EMV-Management in Ladeanwendungen

Stellen Sie sich vor, Sie wären Teil eines Teams von Ingenieuren, die auf die Entwicklung von Ladegeräten spezialisiert sind. Ein neues Projekt entsteht. Wie stellen Sie sicher, dass das endgültige Design die Standard-EMV-Tests beim ersten Mal besteht?

Ein typischer erster Schritt besteht darin, die relevanten EMV-Normen zu interpretieren, die für die spezifische Anwendung gelten. (Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltstandards sind ebenso wichtig, wenn nicht sogar wichtiger, aber sie sind nicht Gegenstand dieser Diskussion.) Man muss sich die kommerziellen EMV-Standards ansehen, wenn es sich bei dem Produkt um ein Schnellladegerät für Mobiltelefone und Laptops handelt. Die Automobil-EMV-Normen sollten angewendet werden, wenn es sich bei dem Produkt um ein On-Board-Ladegerät (OBC) handelt, das in einem Elektrofahrzeug verwendet wird. Wenn es sich um ein Produkt handelt, das auf drahtloser Energieübertragung (WPT) basiert, sollte man sich auf relevante Standards beziehen und auf Änderungen achten, da sich die Standards noch in der Entwicklung befinden.

Als Beispiel listet Tabelle 1 die typischen EMV-Testanforderungen auf, die für ein OBC gelten.

Sobald die Anforderungen zwischen dem Designunternehmen und seinem Kunden vereinbart wurden, folgt der Designprozess. Dieser Designprozess folgt in der Regel einem stufenweisen Ansatz, wie in Abbildung 1 dargestellt. Es wird dringend empfohlen, die EMV-Designprüfungen in jeder Phase des Produktdesigns durchzuführen und Vortests zu vereinbaren, sobald der Prototyp der Leiterplatte fertig ist . Dies ist möglicherweise die einzige Möglichkeit, eine strenge EMV-Kontrolle sicherzustellen, um größere Designänderungen in einer späteren Designphase zu vermeiden.

Abbildung 1: Ein typischer Designprozess mit Darstellung der Designphasen

In diesem Artikel diskutieren wir anhand praktischer Demonstrationen, wie das EMV-Management bereits in der Entwurfs- und Entwicklungsphase implementiert werden kann.

In der Konzeptphase bewerten und wählen Ingenieure die Topologie eines Ladewandlers basierend auf den Produktanforderungen aus. Es ist wichtig, das Design unter Berücksichtigung der EMV zu überprüfen. Eine beliebte Stromrichtertopologie für Ladeanwendungen ist eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC), gefolgt von einem Resonanzkreis. Zu den gängigen PFC-Schaltungen gehören verschachtelte Aufwärtswandler, brückenlose Totem-Pole-Wandler und verschachtelte Totem-Pole-Wandler. Beliebte Resonanzkreise sind ein LLC, ein phasenverschobener Vollbrückenwandler mit Stromverdopplergleichrichter und so weiter. Abbildung 2 zeigt die Wandlertopologie eines 12-kW-OBC (zu Demonstrationszwecken ist nur Schiene 1 des Wandlers dargestellt).

Abbildung 2: Schaltplan eines 12-kW-Bordladegeräts (Schienen 2 und 3 sind in diesem Diagramm nicht dargestellt)

Um den Leistungsfaktor des Netzes zu verbessern und eine geringere Gesamtharmonische Verzerrung (THD) während des Ladezustands zu erreichen, ist eine PFC-Stufe unerlässlich. Ohne PFC wird beim Laden, insbesondere beim Schnellladen, ein hoher Spitzenstrom an der Spannungsspitze und nahezu kein Strom über den verbleibenden Netzzyklus verbraucht. Dies führt zu einem übermäßig hohen Stromfluss in den Netzleitern, den Stromübertragungsleitungen und den Leistungstransformatoren.

In dem in Abbildung 3 gezeigten Beispiel wird ein verschachtelter Boost-Totem-Pole-PFC ausgewählt, da die Topologie mit zwei verschachtelten Schienen einen halbierten Nennstrom pro Halbbrücke erreicht. Dies führt zu einer Welligkeitsstromunterdrückung sowohl am Eingang als auch am Ausgang der PFC-Stufe. Dadurch wird die Größe des Massenkondensators verringert und die EMV-Auswirkungen des PFC verringert. Dieser Ansatz erhöht jedoch die Anzahl der Schaltgeräte und die Komplexität der Steuerung. (Referenz 1 bietet eine detaillierte Vergleichsstudie zwischen verschiedenen PFC-Topologien, konzentriert sich jedoch nicht auf die EMV-Leistungsanalyse.)

Abbildung 3: Einer der Vorteile der Verwendung einer verschachtelten Totem-Pole-Topologie ist die Unterdrückung von Rippelströmen

Es ist die Aufgabe des Konstrukteurs, die PFC-Topologie basierend auf der beabsichtigten Anwendung auszuwählen. Die Entscheidung muss auf den Kompromissen zwischen Effizienz, einfacher Herstellung, Kosten, Gewicht, thermischen Gesichtspunkten und EMV basieren. Die Topologie hängt auch von der Nennleistung der Anwendungen ab. Wenn es sich beispielsweise um ein Schnellladegerät für einen Laptop oder ein Mobiltelefon handelt, ist die PFC-Topologie ein einfacher Boost-PFC ohne Interleaving. Auch bei der Auswahl der Resonanzwandlerstufe sind einige Kompromisse zu erkennen. Es ist zu beachten, dass das Nullspannungsschalten (ZVS) für Resonanzwandler weit verbreitet ist. Bei richtiger Auslegung bietet ZVS erhebliche Schaltungsverbesserungen beim Nullspannungsschalten und in anderen Bereichen, wie z. B. der Reduzierung von Gleichtaktströmen.

In Referenz 2 wird erläutert, wie wichtig es ist, die richtigen Typen von Leistungselektronikgeräten auszuwählen. Bei Ladeanwendungen ist die Auswahl der richtigen Geräte entscheidend, um eine kompakte Bauweise zu erreichen und die EMV-Anforderungen einzuhalten. Unter den Geräten der Wahl sind Geräte mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN)-Geräte in kommerziellen Anwendungen wie Schnellladegeräten für Laptops und Telefone weit verbreitet, während Siliziumkarbid (SiC)-Geräte in Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen wie z OBCs, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Wie in Abbildung 4 dargestellt, sind die meisten GaN-Geräte oberflächenmontiert mit integrierten Treiberschaltungen, während die meisten SiCs aufgrund des hohen Leistungspegels diskrete Durchsteckgeräte sind. Obwohl D2PAK-SiC-Geräte erhältlich sind, sind sie nicht die bevorzugte Wahl von Konstrukteuren, vor allem wegen der unterschiedlichen thermischen Eigenschaften, die mit dem Gehäuse verbunden sind.

Abbildung 4: Geräte mit großer Bandlücke wie GaN- und SiC-FETs sind in Ladeanwendungen weit verbreitet

Durchgangslochgeräte sind robust, kostengünstig und verfügen über bessere thermische Eigenschaften und werden daher häufig in Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Im Hinblick auf die EMV sind sie jedoch nicht so gut wie die oberflächenmontierten Geräte, da die extra langen Leitungen des Gehäuses eine größere Induktivität mit sich bringen.2 Da sie körperlich hoch sind, strahlen sie im Vergleich zu oberflächenmontierten Geräten auch effizienter ab. Das thermische Design dieser Geräte ist von entscheidender Bedeutung, da Kühlkörper oft viel größer sind als die Geräte selbst. Wenn der Kühlkörper nicht gut geerdet ist, kann er in einem niedrigeren Frequenzbereich (30–300 MHz) viel mehr abstrahlen.3

Neben Schaltgeräten müssen auch magnetische Komponenten wie der in der Resonanzwandlerstufe verwendete Transformator unter EMV-Gesichtspunkten ausgelegt werden. Systemeffizienz ist immer der wichtigste Designfaktor. Daher wird den Verlusten eines Transformators (einschließlich Kernverlusten, Kupferverlusten, Skin-Effekt und Proximity-Effekt) häufig in der Entwurfsphase große Bedeutung beigemessen. Das ZVS-Schema erfordert außerdem einen sättigbaren Kern des Transformators und bevorzugt eine höhere Streuinduktivität. Das bedeutet, dass die EMV-Auslegung eines Transformators oft vernachlässigt wird.

Eine einfache elektrostatische Abschirmung kann häufig dazu beitragen, den Gleichtaktstrom zu reduzieren, wenn sie dem Transformator hinzugefügt wird.4 Die Abschirmung muss auf der Primärseite an 0 V angeschlossen werden und sollte so dünn wie möglich gehalten werden, um Wirbelstromverluste aufgrund des Proximity-Effekts zu minimieren. Eine zweite Abschirmung auf der Sekundärseite verbessert die EMV-Leistung weiter, verursacht jedoch zusätzliche Herstellungskosten.

Weitere Techniken beim Transformatordesign umfassen die Gleichtaktstromunterdrückung oder den sogenannten Gleichtaktstromausgleich auf der Grundlage eines einzigartigen Wicklungsstrukturdesigns.5 Es ist zu beachten, dass das Transformatordesign auch der Schlüssel zur Optimierung des ZVS des Wandlers ist.

Während der Entwurfsprüfung sollten die Vor- und Nachteile jeder Komponentenauswahl bewertet werden. Effizienz, Größe und Kosten sind oft die Schlüsselfaktoren bei der Auswahl der Komponenten. Der Vergleich sollte aber auch EMV-Gesichtspunkte berücksichtigen. Beispielsweise wählen Ingenieure Komponenten häufig so aus, dass der beste Formfaktor und minimale Kosten erreicht werden, nur um dann herauszufinden, dass zu einem späteren Zeitpunkt ein schwerer, sperriger und teurer Filter hinzugefügt werden muss, weil die ausgewählten Schalter/Transformatoren zu viele davon erzeugen EMI-Probleme. Wenn das Problem bereits in der Phase der Komponentenauswahl erkannt worden wäre, hätten Gesamtzeit und -kosten reduziert werden können.

Bei der schematischen Überprüfung sollte auf folgende Bereiche geachtet werden:

Bei der Layoutüberprüfung steckt der Teufel im Detail. Eine Layoutüberprüfung kann leicht ein paar Tage Zeit in Anspruch nehmen, wenn Konstrukteure aus mehreren Disziplinen beteiligt sind. Entkopplungskondensatoren, Filterpositionen, Anschlüsse, Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und mehr müssen in der Überprüfungsphase genau unter die Lupe genommen werden.

Ein Beispiel ist in Abbildung 5 dargestellt. Um die von den GaN-Geräten erzeugte Wärme abzuleiten, werden häufig eine große Kupferfläche und thermische Vias verwendet. Dies ist ein Konstruktionsmerkmal, das im Allgemeinen sowohl von Elektronikingenieuren als auch von Wärmetechnikern bevorzugt wird, da große Kupferflächen die Wärme effizienter ableiten und dadurch eine höhere Effizienzumwandlung erreichen. Der Schaltknoten einer Halbbrücke verbindet den Source-Knoten eines Geräts und den Drain-Knoten des anderen. Aber eine große Kupferfläche vergrößert effektiv die Größe des Schaltknotens, wodurch die Emission schlimmer wird und schwerer einzudämmen ist. Dieses EMV-bezogene Risiko sollte in der Entwurfsphase des Layouts hervorgehoben und ein Risikominderungsplan erstellt werden. In diesem Fall wäre ein möglicher Abhilfeplan die Verwendung einer Aluminium-/Kupferfolie über den Geräten. Dieses Blech trägt zur Wärmeableitung bei und sorgt gleichzeitig für eine Abschirmung des Schaltknotens. Dieser Notfallplan kann dann in der Verpackungs- und mechanischen Phase umgesetzt und getestet werden.

Abbildung 5: Die Verwendung einer großen Kupferfläche unter dem Switch-Knoten könnte zu schlechteren elektromagnetischen Störungen führen. Eine Abschirmung über den Geräten ist sowohl für die thermische als auch für die elektromagnetische Verträglichkeit von Vorteil

Sobald der erste Leiterplatten-Prototyp fertig ist, sollte ein Vortest durchgeführt werden. Es stimmt, dass die EMV-Leistung eines Produkts vom Layout und der Verpackung abhängt und das Geräuschprofil eines Endprodukts sich von dem einer einzelnen Leiterplatte unterscheidet. Eine Nahfeldsondierung in einem frühen Stadium kann jedoch häufig auf Warnsignale hinweisen und am Ende des Designprozesses von Vorteil sein.

Auf PCB-Ebene können zwei einfache Tischtests durchgeführt werden. Durch Nahfeldsondierung, beispielsweise die Verwendung einer Magnetfeldschleife über dem PCB-Bereich, kann die Rauschquelle lokalisiert werden (siehe Abbildung 6). Das Rauschprofil ist im Allgemeinen ein guter Hinweis auf sowohl leitungsgebundene als auch abgestrahlte Emissionen.6 Wie in Abbildung 7 dargestellt, ist die Messung des Gleichtaktstroms auf den Kabeln mithilfe einer HF-Stromüberwachungssonde eine weitere effiziente Möglichkeit, leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen der darunter liegenden Leiterplatte vorherzusagen Untersuchung.7

Abbildung 6: Die Verwendung einer Nahfeld-Magnetsonde dient als schnelle Möglichkeit, die EMV-Leistung der Leiterplatte zu testen

Abbildung 7: Verwendung einer HF-Stromüberwachungssonde zur Messung des Gleichtaktstroms auf den Kabeln der Leiterplatte

Die Verpackung des Endprodukts wird oft als mechanische Arbeit betrachtet. In dieser Phase wird das Endprodukt zusammengebaut und das thermische Design angewendet. Bei Leiterplattenbaugruppen kann es sich um das Stapeln von Leiterplatten, das Stapeln von Leiterplatten auf Abstandshaltern zum Gehäuse, das Verbinden von Leiterplatten mit Drähten, die Verbindung von Leiterplatten mit Gehäuseanschlüssen usw. handeln. Beim thermischen Design bedeutet dies für kleine Leistungsanwendungen das Auftragen von Wärmeleitpaste/-kleber und Wärmeleitpaste Pads. Für große Leistungsanwendungen bedeutet dies die Implementierung von Kühlkörpern und Flüssigkeitskühlrohren.

Die größte Herausforderung in dieser Phase besteht darin, die Verbindungsimpedanz zu minimieren. Beispielsweise bestimmt die Höhe der Abstandshalter die Induktivität zwischen Leiterplatten und Gehäuse. Daher sind aus EMV-Sicht mehrere kürzere Abstandshalter vorzuziehen, eine Präferenz, die typischerweise auch von Maschinenbauingenieuren befürwortet wird2. Bei gestapelten Leiterplatten könnten jedoch Hohlraumresonanzen auftreten. Möglichkeiten zur Risikominimierung von Resonanzstrukturen finden Sie in den Referenzen 8 und 9.

Kühlkörper müssen entweder mit 0 V oder Stromschienen verbunden werden, um zu verhindern, dass sie Emissionen abstrahlen. Abschirmungen wie die zuvor eingeführte Aluminium/Kupfer-Abschirmung müssen ebenfalls mit der 0-V-Ebene verbunden werden, damit sie EMV-gerecht sind.3 (Für das thermische Design müssen sie an keinem Punkt verbunden werden.)

Die beiden wichtigsten EMV-Prüfungen für Ladeanwendungen betreffen leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen. Es empfiehlt sich immer, die Produkte vorab in einem EMV-Testaufbau zu testen, bevor das Gerät zur formellen Konformitätsprüfung geschickt wird. Die gute Nachricht ist, dass sowohl leitungsgebundene als auch Strahlungsemissions-Pre-Compliance-Tests auf einem Tischgerät zu relativ geringen Kosten durchgeführt werden können.

Abhängig von der Nennleistung des Prüflings können geeignete LISNs mit Nennleistung für durchgeführte Emissionstests verwendet werden. Da es sich um eine Hochspannungsanwendung handelt, sollte die Hochspannungssicherheit beim Aufbau eines Pre-Compliance-Testaufbaus Vorrang haben. Die Verwendung eines Trenntransformators und die Erdung der Prüferdungsebene mit der Schutzerde sind unbedingt erforderlich, um den sicheren Betrieb der durchgeführten Emissionsprüfung zu gewährleisten. Abbildung 8 zeigt einen vorab durchgeführten Emissions-Aufbau auf dem Tisch für ein in der Entwicklung befindliches Produkt mit GaN-Schaltern.

Abbildung 8: Ein Schnellladegerät wird in einem Pre-Compliance-Testaufbau auf leitungsgebundene Emissionen getestet

Zur Bestimmung der Strahlungsmuster eines Prüflings wird häufig eine offene transversale elektromagnetische Zelle (TEM) verwendet. Es ist zu beachten, dass ein TEM-Zellenaufbau nicht genau die gleichen quantitativen Ergebnisse liefert wie eine Messung mit Fernfeldantennen. Aus Platzgründen werden häufig längere Drähte innerhalb des TEM-Zellraums gewickelt, was sich auch auf das abgestrahlte Emissionsprofil auswirkt. Dennoch hat sich die Verwendung einer TEM-Zelle als wirksame Methode zur Vorhersage der abgestrahlten Emissionen eines Prüflings erwiesen.

Wie in Abbildung 9 dargestellt, wird ein OBC in der TEM-Zelle platziert. Um ein vollständiges Emissionsprofil des DUT zu zeichnen, müssen drei orthogonale Hauptausrichtungen des DUT platziert werden.10 Dies verdeutlicht aber auch die Einschränkungen der Verwendung einer TEM-Zelle zum Testen von Produkten mit großer Leistung, wie z. B. auf OBC, aufgrund der Spektrumshöhe einer TEM-Zelle (in diesem Fall hat diese TEM-Zelle eine Spektrumshöhe von 15 cm). Daher wird in diesem Fall nur eine Ausrichtung des DUT getestet. Für Anwendungen zum Laden von Haushaltsgeräten ist ein Prüfling jedoch klein genug, um mit den drei orthogonalen Hauptausrichtungen getestet zu werden.

Abbildung 9: Ein OBC für Automobilanwendungen wird in einer TEM-Zelle auf Strahlungsemission getestet

Wir hoffen, dass die Vorab-Compliance-Ergebnisse zu diesem Zeitpunkt ein hohes Maß an Sicherheit bieten, dass das Gerät die Emissionstests bestehen wird. Wenn jedoch Warnsignale hervorgehoben werden, können Ingenieure zur vorherigen Phase zurückkehren und einen Fehlerbehebungsplan ausarbeiten, der die hervorgehobenen Probleme schließlich behebt.

Bei der abschließenden EMV-Prüfung besteht immer ein gewisses Maß an Unsicherheit. Wenn Sie jedoch den in diesem Artikel beschriebenen EMV-Managementprozess befolgen, sollte es keine großen Überraschungen geben. Der Prozess trägt dazu bei, sicherzustellen, dass alle vorhersehbaren EMV-Aspekte während des Designprozesses berücksichtigt und berücksichtigt wurden. Die Besprechungsnotizen jeder Entwurfsprüfung sollten in einer EMV-Risikobewertung gut dokumentiert werden. Die EMV-Risikobewertung dient als überzeugender Beweis dafür, dass das Unternehmen zumindest versucht hat, EMV-Probleme anzugehen.

LadeanwendungenComplianceDesignEMCEMC-DesignMin Zhang

Dr. Min Zhang ist Gründer und leitender EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurbüro, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, elektrische Maschinen und Produktdesign kommt Unternehmen weltweit zugute.

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