Hybrid-EMV-Filter zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen

Abstract

In der Leistungselektronik ist in den letzten Jahren ein Trend zu immer höheren Schaltfrequenzen und Flankensteilheiten zu beobachten. Beschleunigt wird dieser Trend durch die zunehmende Verbreitung von Wide-Band-Gap-Leistungshalbleitern. Dadurch wird eine Verkleinerung und Effizienzsteigerung der leistungselektronischen Baugruppen möglich. Auch bei der Elektrifi zierung im Automotive-Bereich, wo die Leistungsdichten immer weiter ansteigen, zeigt sich dieser Trend. Um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden, erfordern diese hohen Leistungsdichten eine entsprechende elektromagnetische Verträglichkeit der Komponenten. Passive Filter sind die klassische Lösung zur Abschirmung leitungsgebundener Störungen. Da diese jedoch durch steigende Anforderungen immer größer werden, stellt sich die Frage nach einer besseren Lösung. Hier kann der Ansatz eines aktiven/hybriden Filters gewählt werden. Diese Art erweitert den passiven Teil um eine aktive Verstärkerstufe, deren Aufgabe es ist, die Störungen mit Hilfe eines Gegensignals zu unterdrücken. Genau dies ist der Ansatz dieser Arbeit, deren Ziel die Entwicklung eines hybriden Gleichtaktfilters für einen Traktionsumrichter ist. Das Zielsystem ist für 800 V ausgelegt und soll CISPR25 Klasse 3 erreichen.Als Ausgangspunkt für diese Arbeit stand ein Modell für die EMV-Simulation des Wechselrichters zur Verfügung. Dieses deckt alle Grundfunktionen ab. Es wurde bereits durch Messungen kalibriert. Darüber hinaus standen bereits ein fertig aufgebauter Wechselrichter und ein Stator als Hardware zur Verfügung. Die grundlegenden Anforderungen an die Filter- und Verstärkerschaltung wurden in einem ersten Schritt untersucht. Weiters wurden Parameterabhängigkeiten ermittelt. Anhand dieser und der Simulationsumgebung wurde im zweiten Schritt das hybride Filter entworfen. Dabei wurde Wert auf eine vollständige Nachbildung des Verstärkers gelegt. So konnten alle Effekte wie Nichtlinearitäten und Verzögerungen korrekt berücksichtigt werden. Des Weiteren erfolgte eine detaillierte Betrachtung der Stabilität des Regelkreises und der thermischen Dimensionierung. Zusätzlich wurde ein rein passiver Filter als Vergleichsgrundlage entworfen.Im Praxisteil wurden die zuvor entworfenen Filter aufgebaut und am Wechselrichter betrieben. Ein Stator wurde als Last für diesen verwendet. Der Aufbau wurde an einem Pre-Compliance-Messplatz in Betrieb genommen. Dieser Messplatz ermöglicht leitungsgebundene Störungsmessungen mit einem Funkstörmessempfänger im Frequenzbereich. Zusätzlich sind Messungen im Zeitbereich mittels Oszilloskop möglich. Für die Bewertung von Abstrahlung, die nicht im Fokus dieser Arbeit standen, ist dieser Messplatz nicht geeignet. Mit den Messungen wurde gezeigt, dass das hybride Filter mit einem kleineren passiven Filteranteil als das rein passive Filter die gleiche Dämpfung im Bereich 150 kHz bis 700 kHz erreicht. Im zweiten Schritt konnte mit dem hybride Filter bei gleichem passivem Anteil eine zusätzliche Dämpfung von 9 dB im Bereich 150 kHz bis 700 kHz erreicht werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, wo die Grenzen der aktiven Schaltung liegen. Im Zeitbereich wurde die Funktion des Verstärkers verifiziert. Hier waren die Kompensationsgrößen und die Ströme in der Endstufe Gegenstand der Untersuchungen. Zuletzt wurde noch Simulation und Messung miteinander verglichen.

In recent years, a trend towards ever higher switching frequencies and rise/fall times can be observed in power electronics. The increasing use of wide-band-gap power semiconductors further accelerates this trend. This allows power electronic assemblies to be built smaller and more efficiently. This trend is also evident in the electrification of automobiles, where power densities continue to increase. This high-power density requires a corresponding electromagnetic compatibility of the components and mutual interference must be avoided. The classic solution for blocking conducted interference are passive filters. However, as these become larger and larger due to increasing requirements, the question of a better solution arises. Here, the approach of an active/hybrid filter can be chosen. This type of filter extends the passive part by an active amplifier stage, which is supposed to cancel the interference with the help of a counter signal. This is exactly the approach for this work, where a hybrid common mode filter is developed for an automotive traction inverter. The target system is designed for 800 V and shall achieve CISPR25 class 3. As a starting point for this work, an EMC simulation model of the inverter was available. This covers all basic functions and has already been calibrated with measurements. Furthermore, a built-up inverter and stator were already available as hardware. In the first step, basic requirements for the filter and the amplifier circuit were investigated. Besides that, the dependencies of parameters were determined. With the help of these and the simulation environment, the hybrid filter was designed in the second step. Here it was important to model the amplifier completely so that all effects such as non-linearities and delays were correctly considered. Further, the stability of the control loop and the thermal dimensioning were investigated. A pure passive filter was additionally designed as a basis for comparison.In the practical part, the previously designed filters were set up and put into operation with the inverter. A stator was used as load for the system. The setup was put into operation on a pre-compliance measurement setup. This allows measurements of conducted interference with an EMI receiver in the frequency range. In addition, measurements can be made in the time domain with the aid of an oscilloscope. This place is unsuitable for measurements of radiation, which was not in the scope of this work. With the measurements it could be shown that the hybrid filter with a smaller passive filter part, as compared to the pure passive filter, the same attenuation in the range 150 kHz to 700 kHz can be achieved. In the second step, an additional attenuation of 9 dB in the range 150 kHz to 700 kHz with the same passive part was achieved by the hybrid filter. Furthermore, the limitations of the active circuit could be shown. In the time domain, the function of the amplifier was verified. Here, the compensation variables and the currents in the output stage were shown. Finally, a comparison was made between simulation and measurement and the results compared.