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Elektromagnetische Störungen

Filter für DC/DC-Wandler

28. April 2015, 10:28 Uhr   |  Ralf Higgelke


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Design eines LC-Eingangsfilters

Bei einer zu hohen Güte könnte der Filter bei eingangsseitigen Spannungsänderungen, die ausgeregelt werden müssen, zu schwingen anfangen. Als Stabilitätskriterium gilt, dass die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters Zout,filter in einem weiten Frequenzbereich unter der Eingangsimpedanz des Power-Moduls Zin,converter liegen muss. Zusätzlich soll die Eckfrequenz des Eingangsfilter fc sehr weit unter der Durchtrittsfrequenz fco (crossover frequency) des Power-Moduls liegen. Hierzu wird ein Dämpfungszweig parallel zum Eingang des Power-Moduls geschaltet (Bild 2).

Das Dämpfungsglied reduziert die Güte des Eingangsfilters und folgend seine Ausgangsimpedanz bei der Resonanzfrequenz. Anhand von Gleichung (3) kann der Dämpfungswiderstand Rd für eine Filtergüte von Qf = 1 berechnet werden. Als Praxiswert der Kapazität des Dämpfungskondensators Cd hat sich ein Wert etabliert, der dem Fünf- bis Zehnfachen der Filterkondensatorkapazität entspricht.

(3)  R subscript d space equals space square root of L subscript f over C subscript 1 end root

Alternativ kann man auch einen einzelnen Elektrolytkondensator anstelle eines Dämpfungsgliedes parallel zum Filterausgang schalten. In der Regel ist dessen ESR ausreichendend groß, um den Filter zu dämpfen.

Sowohl Kondensatoren, als auch Spulen, weisen in der Realität ein kapazitives und induktives Verhalten auf. Filterspulen haben bei ihrer Eigenresonanzfrequenz die größte Filterwirkung. Die Eigenresonanzfrequenz bei Spulen hängt stark von der Induktivität und der kapazitiven Kopplung zwischen den Wicklungen ab. Beim Kondensator ist die Eigenresonanzfrequenz stark von der Kapazität und der Länge der Zuleitungen abhängig. Bei der Auswahl der Filterbauteile sollte man darauf achten, dass die Eigenresonanzfrequenz am oberen Ende des Frequenzbereichs liegt, in dem die Funkstörspannung maximal ist beziehungsweise in dem der Filter wirken soll.

Bild 3: Impedanzverlauf von »WE-SD«-Stabkerndrosseln von Würth Elektronik eiSos
© Würth Elektronik eiSos

Bild 3: Impedanzverlauf von »WE-SD«-Stabkerndrosseln von Würth Elektronik eiSos

Maßgebend dafür, wie stark die Gegentaktstörung reduziert wird, ist die Filterspule, weil sie dem schnellen Stromanstieg und Stromabfall im Eingangskreis entgegenwirkt. Bild 3 zeigt den Impedanzverlauf von drei Stabkerndrosseln der Produktfamilie »WE-SD« von Würth Elektronik eiSos. Je größer die Induktivität ist, desto kleiner ist die Eigenresonanzfrequenz. Empfehlenswert ist es, eine Spule mit einer Induktivität zu wählen, deren Zahlenwert kleiner ist als der der Kapazität des Filterkondensators. In der Praxis wird eine Filterinduktivität mit einem maximalen Wert von 10 µH gewählt, weil deren Eigenresonanzfrequenz je nach Bauform bei circa 30 MHz liegt.

Eine Überschreitung des zulässigen Nennstromes der Filterspule kann zur Beschädigung der Drahtwicklung führen [4]. Anhand des Wirkungsgrads des Schaltreglers n lässt sich der Effektivwert des Eingangsstroms in das Power-Modul mittels Gleichung (4) berechnen.

(4)  I subscript i n end subscript space equals space fraction numerator U subscript o u t end subscript space times space I subscript o u t end subscript over denominator U subscript i n end subscript space times space eta end fraction

Als Nennstrom der Filterspule sollte man sicherheitshalber einen größeren Wert wählen. Als Filterkondensator eignet sich ein Flüssigelektrolyt-, Polymer- oder auch ein Keramikkondensator. Es ist nur sicherzustellen, dass die Filtergüte bei der Eckfrequenz ausreichend niedrig ist.

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1. Filter für DC/DC-Wandler
2. Design eines LC-Eingangsfilters
3. Design eines Pi-Eingangsfilters
4. Messung der Funkstörgrößen
5. Gemessene Funkstörspannung

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