Spread-Spectrum bei Invertern
Einfache Inverter-Schaltung mit 40 kHz Taktfrequenz (Takt = 40 kHz, DSS = 0 kHz) - Nullzeiger
Der Effekt der Spread-Spectrum-Modulation läßt sich besonders anschaulich und übersichtlich im Nullzeiger-Betrieb des Inverters demonstrieren:
Im Nullzeiger-Betrieb schalten alle 3 Halbbrücken des Umrichters im Rhythmus der Taktfrequenz zur gleichen Zeit in die selbe Richtung. Das ist ein ganz wesentlicher Unterschied zum Betrieb mit normaler Aussteuerung, wo sich die Schaltpunkte der Halbbrücken ständig verschieben, um die bekannte sinusförmige Stromkurve anzunähern. Diese Modulation zur Erzeugung des sinusförmigen Motorstroms verdeckt natürlich zum Teil die zusätzliche Spread-Spectrum-Modulation. Im Nullzeiger-Betrieb fehlt nun diese Art Modulation, so dass der Effekt der Spread-Spectrum-Modulation klarer zum Vorschein tritt.
Wie bei den Simulationen zuvor, dient der Inverter mit festem Takt wieder als Vergleichsreferenz.
Das Diagramm zeigt den Strom in den 3 Phasen bei Nullzeiger-Betrieb
Entsprechend der Taktfrequenz von 40 kHz erfolgt alle 12.5 µs ein Schaltvorgang nach HV+ oder HV- zugleich in jeder Halbbrücke.
Dabei entsteht ein Strom-Spike jeweils in positiver und negativer Richtung – einerseits wegen der parasitären Kapazitäten zur Masse in den Motorwicklungen und den Schaltern selbst – andererseits wegen der Messimpedanz zur Masse in den Bordnetz-Nachbildungen (BNN).
Die Schaltvorgänge sind so gleichartig, dass sich die Kurven nahezu vollständig überdecken und nur die zuletzt ausgegebene grüne Kurve von Phase W deutlich sichtbar bleibt. Ohne Ansteuer-Modulation bleibt der Motorstrom im Mittel bei 0 A (ausgenommen die Stör-Spikes).
Störspektrum Nullzeiger mit festem Takt (40 kHz) an der BNN (HV+)
Strom in den 3 Phasen mit Spread-Spectrum-Modulation (Dreieck-Modulation, Delta-Frequenz DSS = 2 kHz) - Nullzeiger
Im Vergleich zum Phasen-Strom bei festem Takt ist die Verschiebung der Schaltzeitpunkte und damit der Spikes gut zu erkennen.
Im Diagrammabschnitt ist die Schalt-Periode zunächst verlängert und dann wieder verkürzt.
Nachfolgend sind die Störspektren mit Dreieck-Verschiebung des Taktes, mit festem Takt und mit Random-Verschiebung abgebildet:
Störspektrum NZ mit Dreieck-Modulation (2 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum Nullzeiger mit festem Takt (40 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum NZ mit Random-Modulation (2 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum NZ mit Random-Modulation (4 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum Nullzeiger mit festem Takt (40 kHz) an der BNN (HV+)
Beim Betrieb mit Nullzeiger weist das Störspektrum nur die ungeradzahligen Harmonischen auf, die geradzahligen fehlen. Dadurch ist der Abstand zwischen benachbarten Spektrallinien doppelt so groß, wie bei der Aussteuerung mit 50%. Durch das gleichzeitige Schalten aller 3 Halbbrücken erhöht sich der Störpegel für niedrige Frequenzen um etwa 6 dB. Für hohe Frequenzen reduziert sich dagegen der Störpegel, weil der Schaltvorgang ohne Stromumschaltung erfolgt (es fließt ja kein Motorstrom).
Die grünen Grenzwert-Kurven dienen auch hier lediglich zur besseren Orientierung und zum leichteren Vergleich.
Einfache Inverter-Schaltung (40 kHz Takt) mit Dreieck-Modulation (DSS = 2 kHz) - Nullzeiger
Der Spread-Spectrum-Modulator arbeitet hier mit Dreiecks-Modulation und 2 kHz Frequenzverschiebung des Taktes - von 38 kHz bis 42 kHz
Die Änderung der Frequenzverschiebung erfolgt mit 3 kHz (FSS=3k)
Im direkten Vergleich zwischen dem Betrieb mit Nullzeiger (linke Diagramme) und dem Betrieb mit 50% Aussteuerung (rechte Diagramme) ist der weitere Abstand der Spektrallinien bei Nullzeiger gut zu erkennen.
Durch den weiteren Abstand kommt es erst bei höheren Frequenzen zu Überlappungen durch die Frequenzverschiebungen der Spread-Spectrum-Modulation.
Einfache Inverter-Schaltung (40 kHz Takt) mit Random-Modulation (DSS = 4 kHz) - Nullzeiger
Der Spread-Spectrum-Modulator arbeitet hier mit Random-Modulation und 4 kHz Frequenzverschiebung des Taktes - von 36 kHz bis 44 kHz
Die Änderung der Frequenzverschiebung erfolgt mit 5 kHz (FSS=5k)
Strom in den 3 Phasen mit Spread-Spectrum-Modulation (Random-Modulation, Delta-Frequenz DSS = 4 kHz) - Nullzeiger
Im Vergleich zum Phasen-Strom bei festem Takt ist die Verschiebung der Schaltzeitpunkte und damit der Spikes gut zu erkennen. Durch die Random-Modulation ergibt sich kein festes Muster, sondern eine zufällige Verschiebung, was im Gegensatz zur Dreiecks-Modulation keine zusätzlichen Spektrallinien erzeugt, sondern eine Hüllkurve.
Nachfolgend sind die Störspektren mit Random-Verschiebung des Taktes und mit festem Takt abgebildet:
Im Vergleich zur Modulation mit 2 kHz reduziert sich der Störpegel mit 4 kHz im unteren Frequenzbereich bis etwa 500 kHz noch etwas weiter.
Oberhalb von 500 kHz ergibt sich durch die größere Verschiebung ein etwas gleichmäßigerer Verlauf.
Störspektrum 50% mit festem Takt (40 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum 50% mit Dreieck-Modulation (2 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum 50% mit festem Takt (40 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum 50% mit Random-Modulation (2 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum 50% mit Random-Modulation (4 kHz) an der BNN (HV+)
Störspektrum 50% mit festem Takt (40 kHz) an der BNN (HV+)
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