Técnicas de reducción EMI en sistemas
multiconvertidor con conexión en
paralelo
J. Mon
Departament d’Enginyeria Electrònica.
Universitat Politècnica de Catalunya.
Índice
Introducción.
Consideraciones teóricas.
Interleaving.
SFM (Switching Frequency Modulation).
CDFM (Constant Delay with switching Frequency Modulation).
(VDFM)Variable Delay with switching Frequency Modulation.
Implementación en FPGA.
Resultados experimentales.
Conclusiones.
1XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Introducción
Sistemas de alimentación conmutados
Ventajas :
Mayor rendimiento energético en comparación con la fuentes de alimentación lineales.
Desventajas:
Generan más interferencias electromagnéticas que las fuentes de alimentación lineales.
2XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Introducción
Sistemas de alimentación conmutados
Ventajas :
Mayor rendimiento energético en comparación con la fuentes de alimentación lineales.
Desventajas:
Generan más interferencias electromagnéticas que las fuentes de alimentación lineales.
Reducción de las perturbaciones conducidas
Filtros EMI
Red Snubber
Soft-switching
2XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Introducción
Sistemas de alimentación multiconvertidor
Ventajas :
Redundancia.
Mejorar la respuesta dinámica y regulación.
Distribución más eficiente de las corrientes.
3XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Introducción
Sistemas de alimentación multiconvertidor
Ventajas :
Redundancia.
Mejorar la respuesta dinámica y regulación.
Distribución más eficiente de las corrientes.
Sistema multiconvertidor con conexión en paralelo
Bus DC Load
DC/DC
En estos sistemas es común el uso de la técnica de interleaving para la reducción tanto del rizado de la tensión de salida como las perturbaciones.
Zumel P., et al. “EMI reduction by interleaving of power converters”
3XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Interleaving
Patrón de conmutación para N=4
4XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Interleaving
Patrón de conmutación para N=4
Patrón de ruido equivalente
4XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Interleaving
f
fc 2fc 3fc
|S(f)|
4fc 5fc 6fc 7fc 8fc 9fc
InterleavingSin interleaving
Desde el punto de vista de generación de ruido, la técnica de interleaving es un método de cancelación de harmónicos.
Espectro de emisión de interferencias conducidas para N=4
Ozeri S., et al. “The Mathematical Foundation of Distributed Interleaved Systems”
5XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Interleaving
IPD20N03L
IPD20N03L
L1
68uH
IPD20N03L
IPD20N03L
L2
68uH
IPD20N03L
IPD20N03L
LN
68uH
CLoad
Vin
i(t)
io(t)
i1(t)
iN(t)
( ) ∑∑−
=
−
=−==
1
0
1
0
)()(N
k
co
N
kk N
kTtititi
( ) ( ) ( ) ( )wIwIN
kTtiFtiFwI
e
eew
N
Tj
wjT
o
N
k
N
Tjwk
N
k
co
c
cc
0
1
0
1
0 1
1)(
−
−−
=
−−
= −
−==
−== ∑∑
( )
−
−=
−
−
= cN
nj
nj
T
nw T
nIwI
e
ec
ππ
π
π2
1
102
2
2
6XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Switching Frequency Modulation (SFM)
≈
≈
Perfil de modulación
Patrón de conmutación
Los parámetros que describen las características de la señal modulada son:-El perfil de modulación (Vm(t)).-El índice de modulación (mf). -El porcentaje de modulación (δ). C
C
f
f∆=δm
Cf f
fm
∆=
7XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Switching Frequency Modulation (SFM)
f
fc 2fc 3fc
|S(f)|
B1 B2 B3
fm
Overlap
∆fc
∆dB
Sin modulación
SFM
Balcells, J., et al. “EMI reduction in switched power converters using frequency Modulation techniques”
La energía de cada harmónico se distribuye en bandas laterales, obteniendo un reducción de la amplitud de cada harmónico.
∆−=∆
m
cdB f
fn··log10 10
Reducción de la amplitud (Perfil triangular)
Espectro de emisión de interferencias conducidas
8XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Switching Frequency Modulation (SFM)
Aplicaciones comerciales
Controladores PWM para implementación de fuentes conmutadas.
9XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Constant Delay with switching Frequency Modulation
≈
≈
≈
≈
Patrón de conmutación para N convertidores
10XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
|S(f)|
ffc 2fc 3fc
B1 B2 B3
4fm
CDFM
Sin modulación
El retardo introducido entre cada uno de los patrones de conmutación, origina un incremento de la distancia de separación entre dos bandas lateral consecutivas.
Constant Delay with switching Frequency Modulation
Espectro de emisión de interferencias conducidas para N=4
11XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Variable Delay with switching Frequency Modulation
( )1·, −= iN
Tkikε
Pulse Position Delay
Patrón de conmutación para N=4
12XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Variable Delay with switching Frequency ModulationPatrón de conmutación para N convertidores
≈≈
≈
N
T1
( )11 −NN
T
1T
N
T
N
TT 12
1 −+
( ) ( )11 121 −⋅−−⋅+ N
N
TN
N
TT
mT
LT
( ) ( )111 −⋅−−⋅+ NN
TN
N
TT L
L
N
T
N
TT L
L −+ 1
( ) ( )
( ) ( ) LkiN
Ti
N
TTT
LkiN
Ti
N
TTT
LLiL
kkkik
=−−−+=′
−=−−−+=′ +
1·1·
1,...,2,11·1·
1,1,11,,
1,1,11,,
13XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Variable Delay with switching Frequency Modulation
Patrón de conmutación para N=4
Patrón de ruido equivalente
14XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Variable Delay with switching Frequency Modulation
4fc
f
|S(f)|
VDFM
Sin modulación
8fcfc 2fc 3fc 5fc 6fc 7fc 9fcB1 B2
Solamente las bandas laterales alrededor de frecuencias múltiples de 4 fc aparecen.
Espectro de emisión de interferencias conducidas para N=4
15XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Implementación en FPGA
Generación de los patrones de conmutación
El bloque Gen_Enable nos permite introducir retardos iniciales entre las diferentes señales PWM a generar.
16XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Implementación en FPGA
Generación de los patrones de conmutación
Los valores de cada periodo de conmutación se almacenan en una tabla para poder variar la frecuencia de cada una de las señales PWM.
DPWM
17XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Implementación en FPGA
Generación de los patrones de conmutación
PWM
CONTADOR
UP/DOWN
pwm_out
reg_CMPR
12 bits
REG
enable
clk
reset
reset
reg_PR
12 bits
REG
enable 12 bits
reset
Data_PR
12 bits
Data_CMPR
UC
cnt
12 bits
cnt
12 bits
clk
clk
reset
enable
clk
up_down
load
Tc
18XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
Nominal Input/Output Voltage Power Switching Frequency
12 VDC / 1.5VDC 1.5 W 400 kHz
FPGAFour channel Buck converter
19XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
Nominal Input/Output Voltage Power Switching Frequency
12 VDC / 1.5VDC 1.5 W 400 kHz
FPGAFour channel Buck converter
Duty cycle: 12.5 %.
Central switching frequency (fc): 400kHz.
Modulation profile: triangular.
Modulation frequency (fm): 10kHz.
Maximum frequency deviation (∆fc): 40kHz.
Parámetros de modulación
19XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentalesEntorno de medida
FPGA
Four channel parallel buck
LISN
Spectrum Analyzer
50 Ωreceiver
1:1
ci(t)
+
-
Vin
GND
El sistema multiconvertidor es alimentado a través de una “Line Impedance Stabilization Network” (LSIN).
La normativa CISPR 16-1 exige un RBW=9 kHz para la banda B (150 kHz-30 MHz). fm > 9 kHz.
20XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentalesSin modulación vs interleaving
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plit
ude
[dBµ
V]
No modulationInterleaving
4·fc
3·fc
2·fc
fc
Cancelación de harmónicos ≠ n·fc
5·fc
6·fc
7·fc
8·fc
Atenuación de harmónicos ≠ n·fc
21XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plit
ud
e [d
BµV
]
No modulationSFM
Sin modulación vs SFM
fc2·fc
3·fc
4·fc
22XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plit
ud
e [d
BµV
]
No modulationSFM
Sin modulación vs SFM
fc2·fc
3·fc
4·fc
dBKHz
KHz
f
f
m
cdB 02.6
10
40·log10·log10 1010 −=
−=
∆−=∆
22XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plit
ude
[dBµ
V]
No modulationCDFM
Sin modulación vs CDFM
fc
2·fc3·fc
4·fc
4·fm
23XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plit
ude
[dBµ
V]
No modulationVDFM
Sin modulación vs VDFM
4·fc 8·fc 12·fc
16·fc
24XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationInterleaving
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationSFM
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationCDFM
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationVDFM
CDFM
Interleaving
VDFM
SFM
25XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationInterleaving
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationSFM
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationCDFM
106
107
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Frequency [Hz]
Am
plitu
de [d
BµV
]
No modulationVDFM
CDFM
Interleaving
VDFM
SFM
25XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa
Resultados experimentales
No modulation5mV/div
20µs/div 20µs/div
Interleaving2mV/div
SFM5mV/div
CDFM2mV/div
VDFM5mV/div
No modulated Interleaving SFM CDFM VDFM
6.10 mV 4.44 mV 19.1 mV 5.92 mV 24.2 mV
26XV Jornades de Conferències d'Enginyeria Electrònica del Campus de Terrassa