EMI filter enhancement via active capacitance multiplicaton

Electromagnetic interference (EMI) mitigation is a critical challenge in switched-mode power supplies (SMPS), since their switching operation generates noise signals that can interfere with the operation of electronic devices and couple through the power line propagating into the grid. In recent years, the massive adoption of SMPS has become a key trend across a wide range of sectors, including household appliances, renewable energy systems, automotive applications, robotics, and large-scale data centers. This widespread use of power electronic converters has significantly increased the importance of power quality and electromagnetic compatibility (EMC) issues. Among the various fields of application, the automotive sector represents one of the most demanding environments, as the development of electric and hybrid vehicles has led to the introduction of switching converters and high-density onboard electronics, which require particular attention to interference mitigation for both functional and safety reasons. Traditional passive EMI filters, commonly employed to suppress noise signals, face several limitations related to their filtering effectiveness, as well as the size, weight, and cost of the required components. In particular, sizing limitations on common-mode filter components such as Y-capacitors result in the extensive use of magnetic components, which makes filters bulky and difficult to optimize in terms of size and weight. This work proposes an active common-mode filter topology for automotive or other DC applications that enhances the performance of Y-capacitors by using a current-controlled current source (CCCS) circuit. The adoption of this filter topology improves the effectiveness of Y-capacitors, allowing a reduction in both the number and physical dimensions of the required components, while ensuring full compliance with safety regulations that impose strict constraints on capacitor sizing, particularly with regard to their maximum admissible energy storage. The proposed filter design relies on small active and passive components without introducing bulky elements into the circuit, and it allows for parallel insertion into the system. The research, supported by analytical modeling, simulations, and the development of a functional prototype tested on a CISPR 25 compliant automotive test bench using an EV inverter, investigates both the potential and the limitations of this active filtering technique.

La mitigazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) rappresenta una sfida critica nei Switched-Mode Power Supplies (SMPS), poiché la loro operazione di commutazione genera segnali di rumore che possono inteferire con l’operazione di dispositivi elettronici e accoppiarsi attraverso la linea di alimentazione propagandosi nella rete elettrica. Negli ultimi anni, la massiccia adozione degli SMPS è diventata una tendenza chiave in una vasta gamma di settori, tra cui elettrodomestici, sistemi di energia rinnovabile, applicazioni automotive, robotica e data center di grandi dimensioni. Questo uso diffuso di convertitori elettronici di potenza ha aumentato significativamente l’importanza della qualità dell’energia elettrica e delle problematiche di compatibilità elettromagnetica (EMC). Tra i diversi ambiti di applicazione, il settore automotive rappresenta uno degli ambienti più esigenti, poiché lo sviluppo di veicoli elettrici e ibridi ha portato all’introduzione di convertitori di commutazione e di elettronica di bordo ad alta densità, che richiede un’attenzione particolare alla mitigazione delle interferenze per motivi sia funzionali sia di sicurezza. I tradizionali filtri EMI passivi, comunemente impiegati per sopprimere i segnali di rumore, presentano diversi limiti legati alla loro efficacia di filtraggio, nonché alle dimensioni, al peso e al costo dei componenti richiesti. In particolare, i vincoli di dimensionamento imposti ai componenti dei filtri di common-mode, come i condensatori Y, comportano la necessità di un ampio impiego di componenti magnetici, rendendo così i filtri complessivamente più ingombranti e complessi da ottimizzare sotto il profilo dimensionale e del peso. Questo lavoro propone una topologia di filtro attivo di common-mode destinata ad applicazioni automotive o altre applicazioni DC che migliora le prestazioni dei condensatori Y mediante l’impiego di una sorgente di corrente controllata in corrente (CCCS). L’adozione di questa topologia di filtro aumenta l’efficacia dei condensatori Y, consentendo una riduzione sia del numero sia delle dimensioni fisiche dei componenti necessari, garantendo al contempo la piena conformità alle normative di sicurezza, che impongono vincoli rigorosi sulle dimensioni dei condensatori, in particolare per quanto riguarda l’energia massima immagazzinabile. Il progetto del filtro proposto si basa su componenti attivi e passivi di piccole dimensioni, senza introdurre elementi ingombranti nel circuito, e consente l’inserimento in parallelo nel sistema. La ricerca, supportata da modellazione analitica, simulazioni e dallo sviluppo di un prototipo funzionale testato su un banco di prova automotive conforme allo standard CISPR 25 utilizzando un convertitore per veicoli elettrici, indaga sia il potenziale sia i limiti di questa tecnica di filtraggio attivo.