بررسی یک روش حذف پسیو خازن پارازیتی جهت کاهش نویز مود مشترك در مبدل سوي یچینگ فلاي بک محمد روح اله یزدانی 1 مریم فاضل 1 استادیار گروه برق دانشگاه آزاد اسلامی واحد خوراسگان m.yazdani@khuisf.ac.ir دانش آموخته کارشناسی رشته برق- الکترونیک maryamfazel@rocketmail.com چکیده ١١-1 امروزه مبدل هاي قدرت سوي یچینگ به علت بازده بالاتر ابعاد کوچک تر و وزن کم تر نسبت به رگولاتور هاي خطی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. اما با وجود این مزایا داراي یک اشکال اساسی هستند و آن تولید نویز در فرکانسهاي بالا می باشد. مسا له تداخل الکترومغناطیسی که بر اثر کلیدزنی سریع ترانزیستور و قطع و وصل سریع جریان در مبدلهاي سوي یچینگ به وجود می آید به شکل هدایتی و تشعشعی به قسمتهاي مهم مدار رسیده و مانع عملکرد صحیح آنها می شود. خازن پارازیتی ناشی از گرماگیر یکی از مهم ترین عناصر پارازیتی است. در این مقاله یک روش حذف پسیو براي تضعیف این خازن در مبدل فلاي بک براي چند مقدار این خازن مدلسازي شده است. طبق نتایج شبیه سازي شده کاهش قابل توجه سطح EMI با استفاده از این روش قابل حصول است. کلید واژه- تداخل امواج الکترومغناطیسی خازن پارازیتی مبدل فلاي بک نویز مود مشترك مقدمه مبدلهاي سوي یچینگ شوند نسبت به رگولاتور هاي خطی داراي مزایاي بالا تر بوده به همین دلیل استفاده از آن به خصوص در توان هاي بالا در سیستمهاي الکتریکی و الکترونیکی ترجیح داده می شود. مهمترین مزیت یک منبع تغذیه سوي یچینگ بازده بالاي آن است. از آنجایی که ترانزیستور سوي یچینگ فقط در ناحیه قطع و اشباع کار می کند که در حالت قطع جریان عبوري از آن ناچیز بوده و در حالت اشباع هم افت ولتاژ روي آن کم است. بنابراین توان مصرفی آن ناچیز است که این سبب بالا رفتن بازده منبع تغذیه می گردد. سایر مزایاي آن عبارتند از حجم و وزن کمتر به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد و گرماي ایجاد شده کمتر که به دلیل بازده بالاتر است. اما یکی از معایب اساسی آن ایجاد تداخل الکترومغناطیسی است. در الکترونیک قدرت بررسی رفتار نویز مود مشترك تولید شده در مبدلها قدرت سوي یچینگ براي جلوگیري از تداخل امواج الکترومغناطیسی یک عامل مهم است. خازن پارازیتی بین وسایل قدرت و زمین نقش مهمی را در تولید نویز مود مشترك دارند. جریان CM از شارژ و دشارژ خازن پارازیتی بین گره اي که بیشترین dv/dt و زمین را دارد ایجاد می شود. وسایل قدرت داراي اتصالات سوي یچینگ و توان تلف شده هستند. گرماي تولیدي حاصل از این توان تلف شده از طریق خازن گرماگیر که متصل به وسایل قدرت است به هوا هدایت می شود. بر این اساس مقاومت گرمایی بین وسایل قدرت و خازن گرماگیر کاهش می یابد. به همین دلیل مقاومت گرمایی که بین وسایل قدرت و خازن گرماگیر است کاهش می یابد. در منابع سوي یچینگ معمولا از سیم پیچ استفاده می شود اگر بتوان به کمک آن یک خازن منفی ایجاد کرد می توان اثر خازن پارازیتی را از بین برد. این روش بر روي مبدل باك صورت گرفته است[ 1 ]. روشهاي مختلفی براي حذف خازن پارازیتی بیان شده است[ -4 ]. اما بر روي مبدل فلاي بک به طور دقیق بررسی صورت نگرفته است. در این مقاله نحوه اندازه گیري EMI بیان می شود. سپس روشی براي حذف خازن
مود مشترك در مبدل فلاي بک بیان می شود. اندازه - گیري EMI هدایتی با استفاده از شبکه تثبیت امپدانس خط LISN ) پدیده تداخل الکترومغناطیسی EMI ) نویز نامطلوبی است که با ایجاد تداخل در مبدلهاي سوي یچینگ مانع عملکرد صحیح آنها می شود. این پدیده به دو دسته هدایتی و تشعشعی تقسیم می شود. جریان EMI هدایتی نیز خود به دو بخش مود مشترك و تفاضلی تقسیم می شود و به طور کلی در ایجاد EMI تشعشی نیز نقش دارد[ 5 ]. به همین دلیل بررسی کاهش EMI هدایتی بیشتر مورد نظر است. اندازه گیري EMI هدایتی با استفاده از شبکه تثبیت امپدانس خط LISN ) که بر اساس استاندارد CISPR است صورت می گیرد و بین ورودي وخطوط منبع تغذیه قرار می گیرد. این شبکه جریان هاي فرکانس خط را عبور می دهد اما جریانهاي انتشاري هدایتی با فرکانس بالاتر منبع تغذیه از میان کوپل خازن جاري می شود[ 6 ]. C C و مقاومت حسگر RS این مبدل به دو حالت هدایت پیوسته CCM) و هدایت گسسته DCM) تقسیم می شود. در زمان روشن بودن سوي یچ انرژي در سلف مغناطیسکنندگی ترانسفورمر ذخیره میشود و در زمان خاموش بودن سوي یچ این انرژي به خروجی منتقل میشود. در هدایت پیوسته در پایان هر پریود انرژي در هسته ترانسفورمر کاملا تخلیه نمی شود اما در حالت هدایت گسسته انرژي کاملا تخلیه می شود. مبدل فلاي بک در حالت CCM داراي دو وضعیت است. در وضعیت اول سوي یچ S m روشن است و دیودهاي ثانویه بایاس معکوس هستند. در این مدت زمان جریان بار توسط خازن خروجی تامین می گردد.در وضعیت دوم سوي یچ S m خاموش است و انرژي ذخیره شده در هسته باعث معکوس شدن ولتاژ در دو سرسیم پیچ اولیه می گردد. به علت معکوس بودن سر نقطه دار سیم پیچ ثانویه نسبت به اولیه دیودها در ثانویه بایاس مستقیم می شوند و قسمتی از انرژي ذخیره شده در هسته به خروجی منتقل می گردد. قبل از اینکه انرژي هسته کاملا تخلیه شود سوي یچ گردد و این دو وضعیت تکرار می شود. S m دوباره روشن می شکل 1 :مسیر مود تفاضلی و مشترك به همراه LISN استاندارد CISPR -3 طراحی مبدل فلاي بک مبدل فلاي بک نسبت به مبدلهاي غیر ایزوله دیگر مانند باك چون به سلف در فیلتر خروجی نیاز ندارد داراي برتري از نطر حجم وقیمت است ودر نتیجه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد[ 7 ]. در این مقاله نیز روش حذف خازن پارازیتی بر روي مبدل فلاي بک پیاده سازي می شود. در شکل ) یک مبدل فلاي بک نشان داده شده است. عملکرد شکل :مبدل سوییچینگ فلاي بک. مشخصات مبدل فلاي بک طراحی شده [8] در جدول 1 خلاصه شده است. جدول 1 :مشخصات مبدل فلاي بک مقادیر پارامتر P O 100w V in 50v V o 1v D 0.4 f s L P L S 130kHz 183uH 9.8uH ١٢
ب- ب -4 شبیه سازي EMI مبدل فلاي بک براي پیش بینی سطح EMI لازم است که عناصر پارازیتی مدار را قبل از ساخت شناسایی کرد[ 9 ]. یکی از این عناصر مهم خازن مود مشترك CM ) است. این خازن پارازیتی که بین درین سوي یچ اصلی و زمین قرار دارد نقش مهمی در جریان مود مشترك دارد. بر این اساس در این مقاله نیز بر روي این عنصر پارازیتی بررسی صورت گرفته است. با فرض این که خازن گرماگیر به زمین متصل نمی باشد ومقدار آن 30 pf در نظر گرفته شده است. براي مدل سازي EMI از شبکه تثبیت امپدانس خط استفاده شده است همان طور که در شکل 3) دیده می شود. نویز EMIهدایتی مود مشترك که مورد بررسی در این تحقیق است از دو سر مقاومت 50Ω در LISN دیده شده است. در شکل 4 ) براي بررسی سطح EMI تبدیل فوریه آن تا فرکانس 30kHz نشان داده شده است. طبق شکل 4 -الف) پیک طیف در فرکانس 130KHz داراي مقدار 91dBµv است. همچنین طبق شکل 5 در فرکانس 4/5MHz پیک اصلی طیف EMI براي این خازن به 116/71dBµvرسیده است. مقدار ضریب تزویج 0/99 در نظر گرفته شده است. فلا شکل 3 : مدار شبیه سازي مبدل فلاي بک. EMI هدایتی در حالت مود مشترك و مود تفاضلی با استفاده از دو فرمول زیر به دست می آید که در این جا بررسی بر روي مود مشترك صورت گرفته است. VR S VR Vcom 1 S VR S VR Vdiff 1 S 1) ) حدود مجاز استانداردهاي CISPR برحسب dbµv بیان می شود. براي مقایسه بااین استاندارد با استفاده از رابطه زیر می توان مقدار پیک سطح EMI را به dbµv حساب کرد. افزار شکل 4 : الف) شبیه سازي طیف EMI مود مشترك مبدل در نرم OrCAD محور عمودي: 100µv-100mv محورافقی: ب)محورعمودي: 10µv-1v محور افقی: 150k-30MHz 10k-150kHz -5 معرفی روش حذف خازن پارازیتی در مبدلهاي سوي یچینگ سوي یچهاي قدرت همیشه به یک سیم پیچ القا متصل هستند. اگر بتوان یک خازن منفی با استفاده از این سیم پیچ ایجاد کرد می توان اثر خازن مود مشترك را بین وسایل قدرت و خازن گرماگیرخنثی کرد. در شکل 5 -الف) این روش که باعث ایجاد خازن db V 0 log V 1 V ٣) ١٣
ب- ب ج فلا منفی می شود نشان داده شده است[ 1 ]. با بدست آوردن مدار معادل در شکل 5 و تبدیل ستاره-مثلث شکل 5 - ج) حاصل میشود که در آن خازن منفی ایجاد شده مشخص است. در این حالت ضریب تزویج یک در نظر گرفته شده است. فلا شکل 5 : الف)سیم پیچ با دو سیم پیچ تزویج معکوس وخازن زمین شده ب)مدار دکوپلاژ ج)مدار معادل بعد از تبدیلY-Δ خازنC پس از تبدیل به حالت مثلث به صورت سه خازن اثر خود را نشان می دهد.دو خازن به صورت موازي در دو طرف سیم پیچ و یکی سري با آن است. دو خازن موازي می توانند بر اساس n بزرگتر از یک مقادیر مثبت یا منفی به خود بگیرند. خازن منفی تولید شده اگر به صورت موازي با خازن پارازیتی قرار بگیرد می تواند اثر آن را خنثی کند. بر همین اساس باید مقدارش با خارن پارازیتی برابر باشد. با توجه به این نکته که در عمل ضریب تزویج یک نمی باشد عمل حذف به صورت کامل رخ نمی دهد. این مقدارباید با مقدار سلف مبدل LB ) برابر باشد. در نتیجه L L B n 1) مقدار L طبق رابطه زیر به دست می آید[ 10 ]: 5) با توجه به این معادله مشخص می شود که براي کاهش L باید مقدار n بسیار بزرگتر از یک انتخاب شود. براي بدست آوردن مقدار C می توان از رابطه زیر استفاده کرد. C n 1) C CM 6) در جدول مقادیر محاسبه شده براي مدار خنثی ساز آورده شده است. جدول 3 :مشخصات سلف و خازن فلاي بک مقادیر 30pF پارامتر C CM C 870pF L S 9/8 µh L P 0/ µh -7 شبیه سازي مبدل فلاي بک با استفاده از روش خنثی سازي خازن پارازیتی در این بخش مبدل فلاي بک با استفاده از مدار خنثی ساز شبیه سازي شده است شکل 6 فلا- وتاثیر آن بر روي کاهش نویز مود مشترك بررسی شده است. تبدیل فوریه شکل موج EMI نیز در دو بازه فرکانسی نشان داده شده است. 6- طراحی مدار خنثی ساز با استفاده از معادلات بدست آمده در تبدیل ستاره_ مثلث مقدار سلف بعد از عمل حذف برابر n-1)l است. ١٤
ج ب ب- فلا ب شکل 7 : مقایسه پیک طیف EMI مود مشترك الف)براي بازه فرکانسی 150kHz-10kHzب)بازه فرکانسی 30MHz-150kHz -8 شکل 6 : الف) شبیه سازي طیف EMI مود مشترك مبدل در نرم افزار 10k-150kHz محورافقی: محور عمودي: 100µv-100mv OrCAD ب)محورعمودي: 150k-30MHz محور افقی: 10µv-1v طبق شکل 6 -الف) پی ک طیف در فرکانس 130KHz داراي مقدار 68/94dBµv است. همچنین طبق شکل 6 در فرکانس 4/5MHz پیک اصلی طیف EMI براي این خازن به 107dBµvرسیده است. مقدار ضریب تزویج 0/99 در نظر گرفته شده است. همان طور که دیده می شود مقدار پیک EMI به ویژه براي فرکانس هاي پایین کاهش یافته است. هر چه میزان خازن مود مشترك افزایش یابد میزان نویز مود مشترك نیز افزایش می یابد. براي مقایسه بهتر درشکل 7 ) براي چهار مقدار مختلف CCM پیک سطحEMI نشان داده شده است. نتیجه گیري در این مقاله ابتدا یک مبدل فلاي بک از دید EMI مود مشترك با تکیه بر خازن گرماگیر مدلسازي شد. سپس روشی براي حذف خازن پارازیتی با استفاده از قطعات پسیو بیان گردید. نتایج شبیه سازي براي چند مقدار خازن پارازیتی نشان داد که نویز مود مشترك مبدل فلاي بک با استفاده از این روش کاهش زیادي خصوصا در فرکانس سوي یچینگ یافته است که بیشترین کاهش مربوط به مدار با خازن پارازیتی حدود 50pF است. مراجع [1] Shuo Wang and Fred C. Lee, Analysis and Applications of Parasitic Capacitance Cancellation Techniques for EMI ١٥
Suppression, IEEE Trans. Ind. Electron., vol.57, no. 9, pp. 3109-3117, Sep.010. [] R. Chen, J. D. van Wyk, S. Wang, and W. G. Odendaal, Improving the characteristics of integrated EMI filters by embedded conductive layers, IEEE Trans. Power Electron., vol. 0, no. 3, pp. 611 619, May 005. [3] S. Wang, F. C. Lee, and J. D. van Wyk, Design of inductor windingcapacitance cancellation for EMI suppression, IEEE Trans. Power Electron., vol. 1, no. 6, pp. 185 183, Nov. 006. [4] S. Wang, F. C. Lee, and J. D. van Wyk, Inductor winding capacitancecancellation using mutual capacitance concept for noise reduction application, IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 48, no., pp. 311 318, May 006. [5] Clayton R.Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley & Sons Publication, Second Edition, 006. [6] Daniel Cochrane, Passive Cancellation of Common-Mode Electromagnetic Interference in Switching Power Converters, M.S. Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 001. رشید محمد مترجم: افجه اي سیدابراهیم الکترونیک قدرت مدارها عناصر وکاربردها ویرایش دوم دانشگاه علم و صنعت ایران 1377 [8] A.I. Pressman, Switching Power Supply Design, McGraw- Hill, 3rd Edition, 009. [7] [9] M. R. Yazdani, H. Farzanehfard, and J. Faiz, EMI analysis and evaluation of an improved ZCT flyback converter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 6, no. 8, pp. 36-334, Aug. 011. [10] S. Wang and F. C. Lee, Common-mode noise reduction for power factor correction circuit with parasitic capacitance cancellation, IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 49, no. 3, pp. 537 54, Aug. 007. ١٦