Gate-Ansteuermethoden Herausforderung EMV in der Leistungselektronik

Gate-Ansteuerung in der Leistungselektronik

Der Trend zu immer schneller schaltender Leistungselektronik führt dazu, dass EMV zu einem entscheidenden Thema wird. Mit Hilfe moderner Messtechnik lässt sich die Gate-Ansteuerung entwicklungsbegleitend optimieren und dadurch die Störabstrahlung verringern.

Die moderne Leistungselektronik stellt Wissenschaft und Industrie vor neue Herausforderungen. Mit der Einführung von Wide-Band-Gap-Halbleitermaterialien, wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), sind sowohl höhere Schaltfrequenzen als auch wesentlich höhere Flankensteilheiten möglich. Das erhöht den Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen, führt aber auf der anderen Seite zu unerwünschten, hochfrequenten Störungen, die sich auf Anschlussleitungen fortpflanzen oder als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden.

Das Institut für Elektronik (IFE) der Technischen Universität Graz forscht im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) unter anderem an Gate-Ansteuermethoden zur Minimierung der erzeugten Störungen. Leistungsfähige Oszilloskope wie das R&S RTO2000 ermöglichen diese Optimierung am Labortisch des Entwicklers.

Prinzipiell gilt: je steiler die Flanken, desto breiter das Störspektrum und desto höher die Amplituden der entstehenden Oberschwingungen. Dies lässt sich mathematisch einfach darin begründen, dass laut Fourier-Zerlegung jede periodische Schwingung als eine Summe einzelner Sinus- und Cosinus-Schwingungen dargestellt werden kann.

Ein rechteckiges, periodisches Ansteuerungssignal besteht beispielsweise aus der Summe der Grundschwingung, die der Schaltfrequenz entspricht, und deren Oberschwingungen, die Vielfache der Grundschwingung darstellen. Die Abnahme der Amplitude dieser Oberschwingungen findet bei umso höheren Frequenzen statt, je steiler die Flanken des Rechtecksignals sind.

Einfluss auf die Oberschwingungen

In Bild 1 ist das Frequenzspektrum eines periodischen Rechtecksignals dargestellt. Die Schaltfrequenz bestimmt dabei die Lage der ersten Knickfrequenz fg1.

Die zweite Knickfrequenz fg2 ist abhängig von der Flankensteilheit und verschiebt sich für steilere Flanken nach rechts, was höhere Oberschwingungsamplituden im hohen Frequenzbereich verursacht.

Für die CE-Zertifizierung von elektronischen Geräten sind unter anderem Normen in Bezug auf die Störabstrahlung und die leitungsgeführten Störungen einzuhalten. Diese Normen geben genaue Angaben für den Aufbau der EMV-Messungen vor. Ein solcher Aufbau ist in Bild 2 dargestellt.

Mit Hilfe eines EMV-Messempfängers kann zum Beispiel das Spektrum der leitungsgeführten Störungen normgerecht vermessen werden. Um die in den Normen vorgeschriebenen Grenzwerte einhalten zu können, sind häufig Filterschaltungen erforderlich, deren Komponenten den Preis und das Gewicht des fertigen Produkts deutlich erhöhen. Hersteller versuchen daher andere Wege zu finden, um unerwünschte Störaussendungen zu reduzieren.

Beim Geräteentwurf von Schaltnetzteilen muss deswegen ein Kompromiss eingegangen werden. Einerseits erlauben schnelle Flanken eine höhere Taktrate, was in merklich kleineren Speicher-Drosseln und -Kondensatoren resultiert. Andererseits wird dadurch die Störemission hin zu höheren Frequenzen verschoben. Die Störemissionen breiten sich zum Beispiel über die Anschlussleitungen aus, was dazu führt, dass ein Schaltnetzteil oft zur Hauptursache von EMV-Problemen wird.

Durch gezielte Ansteuerung der Leistungselektronik in den Schaltnetzteilen, beispielsweise durch die Gate-Ansteuerung von MOSFET-Brücken, können aufwendige Filterschaltungen vermieden werden, ohne den Wirkungsgrad des Schaltnetzteils wesentlich zu verschlechtern.

Bild 3 vergleicht die Gate-Ansteuerung durch ein Rechtecksignal mit der Ansteuerung durch einen speziell geformten Spannungsverlauf [5]. Dabei wird versucht, über das sogenannte Miller-Plateau während der Ladezeit der parasitären Kapazität zwischen Gate und Drain des Leistungs-MOSFETs die Eingangsspannung konstant zu halten, bis die Umladung vollständig erfolgt ist.

Während dieser Zeit würde eine rasche Änderung des Eingangssignals lediglich zu höheren Störamplituden führen, aber nicht zu einer höheren Geschwindigkeit der Umschaltung und damit auch zu keinem höheren Wirkungsgrad der Schaltung.

Entwicklungsbegleitende Optimierung mit Oszilloskop

Oszilloskope mit hoher Empfindlichkeit und einer schnellen FFT-Funktion ermöglichen es, entwicklungsbegleitend unerwünschte Störemissionen zu minimieren. So lässt sich der Einfluss einer geänderten Gate-Ansteuerung auf die Störemission sofort qualitativ bewerten.

Oszilloskope von Rohde & Schwarz bieten zudem den Vorteil, dass Spektrum und Zeitsignal in einen eindeutigen Zusammenhang gebracht werden können. Mit Hilfe des sogenannten Gatings lässt sich klar analysieren, welcher Abschnitt im Zeitbereich welchem Spektrum entspricht. Eine Optimierung ist somit bereits in der Entwicklung einfach möglich und erhöht die Chancen auf eine problemlose CE-Zertifizierung.

Neben der Form des Ansteuerungssignals gibt es auch andere Möglichkeiten, das Störspektrum von Schaltnetzteilen zu verändern. Durch eine Frequenzmodulation des Steuersignals, das sogenannte Spread Spectrum Clocking, können einzelne Oberschwingungen im Störspektrum gezielt unterdrückt werden [1]. Dies geschieht durch gezielte Veränderung der Taktfrequenz durch Frequenzmodulation des Steuersignals und kann beispielsweise dazu genutzt werden, Kommunikationskanäle frei von Störungen zu halten [2].

Im Idealfall lassen sich adaptive Gate-Ansteuerungen realisieren, die entsprechend der aktuellen Ausgangslast und Temperatur so geregelt werden, dass sie stets minimale Störungen bei höchstem Wirkungsgrad ermöglichen. Die bisherigen Ergebnisse in der Forschung sind sehr vielversprechend.