Die meisten modernen Stromrichter basieren auf Schalttechnik, um höchste Effizienz, kleinste Baugröße und niedrigste Kosten zu gewährleisten. Dies erzeugt zwangsläufig Schaltungsrauschen und Ausgangsfilter sind erforderlich, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren und einen zuverlässigen Betrieb des Wandlers und der Last zu gewährleisten. Dieser Beitrag befasst sich mit möglichen Filtertechniken.

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

Der Sinusformer von TDK Epcos ist eine Komplettlösung, die eine Gleichtaktdrossel L4 und Y-Kondensatoren C4, C5 und C6 sowie die Gegentaktfilter L1, L2, L3 und C1, C2, C3 umfasst. Mit diesem Filter ist dV / dt kleiner als 500 V / µs, Störungen werden reduziert, EMI weitgehend gedämpft und Lagerströme werden bauseits zur Erde abgeleitet. Bis zu einer Kabellänge von 100 m werden die EMV-Spezifikationen mit ungeschirmten Kabeln erfüllt.

Schalttechniken zur AC/DC- und DC/DC-Leistungsumwandlung erzeugen unweigerlich ein gewisses Ausgangsrauschen, das durch Filternetzwerke reduziert werden muss, um praktische und gesetzliche Grenzwerte einzuhalten. Wechselrichter, die einen Wechselstromausgang in Motorantrieben und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) bereitstellen, erfordern auch eine Rauschfilterung, um den gewünschten Wechselstromausgang so sauber wie möglich bereitzustellen.

Abb. 1: Ausgangsfilter für einen Durchflusswandler. Avnet Abacus

Für Gleichstrom beschreibt Bild 1 das Ausgangsfilter eines Durchflusswandlers oder Tiefsetzstellers mit L1 und C1 als Energiespeicher, um die nach dem Transformator gleichgerichtete Signalform auf einen Nenngleichstrom zu mitteln. L1 ist so bemessen, dass bei einer festen Schaltfrequenz und einem festen Tastverhältnis ein bestimmter Spitze-Spitze-Welligkeitsstrom vorliegt. Dieser Strom fließt durch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von C1, der die erforderliche maximale Ausgangswelligkeitsspannung erzeugt. Auch die Ladekondensatoren und die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Bauteils erzeugen einen Spannungsabfall – jedoch dominiert meist der ESR. L1 muss die Volllast und den Spitzenwelligkeitsstrom ohne magnetische Sättigung übertragen und ist daher meist ein großes Bauteil, das einen Kern aus Eisenpulver oder Ferrit enthält. L1 besitzt aufgrund seiner Größe eine hohe Eigenkapazität, so dass hochfrequente Rauschspitzen auftreten können. L2 und C2/C3 werden hinzugefügt, um das Rauschen auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. L2 kann sehr klein sein, da keine Energie gespeichert werden muss - sondern der gesamte Ausgangsstrom durchgelassen werden muss. Die Induktivität sollte nur so groß wie unbedingt nötig sein, da Laststromsprünge ungewollte Ausgangsspannungsübergänge auf E = -L di / dt erzeugen. Wenn L2 / C2 / C3 innerhalb des Regelkreises des Umrichters liegen - wie dies der Fall ist, wenn sie einem Umrichter mit Remote-Sensing hinzugefügt werden - besteht die Gefahr der Instabilität, da das Filter der Rückkopplung eine Phasenverzögerung hinzufügt. Die Induktivität sollte daher minimal sein und nicht mehr als 10 Prozent des L1-Wertes betragen. Außerdem sollte es eine geringe Eigenkapazität aufweisen, beispielsweise nur eine einzige Wicklung auf einem kleinen Eisenpulver-Ringkern oder Ferrit-Trommelkern.

Trommelkerne haben einen großen effektiven Luftspalt um die Außenseite der Wicklung, was zu unerwünschter Strahlung führen kann. Platzieren Sie diese am besten neben dem verrauschten Anfang oder der innersten Wicklung am L1-Ende, um eine Art Selbstabschirmung zu schaffen. Hersteller kennzeichnen diese Verbindung oft mit einem Punkt. C2 kann ein Elektrolytkondensator mit einem relativ hohen ESR sein, der die Filterresonanz dämpft. C3 ist ein kleiner Keramikkondensator, der bei hohen Frequenzen dämpft. Es hat sich gezeigt (zB Ridley), dass ein optimales Design einen relativ niedrigen Wert für C1 und einen hohen Wert für C2 liefert. L1 schwingt mit der Parallelkombination von C1 und C2 unterhalb der Schleifenübergangsfrequenz und ist relativ unempfindlich gegenüber zusätzlicher externer Kapazität. Die Verjüngung der Schleifenantwort wird durch die Rückkopplungsschleife kompensiert. L2 schwingt mit der Reihenschaltung von C1 und C2 mit, die oberhalb der Übergangsfrequenz, aber unterhalb der Schaltfrequenz liegt. Wenn C2 ein Aluminium-Elektrolytkondensator ist, wird seine Resonanz durch seinen ESR gut gedämpft. Diese Anordnung ermöglicht eine Rückkopplungsschleife zu L2, die einen genaueren DC-Ausgang liefert, während die Schaltung unempfindlich gegenüber extern hinzugefügter Kapazität durch den Kunden ist und die Schleifenstabilität aufrechterhalten wird. Andere Topologien wie beispielsweise Sperr-/Aufwärtswandler haben ähnliche Filteranforderungen nach der ersten Energiespeicherstufe.

Manchmal kann Gleichtaktrauschen Probleme mit ungeerdeten Wandlerausgängen verursachen und kann mit einer Gleichtaktdrossel und Kondensatoren gegen Erde gedämpft werden. Im Gegensatz zu Y-Kondensatoren an AC/DC-Wandlereingängen gibt es keinen Maximalwert, der durch Ableitströme definiert wird. Allerdings sind Resonanzen zu berücksichtigen, die durch eine ohmsche Dämpfung der Drossel überwacht werden müssen.

Insbesondere bei Filtern gilt die Devise „Weniger ist mehr“, um Spannungstransienten bei Lastsprüngen, mögliche Instabilitäten, Resonanzen und schlechte Lastregelung durch ohmsche Spannungsabfälle an Induktivitäten zu vermeiden.

Anforderungen an Umrichter für Motorantriebe

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

Umrichter mit ihren AC-Ausgängen, wie sie für Motorantriebe benötigt werden, stellen ähnliche Anforderungen an den Entstörfilter – nur mit der zusätzlichen Hürde, dass der Filter auch bei hohen Stromwerten variablen, niederfrequenten Wechselstrom passieren lassen muss. Bei einem Drehstrommotorantrieb 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 übernimmt und nur auf die Modulationsfrequenz reagiert. Allerdings könnte der Motor in einiger Entfernung montiert werden und lange Kabel, die hohe Ströme und hochfrequente Rechtecksignale mit schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten übertragen, verursachen in der Praxis zahlreiche EMV-Probleme:

Abb. 3: dV / dt- oder Sinuswellenfilter. Avnet Abacus

Filter unterschiedlicher Komplexität können diese Effekte reduzieren oder eliminieren. Einfache Differenzfilterdrosseln in jeder Leitung verlangsamen die Anstiegszeit des Signals, was Nachschwingen und die damit verbundene Belastung der Motorisolation reduziert (Abbildung 2). Hörbares Rauschen wird reduziert, Gleichtaktrauschen und Lagerströme bleiben jedoch unbeeinflusst. Teure geschirmte Kabel und eine sorgfältige Erdung können bei Kabellängen bis 50 m helfen, diese Mängel zu beheben.

Für Leitungen bis 100 m Länge erfordert ein Filter wie in Bild 3 dargestellt einen höheren Aufwand. Auf den Stromleitungen findet eine Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz zwischen der PWM und der höchsten AC-Ausgangsfrequenz statt. Es werden große Induktivitäten und Kondensatoren benötigt, die auf den Betriebsstrom und die Betriebsspannung ausgelegt sind – und die Systemkosten deutlich erhöhen. Auch hier ist Lagerverschleiß noch gefährlich und das Gleichtaktrauschen wird nicht wesentlich gedämpft, sodass das Kabel noch abgeschirmt werden muss. Längere Kabel führen zu höheren Kosten.

Abb. 4: Sinusformer-Filter von TDK Epcos. Avnet Abacus

Sinusfilter mit noch niedrigeren Grenzfrequenzen, die sorgfältig ausgewählt wurden, um eine Verzerrung des gewünschten niederfrequenten Wechselstroms zu vermeiden, helfen, Gegentaktrauschen besser zu dämpfen. Dies ermöglicht Kabellängen über 100 m, jedoch steigen die Kosten schnell an, wenn noch größere Kondensatoren und Induktivitäten sowie abgeschirmte Kabel und Vorsorgemaßnahmen gegen Lagerausfall verwendet werden.

Das handelsübliche Sinusformer-Filter (Abb. 4) ist eine Komplettlösung, die eine Gleichtaktdrossel L4 und Y-Kondensatoren C4, C5 und C6 sowie die Gegentaktfilter L1, L2, L3 und C1, C2, C3 enthält. Mit diesem Filter ist dV / dt kleiner als 500 V / µs, Störungen werden reduziert, EMI weitgehend gedämpft und Lagerströme werden vor Ort zur Erde abgeleitet, was zu einer längeren Lebensdauer des Motors führt.

Der größte Vorteil besteht darin, dass ein ungeschirmtes Kabel verwendet werden kann, um EMV-Spezifikationen bis zu 1000 m Kabellänge zu erfüllen, was zu enormen Kosteneinsparungen führt. Obwohl der Filter als Komponente hohe Kosten verursacht, hat der Hersteller TDK Epcos errechnet, dass er zu finanziellen Einsparungen im Gesamtsystem führt, sobald Kabel länger als 50 m benötigt werden. Die Kosten für geschirmte Kabel und deren aufwendige Konfektionierung entfallen somit. Auch die Möglichkeit eines frühen Motorausfalls und die damit verbundenen Kosten für Ausfallzeiten und Austausch sollten berücksichtigt werden. Abbildung 5 fasst die Leistung verschiedener Filtertypen zusammen.

Abbildung 5: Zusammenfassung der Leistung von Filtern. Avnet Abacus

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

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