Conception des chemins de bruit en mode commun et des filtres EMI pour le marquage laser

Conception des chemins de bruit en mode commun et des filtres EMI pour le marquage laser

Abstract

Une alimentation pour marquage laser est une machine à commutation haute fréquence avec des fronts de tension de l'ordre du kilovolt. Chaque front induit un courant de déplacement à travers les capacités parasites, pénétrant dans le châssis et s'échappant par le LISN. Cet article détermine le courant d'injection, la limite de fuite qui restreint les condensateurs Y et la valeur de la bobine d'arrêt permettant d'obtenir le niveau de coupure en mode commun requis pour la suppression du courant. Il identifie ensuite quatre points critiques, six étapes de conception et les caractéristiques des composants qui garantissent le maintien de ce niveau de coupure en fonction de la température.

1. Introduction

Chaque alimentation pour marquage laser fonctionne à des fréquences de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilohertz, avec des fronts de tension de plusieurs kilovolts par microseconde. Ces fronts sont générés par l'étage élévateur du bus DC, les circuits de commande des diodes de pompage et les circuits de commande des commutateurs Q.

Chaque commutation induit un courant de déplacement dans la structure environnante par le biais de capacités parasites : entre le nœud de commutation et le dissipateur thermique, entre les enroulements du transformateur, ou encore entre le câble haute tension et le bâti de la machine. Ce courant est un courant de mode commun. Il circule par des chemins non prévus à cet effet, retourne par la terre ou le banc d’essai et se manifeste sous forme d’émissions conduites sur le réseau électrique.

Lorsqu'une machine de marquage échoue à un test d'émission, la cause est rarement un composant manquant dans le schéma. Il s'agit plutôt d'un chemin parasite non modélisé et d'un filtre dimensionné pour le bruit en mode différentiel.

Deux caractéristiques rendent le problème particulièrement aigu. Le châssis est compact et transporte des dizaines de kilovolts, ce qui maximise l'injection par centimètre cube. De plus, la machine est encombrée de câbles, chacun faisant office d'antenne et convertissant le courant de mode commun en rayonnement.

2. Mécanisme de base

2.1 Courant de déplacement d'un nœud de commutation

Un nœud rapide injecte du courant dans chaque objet conducteur qu'il rencontre :

I_CM = C_par × dv/dt

où I_CM est le courant de mode commun injecté, C_par la capacité parasite entre le nœud et l'objet, et dv/dt la vitesse de variation de tension du nœud.

La capacité parasite suit la relation des plaques parallèles, c'est donc une grandeur de configuration :

C_par = ε₀ × εr × A / d

où C_par est la capacité parasite, ε₀ la permittivité de l'espace libre, εr la permittivité relative de l'entrefer, A la surface de face et d la séparation.

Une plaque de 50 mm × 50 mm, placée à 3 mm du châssis, présente une capacité de 8.854 pF/m × 1 × 0.0025 m² / 0.003 m = 7.4 pF. Un circuit de commande de transistor Q commutant 20 kV en 100 ns a une vitesse de variation de tension (dv/dt) de 2 × 10⁹ V/s, l'injection est donc de 7.4 pF × 2 × 10¹¹ V/s = 1.5 A. Même un simple couplage de 5 pF induit un courant de 1 A.

2.2 Ce que lit le LISN

Le courant revient par la connexion à la terre et le réseau de stabilisation d'impédance de ligne du banc d'essai :

V_LISN = I_CM × Z_LISN

où V_LISN est la tension mesurée par le récepteur, I_CM le courant de mode commun et Z_LISN l'impédance du réseau, qui est de 50 Ω dans la bande de mesure.

Un ampère traversant une résistance de 50 Ω correspond à 50 V, soit 154 dBµV. Une limite d'émission conduite inférieure à 80 dBµV serait dépassée de plus de 70 dB. La mesure dépend également de l'installation, car l'impédance du chemin de retour est fonction de la qualité de la terre et du câblage ; c'est pourquoi un même appareil peut donner des résultats différents dans deux laboratoires.

2.3 La limite du condensateur Y due au courant de fuite

Un condensateur Y est placé entre la ligne et la terre, sa valeur est donc limitée par l'exigence de courant de fuite de sécurité :

I_leakage = 2π × f_line × C_Y × V_phase

où I_leakage est le courant de fuite à la terre, f_line la fréquence du réseau, C_Y la capacité Y et V_phase la tension de phase.

Le calcul de la capacité donne au plafond un élément contre lequel le concepteur travaille :

C_Y,max = I_leakage,max / (2π × f_line × V_phase)

À 230 V et 50 Hz avec une limite de 0.5 mA, C_Y,max est de 6.9 ​​nF. Un composant standard de 4.7 nF consomme 0.34 mA et laisse une marge de 32 %, il n'y a donc pas de marge possible pour améliorer la suppression en augmentant la capacité.

2.4 Le coin en mode commun et la bobine d'arrêt

La fréquence de coupure du filtre est déterminée par l'action conjointe de la bobine d'arrêt et des condensateurs en Y :

f_CM = 1 / (2π × √(2 × L_CM × C_Y))

où f_CM est la fréquence de coupure en mode commun, L_CM l'inductance de la bobine d'arrêt en mode commun et C_Y la capacité de l'un des deux condensateurs Y.

Avec une capacité C_Y fixée à 4.7 nF par sécurité, la bobine d'arrêt supporte l'ensemble du circuit. Une bobine de 2 mH offre une fréquence de coupure à 36.7 kHz, soit seulement 0.43 décade en dessous de la fréquence fondamentale de commutation de 100 kHz, ce qui correspond à une atténuation de 17.4 dB. Une bobine de 27 mH place la fréquence de coupure à 10 kHz et offre une atténuation de 40 dB, soit un gain de 22.6 dB pour un noyau plus important.

2.5 Pourquoi le diélectrique du condensateur Y détermine la marge

La fréquence de coupure se déplace proportionnellement à la racine carrée de la capacité ; la dérive diélectrique induit donc un déplacement de la courbe de suppression. Un condensateur Y de classe II, dont la capacité diminue de 30 % lorsque l’enceinte chauffe, relève la fréquence de coupure de 36.7 kHz à 43.9 kHz et engendre une atténuation de 3.1 dB à 100 kHz. Sur un circuit homologué avec une marge de 3 dB, cette atténuation représente la totalité de la marge.

Une pièce de classe I avec un coefficient de ±30 ppm/°C et un tanδ inférieur ou égal à 0.1 % maintient le coin en place, n'ajoute pas d'auto-échauffement et maintient la courbe mesurée identique du démarrage à froid au maintien thermique.

Fig. 1 — Le nœud de 20 kV conduit 1.5 A à travers 7.4 pF dans le châssis, et le retour passe par le LISN, une bobine d'arrêt de 27 mH et deux condensateurs Y de 4.7 nF.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : Les étages haute tension sont couplés au châssis.

Les drivers à commutation Q et à cellules Pockels de 15 à 40 kV sont couplés au châssis mis à la terre par des entretoises en céramique, des presse-étoupes et des supports de fixation. Chaque impulsion de 1 kilovolt par microseconde induit alors un courant de l'ordre du milliampère à l'ampère. Les équipes qui ne modélisent pas ces trajets rencontrent des difficultés lors de la certification, la seule solution restante étant alors une mise à niveau du blindage.

Point faible n° 2 : Choix des condensateurs Y sans analyse des fuites ni de la dérive

Un condensateur Y surdimensionné pour la suppression des courants de fuite à la terre dépasse la limite de 0.5 mA et ne satisfait pas aux normes de sécurité. Un condensateur Y sous-dimensionné présente une tension de seuil trop élevée et ne respecte pas les limites d'émission. Un composant de classe II introduit un troisième mode de défaillance : sa capacité dérive avec la température, de sorte que la marge mesurée à 25 °C disparaît à une température d'armoire de 60 °C.

Point faible n° 3 : Courant de mode commun perturbant la boucle du galvanomètre

Le courant de mode commun présent sur le moteur galvanométrique et les câbles de l'encodeur se couple aux fils de détection. Ce bruit se manifeste par une gigue dans le signal de retour de position, que le contrôleur interprète comme un mouvement du faisceau. Il en résulte une distorsion du marquage qu'aucun réajustement du servomoteur ne corrige, car la perturbation se situe en dehors de la bande passante de la boucle.

Point sensible n° 4 : Le blindage du câble faisant partie du chemin

Un blindage terminé à une extrémité, ou mis à la terre par un long câble de raccordement, transporte le courant de mode commun et le réémet. Chaque connecteur et chaque câble de raccordement devient une petite antenne. C'est pourquoi une machine fonctionne correctement en laboratoire avec des câbles courts et bien rangés, mais tombe en panne chez le client après modification du câblage.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Modéliser l’injection avant de choisir le filtre

Estimez la capacité parasite de chaque nœud à dv/dt élevé à partir de C_par = ε₀εr A/d, puis coupez le couplage avec un blindage ou un anneau de garde. Lorsque la marge de vitesse le permet, réduisez la vitesse de transition avec une résistance de grille ou un circuit d'amortissement RC. résistance à couche épaisse: diviser par deux dv/dt divise par deux le courant injecté.

Stratégie 2 : Dimensionner les condensateurs Y en fonction de la limite de fuite

Calculez d'abord C_Y,max à partir de la contrainte de fuite. À 230 V et 50 Hz, la limite de 0.5 mA autorise 6.9 ​​nF ; un composant de 4.7 nF à 0.34 mA est donc le choix le plus pratique, et la fréquence de coupure du filtre doit provenir de la bobine d'arrêt.

Stratégie 3 : Régler le choke à partir de la cible de suppression

Choisissez la fréquence de coupure en fonction de l'atténuation souhaitée et de la fréquence fondamentale de commutation. Pour une atténuation de 40 dB à 100 kHz, un filtre de mode commun du second ordre nécessite une fréquence de coupure de 10 kHz, ce qui, avec une inductance de 4.7 nF, correspond à L_CM = 1/(2 × 4.7 nF × (2π × 10 kHz)²) = 27 mH. Une inductance de 2 mH donne une fréquence de coupure de 36.7 kHz et une atténuation de 17.4 dB.

Stratégie 4 : Utiliser des condensateurs de classe I dans le filtre

Installez N4700 Les composants de classe I présentent un coefficient de ±30 ppm/°C pour les positions Y et les étages de mode commun haute tension. Ce comportement est maintenu du démarrage à froid jusqu'à 105 °C, température à laquelle un composant de classe II, dont le coût représente 30 % de sa capacité, délivre 3.1 dB à 100 kHz.

Stratégie 5 : Terminer les boucliers aux deux extrémités et tracer le chemin de retour

Reliez les blindages des câbles aux deux extrémités par des connexions à faible impédance sur 360°, séparez le retour du blindage de celui du signal et éloignez les câbles à variation de tension (dv/dt) élevée du câblage du galvanomètre et de l'encodeur. Déplacer une terminaison de blindage de 5 cm peut décaler un pic à 30 MHz de plus de 10 dB.

Stratégie 6 : Attribuer au retour en mode commun son propre plan et le mesurer.

Créez un plan de masse dédié à faible inductance entre la section haute tension et la masse du filtre d'entrée, et reliez chaque sous-ensemble à ce plan en étoile afin que le courant reste confiné à la machine. Vérifiez la continuité du courant à l'aide d'une pince ampèremétrique sur le câble d'alimentation et la liaison du châssis lors de la mise en service, et enregistrez le spectre après chaque modification de la configuration.

Pièces de référence pour cette classe d'application

Les valeurs de référence pour cette catégorie de composants sont indiquées ci-dessous. La référence est 472M, ce qui correspond à une capacité de 4 700 pF à ±20 %. La précision du filtre est assurée par le contrôle qualité du composant et des paires correspondantes, et non par une lettre de tolérance, car un composant 472M non contrôlé présente une tolérance de ±20 % et ne peut donc pas garantir une précision de filtre.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	< 50 mΩ	25 ° C
Inductance de boucle (accord E40)	< 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	> 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	> 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour un filtre de mode commun

La stabilité d'un filtre de mode commun dépend de celle des condensateurs qui le composent. HVC fabrique ces composants à partir d'un diélectrique de classe I N4700 (T3M) dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan, pour une gamme de tensions allant de 1 kV à 100 kV.

Six paramètres importants ici

• Des coins qui tiennent. tanδ à ou en dessous de 0.1 % avec un coefficient de ±30 ppm/°C maintient Y et les coins de mode commun côté haut fixes sur toute la plage de température de fonctionnement et préserve la marge de conformité.
• Couverture haute tension. La plage de 1 kV à 100 kV couvre les étages de mode commun côté haut des pilotes de commutateurs Q et de cellules Pockels, où le condensateur subit une contrainte de kilovolt et doit encore être court-circuité à des dizaines de mégahertz.
• Décharge inférieure à 5 pC. Un condensateur Y blindé filtre le bruit et ne l'ajoute pas, car la décharge à l'intérieur du composant serait une source à large bande sous contrainte pulsée.
• Construction à faible ESL. La géométrie des électrodes coaxiales maintient une auto-résonance élevée, de sorte que condensateur à film et les options céramiques restent capacitives dans la bande où l'émission rayonnée est mesurée.
• Un seul diélectrique pour tout le réseau. Un système diélectrique unique et qualifié pour l'ensemble de la gamme de produits permet de régler un filtre une seule fois et de le réutiliser à chaque étage de tension de l'alimentation.
• Une fiabilité éprouvée en matière de remplacement. La série 40 kV / 441 condensateurs poignée de porte sont un remplacement direct qualifié pour Murata Les condensateurs à vis sont utilisés dans le cadre du programme de réparation sur le terrain des sources lumineuses de lithographie, et les développeurs nationaux de DUV spécifient désormais des condensateurs HVC personnalisés dans les nouvelles sources lumineuses.

Livraison et support

Les composants standard sont expédiés sous 4 à 8 semaines, et les kits de filtres appariés sous 6 à 10 semaines. Le service d'ingénierie d'applications HVC prend en charge l'analyse du mode commun, le dimensionnement des condensateurs Y, la simulation des cassures et la vérification du routage du blindage. Veuillez fournir les tensions nodales, les vitesses de transition, la fréquence de commutation, la limite de fuite, l'agencement du châssis et le schéma de câblage. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une fiche de sélection des filtres comprenant les courbes de capacité en fonction de la température, les rapports de décharge et les données ESL.

6. Questions fréquentes

Q1 : Quelle quantité de courant en mode commun un front de haute tension injecte-t-il ?

I_CM = C_par × dv/dt. Une plaque de 50 mm sur 50 mm à 3 mm du châssis a une capacité de 7.4 pF, et un front de 20 kV en 100 ns correspond à 2×10¹¹ V/s, ce qui donne 1.5 A. Même un couplage de 5 pF donne 1 A, soit 154 dBµV aux bornes d'un LISN de 50 Ω.

Q2 : Quelle peut être la taille maximale d'un condensateur Y ?

La capacité est limitée par la résistance de fuite à la terre : C_Y,max = I_leakage,max / (2π f_line V_phase). À 230 V et 50 Hz, la limite de 0.5 mA autorise une capacité de 6.9 nF, et un composant de 4.7 nF consomme 0.34 mA avec une marge de 32 %.

Q3 : Comment choisir la bobine d'arrêt de mode commun ?

À partir de la cible d'atténuation, la fréquence de coupure est définie par f_CM = 1/(2π√(2 L_CM C_Y)). Un filtre du second ordre offre une atténuation de 40 dB lorsque cette fréquence de coupure se situe une décade en dessous de la fréquence fondamentale de commutation. Pour une atténuation de 40 dB à 100 kHz avec une inductance de 4.7 nF, la résistance d'arrêt est de 27 mH ; une inductance de 2 mH offre une atténuation de 17.4 dB.

Q4 : Pourquoi le diélectrique du condensateur Y modifie-t-il le résultat ?

La fréquence de coupure se déplace proportionnellement à la racine carrée de la capacité. Un composant de classe II perdant 30 % de sa valeur lorsque l'enceinte se réchauffe voit sa fréquence de coupure passer de 36.7 kHz à 43.9 kHz et perd 3.1 dB à 100 kHz, ce qui correspond à la marge totale d'une conception conforme avec 3 dB de marge.

Q5 : Pourquoi la même machine tombe-t-elle en panne chez le client ?

L'impédance du chemin de retour dépend de l'installation. Des câbles plus longs ou déviés modifient la géométrie du blindage et du retour, et un blindage terminé à une extrémité transporte le courant et le réémet. Déplacer une terminaison de blindage de 5 cm peut décaler un pic à 30 MHz de plus de 10 dB.

Q6 : Que faut-il mesurer pendant la mise en service ?

Le courant de mode commun du châssis et du secteur a été mesuré à l'aide d'une pince ampèremétrique et enregistré sur toute la bande de fréquences avant et après chaque modification de la configuration, ainsi que la capacité de chaque composant du filtre en fonction de la température. Ces deux enregistrements permettent de déterminer si le point de coupure a bougé et si le trajet d'injection a été modifié.

7. Références

1. CEI 60384-14:2023, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 14 : Spécifications techniques - Condensateurs fixes pour la suppression des interférences électromagnétiques et le raccordement au réseau électrique, 5e éd. Genève : CEI, 2023.
2. CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
3. CEI 60664-1:2020, Coordination de l'isolation des équipements des réseaux d'alimentation basse tension - Partie 1 : Principes, exigences et essais, 3e éd. Genève : CEI, 2020.
4. GB/T 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分：总规范 (Condensateurs fixes destinés à être utilisés dans les équipements électroniques – Partie 1 : Spécification générique). Pékin : 国家市场监督管理总局, 2024.
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7. Mohan, N., Undeland, TM et Robbins, WP, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd. Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2003.
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