Ontwerpmethodologie voor verbeterde elektromagnetische compatibiliteit van geschakelde vermogenomzetters

Elektromagnetische compatibiliteit is een van de meest kritische uitdagingen bij het ontwerp van geschakelde vermogenomzetters. Omwille van de lay-out vereisten van de gedrukte schakelingen, opgelegd door de vereisten van zowel de elektromagnetische compatibiliteit als van de warmteafvoer, is het praktisch onmogelijk om met klassieke elektromagnetische software te werken.

Het doel van dit proefschrift is om de elektromagnetische analyse van geschakelde vermogenomzetters te vereenvoudigen, door het introduceren van verbeterde algoritmes voor een specifieke set van problemen die typisch opduiken bij het ontwerp van geschakelde vermogenomzetters, en het ontwikkelen van een ontwerpmethodologie voor geschakelde vermogenomzetters met een verbeterde elektromagnetische compatibiliteit. De mogelijkheid om de elektromagnetische compatibiliteit te verbeteren in de vroege ontwerpstadia, reduceert de kost en de time-to-market.

De ontwikkelde methodologie bestaat uit de ontkoppelde elektromagnetische en circuit-simulaties van de geanalyseerde convertor. De elektromagnetische simulatie resulteert in de stralingseigenschappen van de parasitaire antenne van de convertor voor een eenheidsexcitatie. De tijdsdomein circuitsimulaties in regimetoestand resulteren in de werkelijke stroom die de parasitaire antenne van de convertor exciteert. Een wiskundige combinatie vn de twee resultaten levert de voorspelde stralingsemissies van de geanalyseerde omzetter. Ontkoppelde elektromagnetische en circuit-simulaties laten toe om de simulaties te vereenvoudigen, waardoor de simulaties versneld worden, en een geparametriseerde analyse van de convertor mogelijk wordt. De methode voor het ontwerp van het ingangsontkoppelingsnetwerk, wat het kritische deel is voor de elektromagnetische compatibiliteit van de omzetters, werd ontwikkeld. De stralingseigenschappen van de convertoren zijn gemodelleerd met een kleine lus boven een eindig spiegelvlak, en de spiegelbeeldtheorie is uitgebreid voor eindige vierkante beeldvlakken. Een modulaire PCB-systeem is ontwikkeld voor het positioneren van de convertoren in een transversale elektromagnetische cel, en dit in drie orthogonale posities ten opzichte van het septum. Een procedure voor het berekenen van de stralingsemissies op basis van de metingen in de transversale elektromagnetische cel met behulp van een hybride koppelaar is uitgewerkt. De impedantiemisaanpassing tussen de transversaal elektromagnetische cel en de hybride koppelaar is geanalyseerd en een procedure voor correctie van de misaanpassing is ontwikkeld. De 62-pins hoge-stroomconnectoren, welke gebruikt worden voor het modulaire PCB-systeem, zijn gemodelleerd met een veralgemeende capaciteitsmatrix voor geleiders met ruime tussenafstand.

De toepassing van de methodologie is gedemonstreerd met een voorbeeld van een synchrone "buck"-convertor. De convertor is gebaseerd op de geïntegreerde schakeling NCP5369 van ON Semiconductor. De voorspelde stralingsemissies van de convertor worden vergeleken met de emissies berekend op basis van metingen uitgevoerd in een transversale elektromagnetische cel met een hybride koppelaar en een goede overeenstemming wordt bereikt.