Caracterización a Altas Frecuencias de Chokes de Modo Común para Filtros EMI en Aplicaciones Aeroespaciales (2020)

espanolEn los sistemas electronicos de potencia modernos se emplean frecuencias de conmutacion cada vez mas altas para aumentar la densidad de potencia. Esta tendencia conlleva un agravamiento de los problemas de interferencias electromagneticas (EMI), lo que dificulta el cumplimiento de las normas que limitan las emisiones electromagneticas de estos equipos. En este contexto, un diseno apropiado y una caracterizacion del filtro EMI en un amplio rango de frecuencias puede ayudar en gran medida a mantener las emisiones electromagneticas bajo control, evitando al mismo tiempo un sobrediseno del filtro. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde restricciones muy exigentes de tamano y peso se combinan con regulaciones estrictas de compatibilidad electromagnetica (EMC), como por ejemplo sucede en aplicaciones aeronauticas. El trabajo que se presenta en esta Memoria esta enfocado a mejorar las tecnicas de caracterizacion de chokes de modo comun, que son componentes fundamentales de los filtros EMI. Se parte de un circuito electrico de parametros concentrados del choke de modo comun donde no solo se incluyen los efectos de baja frecuencia, sino tambien los parasitos que alteran el comportamiento de estos componentes a altas frecuencias. Se realiza un analisis modal del choke de modo comun a partir del modelo de circuito planteado. Se obtienen expresiones analiticas de las frecuencias de resonancia y los coeficientes de transmision para distintas configuraciones, y se identifica una conexion que permite analizar simultaneamente la respuesta del choke a las corrientes en modo comun y en modo diferencial. Se desarrolla una tecnica, basada en el uso de algoritmos de busqueda avanzados, para encontrar los parametros del modelo de circuito de alta frecuencia del choke de modo comun que mejor aproxima el comportamiento real en las diferentes configuraciones. La clave del metodo propuesto lo constituye la disponibilidad de expresiones analiticas, lo que supone una disminucion significativa del coste computacional tipicamente asociado a estos algoritmos de busqueda de parametros. Se han medido diferentes chokes de modo comun comerciales y se ha comparado la respuesta proporcionada por el modelo con las medidas experimentales. La ventaja fundamental que esta tecnica de medida ofrece frente a tecnicas previamente propuestas en la literatura es que permite caracterizar un choke de modo comun a partir de una sola medida que ademas no requiere circuitos auxiliares (como balunes). El analisis realizado para caracterizacion de chokes ha permitido tambien disenar una tecnica alternativa para medir la atenuacion de modo diferencial proporcionado por un choke de modo comun. Esta configuracion alternativa es mas simple que la configuracion que tipicamente se usa para este fin. Se analiza la sensibilidad de esta configuracion frente a acoplamientos electricos y magneticos que tienden a aparecer en casos practicos. Por ultimo, en este trabajo tambien se presenta una tecnica novedosa que permite mitigar los problemas de acoplo magnetico que los chokes de modo comun provocan en filtros compactos. Se analiza el efecto que tienen bandas conductoras colocadas cerca de un choke de modo comun en la atenuacion de modo comun y modo diferencial proporcionada por un filtro EMI donde se monta el choke de modo comun. Se disena un apantallamiento cuya estructura particular permite reducir de forma significativa los acoplamientos electromagneticos entre el choke de modo comun y los condensadores cercanos sin perjudicar el rendimiento del choke de modo comun en otras regiones de frecuencia. Las caracteristicas principales de este apantallamiento son que es facilmente aplicable y que no da lugar a un aumento del peso, volumen o coste del filtro. EnglishIn 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.