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Novel nanocrystalline cores for EMI suppression in cables: characterization methodology and performance study

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Novel nanocrystalline cores for EMI suppression in cables: characterization methodology and performance study

dc.contributor.advisor	Torres País, José
dc.contributor.author	Suárez Zapata, Adrián
dc.contributor.other	Departament d'Enginyeria Electrònica	es_ES
dc.date.accessioned	2021-05-25T10:33:12Z
dc.date.available	2021-05-26T04:45:05Z
dc.date.issued	2021	es_ES
dc.date.submitted	24-05-2021	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/79400
dc.description.abstract	The ideal procedure to start designing an electronic device is to consider the Electromagnetic Compatibility (EMC) from the beginning. Even so, EMC problems can appear afterward, especially when the designed system is interconnected to external devices. Thereby, Electromagnetic Interferences (EMI) could be transmitted to our device from power cables that interconnect it with an external power source or when it is connected to another system to establish a wired communication. When the cables represent the EMI source, which implies failing the conducted or radiated emissions test, a widely used technique is applying an EMI suppressor such as a sleeve core. The integration of this kind of component can involve an extra cost in terms of the production of the system. Nevertheless, this situation are usually compensated by the effectiveness of sleeve cores to filter interferences without having to redesign the electronic circuit. This is one of the main reasons designers extensively use this EMI suppression solution to meet EMC compliance requirements. The most used EMI suppressors cores for filtering applications are based on ceramic materials (also known as polycrystalline materials or soft ferrites). One of the conventional ceramic materials most used is MnZn that is intended to reduce EMI in the frequency range from the higher Kilohertz to the very low Megahertz region. Other widely used core materials are those based on NiZn compositions since they work in a broadband frequency range. Nevertheless, conventional materials used to manufacture sleeve core EMI suppressors are focused on reducing disturbances in cables in a specific frequency region. Consequently, new materials that can provide a more significant EMI suppression had to be studied to ensure electromagnetic compatibility in those frequency regions not specifically covered by traditional solutions. The results obtained by other EMC components, such as the common-mode-chokes based on nanocrystalline compositions, have shown significant effectiveness in terms of insertion loss in a wide frequency range because of their high initial permeability. From the preliminary results and features offered by the nanocrystalline material, this Ph.D. study focuses on carrying out a thorough characterization of the performance of sleeve EMI suppressor components based on nanocrystalline material. Thereby, the overall aim of the present doctoral thesis is studying, analyzing and evaluating the nanocrystalline material suitability to manufacture sleeve core EMI suppressor to reduce the interferences in cables as an alternative to conventional ceramic materials, traditionally used to produce EMC components. This research is carried out by designing and implementing a measurement setup method that makes it possible to determine the insertion loss parameter provided by a specific sleeve core when applied to a cable that interconnects two systems with a specific impedance. These results are correlated with a finite element method (FEM) simulation model that makes it possible to evaluate the accuracy of the experimental data and evaluate different sleeve core samples by introducing their magnetic properties and dimensional parameters. Finally, samples with different sizes are analyzed with the aim of determining the dependency between performance and component volume. The increase of the dimensions is usually proportional to its weight, volume and cost, thus a balance between these three features and performance should be carried out. The goal is to obtain a parameter that relates these features in order to determine the optimized dimensions of a sleeve core that can provide the effectiveness necessary to reduce a specific level of EMI in a cable.	en_US
dc.description.abstract	El control de las interferencias electromagnéticas (EMI) en dispositivos electrónicos es un problema cada vez mayor al que se enfrentan los diseñadores para garantizar que los dispositivos cumplan con los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC) para operar simultáneamente sin inferir entre sí. Este hecho se debe a la tendencia hacia una mayor integración de componentes, la reducción del tamaño y grosor de las placas de circuito impreso (PCB) y la miniaturización de las carcasas de los dispositivos. Además, otros factores como el empleo de frecuencias de conmutación más altas en los convertidores de potencia y las velocidades de datos de comunicación en los circuitos digitales. Cuando los cables representan la fuente de EMI, puede traducirse en no superar los test de certificación de emisiones conducidas o radiadas, una práctica muy extendida es el empleo de un supresor de EMI, como un núcleo de cable (también conocido como ferrita de cable). Este tipo de supresores de EMI se puede aplicar tanto a cables de comunicación, como a cables de video o multiconductores USB, para evitar interferencias que podrían propagarse a lo largo del cable y afectar a los dispositivos interconectados. Este componente también se usa ampliamente para reducir las oscilaciones de alta frecuencia en cables causadas por la conmutación en inversores y convertidores de potencia. En este sentido, el núcleo actúa como un filtro paso-bajo, de forma que actúa únicamente ante las interferencias ubicadas en un rango de frecuencia concreto, sin afectar a la señal deseada. La selección del núcleo adecuado permite reducir el ruido de conmutación mediante el aumento de la impedancia del camino de propagación en el rango de frecuencia deseado. La aplicación de ferritas de cable es una técnica muy utilizada para reducir las EMI en cables, a pesar de los inconvenientes que la integración de un componente extra puede implicar en términos de coste y fabricación del sistema. Sin embargo, estos inconvenientes suelen compensarse con la eficacia de las ferritas de cable para filtrar las interferencias sin tener que rediseñar el circuito electrónico. Convencionalmente, los núcleos magnéticos más utilizados para aplicaciones de filtrado se basan en materiales cerámicos (también conocidos como materiales policristalinos o soft ferrites). Aunque no pertenecen al grupo de los metales, el material base de los núcleos cerámicos es el óxido de hierro Fe2O3 mezclado con uno o más metales de transición divalentes, como manganeso, zinc, níquel, cobalto o magnesio. Asimismo, una ventaja interesante de los materiales cerámicos es la posibilidad de fabricar componentes con muchas formas y dimensiones diferentes. Uno de los materiales cerámicos convencionales más utilizados es el MnZn, que está destinado a reducir las EMI en el rango de frecuencia que cubre desde la región de kilohercios más alta hasta la región más baja de megahercios. Otros materiales ampliamente utilizados son los basados en composiciones de NiZn, ya que representa una solución con un gran ancho de banda en términos de frecuencia de empleo. No obstante, los materiales convencionales utilizados para fabricar núcleos de cable supresores de EMI se centran en reducir las perturbaciones en los cables en una región de frecuencia específica. En consecuencia, se tuvieron que estudiar nuevos materiales que pudieran proporcionar una supresión de EMI significativa para garantizar la compatibilidad electromagnética en aquellas regiones de frecuencia no cubiertas específicamente por las soluciones tradicionales. Los resultados mostrados por otros componentes EMC, como los choques de modo común fabricados con un nuevo material basado en composiciones nanocristalinas, han mostrado una gran efectividad en términos de pérdida de inserción (insertion loss) en un amplio rango de frecuencias debido a su alta permeabilidad inicial y características magnéticas. A partir de los resultados preliminares y las características ofrecidas por el material nanocristalino, esta tesis doctoral se centra en investigar si un núcleo supresor de EMI para cables basado en material nanocristalino es capaz de proporcionar una mayor efectividad para reducir las interferencias, comparado con los materiales cerámicos convencionales. De esta manera, la hipótesis de base surgió como respuesta al tema de discusión foco de esta investigación: ¿Podría un núcleo basado en material nanocristalino proporcionar una mayor efectividad para reducir la influencia de EMI en los cables que los materiales convencionales?	es_ES
dc.format.extent	172 p.	es_ES
dc.language.iso	en_US	es_ES
dc.subject	electromagnetic interference suppressors	es_ES
dc.subject	electromagnetic compatibility	es_ES
dc.subject	nanocrystalline	es_ES
dc.subject	ceramic materials	es_ES
dc.subject	cable filtering	es_ES
dc.subject	finite element method simulation	es_ES
dc.subject	relative permeability	es_ES
dc.subject	impedance	es_ES
dc.subject	insertion loss	es_ES
dc.title	Novel nanocrystalline cores for EMI suppression in cables: characterization methodology and performance study	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES