EMI-Vorschriften in Fahrzeugen einhalten

Wenn es um Elektrofahrzeuge (EVs) geht, wollen alle leichtere, kleinere und kostengünstigere Lösungen entwickeln. Darüber hinaus steuern Versorgungsunternehmen, Regulierungsbehörden und OEMs eine Vehicle-to-Grid-Verbindung (V2G) an, um den Energieaustausch mit dem Verteilernetz zu ermöglichen. Aus Sicht der Leistungselektronik sind dafür Leistungswandler mit höherer Leistungsdichte und der Fähigkeit erforderlich, die Anforderungen für den Anschluss des Fahrzeugs an das Netz zu erfüllen.

Bei DC/DC-Wandlern führt das Schalten mit höheren Frequenzen zu kompakteren Systemen und einer höheren Gesamtleistungsdichte. Doch trotz der potenziellen Vorteile von Systemen mit Schaltfrequenzen über 1,3 MHz haben technische Herausforderungen viele Entwickler dazu veranlasst, mit niedrigeren Frequenzen wie 100 kHz oder darunter zu arbeiten.

Ein DC/DC-Wandler, der die Vorteile des schnellen Schaltens nutzt ohne die üblichen Nachteile hoher Schaltfrequenzen, würde OEMs dem Ziel näherbringen, kleinere und leichtere Leistungselektroniksysteme in EVs zu verbauen und V2G hinzuzufügen.

Vorteile schnell schaltender DC/DC-Wandler

Auf der Suche nach leichteren, kleineren und kostengünstigeren Fahrzeugsystemen sind schnell schaltende Leistungswandler also eine vielversprechende Lösung. Denn sowohl im eigentlichen System als auch in den zugehörigen EMI-Ein-/Ausgangsfiltern lassen sich kleinere Bauelemente einsetzen. Zu den platzraubenden Komponenten im Wandler selbst zählen passive Bauelemente wie Induktivitäten und Kondensatoren. Diese Bauelemente speichern und geben bei jedem Schaltzyklus Energie ab, um Strom- und Spannungswellen zu glätten. Bei einer höheren Schaltfrequenz des Wandlers speichern sie weniger Energie pro Zyklus, sodass wiederum kleinere Bauteile verwendet werden können. Dadurch lässt sich die Gesamtsystemgröße verringern oder Systeme können mit einer höheren Leistungsdichte bei gleichem Leistungsniveau ausgestattet sein.

Neben dem Wandler belegen auch die zugehörigen Eingangs-EMI-Filter viel Platz bei der DC/DC-Wandlung. Die Wandler erzeugen elektromagnetische Störungen (electromagnetical interferences, EMI) aufgrund des schnellen Schaltens von Strömen und Spannungen, was zu Rauschen bei der Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen führt. Um dieses Rauschen zu mindern, kommen am Eingang EMI-Filter zum Einsatz, deren Grenzfrequenzen von den Anforderungen der jeweiligen Leistungsstufe abhängen (Bild 1).

Diese Filter basieren ebenfalls auf passiven Bauelementen, deren Größe direkt von der Schaltfrequenz abhängt. Steigt die Schaltfrequenz des Wandlers in den Megahertz-Bereich, lässt sich die gewünschte Grenzfrequenz des EMI-Filters erhöhen. Und bei höheren Grenzfrequenzen können Entwickler die passiven Komponenten im EMI-Filter deutlich kleiner gestalten, Größe und Gewicht des Gesamtsystems verringern sich und die Leistungsdichte steigt.

Das Umstellen auf eine schnell schaltende DC/DC-Wandlung verbessert auch das Einschwingverhalten. Bei DC/DC-Wandlern entspricht die Bandbreite des Regelkreises einem Bruchteil der Schaltfrequenz. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen eine größere Regelkreisbandbreite, d. h., die Rückkopplungsschleife reagiert schneller auf Störungen. Durch eine höhere Bandbreite kann der Wandler Ausgangsabweichungen schneller korrigieren und sorgt so dafür, dass die Ausgangsspannung auch bei plötzlichen Last- oder Eingangsspannungsänderungen stabil bleibt.

Welche Probleme verursacht die höhere Schaltfrequenz?

Obwohl der Umstieg auf eine schnell schaltende DC/DC-Wandlung viele Vorteile mit sich bringt, haben einige technische Herausforderungen die Umsetzung bisher behindert.

Erstens kann die Umstellung auf einen Betrieb mit höherer Schaltfrequenz das Einhalten der EMV-Vorschriften erschweren. Für leitungsgebundene Emissionen wie CISPR32 (für V2G erforderlich) liegt der von der Norm bewertete Frequenzbereich zwischen 150 kHz und 30 MHz. Der Betrieb bei einer höheren Grundfrequenz, z. B. über 1,3 MHz, erzeugt stärkere Oberschwingungen, die innerhalb des relevanten Frequenzbereichs auftreten. Dies birgt das Risiko, dass die geltenden Vorschriften nicht eingehalten werden. Aus diesem Grund entscheiden sich viele Entwickler von Stromwandlern für den Betrieb bei niedrigeren Frequenzen wie 100 kHz. Denn damit ist sicher, dass die erste Oberschwingung unter den relevanten Frequenzbereich fällt. Ähnliche Probleme treten auf, wenn die Leistungsstufe als konform zum Referenzstandard CISPR25 bezeichnet wird.

Ein weiterer Nachteil von Schaltwandlern mit höherer Frequenz sind potenziell höhere Verluste. Schaltverluste entstehen, wenn ein Schalter (z. B. ein Mosfet) vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand und umgekehrt wechselt. Diese Verluste sind erheblich, da sowohl die Spannung am Schalter als auch der Strom durch den Schalter während der Übergangszeit nicht Null ist (Bild 2).

Bleiben alle anderen Faktoren gleich, führen höhere Schaltfrequenzen zu häufigeren Übergängen pro Zeiteinheit und damit zu höheren Schaltverlusten. Da die pro Schaltvorgang abgegebene Energie proportional zur Übergangszeit und zum Produkt aus Spannung und Strom ist, führt eine höhere Frequenz dazu, dass sich diese Energieverluste schneller ansammeln. Daher ist der Gesamtleistungsverlust aufgrund des Schaltens direkt proportional zur Schaltfrequenz, wodurch ein Betrieb bei höherer Frequenz mit höheren Schaltverlusten verbunden ist.

Zusätzlich treten bei schnellen Schaltvorgängen Probleme im Zusammenhang mit der Eigenresonanz passiver Bauelemente auf. Die Eigenresonanz ist ein Phänomen, bei dem elektrische Bauteile aufgrund parasitärer Eigenschaften ein Resonanzverhalten zeigen. Dies führt zu unvorhersehbarem Verhalten, Impedanzspitzen, Effizienzverlusten und Problemen mit der Signalintegrität. Die Eigenresonanz wird bei höheren Schaltfrequenzen zu einem erheblichen Problem, da sich diese Frequenzen den Eigenresonanzfrequenzen der Bauteile nähern. Das verstärkt Rauschen und elektromagnetische Störungen und erschwert das Schaltungsdesign. Auch wenn eine Induktivität oberhalb der Eigenresonanzfrequenz arbeitet, verhält sie sich wie ein Kondensator, und umgekehrt verhält sich ein Kondensator wie eine Induktivität.

Vicor hat DC/DC-Wandler entwickelt, die alle Vorteile des schnellen Schaltens ohne die negativen Effekte bieten. Vor allem die nicht isolierten Bus-Wandlermodule der Serie NBM schalten erfolgreich mit Frequenzen über 1,3 MHz.

In Bezug auf die Effizienz erreicht die NBM-Reihe minimale Leistungsverluste bei hohen Frequenzen durch Zero Voltage Switching (ZVS) und Zero Current Switching (ZCS). Bei ZVS ist der Schaltvorgang so getaktet, dass er mit den Momenten übereinstimmt, in denen die Spannung am Schalter Null ist. Bei ZCS ist der Schaltvorgang so getaktet, dass er mit den Momenten übereinstimmt, in denen der Strom durch den Schalter Null ist (Bild 3).

Vicors ZVS und ZCS kennzeichnen sich durch eine separate Phase in der Taktung der Pulsweitenmodulation (PWM). Durch die zusätzliche Phase nutzen die Lösungen einen Klemmschalter und eine Schaltungsresonanz, um die High-Side- und synchronen Mosfets effizient mit Soft-Switching zu betreiben und so Verluste zu vermeiden, die bei herkömmlichem PWM-Hard-Switching und -Timing entstehen. Mit ZVS und ZCS lassen sich die DC/DC-Wandler der Reihe NBM mit 1,5 bis 1,7 MHz betreiben und Spitzenwirkungsgrade von bis zu 99 % erzielen. Die Kombination aus hohen Schaltfrequenzen und Effizienz ermöglicht Lösungen mit Leistungsdichten von bis zu 550 kW/l.

In Bezug auf die EMV erfüllt die NBM-Reihe selbst bei ungewöhnlich hohen Frequenzen die Konformitätsvorgaben. Kürzlich durchgeführte Tests haben die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte des Leistungsmoduls NBM9280 bewertet. Dieses Modul kann 37,5 kW mit einer Leistungsdichte von 550 kW/l für EV-Anwendungen umwandeln. Selbst bei einer Schaltfrequenz von 1,3 MHz konnten die Grenzwerte von CISPR 32 durch eine Kombination aus Pi-Filter und Ferritkern um die Eingangsstromkabel eingehalten werden (Bild 4). Die resultierenden Filterkomponenten waren deutlich kleiner als bei einer Lösung mit niedrigerer Frequenz (z. B. 100 kHz), dennoch war die gleiche Konformität gegeben.

Fahrzeugentwickler können also vorhandene DC/DC-Wandler problemlos durch die NBM-Reihe ersetzen und die Vorteile der geringeren Baugröße und höheren Leistungsdichte nutzen, ohne das Risiko von Konformitätsfehlern oder Effizienzverlusten einzugehen.