Wireless Power Herausforderung EMV

Dr. Heinz Zenkner antwortet zum Thema EMV.
Dr. Heinz Zenkner beantwortet Fragen zum Thema EMV in Wireless-Power-Transfer-Systemen.

Mit der Leistung steigen auch die Anforderungen – dies gilt besonders hinsichtlich der EMV. Entwickler von Wireless-Power-Systemen müssen von Beginn an das EMI-Verhalten ihrer Schaltung beachten. Dr. Heinz Zenkner, Leiter des EMV-Workshops beim Wireless Power Congress 2018, verrät warum.

Dr. Heinz Zenkner ist Experte in Sachen EMV. Seine EMV-Seminare, die er gemeinsam mit der Elektronik als Training for Professionals in Haar bei München durchführt, sind regelmäßig ausgebucht. Für den Wireless Power Congress hat Dr. Zenkner einen Workshop erarbeitet, der die Problematik und die Bedeutung des Themas EMV für WPT-Systeme aufzeigt.

 

?   Herr Dr. Zenkner, mit Ihrem EMV-Workshop beim Wireless Power Congress 2018 adressieren Sie gezielt das Thema Wireless Power. Was ist der Hintergrund?

!   Dr. Heinz Zenkner: Die Produkte für die kontaktlose Übertragung von Energie vereinen digitale, analoge und hochfrequente Elektronik, sowohl im Kleinsignal- als auch im Leitungsbereich (Bild 1).

Die Anforderungen an die Schaltungsentwickler sind deutlich gestiegen.

Ich sehe hier das Thema EMV nicht nur aus der regulativen Sicht zur Erfüllung der CE-Konformität, sondern auch die Funktion des Produktes.

Ist ein Produkt schaltungstechnisch »sauber« Entwickelt, stimmt in den allermeisten Fällen auch die EMV.

     

    ?   Welche EMV-Anforderungen gelten speziell für Wireless-Power-Transfer-Systeme?

    !   Dr. Zenkner: Hier muss zwischen regulativen/normativen und schaltungstechnischen Anforderungen unterschieden werden. 

    • Regulativ muss wiederum unterschieden werden, ob das Produkt für seine Funktion zusätzlich zur Energieübertragung eine Kommunikation benötigt oder nicht.
      Mit Funk-Kommunikation fällt das Produkt unter die Radio Equipment Directive (RED), ohne der Kommunikation unter die EMV-Direktive – die Anforderungen unterscheiden sich stark, die Details würden das Interview sprengen.
    • Schaltungstechnisch wachsen die Herausforderungen mit der Frequenz: Bisher arbeiten nahezu alle WPT-Systeme im kHz-Bereich, wo ich eine Begrenzung in der übertragbaren Leistung, schon aufgrund des Induktionsprinzips, sehe.
      Sollten andere, vor allem höhere Frequenzbereiche um die 10 MHz anvisiert werden, werden die schaltungstechnischen Anforderungen deutlich wachsen, da mit HF-Leistungselektronik schaltungstechnisch, layouttechnisch und systemtechnisch anders umgegangen werden muss, als im kHz-Bereich, in dem auch klassische Wechselrichter arbeiten.
      Im MHz-Bereich müssen die Komponenten deutlich präziser und schon frühzeitig im Entwicklungsstadium aufeinander abgestimmt werden (Bild 2).

     

    ?   Verhalten sich WPT-Systeme – aus EMV-Sicht – tatsächlich anders als „normale“ Leistungswandler?

    !   Dr. Zenkner: Ja, bei WPT-System setze ich gewisse Freiheitsgrade voraus, die bei Leistungswandlern nicht in den Anwendungsbereich fallen.

    Außerdem ist der Wandler, hier die HF-Leistungsendstufe, nur eine Komponente eines komplexen Systems. Hier sind Punkte wichtig wie:

    • Das Thema Frequenzbereich – man muss sich von dem 100-kHz-Bereich lösen!
       
    • Impedanzanpassung des Resonanzschwingkreises in Abhängigkeit von der Sender-Empfänger-Position und -Distanz.
       
    • Sicherheitsrelevantes Verhalten bei »Missbrauch«.
       
    • Verwendung der Produkte im Konsumgeräte-Bereich

    Ich denke hier aber an Wireless-Power-Systeme, die eine gewisse Leistung über eine gewisse Distanz übertragen können, etwa 100 W über 4–6 cm und nicht an 2 W über 5 mm (Bild 3).

     

    ?   Was sind die häufigsten EMV-Probleme, mit denen Entwickler und Systemintegratoren bei Wireless Power konfrontiert werden?

    !   Dr. Zenkner: In Geräten größerer Leistung sind die zwei Themen Signalintegrität und Verlustleistung/Wirkungsgrad vordergründig.

    Die geräteinterne EMV, gleichzusetzen mit der Funktion, ist hier zu bewältigen. Es geht hier um den Einsatz neuer Leistungshalbleiter wie SiC und GaN, damit im hochfrequenten Leistungsbereich der erforderliche Wirkungsgrad erreicht werden kann. Die SiC- und GaN-MOSFETs müssen dazu auch optimal angesteuert werden (Bild 4).

    Ein weiteres Thema ist die Auslegung der Sendeschwingkreise. Das, was im 2-W-Bereich ein Stückchen Draht mit einem Kondensator ist, bekommt im 100-W-Bereich eine ganz andere Dimension.

    Verluste in Spulen, Ferriten und Kondensatoren machen sich hier viel deutlicher bemerkbar. Wird darüber hinaus der Frequenzbereich von 250 kHz auf 7,68 MHz bzw. 13,56 MHz, also in den ISM-Frequenzbereich verschoben, kommen Themen wie Skineffekt, Wirbelstrom- und dielektrische Verluste – insbesondere durch die Dielektrizitätsverschiebung – hinzu.

    Außerdem steigen die Verluste in den Halbleitern wegen der parasitären Kapazitäten exponentiell mit der Frequenz; alles Themen, mit denen sich der Entwickler befassen muss.

    Der Anspruch an die Schaltungsentwicklung ist vielfältiger geworden und erfordert im Bereich der Wireless Power Transmission tiefgehende Kenntnisse in den Grundlagen der Elektrotechnik und der Physik, besonders im Bereich der HF-Leistungsendstufe (Bild 5).

     

     

    Dr.-Ing. Heinz Zenkner

    hat Elektrotechnik mit Schwerpunkt Hochfrequenztechnik studiert und im Fachbereich Hochfrequenztechnik promoviert. Er ist seit vielen Jahren öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV. Neben zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen betätigt er sich häufig als Autor in vielen Werken zur EMV.

    Dr. Zenkner ist langjähriger Autor der Elektronik und hat bei WEKA und anderen Verlagen zahlreiche Beiträge zum Themenbereich EMV veröffentlicht. Darüber hinaus hat er als Dozent an verschiedenen Universitäten gearbeitet und Seminare an der IHK geleitet. Seit vielen Jahren beschäftigt er sich mit industrieller Elektronik, von der ersten Idee eines Produktes bis hin zur Serienproduktion. Sein besonderes Interesse gilt der kontaktlosen Energieübertragung, zu der er mit seinem Team „WPT-Systems“ theoretisch als auch praktisch eigene Konzepte entwickelt hat.

    Heinz.Zenkner@web.de