Caracterización a altas frecuencias de Chokes de modo común para filtros EMI en aplicaciones aeroespaciales

• Autores: Carlos Domínguez-Palacios Durán
• Directores de la Tesis: Joaquín Bernal Méndez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Número de páginas: 191
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Nuño Fernández (presid.), Eduardo Galván Díez (secret.), Francisco Luis Mesa Ledesma (voc.), Ferran Silva Martínez (voc.), Salvador González García (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Automática, Electrónica y de Telecomunicación por la Universidad de Sevilla
• Materias:
  • Física
    • Electrónica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    En los sistemas electrónicos de potencia modernos se emplean frecuencias de conmutación cada vez más altas para aumentar la densidad de potencia. Esta tendencia conlleva un agravamiento de los problemas de interferencias electromagnéticas (EMI), lo que dificulta el cumplimiento de las normas que limitan las emisiones electromagnéticas de estos equipos. En este contexto, un diseño apropiado y una caracterización del filtro EMI en un amplio rango de frecuencias puede ayudar en gran medida a mantener las emisiones electromagnéticas bajo control, evitando al mismo tiempo un sobrediseño del filtro. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde restricciones muy exigentes de tamaño y peso se combinan con regulaciones estrictas de compatibilidad electromagnética (EMC), como por ejemplo sucede en aplicaciones aeronáuticas. El trabajo que se presenta en esta Memoria está enfocado a mejorar las técnicas de caracterización de chokes de modo común, que son componentes fundamentales de los filtros EMI. Se parte de un circuito eléctrico de parámetros concentrados del choke de modo común donde no sólo se incluyen los efectos de baja frecuencia, sino también los parásitos que alteran el comportamiento de estos componentes a altas frecuencias. Se realiza un análisis modal del choke de modo común a partir del modelo de circuito planteado. Se obtienen expresiones analíticas de las frecuencias de resonancia y los coeficientes de transmisión para distintas configuraciones, y se identifica una conexión que permite analizar simultáneamente la respuesta del choke a las corrientes en modo común y en modo diferencial. Se desarrolla una técnica, basada en el uso de algoritmos de búsqueda avanzados, para encontrar los parámetros del modelo de circuito de alta frecuencia del choke de modo común que mejor aproxima el comportamiento real en las diferentes configuraciones. La clave del método propuesto lo constituye la disponibilidad de expresiones analíticas, lo que supone una disminución significativa del coste computacional típicamente asociado a estos algoritmos de búsqueda de parámetros. Se han medido diferentes chokes de modo común comerciales y se ha comparado la respuesta proporcionada por el modelo con las medidas experimentales. La ventaja fundamental que esta técnica de medida ofrece frente a técnicas previamente propuestas en la literatura es que permite caracterizar un choke de modo común a partir de una sola medida que además no requiere circuitos auxiliares (como balunes). El análisis realizado para caracterización de chokes ha permitido también diseñar una técnica alternativa para medir la atenuación de modo diferencial proporcionado por un choke de modo común. Esta configuración alternativa es más simple que la configuración que típicamente se usa para este fin. Se analiza la sensibilidad de esta configuración frente a acoplamientos eléctricos y magnéticos que tienden a aparecer en casos prácticos. Por último, en este trabajo también se presenta una técnica novedosa que permite mitigar los problemas de acoplo magnético que los chokes de modo común provocan en filtros compactos. Se analiza el efecto que tienen bandas conductoras colocadas cerca de un choke de modo común en la atenuación de modo común y modo diferencial proporcionada por un filtro EMI donde se monta el choke de modo común. Se diseña un apantallamiento cuya estructura particular permite reducir de forma significativa los acoplamientos electromagnéticos entre el choke de modo común y los condensadores cercanos sin perjudicar el rendimiento del choke de modo común en otras regiones de frecuencia. Las características principales de este apantallamiento son que es fácilmente aplicable y que no da lugar a un aumento del peso, volumen o coste del filtro.

  • English

    In modern power electronics systems, high switching frequencies are employed to increase power density. This trend leads to a worsening of the problems of electromagnetic interference (EMI), which makes it difficult to comply with the regulations that limit the electromagnetic emissions of these equipment. In this context, proper design and characterization of the EMI filter over a wide range of frequencies can greatly help to keep noise emissions under control while at the same time preventing designed over-specification. This is especially important in applications where strict requirements of size and weight are combined with stringent electromagnetic compatibility (EMC) regulations, as for example in aeronautical applications. The work presented in this Memory is focused on improving the characterization techniques of common mode chokes, which are key components of EMI filters. We propose a lumped circuit of the common mode choke where not only the low frequency components are included, but also the parasitics that alter the performance of these components at high frequencies. A modal analysis of the common mode choke is performed based upon the proposed circuit model. We obtain analytical expressions of the frequencies of resonance and the transmission coefficients for the different connection configurations, and a connection that allows to analyze simultaneously the response of the common mode choke to the common mode and differential mode currents is identified. We develop a technique, based on the use of advanced search algorithms, to find the parameters of the high-frequency circuit model of the common mode choke that fit best the actual performance in the different experimental setups. The key of the proposed method is the availability of the analytical expressions, which means a significant decrease of the computational cost associated with these search algorithms. Different commercial common mode chokes haven been measured and the response predicted by the high-frequency circuit model has been compared with the measured responses. The main advantage that this measurement technique offers compared to techniques previously proposed in the literature is that it allows the characterization of a common mode choke from a single measurement that also does not require auxiliary circuits (such as balunes). The analysis performed for the characterization of common mode chokes has also allowed us to design an alternative technique to measure the differential mode response provided by a common mode choke. This alternative configuration is simpler than the configuration that is typically used for this purpose. The sensitivity of this configuration is analyzed against electrical and magnetic couplings that tend to appear in practical cases. Finally, this work also presents a novel technique that mitigates the magnetic coupling problems that common mode chokes cause in compact filters. We analyze the effect of conductive bands placed near a common mode choke have on the common mode and differential mode attenuation provided by an EMI filter, where the common mode choke is mounted. We design a shield whose particular structure makes it possible to significantly reduce the electromagnetic couplings between the common mode choke and the nearby capacitors without impairing the common mode choke behavior in other frequency regions. The main features of this shielding technique are that can be used on-site, and do not increase the weight, volume or cost of the EMI filter.