técnicas de reducción emi en sistemas multiconvertidor ... · los parámetros que describen las...

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.


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


Introducción

Sistemas de alimentación multiconvertidor

Ventajas :

Redundancia.

Mejorar la respuesta dinámica y regulación.

Distribución más eficiente de las corrientes.


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”


Interleaving

Patrón de conmutación para N=4


Interleaving


Patrón de ruido equivalente


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”


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


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

∆=



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



Aplicaciones comerciales

Controladores PWM para implementación de fuentes conmutadas.


Constant Delay with switching Frequency Modulation

≈

≈

≈

≈

Patrón de conmutación para N convertidores


|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



Variable Delay with switching Frequency Modulation

( )1·, −= iN

Tkikε

Pulse Position Delay



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,,




Patrón de ruido equivalente



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.



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.




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




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


Resultados experimentales

Nominal Input/Output Voltage Power Switching Frequency

12 VDC / 1.5VDC 1.5 W 400 kHz

FPGAFour channel Buck converter



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


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.


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



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



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 −=

−=

∆−=∆



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



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



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



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


Conclusiones


técnicas de reducción emi en sistemas multiconvertidor ... · los parámetros que describen las...

Documents