EMC och andra problem: ”Ökar beröringsströmmen”

Nya GaN-tekniken har fördelar, men det finns också risker att se upp med. Det menar Elsäkerhetsverket som under hösten genomför tester av några produkter.

Med elektronik som innehåller galliumnitrid, GaN, går det att bygga mindre och mer effektstarka USB-laddare. Tekniken blir också allt vanligare i annan högeffektselektronik. Det innebär många fördelar, men även nya utmaningar för elsäkerhet och elektromagnetisk kompatibilitet, EMC.

Läs också:
Kommer GaN i laddboxar? ”Kan bli intressant för snabbladdare”

Läs också:
Lägre förluster i transistorn – och andra fördelar med GaN-teknik

– Utvecklingen går rasande fort och GaN-tekniken låter tillverkarna krympa laddarna drastiskt. Det är praktiskt men de fysiska lagarna kring radiostörningar gäller fortfarande, säger Emil Albinsson, EMC-expert på Elsäkerhetsverket.

Under hösten genomför myndigheten tester av USB-laddare med effekt över 65 watt där GaN anges i marknadsföringen. Syftet är att få fram mer kunskap om hur den nya tekniken påverkar elsäkerhet och EMC-problematik.

– Vi vill bland annat undersöka om produkterna uppfyller EU:s EMC-direktiv och gällande standarder, säger Emil Albinsson.

Här är exempel på några risker:

1. GaN-laddare kan ge mer högfrekventa EMC-störningar

Transistorer med halvledaren galliumnitrid, GaN, switchar snabbare mellan av och på än vanliga kisel-transistorer. Detta påverkar vid vilka frekvenser elektroniken stör. Störsignalerna kan ligga vid 60 megahertz i stället för ett par megahertz.

– Det kan bli nya problem med EMC när signalerna går uppåt i frekvens, där mer känslig och samhällsviktig radio ligger. Men sedan är det inte bara chipen som strålar, utan även kablarna. En laddare har en sladd i vardera änden, och sladdarna fungerar utmärkt som antenner, säger Emil Albinsson.

Switchad kraftelektronik är redan den dominerande störkällan i många ärenden hos Elsäkerhetsverket. Det handlar om växelriktare, optimerare, batterilager, frekvensomriktare och LED-drivdon. Det nya med GaN är alltså att störningarna flyttar uppåt i frekvens.

Även forskaren Qin Wang på Rise avdelning för kvant- och halvledarteknik menar att GaN-teknikens snabba switchande kan medföra EMC-problem.

– GaN-teknikens stora styrka – den snabba omkopplingen – medför också mycket höga förändringshastigheter för spänning och ström (dv/dt och di/dt). Detta genererar mer högfrekvent brusenergi, säger hon.

Samtidigt menar Qin Wang att med rätt konstruktion kan EMC-egenskaperna bli jämförbara med, eller till och med bättre än, hos konventionell teknik.

2. Mindre USB-laddare ställer nya krav på elsäkerheten

I sin marknadskontroll vill Elsäkerhetsverket även undersöka hur GaN-teknik påverkar säkerheten när produkterna blir mindre. 

– Det som skyddar dig när du håller i telefonen är isolationen mellan nätsidan och USB-sidan. Isolationen byggs av avstånd, och när man krymper en konstruktion blir avstånden svåra att hålla, säger Emil Albinsson.

Han och kollegorna ska undersöka hur isolation och värmeutveckling påverkas när en USB-laddare ger hundra watt eller mer i ett hölje som tidigare rymde tjugo watt. De ska även kontrollera stickproppens utförande, märkning och spårbarhet till en ansvarig aktör.

– Det finns en konflikt mellan två olika krav här som är värd att känna till. Den kondensator som ofta används för att klara EMC-kraven ökar samtidigt beröringsströmmen, alltså den ström som kan gå genom den som håller i produkten.

Qin Wang på Rise menar att GaN varken är säkrare eller farligare än kisel, men håller med om att den högre effekttätheten ställer större krav på konstruktionen.

3. GaN-apparater kan störas av annan elektronik

Det finns fortfarande ganska lite kunskap om hur GaN-teknik interagerar med annan teknik. Hur påverkar till exempel störningar från befintliga apparater sådana med GaN-teknik?

Math Bollen, professor i elkraftteknik på Luleå tekniska universitet, har inte gjort några egna studier av GaN-teknik men menar att ny teknik ofta innebär ändringar i störningar och/eller störningstyper som inte fanns innan.

– Det behöver inte bli en försämring men kan leda till problem som man inte har tänkt på. Parallellt med utvecklingen av GaN-teknik behöver man därför göra bedömningar av konsekvenser för bland annat elkvalitet, säger han. 

Emil Albinsson på Elsäkerhetsverket betonar att höstens tester har en tydlig avgränsning. Marknadskontrollen ska svara på om enskilda laddare uppfyller kraven – den löser inte de större frågorna om hur anläggningar med mycket kraftelektronik ska bedömas, eller om standarderna ligger rätt. Det arbetet återstår.

Läs också:
Elkvalitet: ”Fick tips om att testa jordfelsbrytare typ F”

Läs också:
Nytt test av växelriktare och optimerare – störningar utreds