DC бар пояи нитриди галлий (GaN)-ро, ки барои системаҳои баландшиддати интиқоли қувваи DC-и нақлиёти барқӣ пешбинӣ шудааст, бо прототипсозии маҷозии фарохмаҷро меомӯзад. Модели пурмавҷу сеченаи электромагнитӣ дар CST Studio Suite бо симулятсияи занҷирии PathWave ADS якҷо карда шудааст; паразитҳои PCB, унсурҳои қуввагии GaN, трансформатор, конденсатори DC-link, батареяи баландшиддат, LISN ва кабелҳои қуввагии экраншуда ба як занҷири ягонаи симулятсия ворид карда шудаанд. Табдилдиҳанда дар ҳолати standalone бо бори пурра ба самаранокии %97,26 ва дар системаи пурраи DC powertrain бо clamping diode-ҳои фаъол ба %97,03 расидааст. Бо вуҷуди ин, эмиссияҳои гузарондаи common-mode ва differential-mode дар банди арзёбии 150 kHz–108 MHz-и CISPR 25 аз ҳудудҳои Class 2 гузаштаанд. Натиҷаҳо ба модели маҷозии EMC асос ёфтаанд; тасдиқи CISPR 25 дар воситаи нақлиёти воқеӣ ё лаборатория анҷом дода нашудааст.
Паёми асосии муҳандисии таҳқиқот ин аст, ки самаранокии баланд худ аз худ маънои мутобиқати электромагнитиро надорад. Гузаришҳои босуръати калидҳои GaN кори бартаридоштаи табдилдиҳандаро аз ҷиҳати зичии қувва ва самаранокӣ дастгирӣ мекунанд, аммо индуктивиятҳои тақсимшуда ва иқтидорҳои ихроҷӣ дар PCB, трансформатор ва махсусан кабелҳои қуввагии нақлиёт роҳҳои паҳншавии садои басомади баландро муайян мекунанд. Аз ҳамин сабаб, муҳаққиқон на танҳо схемаи табдилдиҳанда, балки тамоми шабакаи DC-и қувваеро, ки табдилдиҳанда ба он пайваст аст, ба модели EMC ворид кардаанд.
Илова кардани бастаҳои кабелӣ ба система рафтори табдилдиҳандаро ба таври ченшаванда тағйир додааст. Вақте clamping diode-ҳо хомӯш буданд, самаранокии табдилдиҳандаи standalone %97,26 буд, аммо дар симулятсияи пурраи DC powertrain ба %96,62 коҳиш ёфт; ripple-и шиддати баромад аз 403 mVpp ба 480 mVpp ва ripple-и ҷараёни баромад аз 175 mApp ба 209 mApp афзуд. Муҳаққиқон нишон медиҳанд, ки муқовимат, индуктивияти тақсимшуда ва иқтидорҳои ихроҷии кабелҳои қуввагӣ ҳам ба табдили қувва ва ҳам ба паҳншавии EMI таъсир мерасонанд.
Фаъол кардани clamping diode-ҳо ларзишҳои коммутатсиониро ба таври назаррас хомӯш кардааст. Overshoot-и шиддати дуюмдараҷаи трансформатор 136,1 V ва undershoot 24,61 V коҳиш ёфтааст; дар ҷузъҳои спектрӣ дар 6,7 MHz коҳиши 12,35 dBV ва дар 102,4 MHz коҳиши 19,44 dBV ба даст омадааст. Аз нигоҳи EMI-и гузаронда, дар қуллаи асосии садои differential-mode тақрибан дар 70,45 MHz коҳиши 12,69 dBµV ва дар садои common-mode дар 3,658 MHz то ҳадди бештар 20,91 dBµV коҳиш гузориш шудааст. Бо вуҷуди ин, мутобиқати CISPR 25 Class 2 таъмин нашудааст.
Таҳқиқот ҳамчунин нишон медиҳад, ки EMI аз як манбаи ягона ба вуҷуд намеояд. Садои differential-mode дар басомадҳои паст асосан бо импеданси конденсатори DC-link муайян мешавад, дар ҳоле ки дар басомадҳои баланд индуктивиятҳои кабел ва PCB аҳамияти бештар пайдо мекунанд. Садои common-mode бошад, тавассути иқтидорҳои паразитӣ аз гиреҳҳои коммутатсионии GaN ба замин ва тавассути иқтидори байнипечии трансформатор паҳн мешавад. Модел қуллаҳои равшани EMI-ро дар минтақаҳои 7 MHz ва тақрибан 75 MHz ба ҳамин резонансҳои паразитии LC нисбат медиҳад.
Арзёбӣ аз нигоҳи Туркия: Ин таҳқиқот барои гурӯҳҳое, ки дар Туркия дар соҳаҳои электроникаи қувваи нақлиёти барқӣ, табдилдиҳандаҳои маҳаллии DC–DC, ноқилгузории баландшиддати дохили нақлиёт ва тарҳи EMC-и автомобилӣ фаъолият мекунанд, махсусан дар марҳилаи аввали тарҳрезӣ арзишманд аст. Омӯхтани таъсири дарозии кабели қувва, паразитҳои трансформатор, унсурҳои DC-link ва гиреҳҳои коммутатсионӣ ба EMI дар муҳити маҷозӣ пеш аз истеҳсоли физикии PCB равиши муҳандисие пешниҳод мекунад, ки метавонад давраҳои гаронарзиши бозтарҳрезиро коҳиш диҳад. Аммо арзишҳои ададии таҳқиқот ба геометрияи муайяни PSFB, унсурҳои GaN, нуқтаи кори 400 V/48 V, сохтори кабелии моделшуда ва дастгоҳи маҷозии санҷиши CISPR 25 тааллуқ доранд; ҳамон сатҳҳои эмиссияро ба платформаҳои дигари нақлиётӣ мустақиман интиқол додан мумкин нест.
Масъалаи асосии таҳқиқот чист?
Дар нақлиёти барқӣ барои интиқоли энергия аз батареяи баландшиддат ба системаҳои ёрирасони пастшиддат, ба монанди 12 V, 24 V ё 48 V, табдилдиҳандаҳои изолятсияшудаи DC–DC истифода мешаванд. Дар ин таҳқиқот ҳадаф табдилдиҳандаи 1 kW-и PSFB мебошад, ки аз вуруди 400 V DC баромади 48 V DC медиҳад.
Дар электроникаи қувва танҳо самаранокии табдили энергия кофӣ нест. Тағйироти босуръати шиддат ва ҷараён дар унсурҳои коммутатсионӣ метавонанд халали электромагнитиро ба вуҷуд оранд, ки тавассути кабелҳо, роҳҳои PCB, конденсаторҳо, трансформатор ва шасси паҳн мешавад. Аз ин рӯ, саволи асосии таҳқиқот чунин аст: Рафтори EMI-и табдилдиҳандаи баландсамари PSFB бар пояи GaN-ро на танҳо бо модели занҷирӣ, балки бо тамоми паразитҳои занҷири интиқоли қувваи DC то чӣ андоза муфассал ба таври маҷозӣ моделсозӣ кардан мумкин аст?
Кадом системаи интиқоли қувва моделсозӣ шудааст?
Системаи маҷозии таҳқиқот аз панҷ қисми асосӣ иборат аст:
- модели батареяи Li-ion-и баландшиддати 400 V,
- LISN-и баландшиддати CISPR 25,
- бастаи кабелии экраншудаи вуруд/DC-link бо дарозии 0,2 m,
- табдилдиҳандаи 1 kW-и PSFB DC–DC бар пояи GaN,
- бастаи кабелии баромад/бор бо дарозии 1 m ва бори статикӣ.
Ин тарҳ на танҳо схемаи барқии платаи табдилдиҳанда, балки ҷойгиршавии фазоии кабелҳо, сатҳи истинодии замин ва пайвастшавии иқтидории кабел–шассиро низ дар бар мегирад.
Хусусиятҳои асосии табдилдиҳандаи PSFB кадоманд?
| Хусусият | Арзиши истифодашуда дар таҳқиқот |
|---|---|
| Шиддати вуруди DC | 400 V |
| Шиддати максималии баромад | 48 V |
| Қувваи максималии баромад | 1 kW |
| Ҷараёни баромад дар бори пурра | ≈20,83 A |
| Басомади коммутатсия | 100 kHz |
| Равиши идоракунӣ | Peak Current Mode Control |
| Нимноқили асосии қуввагӣ | FET-ҳои қуввагии GaN |
Табдилдиҳанда дар тарафи аввалия аз phase-shift full-bridge-и чоркалидӣ, трансформатори басомади баланд, росткунандаи дуюмдараҷа, индуктивияти баромад ва конденсатори филтр иборат аст. Ду clamping diode дар тарафи аввалия барои идора кардани энергияи захирашуда дар commutating inductor ҳангоми коммутатсия истифода шудаанд.
Чаро GaN истифода шудааст?
Дар тарҳи таҳқиқот унсурҳои қуввагии GaN ҳамчун нимноқилҳои дорои минтақаи васеи мамнӯъ истифода мешаванд, ки метавонанд иҷрои баланди коммутатсионӣ ва самаранокии баланди табдили қувваро таъмин кунанд. Аммо нуқтаи муҳим барои ин таҳқиқот он аст, ки коммутатсияи босуръат паразитҳои басомади баландро дар модели EMC беаҳамият намекунад, баръакс, пешниҳоди дурусти паразитҳои PCB ва кабелро талаб мекунад.
Аз ин рӯ, ҳангоми мавҷуд будани ҷузъҳои фаъол моделҳои SPICE-и истеҳсолкунанда истифода шудаанд, дар ҳоле ки ҷузъҳои ғайрифаъол бо моделҳои ченшудаи Touchstone ё моделҳое, ки ESR, ESL, saturatsiya ва иқтидори ихроҷии паразитиро дар бар мегиранд, пешниҳод шудаанд. Моделе, ки танҳо бо унсурҳои идеалии L ва C маҳдуд бошад, истифода нашудааст.
Дастгоҳи маҷозии санҷиши CISPR 25 чӣ гуна сохта шуд?
Таҳқиқот virtual EMC test rig-еро сохтааст, ки банди арзёбии 150 kHz–108 MHz-и CISPR 25 conducted-emission-ро ифода мекунад. Байни батареяи баландшиддат ва табдилдиҳанда LISN илова шуда, кабелҳои табдилдиҳанда ва бор мувофиқи геометрияи стандартӣ дар рӯи ground reference plane моделсозӣ шудаанд.
Майдонҳои электромагнитии кабел ва PCB дар CST Studio Suite ва идоракунии табдилдиҳанда ва унсурҳои электронӣ дар PathWave ADS моделсозӣ шудаанд. Ду муҳит тавассути S-параметрҳо якҷо карда шуда, transient-ҳои коммутатсионӣ дар домени вақт ҳисоб шудаанд, шиддат ва ҷараёнҳои портҳои LISN бо FFT ба домени басомад табдил дода шудаанд ва бо ҳудудҳои CISPR 25 Class 2 муқоиса шудаанд.
Чаро бастаҳои кабелӣ алоҳида тавсиф шуданд?
Зеро кабел ноқили идеалӣ нест. Бо зиёд шудани дарозӣ, индуктивияти пайдарпай, иқтидори ихроҷӣ ба замин, иқтидори байникабелӣ ва резонансҳои вобаста ба басомад афзоиш меёбанд.
Shielded DC-link harness дар тарафи вуруд тақрибан 0,2 m ва load harness дар баромад 1 m дарозӣ дорад. Муҳаққиқон барои ҳар ду бастаи кабелӣ импедансҳои open-circuit/short-circuit-и common-mode ва differential-mode-ро алоҳида ба даст овардаанд.
| Параметри кабел | DC-link harness | Load harness |
|---|---|---|
| Иқтидори эквивалентии open-circuit-и CM | 171 pF | 809 pF |
| Иқтидори эквивалентии open-circuit-и DM | 46,29 pF | 215,7 pF |
| Индуктивияти эквивалентии short-circuit-и CM | 60,40 nH | 590,3 nH |
| Индуктивияти эквивалентии short-circuit-и DM | 126,4 nH | 1,391 µH |
| Иқтидори ground coupling-и як кабел | 83,77 pF | 405,1 pF |
Ба таври назаррас калонтар будани паразитҳои иқтидорӣ ва индуктивӣ дар кабели бори якметра нишон медиҳад, ки ноқилгузории қувваро дар таҳлили EMI аз платаи табдилдиҳанда ҷудо баррасӣ кардан мумкин нест.
Чаро кабелҳо садои common-mode-ро зиёд мекунанд?
Ҷараёни common-mode ҷузъи басомади баландест, ки аз ду ноқили қувва дар як самт ҷорӣ шуда, метавонад тавассути шасси ё сатҳи истинодӣ баргардад. Бо зиёд шудани иқтидори тақсимшудаи ихроҷии кабел нисбат ба шасси, роҳи басомади баланд бо импеданси пасттар ба замин ба вуҷуд меояд.
Дар таҳқиқот, вақте кабелҳо ба powertrain-и пурра илова мешаванд, импеданси манбаи CM тақрибан дар 1 kHz–1 MHz нисбат ба табдилдиҳандаи standalone коҳиш меёбад. Муҳаққиқон инро бо қавитар шудани пайвастшавии иқтидорӣ ба замин ва зиёд шудани ҷараёни садои common-mode алоқаманд мекунанд.
Садои differential-mode бо кадом унсурҳо муайян мешавад?
Дар standalone PSFB импеданси манбаи differential-mode дар басомадҳои паст асосан бо модели паразитии конденсатори DC-link муайян мешавад.
Азбаски ду конденсатори 560 µF-и DC-link параллел мебошанд:
\[ C_{IN,total}=1120\ \mu F \]
ба ҳамин шакл арзёбӣ шудааст.
Манбаъ се минтақаи басомадро ҷудо мекунад:
- зери 10 kHz: рафтори иқтидорӣ,
- 10 kHz–1 MHz: платои муқовиматӣ, ки бо ESR-и эквивалентии тақрибан 31,5 mΩ муайян мешавад,
- болои 1 MHz: минтақаи индуктивӣ, ки бо ESL-и эквивалентии тақрибан 4,9 nH ва индуктивиятҳои пайвастшавӣ муайян мешавад.
Роҳи асосии паразитии садои common-mode кадом аст?
Тағйироти шиддат дар гиреҳҳои коммутатсионии аввалияи GaN FET-ҳо, ки dv/dt-и баланд доранд, тавассути иқтидорҳои паразитӣ ба замин ҷараён ба вуҷуд меоранд.
Дар модели манбаъ иқтидорҳои асосӣ:
- \(C_{pri}=252,8\) pF дар тарафи аввалия,
- \(C_T=60,42\) pF иқтидори байнипечии трансформатор
дода шудаанд.
Ҷамъи онҳо:
\[ C_{CM,eq}=C_{pri}+C_T=313,22\ \text{pF} \]
ба ҳамин шакл истифода мешавад.
Кадом паразитҳои трансформатор муҳиманд?
| Параметр | Арзиш |
|---|---|
| Муқовимати печи аввалия \(R_{pri}\) | 29,23 mΩ |
| Индуктивияти ихроҷии аввалия \(L_{pri,lk}\) | 12,21 µH |
| Муқовимати печи дуюмдараҷа \(R_{sec}\) | 1,44 mΩ |
| Индуктивияти ихроҷии дуюмдараҷа \(L_{sec,lk}\) | 0,179 µH |
| Иқтидори паразитии аввалия \(C_{pri}\) | 252,8 pF |
| Иқтидори байнипечӣ \(C_T\) | 60,42 pF |
Махсусан \(L_{pri,lk}\) ва \(C_T\) барои шарҳи резонансҳои минтақаи мегагерц дар спектри common-mode истифода мешаванд.
Қуллаи common-mode дар атрофи 7 MHz аз куҷо меояд?
Муҳаққиқон аввалин қуллаи равшани эмиссияи CM-и standalone PSFB-ро тақрибан дар 7 MHz мушоҳида кардаанд. Резонанси назариявии LC:
\[ f_r= \frac{1} {2\pi\sqrt{LC}} \]
ҳангоми арзёбӣ бо он:
\[ f_r\approx \frac{1} {2\pi\sqrt{12,21\ \mu H \times 60,42\ pF}} \approx5,9\ \text{MHz} \]
ба даст меояд.
Манбаъ фарқи байни арзиши назариявии 5,9 MHz ва қуллаи симулятсионии тақрибан 7 MHz-ро ба он нисбат медиҳад, ки PCB ва дигар унсурҳои паразитии система басомади резонансро ҷобаҷо мекунанд.
Манбаи қуллаи асосии EMI дар минтақаи 75 MHz чист?
Дар таҳқиқот яке аз баландтарин қуллаҳои эмиссияи differential-mode дар ҳолати хомӯш будани clamping diode-ҳо дар атрофи 75,21 MHz муайян шудааст. Муҳаққиқон ин қулларо ба резонанс байни иқтидори байнипечии трансформатор \(C_T=60,42\) pF ва индуктивияти боқимондаи контури басомади баланд \(L_{loop,DM}=74,2\) nH нисбат медиҳанд.
Барои common-mode низ қуллаи равшан дар тақрибан ҳамин минтақаи басомади баланд ба резонанси байни \(C_{CM,eq}=313,22\) pF ва индуктивияти боқимондаи тақрибан \(L_{loop,CM}=14,3\) nH, ки аз PCB ва harness ба вуҷуд меояд, нисбат дода мешавад.
Чаро PCB аз чорқабата ба дуқабата кам карда шуд?
Платаи ибтидоии қуввагӣ ҳамчун сохтори чорқабата тарҳрезӣ шуда буд. Аммо ҳангоми интиқоли сохтори бисёрқабата ба CST, таърифҳои lumped port дар сатҳҳои дохилии power/ground ва хароҷоти mesh мушкил эҷод карданд.
Муҳаққиқон қабати идоракуниро аз модели электромагнитӣ хориҷ карда, онро дар ADS ҳамчун блоки берунии занҷирӣ нигоҳ доштанд ва платаи қувваро ба геометрияи дуқабата табдил доданд. Андозаҳои плата, routing-и асосӣ ва ҷойгиршавии ҷузъҳо нигоҳ дошта шуданд; барои осон кардани ҳисобкунии электромагнитӣ геометрияи роҳҳо содда карда шуд.
Дар модели дуқабата:
- ғафсии мис 5,8 mil,
- ғафсии FR4 substrate 28 mil,
- шумораи портҳо аз 87 ба 77
кам карда шуд.
Соддасозии дуқабата то чӣ андоза натиҷаи наздик дод?
S-параметрҳо дар чор пайвасти муҳими қуввагӣ дар 108 MHz муқоиса шуданд.
| Параметр | Модели дуқабата | Модели чорқабата | Фарқи мутлақ |
|---|---|---|---|
| S11 — шинаи қувваи вуруд | −2,12 dB | −2,14 dB | 0,02 dB |
| S29 — шинаи қувваи баромад | −9,41 dB | −10,18 dB | 0,77 dB |
| S34 — leading leg → трансформатор | −3,63 dB | −4,55 dB | 0,92 dB |
| S56 — lagging leg → трансформатор | −1,53 dB | −2,64 dB | 1,11 dB |
Фарқ дар ҳамаи роҳҳои интихобшуда аз 1,2 dB кам монд. Ин натиҷа тасдиқи ададии дохилимоделӣ мебошад, ки модели соддашуда рафтори ҳукмрони басомади баландеро, ки муҳаққиқон ҳадаф доштанд, то андозаи зиёд нигоҳ доштааст.
Ҳалли электромагнитии CST чӣ гуна иҷро шуд?
Ҳалли сеченаи EM бо frequency-domain Finite Element Method (FEM) анҷом дода шуд. Барои таъмини ҳошияи кофии ададӣ берун аз банди арзёбии CISPR 25, interpolating sweep аз DC то 600 MHz васеъ карда шуд ва басомади ҳалли mesh 1 GHz интихоб гардид.
Ҳадди дақиқии ҳалкунандаи хаттӣ:
\[ 10^{-6} \]
сахттар карда шуд; устуворсозии басомадҳои паст фаъол гардид. Ҳангоми Adaptive mesh refinement барои тағйироти максималии S-параметр байни гузаришҳои пайдарпайи mesh:
\[ \Delta S=0,04 \]
ҳамчун ҳад истифода шуд ва ҳалли ниҳоӣ дар поёнтар аз ин ҳад ҳамгаро гардид.
Модели 77-портӣ барои чӣ истифода шуд?
Сохтори электромагнитии ҳосилшуда аз ҳалли CST ҳамчун модели бисёрпортии Touchstone S-параметр бо 77 lumped port содир карда шуд. Дар ADS, GaN FET-ҳо, diode-ҳо, трансформатор, росткунандаи баромад, батарея, LISN, бор ва контроллер ба ин портҳо пайваст карда шуданд.
Ҳамин тавр, рафтори басомади баланди геометрияи электромагнитӣ ва модели воқеии коммутатсионии занҷир дар як transient co-simulation ҳамзамон кор карда тавонистанд.
Кори табдили қувваи standalone PSFB чӣ гуна буд?
Дар ҳолати standalone, ки clamping diode-ҳо хомӯш буданд ва power harness-ҳо ба система илова нашуда буданд, манбаъ натиҷаҳои зеринро медиҳад:
| Меъёр | Standalone PSFB |
|---|---|
| Шиддати вуруд | 400 V |
| Шиддати баромад | 47,910 V |
| Ҷараёни баромад | 20,830 A |
| Қувваи вуруд | 1026,1 W |
| Қувваи баромад | 998,0 W |
| Самаранокӣ | %97,26 |
| Ripple-и шиддати баромад | 403 mVpp |
| Ripple-и ҷараёни баромад | 175 mApp |
Бо илова шудани кабелҳо табдили қувва чӣ гуна тағйир ёфт?
Вақте clamping diode-ҳо боз ҳам хомӯш нигоҳ дошта шуданд ва батареяи баландшиддат ва power harness-ҳо илова гардиданд, барои DC powertrain-и пурра:
| Меъёр | Standalone PSFB | DC powertrain-и пурра |
|---|---|---|
| Самаранокӣ | %97,26 | %96,62 |
| Шиддати баромад | 47,910 V | 47,559 V |
| Ҷараёни баромад | 20,830 A | 20,678 A |
| Ripple-и шиддати баромад | 403 mVpp | 480 mVpp |
| Ripple-и ҷараёни баромад | 175 mApp | 209 mApp |
Афзоиши ripple-и шиддат 77 mVpp ва афзоиши ripple-и ҷараён 34 mApp мебошад. Манбаъ ин тағйиротро ба паразитҳои барқӣ ва талафоти кабелҳои қувва нисбат медиҳад.
Идоракунии ҳалқаи пӯшида пастшавии шиддат дар кабелро чӣ гуна ҷуброн кард?
Контроллери PSFB дар посух ба тағйири шиддати баромад duty cycle-и коммутатсияро танзим мекунад ва бо дарозтар кардани вақти кушода мондани калидҳо пастшавии шиддатро, ки аз harness ба вуҷуд меояд, қисман ҷуброн мекунад.
Ин рафтор махсусан дар шакли мавҷи шиддати дуюмдараҷаи трансформатор \(V_{sec}\) дида мешавад. Дар таҳқиқот ҳангоми гузариш ба powertrain-и пурра, гарчанде шакли мавҷ тағйир меёбад, табдилдиҳанда шиддати баромадро наздик ба ҳадафи 48 V нигоҳ медорад.
Кабелҳо спектри EMI-ро то чӣ андоза тағйир доданд?
Ҳангоми муқоисаи спектрҳои EMI-и табдилдиҳандаи standalone ва DC powertrain-и пурра таъсири қавии бастаҳои кабелӣ, махсусан дар басомадҳои паст, мушоҳида шуд.
Манбаъ дар спектри симулятсияи фарохмаҷро дар 50 kHz:
- фарқи садои DM-ро 38,15 dBµV,
- фарқи садои CM-ро 45,22 dBµV
нишон медиҳад.
Ҳадди муҳим: 50 kHz аз ҳадди поёнии 150 kHz, ки таҳқиқот барои мутобиқати CISPR 25 истифода мекунад, пасттар аст. Ин арзишҳо натиҷаи compliance-и стандарт нестанд, балки намунаҳои ташхисии фарохмаҷрои таъсири кабел мебошанд.
Clamping diode-ҳо transient-и коммутатсиониро чӣ гуна тағйир доданд?
Ҳангоми фаъол кардани clamping diode-ҳо overshoot ва undershoot-и коммутатсионӣ дар тарафи дуюмдараҷаи трансформатор ба таври назаррас коҳиш ёфтанд.
| Меъёр | Коҳиши гузоришшуда дар манбаъ |
|---|---|
| Overshoot | 136,1 V |
| Undershoot | 24,61 V |
| Ҷузъи спектрии 6,7 MHz | 12,35 dBV |
| Ҷузъи спектрии 102,4 MHz | 19,44 dBV |
Clamping diode-ҳо conducted EMI-ро то чӣ андоза кам карданд?
Ҳангоми фаъол кардани diode-ҳо дар спектрҳои differential-mode ва common-mode EMI низ коҳиш дида шуд.
| Навъи садо | Басомад | Коҳиш |
|---|---|---|
| DM | 500 kHz | 3,6 dBµV |
| DM | ≈70,45 MHz қуллаи асосӣ | 12,69 dBµV |
| CM | 3,658 MHz | 20,91 dBµV |
| CM | 70,45 MHz | 3,69 dBµV |
Дар байни ин арзишҳо бузургтарин коҳиши EMI вобаста ба clamping дар спектри common-mode-и 3,658 MHz ба 20,91 dBµV баробар аст.
Ҳангоми фаъол шудани clamping diode-ҳо самаранокӣ чӣ қадар шуд?
Мувофиқи Ҷадвали 3-и манбаъ, ки ҳолати бори пурра ва clamp-diode-on-ро ҷамъбаст мекунад:
| Конфигуратсия | Самаранокӣ | CM CISPR 25 Class 2 | DM CISPR 25 Class 2 |
|---|---|---|---|
| Standalone PSFB | %97,26 | Ҳад гузашта шудааст | Ҳад гузашта шудааст |
| DC powertrain-и пурра | %97,03 | Ҳад гузашта шудааст | Ҳад гузашта шудааст |
Ин натиҷа нишон медиҳад, ки кам шудани transient ва сатҳҳои қуллаи EMI тавассути clamping diode-ҳо худ аз худ мутобиқати EMC-ро таъмин намекунад.
Натиҷаи CISPR 25 Class 2 чист?
Тарҳи маҷозии баррасишуда ба ҳудудҳои CISPR 25 Class 2 conducted-emission ҷавобгӯ нест. Натиҷаи таҳқиқот ин аст, ки ҳам барои табдилдиҳандаи standalone ва ҳам барои DC powertrain-и пурра эмиссияҳои common-mode ва differential-mode дар банди арзёбӣ аз ҳудудҳо боло мондаанд.
Дар хулосаи мақола гуфта мешавад, ки зиёдатии эмиссия дар баъзе минтақаҳо то 72 dBµV мерасад. Муҳаққиқон тарҳи мавҷудаи бефилтрро ҳамчун маҳсулоти ниҳоии мутобиқ не, балки ҳамчун baseline барои тарҳи ояндаи филтри вуруди EMI ва усулҳои фаъоли фурӯнишонии CM арзёбӣ мекунанд.
Чаро ин таҳқиқот филтр тарҳрезӣ намекунад?
Ҳадафи таҳқиқот пеш аз он ки PSFB-и мавҷуда мустақиман ба CISPR 25 мутобиқ карда шавад, сохтани модели боэътимоди маҷозӣ мебошад, ки манбаъҳои дурусти садо ва роҳҳои паҳншавиро муайян мекунад.
Дар бахши натиҷа гуфта мешавад, ки сатҳҳои мавҷудаи undamped EMI нуқтаи ибтидоӣ барои тарҳи махсуси филтри EMI-и оянда хоҳанд буд; усулҳои active common-mode cancellation, ба монанди impedance balancing ва ҷуброни иқтидори паразитии трансформатор, дар байни корҳои оянда зикр шудаанд.
Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад
- Табдилдиҳандаи 1 kW-и PSFB бар пояи GaN дар доираи модели маҷозии қувваи таҳқиқот дар бори пурра самаранокии зиёда аз %97 таъмин кардааст.
- Ворид кардани паразитҳои PCB, кабел ва ҷузъҳо ба як co-simulation-и EMC резонансҳои CM ва DM-ро намоён кардааст.
- Бастаҳои кабелӣ импеданси манбаи EMI ва сатҳҳои conducted-emission-и дидашаванда дар LISN-ро ба таври назаррас тағйир додаанд.
- Иқтидор ва индуктивияти паразитии кабели дарози бор аз кабели кӯтоҳи DC-link ба таври назаррас баландтаранд.
- Модели дуқабатаи соддашудаи PCB дар роҳҳои муҳими қувваи интихобшуда дар 108 MHz ба модели ададии чорқабата бо фарқи камтар аз 1,2 dB наздик шудааст.
- Clamping diode-ҳо overshoot/undershoot-и тарафи дуюмдараҷаи трансформатор ва чанд сатҳи қуллаи EMI-ро коҳиш додаанд.
- Бо фаъол будани clamping diode-ҳо самаранокии powertrain-и пурра %97,03 гузориш шудааст.
- Бо вуҷуди clamping diode-ҳо, ҳам CM ва ҳам DM conducted emissions аз ҳудудҳои CISPR 25 Class 2 гузаштаанд.
- Манбаъ барои тарҳи ояндаи филтри EMI baseline-и ададӣ оид ба манбаъҳои садо ва минтақаҳои резонансӣ фароҳам овардааст.
Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ ё санҷиш накардааст
- Нишон дода нашудааст, ки прототипи физикии PSFB аз санҷиши CISPR 25 Class 2 гузаштааст.
- Дар нақлиёти физикӣ ченкунии conducted EMI анҷом дода нашудааст.
- Натиҷаҳои модели маҷозӣ арзишҳои мустақиман ченшудаи эмиссияи нақлиёти воқеӣ нестанд.
- Дар таҳқиқот филтри ниҳоии вуруди EMI тарҳрезӣ ва тасдиқ нашудааст.
- Active common-mode cancellation ба таври физикӣ татбиқ нашудааст.
- Бо LLC, DAB ё дигар топологияҳои изолятсияшуда муқоисаи мустақими таҷрибавӣ анҷом дода нашудааст.
- Унсурҳои коммутатсионии GaN ва Si дар як сахтафзор муқоиса нашудаанд.
- Тасдиқи PCB-и чорқабата–дуқабата ченкунии физикии плата бо VNA нест; ин муқоисаи S-параметр байни ду модели ададӣ мебошад.
- Нишон дода нашудааст, ки моделро ба ҳамаи дарозиҳои кабелҳои нақлиёт ва ҳамаи меъмориҳои EV бо ҳамон дақиқӣ умумӣ кардан мумкин аст.
- Нишон дода нашудааст, ки самаранокии баланд ба таври худкор мутобиқати EMC-ро таъмин мекунад; баръакс, таҳқиқот нишон медиҳад, ки ин ду соҳаи иҷро бояд ҷудогона арзёбӣ шаванд.
Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот
Занҷири моделсозии маҷозии EMC
Verianla Live: Арзёбии маҷозии EMC барои GaN PSFB чӣ гуна анҷом дода шуд?
Ҷараён усули моделсозӣ–co-simulation-и таҳқиқотро бар пояи CST ва ADS ҷамъбаст мекунад. Синфи давомнокӣ танҳо вақти аниматсияи интерфейси Verianla мебошад; он давомнокии таҷрибаи физикии таҳқиқот нест.
| Марҳила | Шарҳ | Манбаъ |
|---|---|---|
| 1. Таърифи EV DC powertrain | Батареяи 400 V HV, LISN, DC-link harness, PSFB, load harness ва бор дар як система муайян карда шуданд. | Шакл 1–3 |
| 2. Тавсифи кабел | Импедансҳои CM/DM-и open-circuit ва short-circuit барои shielded harness-ҳо ба даст оварда шуданд. | Шакл 4–7 |
| 3. Тарҳи PSFB | Табдилдиҳандаи 400 V → 48 V, 1 kW, 100 kHz-и GaN phase-shift full-bridge моделсозӣ шуд. | Ҷадвал 1, Шакл 8–10 |
| 4. Соддасозии PCB EM | Модели чорқабата бо модели дуқабатаи 77-port-и қувва иваз шуда, S-параметрҳои муҳим муқоиса шуданд. | Шакл 11–12 |
| 5. Ҳалли CST FEM | Модели пурмавҷу бисёрпортии электромагнитии PCB ва кабелҳо сохта шуд. | Шакл 13 |
| 6. Интиқоли Touchstone | Модели 77-port-и S-параметр ба муҳити ADS интиқол дода шуд. | Бахш 2.3 |
| 7. ADS transient co-simulation | GaN FET, diode, трансформатор, батарея, LISN, бор ва controller ба модели EM пайваст шуданд. | Шакл 14–15 |
| 8. FFT ва ҷудокунии EMI | Спектрҳои CM ва DM conducted-emission аз портҳои LISN ҳисоб шуданд. | Шакл 17–24 |
| 9. Муқоисаи CISPR 25 | Спектрҳои банди 150 kHz–108 MHz бо ҳудудҳои Class 2 муқоиса шуданд. | Шакл 22, 24; Ҷадвал 3 |
Танзимоти ҳалли электромагнитӣ ва co-simulation
| Параметр | Арзиш/усули истифодашуда дар таҳқиқот |
|---|---|
| Банди арзёбии CISPR 25 | 150 kHz–108 MHz |
| CST electromagnetic sweep | DC–600 MHz |
| Mesh solution frequency | 1 GHz |
| Ҳалкунанда | Frequency-domain FEM |
| Навъи унсур | Tetrahedral-и тартиби дуюм |
| Ҳадди дақиқии ҳалкунандаи хаттӣ | 10−6 |
| Меъёри Adaptive mesh | ΔS = 0,04 |
| Модели бисёрпортии EM | Модели 77-портии Touchstone S-параметр |
| Co-simulation-и занҷирӣ | PathWave ADS |
| Истихроҷи спектр | FFT |
| Муқоисаи compliance | Ҳудудҳои peak-detector-и CISPR 25 Class 2 |
Таъсири ҳамгироии система ва clamping ба самаранокӣ
Verianla Live: Самаранокии PSFB бо конфигуратсияи система чӣ гуна тағйир ёфт?
Арзишҳои зер як шароити якхела нестанд: дар ду сатри аввал clamping diode-ҳо хомӯшанд; сатри сеюм натиҷаи ниҳоии Ҷадвали 3 барои powertrain-и пурра бо clamping diode-ҳои фаъол аст. Ҳадафи муқоиса нишон додани натиҷаҳои самаранокие мебошад, ки дар манбаъ барои ҳолатҳои harness ва clamp дар як контекст гузориш шудаанд.
| Конфигуратсия | Самаранокӣ (%) | Clamping diode-ҳо | Манбаъ |
|---|---|---|---|
| Standalone PSFB | 97,26 | Хомӯш | Шакл 19 |
| DC powertrain-и пурра | 96,62 | Хомӯш | Шакл 20 |
| DC powertrain-и пурра | 97,03 | Фаъол | Ҷадвал 3 |
Натиҷаҳои самаранокӣ нишон медиҳанд, ки clamping diode-ҳо дар ҳолати DC powertrain-и пурра на танҳо ба transient-ҳои EMI, балки ба кори умумии табдили қувва низ таъсир мерасонанд. Бо вуҷуди ин, натиҷаи асосии EMC-и таҳқиқот тағйир наёфтааст: самаранокии беш аз %97 мутобиқати CISPR 25-ро таъмин накардааст.
Таъсири ададии clamping diode-ҳо ба conducted EMI
Verianla Live: Clamping diode-ҳо ҷузъҳои муайяни EMI-ро то чӣ андоза кам карданд?
Ҷадвал танҳо коҳишҳои спектрии CM/DM-ро дар бар мегирад, ки дар манбаъ барои онҳо арзишҳои ададии равшан дода шудаанд. Ҳамаи сатрҳо бо воҳиди dBµV мебошанд; натиҷаҳои спектрии ҷудогонаи шиддати дуюмдараҷаи трансформатор, ки бо dBV дода шудаанд, ба ин график омехта нашудаанд.
| Садо / басомад | Коҳиш (dBµV) | Меъёр | Манбаъ |
|---|---|---|---|
| DM — 500 kHz | 3,60 | Фарқи Clamp ON – OFF | Шакл 24a / Бахш 3.2 |
| DM — ≈70,45 MHz | 12,69 | Қуллаи асосии садои DM | Шакл 24a / Бахш 3.2 |
| CM — 3,658 MHz | 20,91 | Коҳиши максималии гузоришшуда дар басомади миёна | Шакл 24b / Бахш 3.2 |
| CM — 70,45 MHz | 3,69 | Коҳиши басомади баланд | Шакл 24b / Бахш 3.2 |
Натиҷаи 3,658 MHz дар тарафи CM нишон медиҳад, ки clamping diode-ҳо метавонанд дар минтақаҳои муайяни резонансӣ хомӯшкунии хеле қавӣ таъмин кунанд. Аммо азбаски спектри EMI аз як басомади ягона иборат нест, кам кардани чанд қулла барои мутобиқ кардани тамоми банди CISPR 25 кофӣ набуд.
Паёми асосии Шакл 22 ва Шакл 24
Шакл 22 спектрҳои CM ва DM-и standalone PSFB ва DC powertrain-и пурраро муқоиса мекунад. Баланд шудани спектри powertrain-и пурра, махсусан дар басомадҳои паст ва миёна, равшан нишон медиҳад, ки harness-ҳо танҳо унсурҳои пайвасткунандаи ғайрифаъол нестанд.
Шакл 24 ҳамон DC powertrain-и пурраро бо clamping diode-ҳои хомӯш ва фаъол муқоиса мекунад. Ҳолати фаъол бисёр қуллаҳои резонансиро паст мекунад, аммо қисми васеи спектр аз хати ҳудуди Class 2 боло мемонад. Ҳангоми баррасии ин ду шакл якҷоя паёми асосии тарҳии таҳқиқот равшан мешавад: Ҳалли масъалаи EMI танҳо бо switching-node clamp маҳдуд нест; филтркунии иловагӣ лозим аст, ки шабакаи қувва ва роҳҳои паҳншавии кабелиро ҳадаф қарор диҳад.
Сатҳи тасдиқи модел
| Унсури модел | Тасдиқ/санҷиши таҳқиқот | Ҳадди тафсир |
|---|---|---|
| Модели батареяи HV | Behavioral model-и дар таҳқиқоти қаблӣ дар диапазони 30 kHz–200 MHz тасдиқшуда истифода шуд | Дар таҳқиқоти ҷорӣ ченкунии физикии батарея аз нав анҷом дода нашуд |
| Модели кабел | Тавсифи импеданси CM/DM ва модели CST | Натиҷаҳои системаи ҷорӣ асосан ба модели ададӣ асос ёфтаанд |
| Соддасозии PCB-и дуқабата | Муқоисаи S-параметр бо модели чорқабата | Тасдиқи модели ададӣ бо модели ададӣ мебошад |
| CST mesh | Adaptive mesh convergence ва interpolation-error control | Ҳамгароии ададӣ тасдиқи таҷрибаи физикӣ нест |
| Натиҷаи CISPR 25 EMI | Virtual test bench, ки геометрияи стандартиро ифода мекунад | Сертификатсияи физикӣ ё laboratory measurement нест |
Маҳдудиятҳои асосии методологӣ
- Натиҷаҳои ниҳоии EMI-и таҳқиқот ба симулятсия асос ёфтаанд.
- Дар платаи физикии PSFB коррелятсияи ченкунии CISPR 25 conducted-emission гузориш нашудааст.
- Соддасозии дуқабатаи EM-и PCB бо муқоисаи ададии S-параметр тасдиқ шудааст, на бо ченкунии физикии плата.
- Қабати идоракунӣ мустақиман ба модели CST 3D дохил нашуда, дар ADS ҳамчун circuit block-и беруна пайваст шудааст.
- Таъсири power harness ба дарозӣ, навъи кабел, экран ва геометрияи ground-plane-и муайян вобаста аст.
- Дар тарҳи ниҳоии таҳқиқот филтри вуруди EMI вуҷуд надорад.
- Clamping diode-ҳо тамоми зиёдатии CISPR 25-ро дар спектр бартараф намекунанд.
- Active common-mode cancellation танҳо ҳамчун кори оянда пешниҳод шудааст.
- Топологияҳои гуногуни изолятсияшудаи DC–DC дар ин таҳқиқот дар як test bench муқоиса нашудаанд.
- Фарқи EMI байни унсурҳои Si ва GaN мустақиман омӯхта нашудааст.
- Фарқҳои CM/DM-и вобаста ба harness дар 50 kHz нуқтаҳои ташхисии симулятсионӣ берун аз ҳадди поёнии 150 kHz-и CISPR 25 мебошанд.
Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул
Номи пурраи аслии таҳқиқот: Broadband Simulation-Based EMC Modeling and EMI Assessment of a GaN-Based Phase-Shift Full-Bridge Converter for EV DC Powertrains
Муаллифон: Sofiane Khelladi, Nassim Rizoug, Cristina Morel ва Abdelchafik Hadjadj.
Тартиби муаллифон: 1. Sofiane Khelladi; 2. Nassim Rizoug; 3. Cristina Morel; 4. Abdelchafik Hadjadj.
Муаллифони масъул: Sofiane Khelladi ва Cristina Morel.
Саҳми баробар/муаллифии аввалияи баробар: Дар манбаъ зикр нашудааст.
Муассисаҳо:
- LACoSERE Laboratory, University of Amar Telidji, Laghouat 03000, Algeria.
- ESTACA’Lab-Laval, École Supérieure des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile (ESTACA), F-53000 Laval, France.
Маҷалла: Actuators.
Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.
Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15(6), 340.
Пайванди расмии нашр:MDPI – Actuators 15(6), 340
Санаи нашр: 13 июни 2026. Таҳқиқот 27 апрели 2026 қабул карда шуд, 8 июни 2026 бозбинӣ ва 9 июни 2026 пазируфта шуд.
Навъи манбаъ ва вазъи рецензия: Мақолаи таҳқиқотии рецензияшудаест, ки дар маҷаллаи Actuators қабул ва нашр шудааст. Усули илмӣ ба моделсозии пурмавҷи электромагнитӣ, co-simulation-и занҷирӣ ва арзёбии маҷозии CISPR 25 conducted-EMI асос ёфтааст.
Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY).
Муҳаррири академӣ: Dong Jiang.
Маблағгузорӣ: Муаллифон гузориш додаанд, ки таҳқиқот маблағгузории беруна нагирифтааст.
Кумитаи ахлоқ: Татбиқ намешавад.
Ризоияти огоҳона: Татбиқ намешавад.
Дастрасии маълумот: Зикр шудааст, ки маълумоти пешниҳодшуда дар таҳқиқотро метавон бо дархост аз муаллифони масъул гирифт.
Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор доштаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.
Саҳми муаллифон: Консептуализатсия, методология ва тасдиқ аз ҷониби Nassim Rizoug; нармафзор, таҳқиқот, таҳлил ва тарҳи аввал аз ҷониби Sofiane Khelladi; бозбинӣ ва таҳрир аз ҷониби Cristina Morel; машварат аз ҷониби Abdelchafik Hadjadj анҷом дода шудааст.
Доираи илмӣ: Таҳқиқот модели маҷозии фарохмаҷрои EMC-и табдилдиҳандаи 1 kW-и PSFB бар пояи GaN-ро таҳия мекунад, ки аз вуруди 400 V баромади 48 V медиҳад ва PCB, power harness-ҳо, батареяи HV, LISN, бор ва паразитҳои ҷузъҳоро дар бар мегирад. Натиҷаҳо ба арзёбии 150 kHz–108 MHz CISPR 25 conducted-emission нигаронида шудаанд.
Ҳадди симулятсия: Натиҷаҳои самаранокӣ ва EMI-и таҳқиқот аз прототипи маҷозӣ ба даст омадаанд. Коррелятсияи пурраи система бо воситаи нақлиёти физикӣ, прототипи физикии PSFB EMC ё ченкунии лаборатории аккредитатсияшудаи CISPR 25 гузориш нашудааст.
Ҳадди соддасозии PCB: Платаи чорқабата бинобар талаботи таърифи порт ва mesh-и CST бо модели дуқабатаи электромагнитии қувва содда карда шудааст. Дар чор роҳи муҳими интихобшудаи қувва фарқҳо дар 108 MHz дар доираи 0,02–1,11 dB буданд. Ин муқоиса тасдиқи модели ададӣ–модели ададӣ мебошад.
Ҳадди таъсири кабел: Натиҷаҳои DC-link ва load harness ба геометрияҳои 0,2 m ва 1 m shielded cable-и таҳқиқот вобастаанд. Дарозии дигар, экран, фосилаи шасси ё routing ҳатман ҳамон импедансҳои CM/DM-ро намедиҳанд.
Ёддошти 50 kHz: Дар таҳқиқот барои нишон додани таъсири кабел дар 50 kHz фарқи 38,15 dBµV барои DM ва 45,22 dBµV барои CM дода шудааст. Азбаски банди арзёбии CISPR 25 аз 150 kHz оғоз мешавад, ин мисолҳо арзишҳои ташхисии фарохмаҷро берун аз банди compliance-и стандарт мебошанд.
Ёддошти clamping diode ва самаранокӣ: Барои DC powertrain-и пурра дар Шакл 20 самаранокӣ бо clamping diode-ҳои хомӯш %96,62 ва дар Ҷадвал 3 бо clamping diode-ҳои фаъол %97,03 аст. Ин ду рақам шароити гуногуни корро ифода мекунанд ва набояд ҳамчун зиддияти дохилии манбаъ арзёбӣ шаванд.
Ҳадди натиҷаи EMC: Гарчанде clamping diode-ҳо баъзе ҷузъҳои садои CM/DM-ро то 20,91 dBµV коҳиш медиҳанд, модели бефилтри DC powertrain-и пурра ба ҳудудҳои CISPR 25 Class 2 ҷавобгӯ нест.
Кори оянда: Муаллифон пешниҳод мекунанд, ки натиҷаҳои мавҷудаи EMI ҳамчун baseline барои тарҳи махсуси филтри вуруд истифода шаванд; усулҳои impedance balancing, transformer parasitic capacitance compensation ва active common-mode EMI cancellation омӯхта шаванд; инчунин топологияҳои гуногуни изолятсияшуда, ба монанди LLC ва DAB, ва муқоисаҳои Si–GaN баррасӣ гарданд.
Модели электромагнитӣ, параметрҳои паразитӣ, арзишҳои самаранокӣ, тафсирҳои резонанс, коҳишҳои EMI ва натиҷаи CISPR 25 дар ин мундариҷаи Verianla танҳо ба таҳқиқоти баррасишуда асос ёфтаанд. Манбаи беруна танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографии нашр истифода шудааст; ягон натиҷаи нави таҷрибавии EMI, иҷрои нақлиёт ё иддаои нави EMC аз берун илова нашудааст.
Шарҳ гузоред
Нишонии почтаи электронии шумо нашр намешавад. Майдонҳои ҳатмӣ бо * нишон дода шудаанд