Misure per l'incremento della compatibilità elettromagnetica di bordo: progetto di filtri EMI

Scientific research in the maritime sector is ever more oriented to the current trend to implement More Electric Vehicles (MEV), which is increasing the use of electric power systems related primarily to the increase of power electronics on board. The development of boats in line with the MEV concept simplifies the use of high power loads on-board oriented to the introduction of power electronic circuits in order to optimize the fuel economy , the environmental emissions , the performance and the reliability. The massive introduction of electronic power converters in the vessel electrical architecture, together with the introduction of new electrical devices, increases the electromagnetic compatibility problems related to the increase of the static components switching frequency that, at equal power , allows to realize conversion circuits with more compact size. Therefore it's necessary to develop techniques for noise suppression such as to ensure the compliance with the emission limits established by technical normative and to increase the susceptor systems immunity. This technical report presents a possible solution to mitigate the conducted EMI (ElectroMagnetic Interferences) generated by the power electronic converters. It describes the design and implementation of a passive common mode EMI filter with discrete components which allows to respect the limits imposed by the technical normative. Experimental tests have been carried out to verify the filter performance confirming its efficiency. About EMI filters is important to deal two problematic features : 1 . the cancellation of the effects caused by the parasitic parameters of the filter components that introduce resonances at higher frequencies, resulting in performance degradation of the filter; 2 . the increment of the EMI filter power density which occupies about 15%~20 % of the volume of the entire converter. This aspect is now considered a key step towards the further reduction of the area occupied by the same, very important in all applications in which the available space is limited, such as just the boats . From the state-of-the-art study it is clear that, to overcome the limitations above mentioned, recently integrated EMI filters have been proposed to reduce the area occupied, compared to the equivalent version realized with discrete components and it is possible to implement deletion/compensation techniques of parasitic effects during implementation phase of the EMI filter structure. However, research in this area has not yet optimal solutions, so it is necessary to deepen different aspects related both to the integrated EMI filters design and modeling, that the selection of compensation techniques for the parasitic parameters, the identification of the more appropriate materials over that the individual components of the building technologies and packaging of the entire filter.

La ricerca scientifica in ambito marittimo è attualmente sempre più orientata alla realizzazione di More Electric Vehicles (MEV), ossia all'incremento dell'utilizzo di sistemi elettrici di potenza legati in primo luogo all'incremento dell'elettronica di potenza a bordo. La messa a punto di imbarcazioni secondo il concetto MEV semplifica l'uso a bordo di carichi ad elevata potenza e prevede l'introduzione di circuiti elettronici di potenza allo scopo di ottimizzare l'economia di carburante, le emissioni ambientali, le prestazioni e l'affidabilità. L'introduzione massiccia di convertitori elettronici di potenza nell'architettura elettrica del natante, insieme all'introduzione di nuovi dispositivi elettrici, incrementa le problematiche di compatibilità elettromagnetica (EMC, ElectroMagnetic Compatibility) legate all'incremento della frequenza di commutazione dei componenti statici che, a parità di potenza, permette di realizzare circuiti di conversione di dimensioni più compatte. E' pertanto necessario mettere a punto delle tecniche di contenimento dei disturbi tali da garantire il rispetto dei limiti di emissione stabiliti dalla normativa tecnica ed incrementare l'immunità dei sistemi suscettori. Il presente rapporto tecnico presenta una possibile soluzione per l'attenuazione delle EMI (ElectroMagnetic Interference) condotte generate dai convertitori elettronici di potenza. Viene descritto il progetto e la realizzazione di un filtro EMI passivo di modo comune a componenti discreti che permette di rispettare i limiti imposti dalla norma tecnica. Test sperimentali sono stati effettuati per verificare le prestazioni del filtro confermandone l'efficacia. Trattando i filtri EMI è importante affrontare due problematiche: 1. la cancellazione degli effetti causati dai parametri parassiti dei componenti del filtro che introducono delle risonanze a frequenze elevate con conseguente degrado delle prestazioni del filtro; 2. incremento della power density del filtro EMI il quale occupa circa il 15% ~ 20% del volume dell'intero convertitore ed è oramai considerato un punto chiave ai fini di un'ulteriore riduzione dello spazio occupato dallo stesso, aspetto molto importante in tutte quelle applicazioni in cui lo spazio disponibile è limitato, quali appunto le imbarcazioni. Da un'analisi dello stato dell'arte si evince che, per superare i limiti sopra menzionati, recentemente sono stati proposti i filtri EMI integrati che permettono di ridurre il volume occupato rispetto alla corrispondente versione a componenti discreti ed è possibile implementare tecniche per la cancellazione/compensazione degli effetti parassiti in fase di realizzazione della struttura del filtro EMI. Tuttavia la ricerca in questo ambito non presenta ancora delle soluzioni ottimali; è dunque necessario approfondire vari aspetti legati sia al progetto ed alla modellazione dei filtri EMI integrati, che alla scelta delle tecniche di compensazione dei parametri parassiti, all'individuazione dei materiali più appropriati oltre che delle tecnologie realizzative dei singoli componenti e del packaging dell'intero filtro.