SiC- und GaN-Schalter ermöglichen höhere Wirkungsgrade und höhere Schaltfrequenzen, wodurch die Größe reduziert werden kann. Allerdings treten bei höheren Frequenzen auch höhere elektromagnetische Emissionen auf und die EMV-Richtlinien werden immer strenger. Was können Entwickler dort tun?

Hocheffiziente Stromversorgungen und allgegenwärtige Funkverbindungen sind zwei Trends, die einen großen Einfluss auf die Lebensqualität und Zukunftsfähigkeit haben können. Dies reicht von der Förderung der Kostenparität erneuerbarer Energien über die Bereitstellung eines erschwinglichen, immer verfügbaren Kommunikationsgeräts in jeder Hosentasche bis hin zur Energieversorgung und Anbindung des Internets der Dinge. Und in Zukunft dürften Innovationen wie das Connected Car an Bedeutung gewinnen und EMV-Problemen im täglichen Einsatz der Unterhaltungselektronik eine sicherheitskritische Dimension verleihen.

Beide Trends – hocheffiziente Stromversorgungen und allgegenwärtige Funkverbindungen – stellen schwierigere Herausforderungen, da sichergestellt werden muss, dass die Geräte den EMV-Vorschriften entsprechen. Einerseits sollen sie in ihrer Zielumgebung bestimmungsgemäß funktionieren und andere Geräte in der Nähe nicht stören. Zudem werden die EMV-Vorschriften in den wichtigsten Märkten weltweit immer strenger, da schnell schaltende Netzteile und Funksysteme die elektromagnetische Umgebung belasten. Smartphones, Tablets und IoT-Infrastruktur, die über Mobilfunk, WLAN, PAN, LPWAN oder andere Netze in unterschiedlichen Frequenzbändern verbunden sind, müssen auch Sub-GHz-Funk, GSM / CDMA, WLAN mit 2,4 GHz oder 5 GHz teilen Bluetooth 5 bei 2,4 GHz.

Nehmen Sie als Beispiel die neueste EMV-Richtlinie der Europäischen Union. Überarbeitete Grenzwerte von 2014/30 / EU spezifizieren geringere leitungsgebundene und gestrahlte Störungen und eine höhere Störfestigkeit. Die neuen EU-Verordnungen legen mehr Wert auf die Marktüberwachung, um nicht konforme Produkte zu erkennen und vom Markt zu nehmen. Die EMV-Richtlinie 2014/30 / EU verweist auf eine Vielzahl technischer Spezifikationen; Neu hinzugekommen sind EN 50121-4 für Signalanlagen im Bahnbereich und EN 50121-5 für Stromversorgungen, EN 55014 für elektrische Haushaltsgeräte sowie EN 55022 und EN 55032 für IT- und Multimediageräte. Die Einhaltung dieser technischen Spezifikationen ist ein Aspekt des Konformitätsnachweises; die andere besteht darin, eine zufriedenstellende Dokumentation zu führen.

Stromversorgungen verwenden zunehmend Transistoren aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), um deren Leistung gegenüber herkömmlichen Mosfets und Dioden aus Silizium zu verbessern . Dadurch werden nicht nur Leitungsverluste, sondern auch die Chipgröße und damit die Kosten reduziert. Sowohl die Durchbruchspannung als auch die Temperaturbeständigkeit von GaN- und SiC-Bauteilen sind höher, und da sie schneller schalten, können kleinere Glättungs- und Entkopplungsbauteile verwendet werden.

Die extrem schnellen Schaltflanken führen jedoch zu Oberwellen bis in den HF-Bereich. Bei einer Schaltfrequenz von etwa 1 MHz können die zugehörigen Oberwellen in oder nahe den ISM-Frequenzbändern liegen. Diese müssen berücksichtigt werden, um die Einhaltung der EMV-Richtlinien zu gewährleisten. Erschwerend kommt hinzu, dass SiC-Mosfets in der Regel negative Gate-Spannungen benötigen, um zuverlässig abzuschalten, während hierfür ein Standard-Silizium-Mosfet ausreicht.

Umgang mit Störungen durch Netzteile

Bisher erstreckte sich das Störspektrum von Schaltnetzteilen und getakteten DC-Wandlern, die konventionelle Silizium-IGBTs oder Mosfets enthalten, über den Frequenzbereich von etwa 10 kHz bis 50 MHz. Ein Großteil davon liegt im Bereich für leitungsgebundene Störungen (9 kHz bis 30 MHz), die durch die Standards von CISPR / CENELEC und der FCC definiert sind.

Leitungsbezogene Störungen wiederum werden in Gegentakt- und Gleichtaktstörungen unterteilt und von einer Störquelle entweder auf die Leitung oder auf die Signalanschlüsse eingekoppelt. Normalmode-Ströme resultieren aus dem normalen Betrieb eines Geräts und folgen den Signal- oder Stromleitungen, während Gleichtaktströme zwischen Signal- oder Stromleitungen und ungewollten Leitungswegen wie Gehäuseteilen oder einer Erde fließen.

Geleitete Störströme können durch Einfügen eines Netzfilters oder Sperrfilters eliminiert werden, der einen oder mehrere Kondensatoren und / oder Spulen enthält. Normalerweise steht ein Kondensator einem hochohmigen Stromkreis gegenüber - entweder der Quelle oder der Last -, während eine Induktivität mit einem niederohmigen Stromkreis verbunden ist. Sind Quelle und Last hochohmig, kann ein rein kapazitiver Filter oder ein Pi-Filter für einen steileren Frequenzgang verwendet werden. Die Firma Kemet hat EMI/RFI-Netzfilter oder Drosseln im Portfolio, mit denen sich Gegentakt- oder Gleichtaktstörungen dämpfen lassen, sowie eine Dual-Mode-Version, die beide Funktionen platz- und kostensparend in einem Bauteil vereinen soll.

Weltweit haben Normungsgremien Spezifikationen für passive Filter definiert, beispielsweise die europäische Norm EN 60939, die auf IEC 60939 basiert, und UL 1283 oder MIL-F-15733, die in den USA gelten. Die Filter von Kemet entsprechen den geltenden Normen und sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, darunter ein- oder dreiphasige Varianten für die Chassis- oder Leiterplattenmontage sowie Durchführungsfilter, die Ströme von weniger als 1 A bis 2500 A abdecken. Es gibt auch Spezialfilter für Medizin- und Beleuchtungsanwendungen, die die EMV-Richtlinie EN 55015 erfüllen müssen, um auf dem EU-Markt in Verkehr gebracht zu werden.

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