Leistungselektronische Umrichter sind die Basis für die Bereitstellung erneuerbarer Energien und der Elektromobilität. Und die Minimierung ihres Gewichts ist bei diesen Anwendungen ein wichtiges Konstruktionsziel. Möglich machen dies neue Hybridfilter auf Basis neuer magnetischer Materialien.

Die Art und Weise, wie wir elektrische Energie bereitstellen und nutzen, verändert sich derzeit stark. Erneuerbare Energiequellen, die zunehmende Verbreitung drehzahlgeregelter Antriebe in Industrie- und Haushaltsgeräten sowie das Aufkommen von Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen haben die Nachfrage nach geregelten elektronischen Umrichtern befeuert. Und dieser Trend wird sich noch verstärken.

Leider stehen viele erneuerbare Energien nicht immer im gleichen Umfang zur Verfügung. Weht der Wind unruhig über ein Windkraftwerk oder ziehen Wolken über ein Solarkraftwerk, muss dieser sich ändernde Energieertrag zunächst in eine höhere Gleichspannung umgewandelt werden, die durch große Zwischenkreiskondensatoren stabilisiert wird. Anschließend folgt ein Umrichter, der diese stabilisierte Gleichspannung in eine genau geregelte Wechselspannung umwandelt, um diese Energie in das Wechselstromnetz einzuspeisen.

Ähnlich verhält es sich mit Antriebsumrichtern für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, deren Ausgangsfrequenz – und damit die Motordrehzahl – sich ständig der Fahrsituation anpasst. Kompakte Abmessungen, geringes Gewicht und Erschwinglichkeit sind hier entscheidend für das Marktwachstum.

Funktionsprinzipien und Störquellen

Ein Stromrichter wie der in Bild 1 gezeigte Brückenstromrichter kommutiert den Strom durch die Last, indem er abwechselnd den oberen und den unteren Leistungsschalter ein- und ausschaltet. Dies können IGBTs oder Superjunction-Mosfets aus Silizium sein oder – in hochwertigen Anwendungen wie Premium-Elektrofahrzeugen oder wenn maximale Energieeffizienz gefordert ist – Leistungsschalter aus einem Wide-Bandgap-Halbleitermaterial wie Siliziumkarbid (SiC). Jedes Tor wird nacheinander relativ zu allen anderen über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) angesteuert.

Handelt es sich bei den Leistungsschaltern um IGBTs, liegt die Schaltfrequenz bei etwa 20 kHz, Mosfets können mit deutlich höheren Frequenzen von bis zu mehreren hundert Kilohertz arbeiten. In jedem Fall führt das schnelle Schalten dazu, dass sich die Spannung an den Transistoren abrupt ändert. Dies wiederum verursacht Schwingungen mit hochfrequentem Rauschen bei Oberwellen der Schaltfrequenz. Bei IGBT-basierten Wind- oder Solarwandlern können Störsignale mit Frequenzen bis 1 MHz oder mehr auftreten. Diese und andere Störquellen, beispielsweise das Schalten eines DC-DC-Wandlers an anderer Stelle im System, der an die AC-Netzausgangsleitungen angekoppelt ist, können die Qualität der Ausgangsspannung beeinträchtigen und Störungen verursachen. Dies kann sich auf die Steuersignale des Systems (z. B. analoge Rückmeldesignale) sowie auf Geräte in der Nähe auswirken.

Damit solche Verzerrungen in einem akzeptablen Bereich liegen und Störungen vermieden werden, schreiben Normen wie IEEE 1547 und UL 1741, die für Umrichter in dezentralen Stromversorgungssystemen wie Wind- oder Solargeneratoren gelten, Grenzwerte für den zulässigen Oberwellengehalt vor im Ausgangssignal des Wandlers. Die Menge an elektromagnetischer Strahlung (EMI) unterliegt ebenfalls Grenzwerten, wie sie in der FCC-Norm Teil 15 B festgelegt sind.

Um die geltenden Normen für Rauschen und EMV zu erfüllen, dämpfen im gesamten System platzierte Filter Oberwellen in Spannung und Strom und korrigieren den Leistungsfaktor. Dadurch wird sichergestellt, dass Spannung und Strom in Phase sind und die Verzerrung innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt.

Abbildung 2 beschreibt den Einsatz von Filtern zur Dämpfung von Störungen in einem Solarkonverter. Der Ausgangsfilter entfernt Schaltfrequenztransienten und besteht aus X- und Y-Kondensatoren, Induktivitäten und Drosseln. Diese Kombination entfernt Gleichtakt- und Gegentaktstörungen von den Hauptharmonischen der Schaltfrequenz. Abbildung 3 erläutert genauer, wie solche Filter zusammengesetzt sind. X-Kondensatoren und Drosseln entfernen Gegentaktstörungen, Y-Kondensatoren und Gleichtaktdrosseln entfernen Gleichtaktstörungen. Gleichtaktstörungen treten auf zwei Leitungen in gleicher Richtung auf (rote Pfeile), während Gegentaktstörungen auf zwei Leitungen in entgegengesetzter Richtung auftreten (blaue Pfeile).

Eine Gleichtaktdrossel hat vier Anschlüsse und zwei Leitungen, die gegenläufig um einen einzigen Magnetkern aus Ferritmaterial gewickelt sind. Diese Drossel stellt für Gleichtaktströme eine hohe Impedanz dar, da sich die beiden durch diese Ströme induzierten Magnetfelder addieren. Diese Drossel stellt keine Impedanz für die gewünschten Gegentaktströme dar, da sich die beiden durch die Gegentaktströme induzierten Magnetfelder gegenseitig aufheben. Gegentaktstörungen sind Verzerrungen, die durch Unterschiede in den Gegentaktströmen entstehen. Dabei heben sich die dadurch verursachten Magnetfelder nicht gegenseitig auf, sondern werden in diesem Fall durch die hohe Impedanz der Gleichtaktdrossel abgeschwächt.

Da der steigende Anteil an erneuerbaren Energien, Elektrofahrzeugen und verschiedenen Motorantrieben die Nachfrage nach kompakten, leichten und erschwinglichen Wechselrichtern erhöht, sucht die Industrie nach Möglichkeiten, Größe, Gewicht und Kosten von meist sperrigen Komponenten wie Filterkondensatoren und Drosseln zu reduzieren.

Kemet hat Ferritmaterialien entwickelt, mit denen Dual-Mode-Drosseln hergestellt werden können, die Gleichtakt- und Gegentaktfilter in einem Gehäuse vereinen. Die Gesamtabmessungen entsprechen denen einer vergleichbaren konventionellen Gleichtaktdrossel. Abbildung 4 veranschaulicht das Prinzip. Der Hersteller nutzt auch die zusätzliche Designflexibilität seiner Materialien, um die Form dieser Dual-Mode-Drosseln zu optimieren. Dadurch können Gegentaktstörungen besser gefiltert werden.

Bild 5 vergleicht den Frequenzgang von Dual-Mode-Drosseln mit dem von konventionellen Drosseln. Der Standardtyp, der in Abbildung 5 durch den SSHB10H-04320 dargestellt ist, ist für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet. Der Typ SSHB10H-R04760 besitzt einen hochpermeablen Kern, der bei gleicher Leistung im Gegentaktbetrieb die Impedanz gegenüber Gleichtaktrauschen weiter erhöht. Beide Drosseln sind für einen Strom bis 3 A ausgelegt.

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

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