Conversores GaN e EMI em Ambiente Industrial

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CADERNOS DE PESQUISA EM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA | EDIÇÃO 28
Topologias de Conversores GaN de Alta Frequência e Estratégias de
Redução de EMI em Ambientes Industriais Severos
Dr. Lucas M. Albuquerque1, Eng. Patricia S. Xavier2
RESUMO
A introdução de semicondutores de Wide Bandgap (WBG), especialmente o Nitreto de Galio (GaN), revolucionou a densidade
de potência em conversores estáticos industriais. A capacidade de operar em frequências de comutação superiores a 1 MHz
reduz significativamente o volume dos componentes passivos. Contudo, as elevadas taxas de variação de tensão e corrente
(dv/dt > 100 V/ns) geram severa Interferência Eletromagnética (EMI) conduzida e radiada. Este artigo propõe uma topologia
de filtro de modo comum ativo (ACMF) integrada a um layout otimizado com plano de massa simétrico. Os testes práticos
demonstram uma atenuação de EMI de até 28 dBµV na faixa de 10 MHz a 100 MHz.
Palavras-chave: GaN HEMT, Eletrônica de Potência, EMI, Filtro Modo Comum, Altíssima Frequência.
1. INTRODUÇÃO
A constante busca por redução de espaço nos painéis
elétricos industriais impulsiona a substituição dos transistores
tradicionais de Silício (Si) por dispositivos de Nitreto de
Galio (GaN HEMT - *High Electron Mobility Transistor*).
Com resistências no estado de condução (RDS(on))
extremamente baixas e taxas de comutação ultrarrápidas, os
conversores GaN permitem elevar a frequência de
chaveamento da faixa de dezenas de kilohertz para a escala
megahertziana.
Entretanto, essa alta velocidade traz um efeito colateral
crítico: o aumento da emissão de ruídos de alta frequência
que se propagam pelos cabos de alimentação, podendo
interferir em CLPs, encoders e redes de comunicação
vizinhas.
2. ORIGEM DA INTERFERÊNCIA EMI
CONDUZIDA
A comutação ultrarrápida do nó de comutação (*switch
node*) interage com as capacitâncias parasitas do layout da
placa de circuito impresso (PCI) e do dissipador de calor,
criando caminhos de corrente de modo comum (icm):
icm = Cparasita × (dv / dt)
Para um valor típico de dv/dt = 120 V/ns e uma
capacitância parasita com o chassi aterrado de apenas 15 pF,
a corrente de pico de modo comum atinge 1.8 A, suficiente
para violar os limites estritos da norma CISPR 11 / EN 55011
Classe A.
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3. PROPOSTA DE FILTRO DE MODO COMUM
ATIVO
Os filtros passivos tradicionais formados por indutores de
modo comum (chokes) tornam-se volumosos quando
dimensionados para altas correntes operacionais, anulando o
ganho de densidade do GaN.
Para resolver essa limitação, desenvolveu-se um Filtro de
Modo Comum Ativo (ACMF) baseado em um amplificador
operacional de transcondutância de altíssima velocidade que
detecta o ruído de tensão no nó de comutação e injeta uma
corrente em contra-fase (180°) cancelando a corrente de
ruído na fonte.
Ponte GaN
(dv/dt = 120 V/ns)
OpAmp
Injeção de Corrente Contrafase
Figura 1: Esquemático do conceito de cancelamento ativo de
ruído de modo comum.
4. LAYOUT DE PCI OTIMIZADO
A otimização do layout da placa de circuito impresso é
indispensável. Utilizou-se um empilhamento de 4 camadas
com plano de retorno de corrente localizado a 0.1 mm da
camada superior.
Camada
(Stackup)
Espessura Função do Layout
Top Layer 35 µm
GaN HEMTs + Driver de
Gate
Inner Layer 1 18 µm
Plano Solido de GND
Retorno
Inner Layer 2 18 µm
Barramento de Potência
(DC+)
Bottom Layer 35 µm
Malha de Cancelamento
ACMF
Essa abordagem minimizou a indutância do *loop* de
comutação para menos de 0.8 nH, eliminando o *overshoot*
de tensão sobre o transistor GaN sem a necessidade de
circuitos de *snubber* dissipativos.
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5. RESULTADOS DE ENSAIOS EM CÂMARA
ANETÓICA
O conversor DC-DC Buck de 1 kW (48V para 12V operando
a 1.2 MHz) foi submetido a testes de emissão conduzida
utilizando uma LISN (Line Impedance Stabilization
Network) e um receptor de EMI em conformidade com o
CISPR 16.
Frequência (MHz)
A
m
p
lit
u
d
e
 (
d
B
µ
V
)
Limite CISPR 11 Classe A
Sem ACMF (Violação)
Com Filtro Ativo ACMF
Figura 2: Espectro de EMI conduzida medido de 150 kHz a
100 MHz.
O gráfico da Figura 2 demonstra que a combinação do
layout de baixa indutância com o filtro ativo manteve as
emissões de ruído em média 12 dBµV abaixo da curva limite
estipulada pela norma técnica em todo o espectro.
6. COMPARATIVO TÉRMICO E DE
EFICIÊNCIA
A eficiência global do conversor GaN foi comparada com
uma solução equivalente baseada em MOSFET de Silício de
última geração.
Tecnologia de
Transistor
Eficiência @ 1.2
MHz
Temp. Máx
(°C)
Silício (MOSFET) 88.4 % 112.5 °C
GaN sem ACMF 97.1 % 64.2 °C
GaN com ACMF Ativo 96.8 % 66.8 °C
Embora o circuito do filtro ativo consuma
aproximadamente 3 W adicionais de potência, o ganho de
eficiência do GaN manteve a eficácia global do conversor em
patamares extraordinários (96.8%).
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7. DISCUSSÃO
Os resultados confirmam que os desafios de imunidade
eletromagnética impertinentes às elevadas frequências de
comutação do Nitreto de Galio podem ser mitigados com
estratégias modernas de engenharia de circuito e placas
multilayer.
A substituição dos tradicionais indutores passivos pesados
por circuitos ativos de cancelamento reduz o volume físico
do filtro em até 65%, viabilizando fontes de alimentação
verdadeiramente integradas em motores (*integrated motor
drives*).
8. CONCLUSÃO
O uso de transistores GaN HEMT em altíssima frequência é
totalmente viável em ambientes industriais ruidosos, desde
que o controle de EMI seja abordado desde a fase conceitual
do layout de PCI.
A solução proposta garante total conformidade com a
norma CISPR 11, assegurando robustez e densidade de
potência sem comprometer a confiabilidade dos
equipamentos periféricos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Huang, X. et al., "Evaluation of GaN Devices for High-
Frequency Industrial Power Converters," IEEE Transactions on
Power Electronics, vol. 35, no. 7, pp. 7210-7224, 2020.
[2] Zhang, Z., "Active EMI Filtering Techniques for Wide Bandgap
Power Semiconductor Circuits," IEEE Power Electronics Magazine,
vol. 8, no. 2, pp. 18-29, 2021.
[3] CISPR 11: Industrial, scientific and medical equipment - Radio-
frequency disturbance characteristics - Limits and methods of
measurement, IEC Std., 2024.
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