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Bild 4: Sineformer-Filter von TDK Epcos. (Bild: Avnet Abacus)

Eckdaten

Bei Sineformer von TDK Epcos handelt es sich eine Komplettlösung, die eine Gleichtaktdrossel L4 und Y-Kondensatoren C4, C5 und C6 zusammen mit den Gegentaktfiltern L1, L2, L3 und C1, C2, C3 enthält. Bei diesem Filter beträgt dV/dt weniger als 500 V/μs, Störungen werden verringert, die EMI größtenteils gedämpft und Lagerströme auf die Masse vor Ort abgeleitet. Bis zu einer Kabellänge von 100 m sind damit die EMV-Spezifikationen mit ungeschirmten Kabeln erfüllt.

Schalttechniken für die AC/DC- und DC/DC-Leistungswandlung erzeugen zwangsläufig ein gewisses Maß an Ausgangsrauschen, das durch Filternetzwerke verringert werden muss, um praktische und auch gesetzliche Grenzwerte zu erfüllen. Wechselrichter, die einen Wechselstromausgang in Motorantrieben und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) bereitstellen, benötigen ebenfalls eine Rauschfilterung, um den gewünschten AC-Ausgang so sauber wie möglich bereitzustellen.

Rauschen auf akzeptable Werte reduzieren

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Bild 1: Ausgangsfilter für einen Durchflusswandler. Avnet Abacus

Für Gleichstrom beschreibt Bild 1 den Ausgangsfilter eines Durchfluss- oder Abwärtswandlers mit L1 und C1 als Energiespeicher, um die nach dem Transformator gleichgerichtete Signalform auf einen Nenngleichstrom zu mitteln. L1 ist so bemessen, dass ein bestimmter Spitze-Spitze-Rippelstrom für eine feste Schaltfrequenz und einen festen Tastgrad vorliegt. Dieser Strom fließt durch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von C1, der die erforderliche maximale Ausgangsrippelspannung erzeugt. Die Ladekondensatoren und äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Bauteils erzeugen ebenfalls einen Spannungsabfall – normalerweise dominiert jedoch der ESR. L1 muss den Volllast- und Spitzenrippelstrom ohne magnetische Sättigung übergeben und ist daher meist ein großes Bauteil, das einen Kern aus Eisenpulver oder Ferrit enthält. Wegen seiner Größe weist L1 eine hohe Eigenkapazität auf, sodass hochfrequente Rauschspitzen passieren können. L2 und C2/C3 werden hinzugefügt, um das Rauschen auf akzeptable Werte zu reduzieren. L2 kann sehr klein sein, da keine Energie gespeichert werden muss – dennoch muss der gesamte Ausgangsstrom passieren können. Die Induktivität sollte nur so groß sein wie absolut notwendig, da Laststromschritte unerwünschte Ausgangsspannungsübergänge nach E = -L di/dt erzeugen. Wenn sich L2/C2/C3 innerhalb des Wandler-Regelkreises befinden – wie es der Fall ist, wenn sie mit Fernerfassung zu einem Wandler hinzugefügt werden – besteht das Risiko der Instabilität, da der Filter eine Phasenverzögerung zur Rückkopplung hinzufügt. Die Induktivität sollte daher minimal sein und nicht mehr als 10 Prozent des L1-Werts betragen. Zudem sollte sie eine geringe Eigenkapazität besitzen, zum Beispiel nur eine einzelne Wicklung auf einem kleinen Eisenpulver-Ringkern oder Ferrit-Trommelkern.

Eine Art Selbstabschirmung

Trommelkerne weisen einen großen effektiven Luftspalt um die Außenseite der Wicklung auf, was unerwünschte Strahlung verursachen kann. Am Besten werden sie neben der störbehafteten Start- oder innersten Wicklung am L1-Ende platziert, um eine Art Selbstabschirmung zu schaffen. Hersteller markieren diese Verbindung oft mit einem Punkt. C2 kann ein Elektrolytkondensator mit relativ hohem ESR sein, der die Filterresonanz dämpft. C3 ist ein kleiner Keramikkondensator, der eine Dämpfung bei hohen Frequenzen unterstützt. Bewiesen ist (zum Beispiel Ridley), dass ein optimales Design einen relativ niedrigen Wert für C1 und einen hohen Wert für C2 vorsieht. L1 resoniert mit der Parallelkombination von C1 und C2 unterhalb der Schleifenübergangsfrequenz und ist relativ unempfindlich gegenüber einer zusätzlichen externen Kapazität. Die Zuspitzung der Schleifenantwort wird durch die Rückkopplungsschleife kompensiert. L2 resoniert mit der Serienschaltung von C1 und C2, die sich über der Übergangsfrequenz, aber unterhalb der Schaltfrequenz befindet. Ist C2 ein Aluminium-Elektrolytkondensator, wird seine Resonanz durch seine ESR gut gedämpft. Diese Anordnung ermöglicht eine Rückkopplungsschleife nach L2, was einen genaueren Gleichstromausgang ergibt, während die Schaltung unempfindlich gegenüber der extern vom Kunden hinzugefügten Kapazität ist und die Schleifenstabilität beibehalten wird. Andere Topologien wie Flyback-/Aufwärtswandler weisen ähnliche Filteranforderungen nach der ersten Energiespeicherstufe auf.

Manchmal kann Gleichtaktrauschen bei ungeerdeten Wandlerausgängen zu Problemen führen und mit einer Gleichtaktdrossel und Kondensatoren gegen Masse gedämpft werden. Im Gegensatz zu Y-Kondensatoren an AC/DC-Wandlereingängen gibt es keinen Maximalwert, der durch Leckströme definiert ist. Resonanzen sollten aber beachtet werden, die durch eine ohmsche Dämpfung der Drossel überwacht werden müssen.

Gerade bei Filtern gilt die Devise „Weniger ist mehr“, um Spannungstransienten bei Lastschritten, mögliche Instabilitäten, Resonanzen und eine schlechtere Lastregelung aufgrund ohmscher Spannungsabfälle über Induktoren zu vermeiden.

Anforderungen von Wechselrichtern für Motorantriebe

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Bild 2: Ausgangs- oder dV/dt-Drossel. Avnet Abacus

Wechselrichter (Inverter) mit ihren AC-Ausgängen wie sie für Motorantriebe erforderlich sind, haben ähnliche Anforderungen hinsichtlich der Störfilter – nur mit dem zusätzlichen Hindernis, dass der Filter auch variablen, niederfrequenten Wechselstrom bei hohen Stromwerten passieren lassen muss. Für einen dreiphasigen Motorantrieb wird eine Brücke aus IGBTs oder MOSFETs mit hoher Frequenz und variabler Pulsbreite umgeschaltet, die mit der vom Motor benötigten niedrigen Frequenz moduliert wird. Eine Induktivität als Energiespeicher ist nicht erforderlich, da die hohe Induktivität des Motors selbst die Tiefpassfilterfunktion ausführt und nur auf die Modulationsfrequenz reagiert. Allerdings könnte der Motor in einiger Entfernung montiert sein und lange Kabel, die hohe Ströme und hochfrequente Rechtecksignale mit schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten übertragen, sorgen in der Praxis für zahlreiche EMV-Probleme:

  • Gegentakt- und Gleichtaktstörungen liegen in der Regel weit über internationalen gesetzlichen Grenzwerten, die zum Beispiel in der EN55011 oder EN61800-3 festgelegt sind. Die Überwachung der Motorkabel hilft dabei, kann aber die Störemissionen nicht immer ausreichend dämpfen und ist zudem eine teure Lösung.
  • Die Kabel weisen eine Induktivität und Eigenkapazität auf, die an den Flanken der geschalteten Signale ein Ringing verursacht. Dies kann so schwerwiegend sein, dass die Steuerspannung multipliziert wird, was einen Ausfall der Motorwicklungsisolation verursacht.
  • Liegt die Schaltfrequenz innerhalb des hörbaren Bereichs, was bei IGBTs oft der Fall ist, verursacht die mechanische Vibration des Stators lästige Geräusche.
  • Eine weitere negative Auswirkung sind Gleichtakt-Rauschströme, die einen Weg gen Masse durch die Motorlager finden. Ein Effekt namens Funkenerosion (EDM; Electrical Discharge Machining) verursacht Erosion und einen Lagerausfall durch Metallübertragung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufringen. Ströme von bis zu 20 A wurden bei Ausfällen in nur vier Wochen nach der Installation gemeldet.

Ringing reduzieren

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Bild 3: dV/dt- oder Sinuswellen-Filter. Avnet Abacus

Filter unterschiedlicher Komplexität können diese Effekte reduzieren oder eliminieren. Einfache Differentialfilterdrosseln in jeder Leitung verlangsamen die Anstiegszeit des Signals, was das Ringing und die damit verbundene Belastung der Motorisolation reduziert (Bild 2). Hörbare Geräusche werden verringert, aber das Gleichtaktrauschen und Lagerströme bleiben unberührt. Teure abgeschirmte Kabel und eine sorgfältige Erdung können helfen, diese Mängel bei Kabellängen bis zu 50 m zu überwinden.

Bei Leitungen bis 100 m Länge ist bei einem Filter wie in Bild 3 eine höhere Komplexität erforderlich. Dabei erfolgt eine Tiefpassfilterung auf den Netzleitungen mit einer Grenzfrequenz zwischen der PWM- und der höchsten AC-Ausgangsfrequenz. Große Induktivitäten und Kondensatoren sind erforderlich, die für den Betriebsstrom und die Betriebsspannung ausgelegt sind – und die Systemkosten erheblich erhöhen. Auch hier ist der Lagerverschleiß immer noch gefährlich und das Gleichtaktrauschen wird nicht wesentlich gedämpft, sodass das Kabel weiterhin abgeschirmt sein muss. Längere Kabel führen damit zu höheren Kosten.

Gegentaktrauschen besser dämpfen

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Bild 4: Sineformer-Filter von TDK Epcos. Avnet Abacus

Sinuswellen-Filter mit noch niedrigeren Grenzfrequenzen, die sorgfältig ausgewählt wurden, um eine Verzerrung des gewünschten Niederfrequenz-Wechselstroms zu vermeiden, helfen dabei, Gegentaktrauschen besser zu dämpfen. Dies ermöglicht Kabellängen über 100 m. Aber die Kosten erhöhen sich schnell, wenn noch größere Kondensatoren und Induktivitäten sowie weiterhin abgeschirmte Kabel und Vorsichtsmaßnahmen gegen Lagerausfall zum Einsatz kommen.

Der handelsübliche Filter Sineformer (Bild 4) stellt eine Komplettlösung dar, die eine Gleichtaktdrossel L4 und Y-Kondensatoren C4, C5 und C6 zusammen mit den Gegentaktfiltern L1, L2, L3 und C1, C2, C3 enthält. Bei diesem Filter beträgt dV/dt weniger als 500 V/μs, Störungen werden verringert, die EMI wird größtenteils gedämpft und Lagerströme werden auf die Masse vor Ort abgeleitet, was zu einer längeren Motorlebensdauer führt.

Ungeschirmte Kabel

Der größte Vorteil ist, dass ein ungeschirmtes Kabel verwendet werden kann, um EMV-Spezifikationen bis zu 1000 m Kabellänge zu erfüllen, was enorme Kosteneinsparungen mit sich bringt. Obwohl der Filter als Komponente hohe Kosten verursacht, hat der Hersteller TDK Epcos berechnet, dass er im Gesamtsystem zu finanziellen Einsparungen führt, sobald Kabel länger als 50 m erforderlich sind. Die Kosten für geschirmte Kabel und deren teurer Abschluss erübrigen sich damit. Auch die Möglichkeit eines frühen Motorschadens und die damit verbundenen Kosten für Ausfallzeiten und Ersatz sollten berücksichtigt werden. Bild 5 führt eine Zusammenfassung der Leistungsfähigkeit verschiedener Filtertypen auf.

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Bild 5: Zusammenfassung der Leistungsfähigkeit von Filtern. Avnet Abacus

TDK Epcos bietet eine Reihe von EMV-Filtern, die für Schaltnetzteile mit DC- und AC-Ausgängen geeignet sind, einschließlich Pulver- und Ferritkerne, gewickelte Induktivitäten, Kondensatoren und Filterblöcke wie die Sineformer-Serie. Das Unternehmen bietet umfassende Beratung, um gemeinsam mit Entwicklern die optimale Lösung mit TDK-Epcos-Komponenten bereitzustellen.

Martin Keenan

Technical Manager, Avnet Abacus

(ah)

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