EMV-Komponenten Abstrahlung bei GaN und SiC beherrschen

SiC- und GaN-Schalter ermöglichen höhere Wirkungsgrade und höhere Schaltfrequenzen, was die Baugrößen reduzieren kann. Allerdings verursachen sich auch höhere elektromagnetische Abstrahlungen bei höheren Frequenzen, und die EMV-Richtlinien werden zunehmend strenger. Was können Entwickler da tun?

Hocheffiziente Stromversorgungen und allgegenwärtige Funkverbindungen sind zwei Trends, die die Lebensqualität und Zukunftsfähigkeit stark beeinflussen können. Dies reicht von der Förderung der Kostenparität erneuerbarer Energien über die Bereitstellung eines erschwinglichen, ständig verfügbaren Kommunikationsgerätes in jeder Tasche bis hin zur Energieversorgung und Anbindung des Internets der Dinge. Und in Zukunft dürften Innovationen wie das vernetzte Auto noch an Bedeutung gewinnen und den EMV-Problemen bei der täglichen Nutzung von Unterhaltungselektronik eine sicherheitskritische Dimension verleihen.

Beide Trends – hocheffiziente Stromversorgungen und allgegenwärtige Funkverbindungen – stellen schwierigere Herausforderungen dar, denn es muss gewährleistet sein, dass die Geräte die EMV-Vorschriften erfüllen. Einerseits sollen sie in ihrer Zielumgebung bestimmungsgemäß arbeiten und andere Geräte in der Umgebung nicht stören. Darüber hinaus werden die EMV-Vorschriften in den wichtigsten Märkten weltweit immer strenger, da schnell schaltende Stromversorgungen und Funksysteme die elektromagnetische Umgebung belasten. Smartphones, Tablets und IoT-Infrastruktur, die über Mobilfunk, WLAN, PAN, LPWAN oder andere Netzwerke in verschiedenen Frequenzbändern verbunden sind, müssen sich Sub-GHz-Funk, GSM/CDMA, Wi-Fi mit 2,4 GHz oder 5 GHz sowie Bluetooth 5 bei 2,4 GHz teilen.

Als Beispiel dafür diene die neueste EMV-Richtlinie der Europäischen Union. Überarbeitete Grenzwerte der 2014/30/EU legen niedrigere leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen und höhere Störimmunität fest. Dabei legen die neuen EU-Vorschriften größeren Wert auf die Marktüberwachung, um nichtkonforme Produkte identifizieren und vom Markt nehmen zu können. Dabei verweist die EMV-Richtlinie 2014/30/EU auf eine Vielzahl technischer Spezifikationen; neu hinzugekommen sind die EN 50121-4 für Signalanlagen im Bahnbereich und die EN 50121-5 für Stromversorgungen, die EN 55014 für elektrische Haushaltsgeräte sowie die EN 55022 und EN 55032 für IT- und Multimedia-Geräte. Die Einhaltung dieser technischen Spezifikationen ist ein Aspekt, um Konformität nachzuweisen; der andere ist, eine zufriedenstellende Dokumentation zu führen.

Stromversorgungen nutzen zunehmend Transistoren aus einem Halbleitermaterial mit großem Bandabstand (Wide Bandgap, WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), um deren Leistungsfähigkeit gegenüber solchen mit herkömmlichen Mosfets und Dioden aus Silizium zu verbessern. Damit sinken nicht nur die Leitungsverluste, sondern auch die Chipgröße und damit die Kosten. Sowohl die Durchbruchspannung als auch die Temperaturbeständigkeit von GaN- und SiC-Bauelementen ist höher, und da sie schneller schalten, lassen sich kleinere Glättungs- und Entkopplungskomponenten einsetzen.

Allerdings führen die extrem schnellen Schaltflanken zu Oberschwingungen bis in den HF-Bereich. Bei einer Schaltfrequenz von etwa 1 MHz können die zugehörigen Oberschwingungen in oder in der Nähe der ISM-Frequenzbänder liegen. Diese sind zu berücksichtigen, um die Einhaltung der EMV-Richtlinien zu gewährleisten. Erschwerend kommt hinzu, dass SiC-Mosfets meist negative Gate-Spannungen brauchen, um zuverlässig auszuschalten, während einem Standard-Silizium-Mosfet dafür 0 V genügt.

Störungen durch Stromversorgungen handhaben

Bisher überspannte das Störspektrum von Schaltnetzteilen und getakteten Gleichstromwandlern, die herkömmliche Silizium-IGBTs oder -Mosfets enthalten, den Frequenzbereich von etwa 10 kHz bis 50 MHz. Ein großer Teil davon liegt innerhalb des Bereichs für leitungsgebundene Störungen (9 kHz bis 30 MHz), die durch die Normen der CISPR/CENELEC und der FCC definiert sind.

Leitungsgebundene Störungen wiederum unterteilen sich in Gegentakt- und Gleichtaktstörungen und koppeln von einer Störquelle entweder auf die Leitungs- oder die Signalanschlüsse ein. Gegentaktströme ergeben sich beim normalen Betrieb eines Geräts und folgt den Signal- oder Stromleitungen, während Gleichtaktströme zwischen Signal- oder Stromleitungen und unbeabsichtigten Leitungswegen wie Gehäuseteilen oder einer Erdung fließen.

Leitungsgebundene Störströme lassen sich durch Einfügen eines Netzfilters oder Sperrfilters beseitigen, die einen oder mehrere Kondensatoren und/oder Spulen enthalten. Üblicherweise sieht sich ein Kondensator einer hochohmigen Schaltung – entweder der Quelle oder der Last – gegenüber, während eine Induktivität an eine niederohmige Schaltung angeschlossen ist. Sind die Quelle und die Last beide hochohmig, kann ein rein kapazitiver Filter oder ein Pi-Filter für einen steileren Frequenzgang verwendet werden. Die Firma Kemet hat EMI/RFI-Leitungsfilter oder -Drosseln im Portfolio, mit denen sich Gegentakt- oder Gleichtaktstörungen dämpfen lassen, sowie eine Dual-Mode-Version, die beide Funktionen in einer Komponente platz- und kostensparend vereinen soll.

Weltweit haben Normungsgremien Spezifikationen für passive Filter festgelegt, zum Beispiel die europäische Norm EN 60939, die auf der IEC 60939 basiert, sowie die UL 1283 oder MIL-F-15733, die in den USA gelten. Die Filter von Kemet entsprechen den geltenden Normen und sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, einschließlich ein- oder dreiphasige Varianten für Chassis- oder Leiterplattenmontage sowie Durchführungsfilter, die Ströme von unter 1 A bis 2500 A abdecken. Es gibt auch spezielle Filter für medizinische und Beleuchtungsanwendungen, die die EMV-Richtlinie EN 55015 erfüllen müssen, um in der EU in Verkehr gebracht werden zu dürfen.