Ingenieurbüro für EMV

Dipl.-Ing. Heinz Lindenberger

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Spread-Spectrum bei Invertern

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Inverter-ohne-SS-Schaltung-Hochlauf

Einfache Inverter-Schaltung mit fester Taktung (Takt = 10 kHz, DSS = 0 kHz)

Im Bild ist eine einfache Inverter-Schaltung mit fester Taktung zu sehen (Takt = 10 kHz, DSS = 0 kHz). Einfach heißt hier, dass sämtliche Filterelemente weggelassen wurden - zum einen, um die Schaltung und das Verhalten so übersichtlich wie möglich zu gestalten, zum anderen, um genügend große Störungen zu erhalten und keine Problem mit dem Dynamikbereich der FFT zu bekommen.


Der abgebildete Modulator ist zwar eigentlich für eine Spread-Spectrum-Modulation vorgesehen, kann aber genauso mit fester Taktung arbeiten, wenn DSS auf 0k gesetzt wird oder wenn M-in offen gelassen wird (analog zum Spread-Spectrum-Modulator bei der Booster-Schaltung).  


Der Inverter mit festem Takt ist die Vergleichsreferenz für die Schaltungen mit Spread-Spectrum-Modulation.

Inverter-ohne-SS-Phasen-Hochlauf

Das Diagramm zeigt das Hochlaufen des Stroms in den 3 Phasen


Nach etwa 3 ms ist ein ausreichend eingeschwungener Zustand erreicht (der Innenwiderstand der HV-Spannung wurde dafür besonders hoch gewählt)

Inverter-ohne-SS-FFT-HV+
Inverter-ohne-SS-FFT-CM-Motor
Inverter-mit-SS-Schaltung-Hochlauf

Störspektrum mit festem Takt (10 kHz) an der BNN  (HV+)

CM-Störspektrum der Phasenströme bei festem Takt (10 kHz)

Inverter-mit-SS-Phasen-Hochlauf

Das Diagramm zeigt das Hochlaufen des Stroms in den 3 Phasen


Nach etwa 3 ms ist ein ausreichend eingeschwungener Zustand erreicht (der Innenwiderstand der HV-Spannung wurde dafür besonders hoch gewählt)

Hochlaufen des Stroms in den 3 Phasen mit Spread-Spectrum-Modulation (Dreieck-Modulation, Delta-Frequenz DSS = 2 kHz)


Im Vergleich zum Phasen-Strom bei festem Takt ist kein wesentlicher Unterschied im Stromverlauf zu erkennen



Nachfolgend sind die Störspektren mit Dreieck-Verschiebung des Taktes, mit festem Takt und mit Random-Verschiebung abgebildet:

Inverter-3eck-SS-2k-3k-FFT-HV+
Inverter-3eck-SS-2k-3k-FFT-CM-Motor

Störspektrum mit Dreieck-Modulation (2 kHz) an der BNN  (HV+)

CM-Störspektrum der Phasenströme mit Dreieck-Modulation (2 kHz)

Inverter-ohne-SS-FFT-HV+
Inverter-ohne-SS-FFT-CM-Motor

Störspektrum mit festem Takt (10 kHz) an der BNN  (HV+)

CM-Störspektrum der Phasenströme bei festem Takt (10 kHz)

Inverter-Random-s-weich-SS-2k-3k-FFT-HV+
Inverter-Random-s-weich-SS-2k-3k-FFT-CM-Motor

Störspektrum mit Random-Modulation (2 kHz) an der BNN  (HV+)

CM-Störspektrum der Phasenströme mit Random-Modulation (2 kHz)

Inverter-mit-SS-4k-Schaltung-Hochlauf
Inverter-Random-s-weich-SS-4k-5k-FFT-HV+

Störspektrum mit Random-Modulation (4 kHz) an der BNN  (HV+)

Inverter-Random-s-weich-SS-4k-5k-FFT-CM-Motor

CM-Störspektrum der Phasenströme mit Random-Modulation (4 kHz)

Inverter-mit-SS-4k-Phasen-Hochlauf
Inverter-ohne-SS-FFT-HV+
Inverter-ohne-SS-FFT-CM-Motor

Störspektrum mit festem Takt (10 kHz) an der BNN  (HV+)

CM-Störspektrum der Phasenströme bei festem Takt (10 kHz)

Die Störspektren sind typisch für Inverter ohne Filterschaltungen bei mittlerer Aussteuerung. Unterhalb von 150 kHz werden die einzelnen Spektral-

linien auch nach der Bewertung durch den Average-Detektor aufgelöst (200 Hz Bandbreite), oberhalb von 150 kHz glättet sich die blaue Hüllkurve nach dem Average-Detektor weitgehend (10 kHz Bandbreite), ab 30 MHz dann völlig (120 kHz Bandbreite).  

Das Common-Mode-Spektrum (CM) der Phasenströme ähnelt dem Spektrum auf der HV-DC-Seite. Der Störstromkreis für die Schalterstörungen wird dabei über die Kondensatoren in der Netznachbildung zur Masse und über die Wicklungskapazitäten der Motor-Nachbildung zur Masse geschlossen.


Die grünen Grenzwert-Kurven dienen hier lediglich zur besseren Orientierung und zum leichteren Vergleich.  

Einfache Inverter-Schaltung mit Dreieck-Modulation (DSS = 2 kHz)

Der Spread-Spectrum-Modulator arbeitet hier mit Dreiecks-Modulation und 2 kHz Frequenzverschiebung des Taktes - von 8 kHz bis 12 kHz


Die Änderung der Frequenzverschiebung erfolgt mit 3 kHz (FSS=3k)

Nur unterhalb von 150 kHz ergibt sich eine eindeutige Reduzierung der Störpegel. Mit Random-Modulation beträgt die Verbesserung etwa 5 - 10 dB.


Oberhalb von 150 kHz reduzieren sich zwar die Amplituden der einzelnen Spetrallinien (grau) - der Pegel nach der Average-Bewertung (blau)  bleibt jedoch weitgehend gleich


Bei einer Mess-Bandbreite 10 kHz fehlen einfach die freien Lücken zwischen zwei benachbarten Spektrallinien. Durch die Verschiebung ergeben sich so überlappende Bereiche - und damit keine Reduzierung nach der Aufsummierung im Messfenster.

 

Einfache Inverter-Schaltung mit Random-Modulation (DSS = 4 kHz)

Der Spread-Spectrum-Modulator arbeitet hier mit Random-Modulation und 4 kHz Frequenzverschiebung des Taktes - von 6 kHz bis 14 kHz


Die Änderung der Frequenzverschiebung erfolgt mit 5 kHz (FSS=5k)

Hochlaufen des Stroms in den 3 Phasen mit Spread-Spectrum-Modulation (Random-Modulation, Delta-Frequenz DSS = 4 kHz)


Im Vergleich zum Phasen-Strom bei festem Takt wird die veränderte Verteilung der Schaltvorgänge deutlich sichtbar



Nachfolgend sind die Störspektren mit Random-Verschiebung des Taktes und mit festem Takt abgebildet:

Wie bei der Modulation mit 2 kHz, ergibt sich nur unterhalb von 150 kHz eine eindeutige Reduzierung der Störpegel. Im Vergleich zur Modulation mit

2 kHz reduziert sich der Störpegel mit 4 kHz bei den untersten Harmonischen (10 kHz bis 40 kHz) noch etwas weiter.


Oberhalb von 150 kHz ist kein besonderer Unterschied zur Modulation mit 2 kHz erkennbar.


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