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EMV-Komponenten

Abstrahlung bei GaN und SiC beherrschen

22. Oktober 2018, 9:30 Uhr | Ono Hiroshi, Kemet

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

HF-Störungen abschwächen

Nordamerikanische und europäische Normen klassifizieren Störungen ab Frequenzen von 30 MHz als abgestrahlt. Zu den größten Strahlungsquellen zählen Kabel und schlecht gestaltete Leiterbahnen. Es empfiehlt sich daher, die Kabel und Leiterbahnen so kurz wie möglich zu halten und die Leiterbahnen mit Signalpaaren immer eng beieinander auf der Platine zu platzieren. Allerdings ist es nicht immer möglich, EMV-Herausforderungen auf diese Weise zu bewältigen, sodass zusätzliche Maßnahmen zur Dämpfung hochfrequenter Störsignale erforderlich sind.

Grundsätzlich besteht die Strategie im Umgang mit abgestrahlten Störungen darin, die hochfrequente Störstrahlung durch magnetische Verluste in Wärme umzuwandeln. Ein Stromkabel wird beispielsweise durch einen Ferritkern geführt, um hochfrequente elektromagnetische Strahlung zu dämpfen. Der Ferritkern interagiert mit dem Magnetfeld, das durch Gleichtaktströme aufgrund der Selbstinduktion des Kabels entsteht, und stellt eine hohe Impedanz bei hohen Frequenzen dar. Läuft das Kabel mehrmals durch den Kern, erhöht sich die Dämpfung bei jeder beliebigen Frequenz. Gegentaktströme und niederfrequente Signalströme erzeugen einen minimalen magnetischen Fluss und werden somit eine kaum gedämpft.

Kemet bietet eine Vielzahl von Ferritkernen aus Mangan-Zink- (MnZn) und Nickel-Zink-Legierungen (NiZn). MnZn-Ferrite bieten eine sehr hohe Permeabilität bei niedrigen Frequenzen und kommen häufig zum Einsatz, um Störfrequenzen von 10 kHz bis etwa 50 MHz zu dämpfen. Demgegenüber erzeugen NiZn-Ferrite keine hohe Impedanz bei niedrigen Frequenzen und kommen dann zum Einsatz, wenn der größte Teil der unerwünschten Störungen über 10 MHz bis 20 MHz liegt. Dies ist heute der Frequenzbereich, der zunehmend von Interesse ist, da mit der Einführung von SiC und GaN die Schaltfrequenzen in der Leistungselektronik ansteigen.

Andere HF-Störquellen, wie zum Beispiel Leiterbahnen, müssen anderweitig adressiert werden – mit irgendeiner Art von Abschirmung. Eine geerdete Metallabschirmung kann helfen, bringt jedoch zusätzliche Kosten mit sich, und ein kleines Gehäuse bietet möglicherweise nicht genügend Platz für die Abschirmung und deren mechanische Befestigungen samt Erdungsanschlüssen. Und wenn Störungen spät im Projekt entdeckt werden, ist möglicherweise nicht mehr genügend Zeit vorhanden, um eine solches Bauteil zu entwerfen.

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Flexible Abschirmmaterialien aus hochpermeablen magnetischen Materialien (Bild 1) gelten als praktische und kostengünstige Lösung für solche Fälle. Dieser Ansatz wird weithin genutzt, und die Verfahren zur Messung der elektromagnetischen Eigenschaften sind nach IEC 62333 standardisiert. Diese Norm soll sicherstellen, dass Hersteller von Abschirmungen die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte deutlich demonstrieren und Endanwender in der Praxis vergleichbare Ergebnisse erzielen können.

Das Abschirmmaterial Flex Suppressor von Kemet genügt dieser IEC-Norm und bietet eine effektive Dämpfung von Frequenzen über 1 GHz. Das Material lässt sich auf eine geeignete Größe und Form zuschneiden, um bestimmte Bereiche wie etwa eine Leistungsstufe abzuschirmen. Somit wird eine eventuelle Störstrahlung absorbiert oder der Bereich vor externen Störungen geschützt. Das Material lässt sich an der Innenseite eines Gehäuses, nahe der betreffenden Schaltung oder an anderen Stellen, beispielsweise zwischen eng aneinanderliegenden Leiterplatten, befestigen, um ein Übersprechen zu verhindern. Das Material lässt sich auch um Kabel wickeln, um auf ähnliche Weise wie eine Ferritdrossel zu wirken.

Zu den weiteren Anwendungen zählen der ESD-Schutz, drahtloses Laden, eine Vergrößerung der RFID-Reichweite sowie das Vermeiden von Empfangsstörungen in Geräten mit Mehrfachfunk wie Laptops und Smartphones, indem reflektierte Interferenzen verhindert werden. Flex Suppressor ist in verschiedenen Permeabilitätsklassen für verschiedene Störfrequenzen erhältlich. Dazu gehören Standardtypen mit einer relativen Permeabilität von 60 und besonders hochpermeable Produkte mit 130. Es gibt auch Varianten mit einer sehr niedrigen Permeabilität von 20, die eine extrem hohe Dämpfung im Bereich der Wi-Fi-Frequenzen und darüber bieten.

Keramikkondensator für SiC und GaN

Mit der Serie KC-Link hat Kemet AEC-Q200-qualifizierte SMD-Keramikkondensatoren mit 220 nF vorgestellt, die sich für Anwendungen mit schnell schaltenden Wide-Bandgap-Halbleiterbauelementen eignen. Durch den Einsatz solcher Halbleiter mit breitem Bandabstand wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) können Stromrichter bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen arbeiten, sodass die Wirkungsgrade und Leistungsdichten signifikant steigen.

Aufgrund ihrer stabileren Kapazität über der Temperatur und Spannung können KC-Link-Kondensatoren Ripple-Ströme von 8,6 A bei +125 °C und einer Spannung von 400 V bis 20,6 A bei +105 °C und Spannung 0 V bewältigen. Damit eignen sie sich vor allem für Zwischenkreis (DC-Link), Snubber- und Resonator-Anwendungen. Die Keramikkondensatoren (MLCCs) basieren auf dem C0G/NPO-BME-Dielektrikum (Base Metal Electrode) des Unternehmens, und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) ist mit 4 mΩ bei 1 MHz spezifiziert, der Temperaturkoeffizient der Kapazität mit 30 ppm/K. Da ihr Betriebstemperaturbereich von –55 °C bis +150 °C reicht, lassen sich diese Bauteile in der Nähe der Halbleiterbauelemente platzieren, wo es schwierig sein kann, die Bauteile aktiv zu kühlen.

Dank ihrer mechanischen Robustheit können KC-Link-Kondensatoren ohne Leadframes montiert werden. Damit ergibt sich eine äquivalente Serieninduktivität (ESL) von 1 nH, womit sich der Betriebsfrequenzbereich erhöht und eine weitere Miniaturisierung möglich ist. Die bleifreien, RoHS- und REACH-konformen Kondensatoren sind sowohl für den kommerziellen Einsatz als auch für den Einsatz im Automotive-Bereich ausgelegt sowie mit Standard- und flexiblen Anschlüssen erhältlich.