Tecnología

Introducción a la tecnología HFCM

SMP es fabricante de componentes inductivos y filtros con dos centros de producción, ubicados en Alemania y Austria.  SMP cuenta con los siguientes departamentos de producción:

1) producción de polvo:
Los materiales HFCM ("High Frequency Composite Materials") que componen el polvo base de sus núcleos son desarrollados y fabricados por SMP en Austria, con una capacidad de 250 toneladas / mes. Esto permite seleccionar, fundir y procesar materiales con características específicas, que dan como resultado productos con propiedades especiales. Como por ejemplo materiales libres de magnetostricción, entre otros.

2) taller de herramienta:
Para poder diseñar y optimizar núcleos y piezas de plástico, SMP dispone de su propio departamento/taller para la fabricación de herramientas específicas.

3) departamento de moldes:
Las piezas de aislamiento y carretes de plástico son desarrollados y fabricados para garantizar aislamiento, resistencia al fuego, emisión de humos y comportamiento con temperatura, en cumplimiento con las normas internacionales.

4) taller de prensas:
Todos los núcleos y componentes moldeados están fabricados por SMP con materiales en polvo HFCM de SMP mediante proceso de sinterización en prensas. SMP realiza también los desarrollos específicos para aquellos productos que no son estándar. Se producen núcleos de diversos tamaños; desde 19mm hasta 300mm.

5) taller de bobinados:
Todas las bobinas son producidas en SMP. Disponiendo de la tecnología para realizar todo tipo de bobinados con todo tipo de cables, hilos ó pletinas de cobre, adaptadas a cada aplicación de cliente.

6) taller de montaje y ensamblado:
Además de la capacidad de diseño y producción de núcleos y bobinas, SMP lleva a cabo el montaje del filtro completo para los clientes que así lo solicitan.
Adicionalmente SMP cuenta con los siguientes laboratorios de medida propios:

7) laboratorio de ingeniería de materiales
Los materiales son desarrollados y optimizados en sus propiedades magnéticas, eléctricas, mecánicas y químicas. SMP trabaja con nuevos materiales y tecnologías para llevar a cabo soluciones específicas para sus clientes.

8) Laboratorio de ensayo y prueba de condiciones reales
Aquí los productos son probados eléctricamente simulando las condiciones reales de funcionamiento en campo, mediante la generación y modulación de diferentes corrientes y frecuencias (reproducción de corriente - FFT).
- Podemos generar cualquier forma de curva/onda.
- Corrientes hasta 1000 A
- Frecuencias hasta 20 kHz

Gracias a todos estos medios se puede:
- optimizar los materiales
- medir pérdidas reales y calidad real del producto final
- probar el comportamiento con la temperatura de nuestros productos en los distintos tipos de refrigeración (convección natural, aire forzado o llegado el caso, refrigeración líquida)

9) laboratorio de EMC
SMP ha ampliado su dentro de desarrollo con un nuevo laboratorio de EMC. Aquí se pueden medir las emisiones tanto conducidas como radiadas, optimizando tanto los filtros como los elementos empleados para su fabricación, sin salirnos de los parámetros que marcan las normas de compatibilidad electromagnética.

Gracias a los osciloscopios y analizadores de última generación, se consiguen medidas reales y precisas de corrientes y voltajes en todos los ensayos.

10) documentación
El sistema de documentación a lo largo de todo el proceso de diseño y productivo, garantiza la total trazabilidad de todos los productos.

11) Normas y certificaciones.
- ISO 9001: 2015 certificado (DQS)
- Nuestro sistema de aislamiento, certificado UL, cumple con la clase H (180°C) en comportamiento con temperatura
- Certificación de protección contra incendios según DIN EN 45545.
- Estanqueidad: hasta IP66
- Conformidad RoHS y REACH

Aplicaciones:
Las aplicaciones en las que podemos utilizar productos fabricados con núcleos basados en polvo-HFCM, son muy diversas:
- Filtros completos:
Filtros de red, filtros de circuito intermedio, filtros de circuito de entrada, filtros de onda sinusoidal, filtros du/dt etc.
- Componentes inductivos para filtros:
Bobinas para filtrado de red, bobinas DC-Link, bobinas para filtro de salida, etc.
- Piezas para control de flujo magnético:
Componentes del motor, yokes, blindajes, piezas concentradoras de flujo, etc.
www.a2gelectronica.com
Laguna del Marquesado 42-G, 28021 Madrid, España. Phone: +34 91 327 30 83 / Fax: +34 91 327 26 45

Ventajas:
Los materiales realizados con polvo-HFCM presentan las siguientes ventajas en comparación con las láminas de hierro y materiales de ferrita, en su utilización en electrónica de potencia:
- Hasta 40 dB (μν) menos en emisiones EMC (emisiones conducidas y radiadas)
- Reducción/ahorro de peso de hasta el 40%.
- Reducción/ahorro de volumen de hasta el 50%.
- Ultra bajo nivel de ruido audible gracias a nuestros materiales libres de
magnetostricción; ideal para filtros de onda sinusoidal, ya que los ruidos se
reducen drásticamente tanto en el motor como en el filtro de onda sinusoidal.
- Permite usar frecuencias fundamentales más altas sin deriva/derating de
comportamiento en el filtro.
- Estabilidad de comportamiento (L) con la corriente: Inducción de saturación de
los materiales HFCM hasta 2 T
- Limpiado efectivo de corrientes y voltajes en aplicaciones con protección de
aislamiento.

Materiales y Tecnología:
Los materiales magnéticos blandos utilizados por SMP tienen su origen en metalurgia de polvos (ver Capítulo l.1), denominados HFCM "High Frequency Composite Materials”
- Tienen isotropía 3D. Esto permite una gran libertad en el diseño geométrico de los núcleos magnéticos. Los núcleos con simetría cilíndrica, con parte superior y parte inferior, presentan un diseño blindado cerrado, con la longitud del camino de hierro magnético más corto posible, lo que minimiza los amperios-vuelta.
- Libertad en la composición química, nos permite conseguir materiales con las propiedades magnéticas deseadas, y libres de magnetostricción. Y con ello filtros ultra silenciosos.

Técnicas Constructivas:
Los acoplamientos magnéticos de las fases individuales (U, V, W), dan como resultado tres tipos de bobinas o filtros para aplicaciones trifásicas (ver Figura 1).
1. Construcción con acoplo magnético:
a) Tres circuitos magnéticos → Modo diferencial (DM) → supresión del ruido diferencia.l b) Un circuito magnético → Modo común (CM) → supresión del ruido de modo común.
2. Construcción sin acoplo magnético:
Tres choques individuales, que simultáneamente filtran el ruido de modo diferencial y el de modo común, debido a su auto inducción Lself. Al conjunto lo denominamos filtro “All Mode” (AM). Pues actúa de ambos modos.
Los componentes inductivos se pueden implementar como chokes simples (All Mode) o como chokes con acoplo magnético de modo diferencial y de modo común.

El ajuste de la relación entre las pérdidas de inducción y la inductancia de magnetización nos lleva a soluciones combinadas muy interesantes para la deseada supresión de perturbaciones de modo diferencial y modo común.
La tecnología All Mode® de SMP, además de las ventajas expuestas, permite reemplazar los filtros convencionales de modo diferencial (DM) y de modo común (CM) por un solo filtro con construcción All Mode® (AM).



Figura 1: Construcciones de chokes.
Lleak
*Lmagn: Inductancia de magnetización generada por el flujo magnético acoplado
**Lleak: Pérdidas de inductancia generadas por el flujo magnético no acoplado (pérdidas de flujo)
5. PropiedadesTécnicas:
Las propiedades específicas de los materiales SMP basados en polvo HFCM se logran mediante el Mantenimiento de la inductancia en el punto de trabajo.
La mayoría de los filtros del mercado especifican -sin decirlo- su valor de inductancia con I=0. En el momento de aplicarles corriente I=5A, 10A, 20A...resulta que el valor de la inductancia comienza a caer asintóticamente hasta valores increíblemente bajos y pierden con ello su función de filtrado.
Para conseguir el mantenimiento de la inductancia en el punto de trabajo (I real) SMP utiliza las siguientes propiedades físicas de sus materiales:
1) estabilidad de saturación
2) baja generación de corrientes de Eddy/Foucault en frecuencias altas

Estas dos propiedades se explican a continuación:
1) estabilidad de saturación:

La Figura 2 muestra la curva de magnetización de aleaciones de hierro y de ferritas.

Los elementos fabricados a partir aleaciones de hierro pueden realizarse bien uniendo láminas de dichas aleaciones (chapa de acero, acero amorfo, nanocristalino...) o, a partir de elementos/núcleos fabricados con polvo de dichas aleaciones.
La tremenda diferencia en la inducción de saturación de dichos materiales y los desarrollados por SMP la explica el hecho de que la ferrita contiene mucha menos cantidad de hierro. Al tratarse de óxidos de hierro, su contenido en hierro es de alrededor del 50%.
Los “air-gaps” frecuentemente utilizados (no importa si se trata de hierro o ferrita), crean un corte en el material, que reduce significativamente la permeabilidad del material. De esta forma el campo magnético necesario para alcanzar la saturación es mucho mayor. Pero la inductancia se ve reducida significativamente.
La saturación del material se alcanza cuando los elementos magnéticos de este (átomos de hierro) están completamente orientados en la dirección del campo magnético.

Figura 2: Comportamiento de las saturación y la permeabilidad

La saturación viene determinada por el número de elementos magnéticos que pueden orientarse en la dirección del campo magnético.
La permeabilidad describe, cuán fácil dichos elementos magnéticos pueden ser orientados.

Vamos a ver la importancia de este comportamiento en dos ejemplos reales, en el mismo punto de trabajo (Figura 3). Las curvas son medidas reales.
Figura 3a)
Los núcleos tienen aproximadamente la misma inductancia en estado de carga cero (0A). En el punto de trabajo IWP, la ferrita alcanza su saturación mucho más rápido, y su inductancia cae rápidamente.
Figura 3b)
De nuevo vemos los dos chokes. La inductancia de ambos es la misma en el punto de trabajo IWP. La ferrita presenta mucha mayor inductancia a 0 Amp (sin carga), lo que no es muy útil para la aplicación.
Para Corrientes por encima del punto de trabajo, p.ej. sobrecarga o cortocircuito, las pérdidas de inductancia del núcleo de ferrita son mucho mayores que las de los núcleos hechos a partir de polvo de hierro.
Con la pérdida de inducción, por la saturación del material, el núcleo se comporta de forma similar al de una bobina con núcleo de aire, anulando prácticamente su función.


En resumen:
Los dos ejemplos presentados muestran que lo que realmente necesitamos conocer es el valor de la inductancia de nuestro filtro en el punto de trabajo, y no cuando la carga es cero.

Figura 3: Comportamiento de la inductancia dependiendo de la corriente/carga

2) Baja generación de corrientes de Eddy a frecuencias altas:
Principio:
Las Corrientes de Eddy generadas, forman campos/flujos magnéticos inversos en el elemento/núcleo que lo que hacen es reducir la inductancia del choke. Cuanto mayor son las corrientes de Eddie generadas, más cae la inductancia. Las corrientes de Eddy aumentan o crecen a frecuencias más altas. Las altas frecuencias de trabajo de los PWM y especialmente los cortos tiempos de conmutación de los semiconductores de potencia modernos generan corrientes/interferencias de alta frecuencia.


La reducción de las corrientes de Eddy/Foucault se logra mediante la reducción del espesor del material con el que se construye los núcleos. La chapa de hierro está limitada por sus propios procesos de fabricación a aproximadamente 100um de espesor. Mientras que los materiales formados a partir de polvo de hierro tienen diámetros de entre 100μm y 5μm.
El siguiente método eficaz para reducir las corrientes de Foucault es mediante el aumento de la macro resistencia intrínseca del material utilizado. La chapa de acero tiene un buen aislamiento entre capas, pero en cada capa las corrientes de Foucault aparecen sin impedimento debido a la gran superficie y la baja resistencia intrínseca del material, que está en el rango de μΩm.

En el caso de las ferritas la resistencia intrínseca del material es mayor, encontrándose en el rango de Ωm, por tratarse de óxidos de hierro.
Por contra, los materiales construidos a partir de polvo HFCM de SMP, cuentan con valores de resistencia en el rango de los GΩm.
Esta tremenda diferencia en el valor de la resistencia del material que forma los núcleos tiene un efecto directo sobre las corrientes de Foucault, que se reducen drásticamente. Lo que permite mantener el valor de la inductancia de nuestros filtros a altas frecuencias, especialmente en las frecuencias de las perturbaciones a eliminar.

Debido a la alta resistencia del material SMP-HFCM, se forma un circuito oscilante. Este efecto se llama oscilación natural del choke. En caso de necesitar una alta atenuación de las oscilaciones naturales de los chokes, nunca debe realizarse reduciendo la resistencia interna dentro del material, pues favoreceremos la libre circulación de las corrientes de Foucault. En su lugar instalaremos una resistencia externa en paralelo. De esta forma, se evita el calentamiento del choke y la inductancia de nuestro núcleo será estable con la frecuencia. Incluso a frecuencias altas.


Consecuencias de la pérdida de inductancia:
1) La pérdida de inductancia produce un decremento de la atenuación resistiva.
2) Por la falta de atenuación inductiva, se permite el paso a través de todo el filtro de las perturbaciones de alta frecuencia, con sus consecuencias negativas en las medidas de EMC y para el motor. EL filtro no puede bloquear las perturbaciones de alta frecuencia.

Lo mostramos en el siguiente ejemplo:
Figura 4: Configuración para medir la tensión de interferencia y EMC con filtro de onda sinusoidal de todos los polos.
Condiciones operativas:
• Corriente nominal: In= 24A
• Frecuencia de conmutación: fPWM=4KHz
• Longitud del cable al motor: 100m
Comparamos los voltajes de interferencia y el comportamiento EMC de un filtro de onda sinusoidal en todos los polos con las siguientes características:
Tabla 1: Inductancias y voltajes pk-pk de un filtro de onda sinusoidal en todos los polos. DM - Modo diferencial; CM - Modo común; Vs. Filtro All Mode® AM (DM + CM) de SMP.
Los filtros de onda sinusoidal All Mode suavizan la tensión de fase-fase, así como la tensión de fase-PE. El rizado del voltaje (ripple) y las tensiones de interferencia de alta frecuencia asociadas aparecen periódicamente con la frecuencia de conmutación del inversor.

Chapa de acero
SMP-HFCM
Ldm = 2400 μH (Modo diferencial)
Lam= 1400 μH (All Mode)
Lcm = 620 μH (Modo común)
Lcm = 150 μH (Modo común)
Uph-PE pk-pk = 453 V
Uph-PE pk-pk= 303 V

La Figura 5, la Figura 6 y la Figura 7 muestran las curvas de la tensión Fase-PE después del filtro (ver configuración de medida en Figura 4)
Figura 5: Rizado de la tensión Fase U-PE con fPWM= 4 kHz con material SMP-HFCM.
Los picos de voltaje de alta frecuencia se atenúan con éxito con el filtro "All Mode” de SMP-HFCM, con una inductancia de solo 1,4 mH y una inductancia de modo común de 150μH (Figura 5). Y la tensión pico-pico resultante en la fase PE tiene un valor de 303 V.
Tras el filtro con chapa de acero, con una inductancia de modo diferencial de 2,4 mH y una de modo común de 620 μH, la tensión pico-pico resultante en la fase PE tiene un valor de 453 V (Figura 6). 150V mayor que en el caso de la Fig 5. Y por tanto más peligrosa o dañina para el aislamiento del motor.

Figura 6: Rizado de la tensión PaseU-PE con fPWM= 4 kHz con Chapa de Acero


El detalle aumentado del ruido en el voltaje de la Figura 6 muestra una frecuencia de 3,7 MHz (Figura 7) que obviamente tiene una influencia negativa en el rendimiento EMC del conjunto (Figuras 8 y 9).
Figura 7: Perturbación/ruido de alta frecuencia en la tensión PhaseU-PE, aprox. 3,7MHz, (picos de la figura 6) en choke con Chapa de Acero
Figura 8: Comparativa de Medidas EMI Cuasi pico: filtro con SMP-HFCM (curva azul) vs filtro con chapa de acero (curva roja); fPWM= 4kHz, carga nominal I= 24A.


Figura 9: Comparativa de Medidas EMI Promedio. Filtro con SMP-HFCM (curva azul) vs filtro con chapa de acero (curva roja); fPWM= 4kHz, carga nominal I= 24A.
A 3,7 MHz, el filtro de chapa de acero (curva roja) presenta niveles de ruido significativamente más altos, tanto en cuasi pico, como en medida promedio. Debido a la mejor atenuación del filtro HFCM, las perturbaciones se reducen en 18 dB (μV) en cuasi pico, y en 17 dB (μV) en promedio.
3) Debido a que el choke con material HFCM mantiene la inductancia en todo el rango de frecuencias, un valor de inductancia más bajo es suficiente para filtrar/limpiar la tensión y cumplir EMC. Esto conlleva enormes ventajas para la dinámica del sistema.

 

 

Comparativa tecnológica:
La mayoría de los filtros en el mercado consisten en chokes de modo diferencial (DM). Adicional a ellos, se aplican filtros de modo común (CM).
Debido a las altas frecuencias de conmutación de los nuevos semiconductores, con rampas de subida y bajada cada vez más rápidas, especialmente en la nueva generación de semiconductores de SiC y GaN, el uso de dos elementos de filtro se convierte en inevitable, y esta tendencia se intensificará con el tiempo.
A diferencia de la solución actual, de utilizar un filtro de modo diferencial junto con otro de modo común, la tecnología All Mode (AM), permite realizar el filtro con un solo elemento.

Para poder realizar una comparación real de ambas soluciones, debemos sumar los gastos directos de la solución tradicional (coste de dos filtros DM y CM) y los gastos indirectos (tamaño, peso, calor, eficiencia, stock de dos artículos, a veces de dos proveedores). De esta forma, sí podemos comparar la solución tradicional DM+CM con la tecnología All Mode® (AM) desarrollada por SMP y comprobar sus beneficios: un solo componente/filtro, notablemente más estable con la corriente y la temperatura, más silencioso, con mejores prestaciones, de menor volumen, de menor peso, que se calienta menos y todo ello, con un precio resultante más ventajoso.
Adicionalmente, los materiales SMP-HFCM nos permiten diseñar los filtros con valores de inductancia inicial menor, lo que resulta en una mayor dinámica del sistema total.

Este documento no es más que una breve introducción a la tecnología HFCM de SMP. Si estuviera Vd. interesado en ampliar cualquiera de las informaciones referidas o incluso plantearnos sus dificultades con algún filtro, estaremos encantados de concertar una vista en sus instalaciones para poder discutir personalmente sobre los asuntos que Vd. considere. 


Dipl. Ing (M. Sc.) Johannes Gemenetzis

Convertronic

GM2 Publicaciones Técnicas, S.L.
Tel.: +34 91 706 56 69
Poema Sinfónico, 27. Esc B. Planta 1 Pta 5
28054 (Madrid - SPAIN)
e-mail: gm2@gm2publicacionestecnicas.com ó consultas@convertronic.net

Suscríbete a nuestro boletín de noticias

Noticia del canal electrónico no encontrada
© 2019 Convertronic electrónica para ingenierías e integradores de sistemas. Todos los derechos reservadosIT FREAK COMPANY OnServices

Search