Wenn ich Kunden in der Automobilindustrie mit ihren DC-DC-Wandlern dabei unterstütze, die strengen EMV-Normen für die Automobilindustrie zu erfüllen, stoße ich oft auf Probleme, die einige häufige Fehler aufweisen. Zunächst einmal sind 90 % der EMI-Probleme mit einem „Erdungsproblem“ verbunden. Ein schlechtes DC-Link-Design trägt zu schlechten leitungsgebundenen und abgestrahlten Emissionen bei. Ein weiterer häufiger Fehler ist eine schlechte Wahl der Schaltgeräte, die oft das Hinzufügen weiterer Filter später im Designprozess erfordert, die Kosten erheblich erhöht und möglicherweise das Projekt gefährdet. 

Bei der Entwicklung eines elektromagnetischen (EM) konformen Produkts ist eine gewisse Planung entscheidend, um die Produktleistung sicherzustellen und die Kosten unter Kontrolle zu halten. In diesem Artikel bieten wir drei Empfehlungen zu Designaspekten von DC-DC-Wandlern an, die einen großen Unterschied in ihrer EMV-Leistung ausmachen. 

Wenn Antriebsstrangmodule die Leistung eines Elektrofahrzeugs (EV) bestimmen [1], dann spielen DC-DC-Wandler eine wichtige Rolle für die Stabilität und Zuverlässigkeit eines EV. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Energie von einer Quelle (z. B. einem Batteriepack) an Systeme und Geräte zu übertragen, die diese Energie verbrauchen (alle elektronischen Lasten, insbesondere im Niederspannungsverteilungsnetz eines Fahrzeugs). Aus diesem Grund sind auch die Sicherheits- und Funktionssicherheitsaspekte eines DC-DC-Wandlers kritisch. Redundanzdesign kann auch aus Gründen der Fehlertoleranz gesehen werden. 

Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von DC-DC-Wandlern für Automobilanwendungen. Wie in Abbildung 1 (a) gezeigt, ersetzt bei einem reinen Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) ein DC-DC-Wandler die Lichtmaschine, die typischerweise in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (ICE) verwendet wird. Es wandelt Hochspannung (HV) auf Niederspannung (LV) herunter. Die Nennleistung solcher Umrichter liegt oft bei etwa 3 kW.

Bei einem Hybridfahrzeug oder Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) überträgt ein DC-DC-Wandler mit kleinerer Leistung (oft unter 1 kW) Strom zwischen den 48-V- und 12-V-Stromschienen. Diese Art von Wandler ist oft bidirektional, sodass Strom in beide Richtungen geleitet werden kann. Eine 48-V-Stromschiene wird für Funktionen wie Servolenkung, Servobremsung, Starthilfe usw. benötigt. Oft können Superkondensatoren auf der 48-V-Stromschiene verwendet werden, um für sehr kurze Zeit zusätzliche Leistung bereitzustellen. Dies ist in Abbildung 1 (b) zu sehen.

Abbildung 1: Zwei Arten von DC-DC-Wandlern für Automobilanwendungen

Aufgrund der Natur von Hochspannungen und der damit verbundenen Sicherheitsanforderungen ist eine Trennung für HV-LV-DC-DC-Wandler erforderlich. Solche Wandler werden oft bei Transformatoren verwendet, da der Transformator die erforderliche Isolierung bereitstellt. Beliebte Topologien umfassen Phasenverschiebungs-Vollbrückenwandler und LLC-Resonanzwandler. Für 48-V-12-V-DC-DC-Wandler ist häufig aufgrund der Kosten- und Größenanforderungen eine einfache Wandlertopologie wie ein bidirektionaler Abwärts-/Aufwärtswandler eine beliebte Option. Um die Leistung der Komponenten zu teilen, wird üblicherweise für beide Arten von Wandlern eine Verschachtelung verwendet. Schemata eines Phasenschieber-Vollbrückenwandlers und eines bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellers sind in Abbildung 2 zu sehen.

Abbildung 2: Vereinfachte schematische Darstellung von (a) einem Phasenverschiebungs-Vollbrückenwandler (b) einem bidirektionalen Abwärts-/Aufwärtswandler

Die EMV-Herausforderungen im Zusammenhang mit Hochspannung, hoher Schaltfrequenz und schneller Anstiegszeit werden in [1] vorgestellt. Ein EMV-Designleitfaden für Automobil-DC-DC-Wandler ist in [2] zu finden. In diesem Artikel werden wir uns die drei wichtigsten Designaspekte ansehen, die Konstrukteure in erster Linie richtig machen müssen, um die finanziellen Auswirkungen mehrerer Iterationen des Designs zu vermeiden.

EMV-Experten betonen seit Jahren die Bedeutung einer „Masse“ [3]. D. Beeker sagte scherzhaft: "Wenn ein EMV-Experte Schaltpläne von mehr als einem Erdungssymbol sieht, weiß er/sie, dass er/sie Geld verdienen kann." [4]. Dennoch haben wir im Feld so viele Designs gesehen, die mehrere Massesymbole haben. Sie sind manchmal falsch oder mit nichts verbunden (als Inselebene). Aber meistens haben sie Verbindungen zu einem Referenzpunkt über einen sehr hochohmigen Pfad. Statistiken aus unserer eigenen Forschung deuten darauf hin, dass über 90% der EMI-Probleme in der Automobilwelt mit einem schlechten Erdungsdesign zusammenhängen [5].

Hier ist eine Liste einiger häufig auftretender bodenbezogener Probleme, die manchmal fälschlicherweise als "schwarze Magie" bezeichnet werden. 

Es gibt keinen „sauberen“ oder „ruhigen“ Boden. Aber es gibt eine HF-Referenz, bei der die EMV-Messung durchgeführt wird. Für einen DC-DC-Wandler für die Automobilindustrie ist dies die Chassis-Referenz. Idealerweise müssen die Filter (Eingang und Ausgang) anhand dieser Referenz entworfen werden. Dies kann jedoch aus vielen Gründen nicht erreicht werden, wie z. B. galvanische Trennung, Leckstrom und andere Anforderungen des OEM usw. Daher müssen die Verbindungen zu dieser Referenz für das betreffende EM-Rauschen ein niederohmiger Pfad sein.

Um Verwirrung zu vermeiden, wird die Verwendung von Begriffen wie „Erde“ oder „Erde“ für die Gestaltung nicht empfohlen. Stattdessen verwenden wir 0V-Referenz (oder Niederspannungsrückkehr), Chassis-Referenz, HV (-), um unsere Designreferenz zu benennen. Abgesehen von einer soliden durchgehenden Masseebene für die 0-V-Referenz ist die Verwendung einer Chassis-Referenz auf der Platine eine bewährte Vorgehensweise. Die Chassis-Referenz muss jedoch eine durchgehende durchgehende Ebene sein und keine dünne Spur, die als "Chassis" bezeichnet wird. 

In Abbildung 3 ist ein Keramikkondensator zwischen einer 0-V-Referenz (oder dem, was wir Niederspannungsrückführung nennen) und einer dünnen Leiterbahn auf der Platine namens "Chassis" angeschlossen. Dieselbe Leiterbahn verläuft zu einem Montageloch, das mit dem Metallgehäuse verbunden ist über einen Ständer. Das Problem dabei ist, dass lange Verbindungen den Stromschleifenbereich vergrößern; daher beginnt mit steigender Frequenz der induktive Teil der Verbindung zu dominieren [6]. Was ein Pfad mit niedriger Impedanz zu sein scheint, wird zu einem Pfad mit hoher Impedanz, der möglicherweise genau an dem Frequenzpunkt auftritt, an dem man eine gute Dämpfung erreichen möchte, wodurch der Zweck der Gleichtaktkondensatoren zunichte gemacht wird. 

Abbildung 3: Lange Verbindungen zur endgültigen Chassis-Referenz erhöhen die Impedanz

Die Verwendung einer großen Anzahl von Filterkomponenten zur Erreichung der EMV-Konformität ist nie eine gute Option. Für eine 

Sache, es erhöht die Größe und die Kosten des Systems. Es könnte auch die Instabilität aufgrund eines ungedämpften Filters erhöhen. Wenn die 0-V-Referenz und / oder die Chassis-Referenz nicht richtig ausgelegt sind, kann das Hinzufügen von Filtern auch zu einem Ungleichgewicht in einer Übertragungsleitung führen, insbesondere wenn eine Ferritperle verwendet wird, um zwei Referenzebenen zu verbinden. Für ein kompaktes Design ist oft eine Ruhezone für die Referenzebene (z. B. 0V-Referenz) erforderlich, was bedeutet, dass die Filter und Anschlüsse auf der gegenüberliegenden Seite der Referenzebene platziert werden. 

Wenn eine Umzäunungstechnik auf der Leiterplatte verwendet wird (wie in Abbildung 4 gezeigt), muss die Umrandung auch eine gute elektrische Verbindung zum Metallgehäuse haben. Ein bevorzugter Ansatz besteht hier darin, eine EMV-Dichtung zu verwenden und diese gegen eine hochleitfähige Oberflächenbehandlung oder Beschichtung zu drücken, die mit dem EMV-Dichtungsmaterial galvanisch kompatibel ist. Klemmen Sie die oberen und unteren Chassisspuren rund um den Rand der Platine und zwischen zwei durchgehenden Metallwänden - eine oben, eine unten - eine sogenannte 'Clamshell'-Konstruktion. Dieser Ansatz profitiert erheblich von EMV-Dichtungen auf der Ober- und Unterseite der Platine. Andernfalls hält die EMV-Leistung im wirklichen Leben nicht sehr lange an [7].

Abbildung 4: Umzäunungen müssen einen guten elektrischen Kontakt zum Metallgehäuse haben

Die Grundrissplanung muss in einem sehr frühen Stadium der Forschung und Entwicklung erfolgen. Die Anzahl der Befestigungspunkte hängt nicht nur von den mechanischen Anforderungen, sondern auch von den EMV-Anforderungen ab. Wenn eine mechanische Konstruktion einmal festgelegt ist, kann sie später in der Entwicklungsphase aufgrund der hohen Kosten für die Werkzeugkosten nicht einfach geändert werden. 

Im Vergleich zu Anwendungen wie netzgekoppelten Wechselrichtern von Motorantrieben und kaskadierten Netzstromversorgungen wie Aufwärts-LLC-Wandlern benötigt der Zwischenkreiskondensator eines DC-DC-Wandlers keine große Energiedichte, da die Leistung aus einem viel höheren Energiedichtequelle, dh die Batterie. Dies erklärt, warum Elektrolytkondensatoren in solchen Anwendungen nicht häufig verwendet werden. Zwischenkreiskondensatoren für DC-DC-Wandler bestehen aufgrund ihres geringen ESR und schnellen Energieverhaltens aus Folien- und Keramikkondensatoren. 

Abbildung 5: Eigenschaften verschiedener Kondensatortypen (Quelle: TDK-Material)

Der Entwurf eines Zwischenkreises erfordert eine sorgfältige Systemanalyse und viele Faktoren müssen berücksichtigt werden. Aus EMV-Sicht sind Spannungs- und Stromwelligkeiten im Zwischenkreis wichtige Indikatoren für die gute Auslegung.

Der folgende Prozess wird häufig empfohlen, wenn es um das DC-Link-Design geht, und oft wird ein SPICE-basiertes Simulationsmodell erstellt, um die Analyse zu unterstützen.

Abbildung 6: Simulierte Kabelimpedanz, rote Spur - 3 Meter lang, grüne Spur - 1 Meter lang

Es ist wichtig, die Notwendigkeit der korrekten Modellierung der Batterie und der Kabelimpedanz hervorzuheben. Das Ignorieren der Genauigkeit des Modells führt oft fälschlicherweise zu dem Schluss, dass ein erheblich großer Kapazitätswert benötigt wird. Dies führt zu einem Over-Engineering und erhöht die Kosten und die Größe der Einheit. Auch die Kabelimpedanz bzw. die Kabelinduktivität beeinflusst das Einschwingverhalten des Systems. 

Elektrolytkondensatoren haben oft eine größere äquivalente Serieninduktivität (ESL), was bedeutet, dass die Impedanz nach 500 kHz ansteigt. Daher sind sie nicht die besten Kandidaten für Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen. Ein weiterer Grund dafür, dass Elektrolytkondensatoren nicht bevorzugt werden, ist ihre Fähigkeit zur Handhabung von Stromwelligkeiten. Wenn der Welligkeitsstrom den Kondensatorgrenzwert überschreitet, kann dies zu einem Temperaturanstieg führen und die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren verkürzen.

Daher ist eine Mischung aus Folien- und Keramikkondensatoren die richtige Wahl, um eine niedrige Impedanz über einen weiten Frequenzbereich (10 kHz - 100 MHz) zu erreichen. Um zu verhindern, dass ein ungedämpftes System mitschwingt, werden häufig Dämpfungswiderstände benötigt. Bild 7 zeigt den Impedanzverlauf des Zwischenkreises durch Simulation. 

Abbildung 7: Ein Netzwerk aus Folien- und Keramikkondensatoren mit Dämpfungswiderständen

Nicht zuletzt muss das Layout von Kondensatoren sorgfältig überlegt werden. Bei Schaltwandlern bestimmt die Lage der Kondensatoren, wie effizient Energie von einer Seite zur anderen transportiert werden kann [6]. Verbindungen zwischen den Kondensatoren und der Power- und Groundplane müssen kurz gehalten werden, um die Induktivität zu minimieren [6]. Abhängig von der Umrichtertopologie müssen Hot-Loop-Bereiche identifiziert und so weit wie möglich minimiert werden. 

Für DC-DC-Wandler sind leistungselektronische Geräte wie MOSFET, IGBT und SiC-MOSFET die Schlüsselkomponenten. Mit immer schneller werdenden Leistungselektronikgeräten wird die Auswahl dieser Komponenten wichtig [1]. 

Konstrukteure wählen ein Gerät oft basierend auf seiner Nennspannung und Stromstärke, RDS (ON), Diodenrückerholungsladung, Lawinen- und Wärmeleistung aus. Auch die Kosten sind ein entscheidender Faktor bei der Entscheidungsfindung, da die Automobilherstellung ein Massenfertigungsgeschäft ist. 

Aus EMV-Sicht konzentrieren wir uns oft auf:

Die parasitäre Kapazität hängt mit dem Gerätegehäuse und der Art und Weise zusammen, in der das Gerät auf der Leiterplatte montiert ist. Generell ist die montagebedingte parasitäre Kapazität (ca. 100 pF) um mindestens eine Größenordnung geringer als die des Gerätes selbst (ca. einige nF). Die Kapazität des Gerätes muss berücksichtigt werden, da sie zusammen mit der parasitären Induktivität das Nachschwingen eines Schaltereignisses erzeugt. 

Der EMV-Einfluss der Sperrverzögerungsladung einer Body-Diode wird ausführlich in [9] diskutiert. 

Eine schwache Gate-Treiberschaltung kann die Schaltleistung eines Wandlers beeinträchtigen. Die Miller-Kapazität eines Geräts bedeutet, dass eine Gate-Treiberschaltung so ausgelegt sein sollte, dass sie die Gate-Source-Kapazität schnell lädt und entlädt. Eine schwache Treiberschaltung verlangsamt oft den Schalter. Dies ist eine schlechte Nachricht für die Systemeffizienz (wenn der Schaltverlust steigt), aber oft eine gute Nachricht für die EMV (wenn die Anstiegs-/Abfallzeit zunimmt). Jedoch verlangsamt unter bestimmten Umständen, wie beispielsweise bei der Verwendung eines Nullspannungsschaltens (ZVS) eines Resonanzwandlers, eine schwache Gate-Treiberschaltung das Schalten. Erst bei zu hoher Spannung schaltet der Wandler zu Ende und damit geht die ZVS verloren. In diesem Fall würde man erwarten, dass sich die EMV-Leistung verschlechtert. 

Der Trend von Through-Hole-Packages zu kostengünstigen SMD-Anwendungen (Surface Mounted Device) ist durch die Verbesserung der Chiptechnologien gekennzeichnet. „Silizium statt Kühlkörper“ ist daher in vielen Fällen möglich [10]. Es gibt Fälle, in denen Durchsteckgehäuse wie TO-247-Bauelemente für Hochspannungs-Hochleistungs-DC-DC-Wandler ausgewählt wurden. Dafür gibt es drei Hauptgründe. Erstens ist ein Gehäuse mit Durchgangsloch viel billiger als ein SMD-Typ. Zweitens macht es das thermische Design viel einfacher, da man Kühlkörper direkt an den Geräten anbringen kann. Drittens gibt es den Leiterplattenbereich horizontal frei, obwohl es die Höhe der Leiterplatte erhöht. 

Ein Durchsteckgehäuse ist jedoch sicherlich nicht gut für die EMV. Tatsächlich ist es äußerst schwierig, das Rauschen einzudämmen, das mit Durchsteckvorrichtungen verbunden ist, und Konstrukteure müssen sich oft mit den Konsequenzen der Auswahl von Durchsteckvorrichtungen als Hauptwandlerschalter auseinandersetzen. Zu Beginn führt die lange Zuleitung des Gehäuses leicht eine zusätzliche Induktivität von 10 nH ein. Diese parasitäre Induktivität verursacht zusammen mit der parasitären Kapazität des Geräts ein Überschwingen und Klingeln, wenn das Gerät mit hoher Geschwindigkeit geschaltet wird. 

Um dies zu demonstrieren, ist ein SPICE-basiertes Simulationsmodellergebnis zusammen mit der Messung einer TO-247-MOSFET-Schaltung in Abbildung 8 gezeigt. Wie in Abbildung 9 zu sehen ist, werden das Überschwingen und das Überschwingen durch die Reduzierung der parasitären Induktivität reduziert .

Abbildung 8: Sowohl bei Simulation als auch bei Messung beobachtetes Überschwingen und Nachschwingen

Abbildung 9: Reduzierung der Induktivität in der Schleife reduziert Überschwingen und Überschwingen

Auch die Tatsache, dass ein TO-247-Gerät direkt mit einem Kühlkörper montiert werden kann, kann je nach Kühlkörpergröße, Anschlüssen und anderen Faktoren zu EMV-Problemen führen [11]. Jedes Gerät, das auf der Platine steht, verhält sich wie eine kleine Antenne. Wenn der Platinenkühlkörper nicht richtig gebondet ist, kann jedes Gerät auch die Strahlungsemissionen erhöhen. 

Auch die Anordnung der Geräte kann eine Herausforderung darstellen. Wenn sich die Durchsteckbauelemente in der Nähe des PCB-Rands befinden (was oft für eine bessere thermische Leistung der Fall ist), strahlen sie tendenziell viel mehr ab, als wenn sie sich in der Mitte der PCB befinden. 

Wenn Sie der Meinung sind, dass die Auswahl von Geräten mit Durchgangsbohrung Ihre Stücklistenkosten verbessern würde, dann denken Sie noch einmal darüber nach. Die Gesamtzahl der Hauptschaltgeräte der Leistungsstufe pro DC-DC-Wandler ist nicht groß. Wenn ein SMD-Gehäuse nicht die gleiche thermische Leistung wie ein Durchgangsloch-Gehäuse erreichen kann, könnten immer zwei Geräte parallel verwendet werden, um den Strom zu teilen. Eine Verdoppelung der Geräteanzahl bedeutet auch eine Verdopplung der Kosten. Aber die Tatsache, dass SMD-Gehäuse eine viel bessere EMV-Leistung aufweisen, könnte bedeuten, dass ein oder zwei Filterkomponenten aus dem Wandlerfilterdesign weggelassen werden können. 

Bei HV-Hochleistungswandlern sind magnetische Komponenten wie beispielsweise Gleichtaktdrosseln (CMC) sperrig, schwer und teuer. Das Hinzufügen eines oder zweier davon zum Design erhöht das Gewicht und die Kosten erheblich. Erschwerend kommt hinzu, dass aufgrund der kompakten Bauweise des Umrichters oft kein Platz für ein CMC ist. Es gibt keine schlimmere Situation, als sich in einer späten Designphase wiederzufinden, in der Sie schwere EMI-Filter einsetzen müssen. 

Würden Sie sich angesichts dieser Tatsachen immer noch für ein TO-247-Paket entscheiden?

Wir möchten den Einfluss von Temperatur und Totzeit erwähnen, da wir in einen Fall verwickelt waren, in dem erhebliches niederfrequentes Rauschen (150 kHz-10 MHz) in den leitungsgebundenen Emissionen eines HV-LV-DC-DC-Wandlers beobachtet wurde. Die Auswahl und das Design der Zwischenkreiskondensatoren waren gut, wo teure Hochspannungs-Folienkondensatoren mit großem Volumen gewählt wurden, und die Zwischenkreis-Sammelschiene bedeutete, dass eine minimale Impedanz zwischen dem Zwischenkreis und den Schaltern erreicht wurde.

Aber die Tatsache, dass das Rauschen bei niedriger Frequenz und im Differentialmodus war, deutete darauf hin, dass der Zwischenkreis nicht gut genug war. Es stellte sich heraus, dass die Totzeit des Umrichters zu klein eingestellt war. Die Schaltgeräte waren in diesem Fall IGBTs und der Schwanzstrom wurde bei der Einstellung der Totzeit nicht berücksichtigt [12]. Eine kurze Totzeit kann zum Durchschießen eines Umrichters führen. Durchschießen wird einen sehr hohen, kurzzeitigen Strom aus dem Zwischenkreis ziehen. Dies ist am wahrscheinlichsten, wenn eines der Geräte einen langen Schwanzstrom hat. Das Knifflige hier ist, dass die Schweifstromzeit auch mit der Temperatur zusammenhängt. In diesem Fall verschärfte sich das Emissionsproblem erst nach längerer Laufzeit des Umrichters, was die Fehlersuche zur Problemerkennung zu einer anspruchsvollen Aufgabe machte.

In diesem Artikel haben wir drei wichtige EMV-Designaspekte in einem DC-DC-Wandler diskutiert, die Designingenieure richtig machen müssen, um mehrere Iterationen in der späteren Phase eines Designs zu vermeiden. Eine frühzeitige Grundplanung, die sorgfältige Auswahl der Schaltgeräte und eine präzise Zwischenkreisanalyse können dazu beitragen, dass Ihr DC-DC-Wandlerdesign die EMV-Normen der Automobilindustrie erfüllt. 

Dr. Min Zhang ist Gründer und Haupt-EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem britischen Ingenieurbüro, das sich auf EMC-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, Digitalelektronik, elektrische Maschinen und Produktdesign kommt Unternehmen weltweit zugute.

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