Caracterización a altas frecuencias de Chokes de modo común para filtros EMI en aplicaciones aeroespaciales

Resumen

En los sistemas electrónicos de potencia modernos se emplean frecuencias de conmutación cada vez más altas para aumentar la densidad de potencia. Esta tendencia conlleva un agravamiento de los problemas de interferencias electromagnéticas (EMI), lo que dificulta el cumplimiento de las normas que limitan las emisiones electromagnéticas de estos equipos. En este contexto, un diseño apropiado y una caracterización del filtro EMI en un amplio rango de frecuencias puede ayudar en gran medida a mantener las emisiones electromagnéticas bajo control, evitando al mismo tiempo un sobrediseño del filtro. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde restricciones muy exigentes de tamaño y peso se combinan con regulaciones estrictas de compatibilidad electromagnética (EMC), como por ejemplo sucede en aplicaciones aeronáuticas. El trabajo que se presenta en esta Memoria está enfocado a mejorar las técnicas de caracterización de chokes de modo común, que son componentes fundamentales de los filtros EMI. Se parte de un circuito eléctrico de parámetros concentrados del choke de modo común donde no sólo se incluyen los efectos de baja frecuencia, sino también los parásitos que alteran el comportamiento de estos componentes a altas frecuencias. Se realiza un análisis modal del choke de modo común a partir del modelo de circuito planteado. Se obtienen expresiones analíticas de las frecuencias de resonancia y los coeficientes de transmisión para distintas configuraciones, y se identifica una conexión que permite analizar simultáneamente la respuesta del choke a las corrientes en modo común y en modo diferencial. Se desarrolla una técnica, basada en el uso de algoritmos de búsqueda avanzados, para encontrar los parámetros del modelo de circuito de alta frecuencia del choke de modo común que mejor aproxima el comportamiento real en las diferentes configuraciones. La clave del método propuesto lo constituye la disponibilidad de expresiones analíticas, lo que supone una disminución significativa del coste computacional típicamente asociado a estos algoritmos de búsqueda de parámetros. Se han medido diferentes chokes de modo común comerciales y se ha comparado la respuesta proporcionada por el modelo con las medidas experimentales. La ventaja fundamental que esta técnica de medida ofrece frente a técnicas previamente propuestas en la literatura es que permite caracterizar un choke de modo común a partir de una sola medida que además no requiere circuitos auxiliares (como balunes). El análisis realizado para caracterización de chokes ha permitido también diseñar una técnica alternativa para medir la atenuación de modo diferencial proporcionado por un choke de modo común. Esta configuración alternativa es más simple que la configuración que típicamente se usa para este fin. Se analiza la sensibilidad de esta configuración frente a acoplamientos eléctricos y magnéticos que tienden a aparecer en casos prácticos. Por último, en este trabajo también se presenta una técnica novedosa que permite mitigar los problemas de acoplo magnético que los chokes de modo común provocan en filtros compactos. Se analiza el efecto que tienen bandas conductoras colocadas cerca de un choke de modo común en la atenuación de modo común y modo diferencial proporcionada por un filtro EMI donde se monta el choke de modo común. Se diseña un apantallamiento cuya estructura particular permite reducir de forma significativa los acoplamientos electromagnéticos entre el choke de modo común y los condensadores cercanos sin perjudicar el rendimiento del choke de modo común en otras regiones de frecuencia. Las características principales de este apantallamiento son que es fácilmente aplicable y que no da lugar a un aumento del peso, volumen o coste del filtro.