高周波、コモンモード電流、電圧、およびインピーダンスの測定 (パートI)
はじめに
パワーエレクトロニクスをモデル化するときに正確なEMI分析を取得するには、ノイズ源と伝搬経路のインピーダンスを測定することが重要です。放射EMIの場合、対応する周波数帯域は通常30MHz〜1GHzです。高周波のため、電圧、電流、インピーダンスなどのパラメータを測定するのは難しい場合があります。
本稿は、フライバックコンバータを使用した高周波、コモンモード (CM) 電流、電圧、およびインピーダンスの測定方法について説明する3部構成シリーズのパートIです。これらの手法は、フロリダ大学の教授でIEEEフェローのWang Shuo博士の功績によるものです。
パートIでは、放射EMIモデルを紹介し、フライバックコンバータトポロジーで高周波のコモンモード電流を測定します。パートIIでは、コモンモード電流の測定誤差に対処し、フライバックコンバータでコモンモードインピーダンスを測定する方法を探ります。最後に、パートIIIでは、スイッチングノイズ源の影響について説明し、等価の電圧源を測定し、提案された測定方法を検証します。
放射EMIの基本原理
コンバータが回路内で動作する場合、dV/dtノードとdl/dtループは高周波を生成します。高周波コモンモード電圧 (VA) は、入力ラインと出力ラインの間に生成されます。これらのラインは、一対のダイポールアンテナに相当しますので注意してください。VAは、高周波のコモンモード電流 (IA) を入力ラインと出力ラインで生成し、電磁場の形でエネルギーを外部に放出します。
テブナンの定理によれば、コンバータの放射モデルは、その電圧源と直列のインピーダンスに簡略化できます (図1参照)。
図1 : コンバータの放射EMIモデル
正確な放射モデルを構築し、放射EMIを予測するには、設計者はノイズ源 (VS)、励起電圧 (VA)、励起電流 (IA)、ソースインピーダンス (RS)、およびアンテナインピーダンス (XS) などモデルの主要なパラメータを知る必要があります。
アンテナインピーダンスを使用した放射EMIの分析
図2は、3つの部分で構成されるアンテナのエネルギーモデルを示しています。最初の部分は2つの極の間で変換され、外部に放射されません。この無効電力に対応するインピーダンスは、jXAで表すことができます。2番目の部分は放出されたエネルギー (RR) を表し、最後の部分はケーブルの電力損失 (RL) を表す抵抗です。
図2 : アンテナインピーダンスの等価モデル
アンテナのインピーダンスを考慮した後に、全体的な放射EMIモデルは取得できます。電磁場モデルを回路モデルに変換することにより、技術者はEMIを効果的に分析できます。
放射EMIの測定
放射EMIを測定するには、特定の距離からコンバータによって生成される電磁場の強度を決定します。コンバータの距離 (r) からの電界を考慮します。最大電界強度 (EMAX) は式 (1) で計算できます。
ここでVSはノイズ源、ηは波動インピーダンス、Dは指向性を表します。Dは、球面の平均パワー密度の方向の最大電力密度比を示します (半径r、測定またはシミュレーションによって取得できる)。
最終的な放射結果を予測するために、このシリーズの本稿では、フライバックコンバータを使用して、正確なノイズ電圧、コモンモード電流、およびインピーダンスを求めます。
フライバックコンバータの高周波、コモンモード電流の測定
図3は、フライバックコンバータのトポロジーとコモンモード電流経路を示しています。
図3 : フライバックコンバータ回路
コモンモード経路では、一次側にコモンモードフィルタ、整流器ブリッジ、電解コンデンサがあります。コモンモード電流はトランスを通って二次側と出力ラインに流れます。整流器ブリッジの接合容量は高周波で最小のインピーダンスになることに注意してください。これは短絡と見なされる可能性があります。さらに、入力および出力の電解コンデンサのインピーダンスも最小です。高周波では、短絡と見なされる可能性があります。したがって、入力ラインと出力ラインは、回路内の2つのノードと見なす必要があります (図3では「a」と「b」と表記)。
図4に放射モデルを示します。このモデルで、VCMは等価ノイズ電圧源であり、パートIIIでさらに詳しく説明します。ZCMTRANSはトランスのコモンモードインピーダンスで、ZCMCONVは、PCBトレースやフィルタなど、ループ上の他の部品のコモンモードインピーダンスです。コモンモード電流 (ICM) は、入力ラインと出力ラインの両方で同じ方向に流れる電流として測定されます。
図4 : フライバックコンバータの放射モデル
図5は、ICMを測定する従来の方法を示しています。高周波電流クランプは、入力の活線と中性線を同時にクランプできます。さらに、このクランプは、同軸ケーブルを介してスペクトラムアナライザに接続されている場合にコモンモード電流スペクトルを取得できます。
図5 : コモンモード電流の従来の試験方法
ただし、コンバータと同軸ケーブルの間で結合が生じるため、従来の方法は必ずしも正確ではありません。これには、dV/dtノードと同軸ケーブルの間の電界結合、およびdl/dtループとコンバータとグランドの間にある同軸ケーブルの間の磁界結合が含まれます。その他の測定誤差はパートIIで扱います。
結論
本稿では、放射EMIの基本原理を確認し、放射モデルの主要なパラメータ (アンテナインピーダンス) について説明し、放射EMIを計算する方法について説明しました。次に、本稿では、フライバックコンバータトポロジーでICMを測定する従来の方法について説明しました。
パートIIでは、コモンモードインピーダンスの計算方法に加えて、パラメータを測定する際の障害とエラーの原因について説明します。パートIIIでは、提案された測定方法を検証する前に、スイッチングノイズ源の影響と等価電圧源について検討します。
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