Las EMI se contemplan a menudo como la “magia negra” dentro del diseño de conversión de potencia y la integración de sistemas, especialmente para los sistemas CA/CC. Aquí repasaremos las causas de las EMI y su impacto en el sistema antes de aportar algunas sugerencias prácticas para minimizar su efecto.
Causas del ruido
Tenemos que empezar con lo que los ingenieros afectuosamente llaman ruido. Éste se genera cada vez que se produce una transición rápida de tensión (dv/dt) y/o de corriente (di/dt). Los convertidores de potencia CA/CC utilizan generalmente un conjunto de topologías para conmutación de potencia, incluyendo la resonante completa, cuasirresonante y PWM (Pulse Width Modulation o modulación de ancho de pulso), que es el control más extendido en la etapa de entrada del convertidor.

Los convertidores controlados mediante PWM emplean una señal de control rectangular con un ancho de pulso que varía continuamente en respuesta a las condiciones de trabajo del convertidor. El resultado es por lo general un espectro de distribución de energía de “ruido blanco”. Si éste no se filtrara y se apantallara se produciría una interferencia con el equipamiento electrónico de consumo que utiliza la misma red de suministro de CA.

Las corrientes de “ruido” que salen del convertidor de potencia a través de las líneas eléctricas de CA y/o a través de los cables de alimentación de salida se denominan “emisiones conducidas”. El ruido se manifiesta de dos formas: en modo diferencial y en modo común. La definición de modo diferencial es el ruido que se encuentra sólo en las líneas de alimentación y no está presente en la toma de tierra, y puede medirse respecto a las líneas eléctricas. La definición de modo común es el ruido que sólo puede medirse desde la toma de tierra a una de las líneas de alimentación.

Los convertidores de potencia CA/CC emplean filtros EMI dentro de la carcasa del convertidor. Estos filtros contienen topologías de supresión de ruido que contienen a su vez componentes inductivos y capacitivos. Estos componentes se denominan elementos “X” e “Y”. Los componentes “X” se encuentran a lo largo de las líneas de alimentación y filtran el ruido en modo diferencial; los componentes “Y” se sitúan entre las líneas de alimentación y la toma de tierra para filtrar el ruido en modo común.

Cómo minimizar el filtrado de EMI
Los convertidores de potencia CA/CC están diseñados para cumplir varios reglamentos y estándares de seguridad, incluyendo varios estándares para EMI. Las características concretas y los estándares que cumplen se encuentran bien detallados en la información escrita sobre el producto. Sin embargo, durante la integración de un sistema con varios componentes, incluyendo un convertidor de potencia CA/CC, el ingeniero de diseño del sistema deberá valorar si es necesario añadir un filtrado adicional de EMI para permitir que el nuevo sistema integrado cumpla todos los estándares correspondientes. Si es preciso realizar este planteamiento se recomienda minimizar los componentes de filtrado adicionales necesarios de acuerdo con la información obtenida con el test.

Se recomienda prestar especial atención a algunas cuestiones:

1.    Comprobar el sistema sin filtros añadidos. Esto ofrecerá al ingeniero de sistema un buen punto de partida.
2.    Identificar las frecuencias problemáticas en los diagramas de EMI.
3.    Intentar relacionar estas frecuencias con las áreas del hardware integrado en el sistema.
4.    Comprobar de nuevo todas las tomas de tierra y volver a comprobar el recorrido del cable; todo ello debe estar en concordancia con las buenas prácticas en ingeniería. Éstas incluyen, pero no se limitan, a separar los cables de señal de los cables de alimentación, utilizar técnicas de par trenzado (3 o 5 trenzados por pulgada si es posible) para las señales portadores en el cable y/o de alta corriente y en su sus retornos a tierra. Si no resulta factible recurrir a esta técnica se pueden situar los cables lo más cerca posible entre sí como alternativa para minimizar el ruido. Considerar cables apantallados para transiciones rápidas de tensión y/o corriente. En los sistemas integrados que tengan varias tomas de tierra se debe realizar un estudio minucioso del diagrama de bloques de integración del sistema para detectar la presencia de bucles de tierra. Si están presentes deben eliminarse.

Aspectos a tener en cuenta al añadir filtrado externo
Si los problemas de EMI todavía persisten, entonces puede ser necesario incluir un filtro externo. Existen diferentes aspectos a tener en cuenta para escoger un filtro disponible en el mercado:
1.    El filtro ha de ser capaz de manejar el peor caso con la máxima corriente nominal del sistema.
2.    El filtro debe proporcionar suficiente atenuación para las frecuencias de ruido en cuestión con el fin de aportar suficiente margen para las variaciones de fabricación entre sistemas.
3.    Se debería calcular la corriente de fuga añadida (corriente de toque) provocada por la capacidad adicional “Y” en el filtro. Si la corriente de fuga añadida no aparece en la hoja de datos del filtro se puede utilizar la siguiente fórmula para calcular la corriente de fuga:

2p (CA-V-máx) x (CA-frecuencia máx) x (Y condensadores)  = I fuga

Debería añadirse entre un 20% y un 25% a este valor antes de añadirlo a la corriente de fuga total. Si la corriente de fuga total supera el nivel establecido en la normativa habría que valorar la posibilidad de recurrir a un filtro que tenga un componente inductivo en serie interno en el terminal de tierra. Estos filtros no suelen tener condensadores “Y” y podrían aparecer como filtros para aplicaciones médicas.
4.    El filtro debería tener una resistencia interna entre las líneas de alimentación para asegurarse de que al desconectar la entrada de la línea de CA los condensadores “X” internos se descarguen correctamente, generalmente en menos de un segundo, según lo recomendado por VDE 0806 e IEC380.
5.    El efecto de incorporar un filtro externo significa que los elementos inductivos añadidos ahora están en serie con la entrada de CA del convertidor de potencia. Hay que poner mucho cuidado para evitar un fenómeno denominado autooscilación o “ring-up”, que se produce cuando la corriente directa que atraviesa un inductor en serie es lo suficientemente alta como para saturar el inductor del filtro, de modo que cuando desciende de manera brusca el campo magnético resultante puede generarse un pico muy alto, con una amplitud de tensión equivalente al doble del impulso original. Estos picos se pueden producir debido a la incidencia de rayos, conmutaciones en la red de suministro eléctrico o transiciones altamente inductivas debido a las cargas de motores en un edificio. Los convertidores disponibles en el mercado disponen de elementos de protección a la entrada y cumplen los estándares normativos. Sin embargo, al añadir un filtro externo  y debido precisamente a la autooscilación, es posible que se los componentes de protección se vean superados y que resulte dañado el convertidor de potencia. Es necesario añadir componentes externos de protección, como los MOV (Metal Oxide Varistors o varistores de óxido metálico) al filtro externo para añadir robustez al sistema.
6.    El filtro debe situarse lo más cerca posible de la entrada de CA de la carcasa del sistema. Esto maximizará el filtrado de EMI. Todas las conexiones a tierra del filtro deberían ser lo más cortas posible para minimizar la inductancia en serie.

Para obtener información y asistencia con el fin de cumplir los estándares específicos, contacte con su grupo de soporte para ingeniería de aplicaciones de Vicor.

Autor:

David Fletcher, Ingeniero Jefe de Vicor, División Westcor.

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