Neue Stromkompensierte Drossel mit zusätzlicher Gegentaktkomponente

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1 Neue Stromkompensierte Drossel mit zusätzlicher Gegentaktkomponente Dr.-Ing. Thomas Weber, Jenoptik Group, Sparte Verteidigung und Zivile Systeme, ESW GmbH, Dipl.-Phys.Ing. Dietrich Sekels, Sekels GmbH, 1 Einleitung EMV-Filter für Netz- bzw. Versorgungsleitungen bestehen in der Regel aus einer Kombination von Gegentakt- und Gleichtaktinduktivitäten in Verbindung mit sog. Cx- und Cy- Kondensatoren. Insbesondere die systemimmanenten hohen Störemissionen leistungselektronischer Anlagen oder aber auch die Verwendung ungeschirmter Leitungen in einer Anwendung erfordern den Einsatz von Filtermaßnahmen. Abhängig von der dominierenden Störung sind EMV-Filter in diversen Kombinationen und verschiedenen Filterordnungen erhältlich, für Netzleitungen häufig als Tiefkonfiguration bis 3. Ordnung. Gleichzeitig wird durch zusätzliche Randbedingungen wie etwa Volumen- und Gewichtsbeschränkungen, erweiterte Betriebstemperaturbereiche und zusätzliche Umweltbeeinflussungen oftmals eine ganz spezielle Lösung der Aufgabe gefordert. Dies gilt insbesondere für mobile Applikationen, beispielsweise Traktions- bzw. Hybridantriebe. Die Optimierung der EMV-Filter hinsichtlich der genannten Randbedingungen mit Fokus auf Gewichts- und Volumenreduktion ist Inhalt dieser Arbeit. SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 1 von 10

2 1.1 Aufgabenstellung Gleichtaktdrosseln bzw. Stromkompensierte Drosseln (SKD) werden grundsätzlich eingesetzt, um Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- Datenübertragungen differentieller Signale haben sie einen nützlichen Effekt. Sie reduzieren erheblich die Gleichtaktstörungen, die zu einer Abstrahlung führen, gleichzeitig beeinflussen sie aber die für das Nutzsignal notwendige Bandbreite nicht unzulässig. Diese Anwendung hat zu einer Optimierung dieser Drosseln geführt, bei der eine möglichst niedrige (differentielle) Streuinduktivität erreicht wird. In leistungselektronischen Filteranwendungen ist die Zielvorgabe jedoch eine andere. In diesen Applikationen (z.b. DC/DC-Wandler, Ansteuerung von Antrieben) ist es vorteilhaft, auch eine differentielle Störunterdrückung vorzusehen. Während für kleine Ströme Längsdrosseln bzw. Siebdrosseln mit wenig Aufwand realisiert werden können, ist das Volumen einer Längsdrossel für hohe Ströme (im Bereich > 100 A) bedingt durch den zu verwendenden Kern und die aufzubringende Wicklung erheblich. Messungen haben gezeigt, dass leistungselektronische Anlagen oftmals neben Gleichtaktauch Gegentaktstörungen generieren. EMV-Filter realisieren deshalb idealerweise eine Störunterdrückung beider Komponenten. Entgegen der bisherigen Sichtweise, eine SKD also möglichst ideal aufzubauen, kann es hier bezüglich der genannten Randbedingungen den entscheidenden Vorteil bringen, eine integrierte Lösung zu realisieren. 1.2 Lösung Über die Art der Hauptwicklung kann die parasitäre Gegentaktinduktivität beeinflusst werden. Der Wert, der dadurch erreicht werden kann, liegt in der Größenordnung von ca. 1% der Gleichtaktinduktivität. Die differentielle Komponente der SKD über diesen Wert zu erhöhen, gelingt schließlich dadurch, dass dem magnetischen Streufeld ein Nebenschlusskörper (NSK) aus magnetisch permeablem Werkstoff in der Mitte der SKD angeboten wird. Abb. 1-1 zeigt das Prinzip der neuen SKD mit zusätzlicher Gegentaktkomponente. SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 2 von 10

3 Ringbandkern Wicklungsbereich 1 3 Nebenschlusskörper Gehäuse /Verguss Externe Anschlüsse 2 4 Abb. 1-1 : Stromkompensierte Drossel mit zusätzlicher Gegentaktkomponente durch einen Nebenschlusskörper (NSK). Abb. 1-2 : FEM-Simulation einer SKD ohne (links) und mit Streusteg/NSK (rechts). SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 3 von 10

4 FEM-Simulationen sind durchgeführt worden, um die relevanten Faktoren für eine Auslegung zu finden (vgl. Abb. 1-2). Der Luftspalt zwischen Ringbandkern und NSK spielt die entscheidende Rolle, da hier die Feldlinien aus dem Kern austreten und in das magnetische Material eingekoppelt werden. Neben der Länge des NSK ist daher auch die Größe des Eisenquerschnitts relevant LDM /µh ohne 7,5x37,5 7,5x38 7,5x38, IDC /A Abb. 1-3: Exemplarische Variation des Luftspaltes gemessen an einem Vitroperm -Ringbandkern Ra=50, Ri=40, Höhe=20. Abmessung des NSK: Höhe=20, Breite=7,5, Länge = 37,5, 38 und 38,5. Alle Angaben jeweils in mm. Die Wicklungen begrenzen schließlich das mögliche Volumen des NSK. Hingegen scheint nach ersten Untersuchungen der absolute Wert der Permeabilität des NSK nur eine nachgeordnete Rolle zu spielen. Wie das Messergebnis in Abb. 1-3 zeigt, lässt sich über den Luftspalt das Verhältnis zwischen Induktivität und Sättigungsstrom beeinflussen. Das Wirkprinzip ist hierbei nicht auf einen bestimmten Strom- oder Spannungsbereich begrenzt. Jedoch sind gerade bei großen Strömen die Längsdrosseln auch bei kleinen Nominalinduktivitäten von erheblicher Größe, so dass insbesondere hier der bevorzugte Anwendungsbereich gesehen wird. Interessanterweise haben ja viele SKD im Bereich des neu eingeführten Streustegs bereits einen meist nicht leitenden SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 4 von 10

5 Steg, der als Sektortrennung zwischen den Potentialen bzw. Phasen sowie als Befestigung genutzt wird. Somit kann ein NSK auch nachträglich in bereits vorhandene Designs vergleichsweise einfach eingesetzt werden. 2 Auslegung und messtechnische Charakterisierung Generell erfolgt die Auslegung der SKD bezüglich der Gleichtaktinduktivität gemäß der folgenden Gleichung unter Berücksichtigung des sog. A L -Wertes [2]. 2 L = N A L (1) Beispielsweise ergibt sich für einen A L -Wert von 20µH und eine Wicklung mit N=7 Windungen demnach eine Gleichtaktinduktivität von 980 µh. In leistungselektronischen Applikationen werden vorzugsweise sogenannte Ringbandkerne verwendet, die aus nanokristallinem Material bestehen [1]. Dieses weichmagnetische Kernmaterial besteht aus Legierungen der Art Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 15,5 B 7 und wird unter Handelsnamen wie z.b. Vitroperm vertrieben [3,4]. Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Auslegung von Gleichtaktdrosseln ist zudem der Sättigungsstrom, der den maximalen Betriebsbereich der SKD bestimmt. Dieser Wert ist direkt proportional zur Streuinduktivität und ergibt sich nach Formel (2). Bei Annahme einer typischen Sättigungsinduktion B Sat für nanokristalline Kerne von 1.2 T, einem A Fe =2,74 cm 2, N=7 und einer Streuinduktivität von L DM =10µH, ergibt sich ein maximaler Nennstrom I DMmax von ca. 230 ADC. N dφ N BSat AFe LDM = I DM max = 230A di L DM DM (2) Somit wird schnell deutlich, dass die Streuinduktivität zwar erhöht werden kann, jedoch ein Kompromiss zwischen eben diesem Wert und dem maximalen Betriebsstrom zu finden ist. Abb. 2-1 zeigt einen ersten Prototypen einer Hochstrom-SKD mit einer Gleichtakt- Nenninduktivität von 1 mh, die speziell auch für hohe Vibrations- und Schockbelastungen SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 5 von 10

6 ausgelegt worden ist, weshalb die SKD vollständig vergossen worden ist. Dies ermöglicht gleichzeitig auch die bereits beschriebene, genaue und permanente Positionierung des NSK innerhalb der Drossel, sowie die Befestigung der Drossel innerhalb der elektrischen Anlage. Abb. 2-1 : Erster Prototyp einer 220ADC/1mH SKD mit NSK. (Gewicht: 8 kg, ohne Verguss 4.5 kg, Dimensionen: 200 mm x 200 mm, Höhe = 105 mm, Anschlüsse: M10) Die messtechnische Untersuchung der SKD im Frequenzbereich erfolgt gemäß Abb Wie bereits erwähnt worden ist, haben SKD generell auch immer eine Streuinduktivität. Im Bereich der Netzdrosseln liegt diese typischerweise im Bereich von 1% der Gleichtaktinduktivität. Durch den eingeführten Streusteg ist diese Induktivität um ca. 60% gesteigert worden (für eine 220 ADC SKD). SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 6 von 10

7 KS der 2. Wicklung Gleichtaktimpedanz Gegentaktimpedanz Abb. 2-2 : Aufbau zur Messung der Gleichtakt- und Gegentaktimpedanz der SKD mit LCR-Meter oder Netzwerkanalysator. Allerdings ist zu beachten, dass auch diese zusätzliche Streuinduktivität genauso wie die Gleichtaktinduktivität frequenzabhängig ist. Schaltfrequenzen im khz-bereich sowie deren Vielfache können jedoch wirkungsvoll gedämpft werden. Tabelle 2-1 zeigt die Messergebnisse für den in Abb. 2-1 dargestellten Prototyp. Frequenz Gleichtakt L/µH Gegentakt L/µH ohne NSK Gegentakt L/µH mit NSK 100 Hz khz khz khz khz Tabelle 2-1 : Messergebnisse im Frequenzbereich für den in Abb. 2-1 dargestellten 220 ADC-Prototyp Im Folgenden wird die SKD mit und ohne NSK bei Gleichstrom-Vormagnetisierung untersucht (vgl. Abb. 2-3). SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 7 von 10

8 Deutlich lassen sich die Unterschiede zwischen der Drossel mit und ohne NSK erkennen. Während die SKD ohne NSK eine Streuinduktivität von 10 µh besitzt und bis 300 A nicht in Sättigung gerät, hat die Drossel mit NSK zwar eine deutlich höhere Induktivität, aber auch einen reduzierten Sättigungsstrom bzw. Betriebsbereich, der dem berechneten Wert von ca. 230 A entspricht. Induktivität /uh mit NSK ohne NSK Strom /A Abb. 2-3 : Messung des Sättigungsstromes bzw. der Induktivität bei Gleichstrom-Vormagnetisierung. Neben diesen Überlegungen sind gleichzeitig auch die geometrischen Abmessungen des Kernes zu berücksichtigen. Zusammen mit der Anzahl der Windungen und deren Draht- Querschnitt ergibt sich die maximale Erwärmung des Bauteils, die einen weiteren wichtigen Parameter bei der Optimierung der SKD vorgibt. 3 Applikation in einer Filterschaltung Abb. 3-1 zeigt die Filterübertragungsfunktion einer Applikationsmöglichkeit der neuen SKD mit zusätzlicher Gegentaktkomponente. Während die Übertragungsfunktion für den Gleichtaktbereich identisch ist und hier nicht weiter betrachtet wird, zeigt die Abbildung die Übertragungsfunktion für den Gegentaktbereich. Der Einfluss des NSK ist im Bereich bis ca. SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 8 von 10

9 200 khz deutlich zu erkennen. Die Übertragungsfunktion wird gleichzeitig maßgeblich aber auch durch die Ordnung des Filters bzw. die Größe der verwendeten Kapazitäten bestimmt. Durch die Erhöhung der Streuinduktivität kommt es zu einer deutlichen Beeinflussung der Filterflanke. Durch den NSK wird die Knickfrequenz bei 39 khz zu einer niedrigeren Frequenz von 28 khz verschoben. Dies führt dazu, dass bei der Frequenz von 39 khz bereits eine Dämpfung von 30 db anstelle von 16 db vorhanden ist. Der Unterschied bei 50 khz beträgt durch den NSK zusätzliche 7 db und bei 100 khz ca. 3 db. Der positive Einfluss auf die Einfügungsdämpfung kann somit demonstriert werden. Der zusätzliche konstruktive Mehraufwand für den NSK ist vergleichsweise gering. Auch für die Kompensation von sog. Ripple-Strömen ist ein positiver Effekt zu erwarten uF 3.9uF -20 U_ein U_aus Filterdämpfung /db mit NSK ohne NSK E7 Frequenz /Hz Fig Atténuation de filtres du SMC 220A avec traverse intérieure en mode différentiel, mesuré avec un analyseur de réseau avec un système de 50 Ω. Schließlich hängt es von der Applikation und den entsprechenden Randbedingungen ab, ob sich der Einsatz der hier vorgestellten SKD mit NSK empfiehlt. SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 9 von 10

10 4 Schlussfolgerung und Ausblick Es ist eine SKD mit NSK vorgestellt worden, die als integrierte Drossel sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktsignale unterdrückt. Gerade für Applikationen mit niedrigen Taktfrequenzen, wie sie beispielsweise in DC/DC-Wandlern oder Traktionsantrieben auftreten, kann mittels des vorgestellten Streustegs die zusätzliche Gegentaktinduktivität um einen Faktor von 1.6 gesteigert werden. Die Anwendung ist hierbei nicht auf bestimmte Spannungsniveaus festgelegt und kann auch in Spannungsbereichen bis beispielsweise 900 VDC eingesetzt werden. Ein großer Vorteil gerade auch bei hohen Strömen ist, dass das Wicklungsschema der SKD in der Regel erhalten bleibt und nicht geändert werden muss. Insgesamt wird in dem Bereich der Filterung von Hochstromapplikationen der primäre Anwendungsfall gesehen. 5 Literatur [1] F. Leferink, EMC in Electrical Drive Systems, EMV Stuttgart, März, 2007 [2] M.J. Nave, On modeling the common mode inductor, IEEE International Symposium on EMC, Aug. 1991, Cherry Hill, NJ, USA [3] J. Beichler, Designvorteile durch nanokristalline Kerne, E&E Kompendium 2005/2006 [4] J. Petzold, Applications of nanocrystalline softmagnetic cores in modern electronics, Proc. of 16th conference about soft magnetic materials, Düsseldorf, September, Wir über uns Die SEKELS GmbH entwickelt, fertigt und handelt technische Produkte im Umfeld des Magnetismus. Mit ca. 20 Mitarbeitern (darunter mehr als die Hälfte Physiker und Ingenieure) bedient SEKELS derzeit über 500 Kunden weltweit. Als Fachhändler der Produktlinien der VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG bietet SEKELS seinen Kunden sowohl eine umfangreiche Lagerhaltung als auch eine ausführliche technische Beratung. SEKELS entwickelt, konstruiert und fertigt kundenspezifische Lösungen von Kernblechen und Blechpaketen, magnetischen Abschirmungen und Abschirmsystemen, induktiven Bauelementen und Magnetsystemen - vom Prototyp bis zur Serienlieferung. SEKELS GmbH Dieselstrasse 6 D Ober-Mörlen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) mail@sekels.de Alle Teile, Bauelemente und Systeme werden in Deutschland oder Osteuropa auf Basis der von SEKELS erstellten technischen Unterlagen gefertigt. SEKELS ist DIN EN ISO 9001:2008 zertifiziert. SEKELS GmbH, Dieselstr. 6, Ober-Mörlen; Seite 10 von 10