Fonte: Knowles Precision Devices DLI
À medida que os sistemas de conversão de energia evoluem para utilizar tensões mais altas e semicondutores de banda larga, como carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), os projetistas enfrentam novos desafios no gerenciamento das frequências de interferência eletromagnética (EMI). Os filtros EMI desempenham um papel fundamental para garantir uma operação segura em níveis de tensão elevados.
O Papel dos Filtros EMI na Eletrônica de Potência
Os filtros EMI são projetados para evitar que o ruído elétrico gerado internamente se propague pelo sistema e afete negativamente outras operações. Em outras palavras, esses filtros contêm e gerenciam o ruído. Na eletrônica de potência, eles assumem a forma de filtros de linha de energia que protegem a rede elétrica contra interferências provenientes da fonte de alimentação.
Embora a configuração possa variar conforme os requisitos do sistema, os componentes essenciais de um filtro de linha de energia incluem:
- Um circuito de filtro de modo comum com dois ou mais capacitores de linha para chassis e um indutor de modo comum;
- Um circuito de filtro de modo diferencial (DM) contendo pelo menos um par de indutores em série e um capacitor entre linhas;
- Redes de compensação para ajustar o fator de qualidade (Q) do filtro e adaptar a impedância de saída conforme necessário;
- Dispositivos de supressão de surtos de tensão para proteger contra picos transitórios.
A Figura 1 apresenta uma estrutura de filtro EMI que pode ser útil para aplicações de CA monofásicas ou para entradas de alimentação CC.
Estrutura do Filtro EMI para Aplicações de CA Monofásicas ou Entradas de Alimentação CC
Na estrutura do filtro EMI apresentada na Figura 1, diversos componentes desempenham papéis específicos na atenuação do ruído eletromagnético e na manutenção da integridade do sinal:
- L1, um indutor de modo comum (choke), suprime a EMI e melhora a integridade do sinal.
- L1, C5 e C6 trabalham em conjunto para gerenciar perdas de segunda ordem. Os capacitores C5 e C6 são comumente conhecidos como capacitores Y.
- L2 e L3 são os indutores responsáveis pela indutância de modo diferencial.
- C1, C2 e C4, conhecidos como capacitores X, são capacitores conectados entre linhas para atenuação de ruído de modo diferencial.
- Com a combinação de perdas nos modos comum e diferencial e a adição de duas redes de derivação RC (R1, C3 e R2, C7), é possível controlar o fator de qualidade e a impedância de saída do filtro.
Essa configuração garante que tanto as interferências de modo comum quanto as de modo diferencial sejam devidamente tratadas, contribuindo para um funcionamento mais estável e eficiente dos circuitos de potência.
Modo Normal/Diferencial vs. Modo Comum
O ruído de modo diferencial, também chamado de modo normal, é uma diferença de tensão que aparece entre a linha de alimentação e uma linha neutra ou de retorno, onde a corrente flui naturalmente através do circuito elétrico. Essas correntes viajam em direções opostas nos condutores do circuito. Como os transientes de modo normal seguem um caminho direto pelo circuito, eles podem degradar o desempenho do sistema.
Fontes de alimentação e controles de motores que utilizam chaveamento em alta frequência, como os controles de motores por modulação por largura de pulso (PWM), são grandes responsáveis pelo ruído de modo diferencial. Por exemplo, nos controles PWM, o chaveamento cria ruído de modo diferencial na fonte devido às altas correntes de ripple nos capacitores do link CC.
Por outro lado, as correntes de modo comum viajam na mesma direção nos condutores do circuito e retornam por um caminho separado. Esse tipo de ruído é mais comum entre o terra e as duas linhas de modo normal. Como ele afeta múltiplas linhas simultaneamente, é uma preocupação maior, pois pode comprometer o funcionamento de circuitos analógicos e digitais, podendo até causar falhas.
O ruído de modo comum tende a ter frequências mais altas do que o ruído de modo diferencial, pois se origina do acoplamento capacitivo. Frequências mais altas favorecem o acoplamento entre componentes e linhas, resultando em mais interferência de modo comum no sistema.
O Papel dos Capacitores de Segurança nos Circuitos de Filtros EMI para Eletrônica de Potência
Os capacitores X e capacitores Y, identificados anteriormente na descrição da Figura 1, são classificados como capacitores de segurança. Como esses componentes estão expostos a tensões perigosas com mais frequência do que outros elementos do circuito, a certificação garante que operem de maneira eficiente e segura mesmo sob condições extremas.
Os capacitores de Classe X e Classe Y minimizam a interferência eletromagnética (EMI) em diferentes aplicações:
- Capacitores de Classe X, também conhecidos como capacitores “across-the-line”, são posicionados entre os condutores que transportam corrente alternada (CA) e ajudam a prevenir choques elétricos em caso de falha.
- Capacitores de Classe Y, ou capacitores “line-to-ground”, oferecem proteção entre a linha de alimentação e o terra. Eles passam por testes rigorosos para minimizar os riscos de choque elétrico em caso de falha de aterramento.
Os capacitores X1/Y1 combinam as características das duas classes e podem operar corretamente independentemente da posição em que forem inseridos no circuito.
Dependendo dos requisitos da aplicação, diferentes tipos de capacitores podem ser usados, incluindo capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC) das classes X e Y, ou capacitores de filme das mesmas classes.
Se houver dúvidas específicas sobre filtros EMI para o seu sistema de eletrônica de potência, é recomendado consultar fornecedores especializados.
Tradução livre de: https://www.rfglobalnet.com/doc/the-role-of-emi-filters-in-power-electronics-0001