An active filtering technique for electromagnetic interferences suppression in DC/DC converters

DC/DC converters are well known for their high power density, and the trend in the last decade has been to build them smaller and smaller. In order to achieve high power density component’s size has to be decreased while the efficiency has to be increased. This two objectives can be reached by boosting the switching frequency while reducing the rise/falling time of the switching waveforms and this has been possible thanks to new generation switching devices, such as Gallium Nitride (GaN) or Silicon Carbide (SiC) devices. In few years, the frequency of Switched Mode Power Supply (SMPS) moved from tenth of kHz up to the MHz range. The fast changes in voltage and current in the switching components lead to a serious thread for what concern the generation of Electromagnetic Interference (EMI). This requires the devices to be equipped with more effective EMI filter, but this goes in the opposite direction of increasing the power density. If the SMPS have seen considerable development in the last decade, the same cannot be said about EMI filters that still use the same technology used years ago; the method consists in providing the noise path with high series and low parallel impedance by using passive LC components. However this components usually need lot of space on the SMPS board, same cases are reported in where the EMI filter needs the 50% of the converter’s size. Improvements has been done in the packaging, and planar integrated EMI filter have been employed to achieve the necessary degree of noise suppression, but the non ideal behavior of the components used significantly limit the effectiveness of passive filters, especially at high frequencies and sometimes multi-stage passive filter have to be used. It is important to remember that Electromagnetic Compatibility (EMC) has not to be achieved only to fulfill the governmental requirements and regulations, but nowadays most of these DC/DC converters are PCB mount type and are installed in close proximity to microprocessors and other components to provide them DC supply. Therefore, their ability in not interfering with the surrounding environment is a must for the correct behavior of electronics devices. In this thesis, a novel input active filtering technique is analyzed. It is based on the noise current phase shift and its injection back to the DC input so to cancel the Electromagnetic Conducted Emission (CE). Finally, a prototype has been build and experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of Active Filtering Techniques in EMI suppression while consuming less space on the printed circuit board (PCB).

I convertitori DC/DC si distinguono per la loro elevata densità di potenza, e il trend nell’ultimo decennio è stato quello di ridurne le dimensioni il più possibile. Per poter raggiungere elevate potenze in volumi ridotti la taglia dei componenti deve essere diminuita mentre il rendimento deve essere incrementato. Questi due obiettivi possono essere raggiunti incrementando le frequenze di switching e diminuendo quanto più possibile il tempo di salita e discesa delle forme d’onda coinvolte, mediante l’utilizzo di componenti di nuova generazione come i transistor al Nitruro di Gallio (GaN) o Carburo di Silicio (SiC). In pochi anni le frequenze di switching dei convertitori statici sono passate da qualche decina di kHz fino ai MHz. Il repentino cambiamento delle tensioni e delle correnti coinvolte nella fase di switching introduce non pochi problemi per quanto riguarda la generazione di disturbi elettromagnetici (EMI). Per questo motivo questi convertitori devono essere equipaggiati con filtri per le emissioni elettromagnetiche sempre più efficienti, ma questo va in direzione opposta al bisogno di diminuire il volume del prodotto finale. Se i convertitori statici hanno visto un considerevole sviluppo nell’ultimo decennio, lo stesso non si può dire dei filtri per le emissioni elettromagnetiche, che usano ancora la stessa tecnologia da decenni; il metodo prevede di creare attraverso circuiti LC una elevata impedenza serie e una bassa impedenza in parallelo per il rumore elettromagnetico, in modo da bloccarlo e dirottarlo alla sorgente da cui proviene. Tuttavia questi componenti (induttori e condensatori) richiedono molto spazio, in alcuni casi perfino il 50% del volume totale del convertitore. Migliorie sono state apportate al packaging dei componenti attraverso il posizionamento di quest’ultimi all’interno delle schede circuitali attraverso tecniche di integrazione planare. Tuttavia, a causa delle non idealità di questi componenti, per raggiungere l’attenuazione richiesta, a volte occorrono più stadi di filtraggio a discapito delle dimensioni. Bisogna considerare che la Compatibilità Elettromagnetica (EMC) non deve essere raggiunta solo per limiti di legge, ma oggi molti di questi alimentatori switching (SMPS) sono montati all’interno di sistemi più complessi e in vicinanza di componenti suscettibili come i microprocessori, per fornire l’alimentazione richiesta. E’ quindi essenziale che essi possano coesistere con l’ambiente che li circonda senza causare interferenze e malfunzionamenti. In questo elaborato viene analizzato e sviluppato un nuovo metodo di riduzione dei disturbi elettromagnetici creati da convertitori statici DC/DC. E’ basato sulla captazione del disturbo, una successiva amplificazione e inversione di fase dello stesso, e la sua re-iniezione nel circuito dal quale è stato generato. In questo modo il disturbo e il segnale iniettato si vanno ad elidere diminuendo le emissioni elettromagnetiche condotte causate dal convertitore. Infine vengono illustrati i prototipi costruiti di Filtro Attivo per le EMI,e i relativi risultati sperimentali vengono presentati per dimostrare l’efficacia in termini di attenuazione e volume occupato dei metodi di riduzione attiva dei disturbi nell’ambito EMC.