Ingenieurbüro für EMV

Dipl.-Ing. Heinz Lindenberger

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Wechselwirkungen

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Simulation des Rippelstroms im Kondensator C1 mit Diode in Serie

Trotz Resonanzbedingung ist der Kondensatorstrom nur ein Bruchteil des Stroms ohne Diode (RMS = 162 A   siehe Auswirkungen)  


Die Diode verursacht allerdings einen Spannungsabfall und muss bei größerer Leistung entsprechend gekühlt werden


Das Einschalten verursacht einen Stromstoss durch die Diode und darf daher nicht beliebig schnell erfolgen - bzw erfordert eine hohe Stossstrom-Fähigkeit der Diode


Beim schnellen Spannungsänderungen im  Bordnetz, speziell bei Not-Abschaltung, entsteht eine negative Spannung an der Diode, die durch geeignete Beschaltung begrenzt werden sollte, da sonst eine teure Diode mit hoher Spannung und höherer Verlustleistung eingesetzt werden muss


Die Diode muss außerdem alle EMV-Anforderungen erfüllen (z.B. ESD oder BCI etc.) und sollte daher durch geeignete Beschaltung geschützt sein



Natürlich ist eine Diode nicht für alle Anwendungen geeignet:  wenn der Strom auch in Gegenrichtung fließen soll, wie z.B. bei DCDC-Wandlern, sind kompliziertere aktive Umschaltungen erforderlich

Rippelstrom-asc-Diode
Rippelstrom-Diode

Rot:  Rippelstrom im Kondensator C1 (RMS = 7.2 A)        Blau: Rippelspannung       Türkis: Spannung an der Diode        Grün: Phasenstrom

Gegenmaßnahmen


Die Kapitel Rippelspannung, Spektrum und Auswirkungen haben die Zusammenhänge und die bedrohlichen Wechselwirkungen zwischen großen Umrichtern und kleinen Elektroniken behandelt


Die Rippelspannungen großer Inverter stellen eine erhebliche Belastung für kleinere Elektroniken dar, wenn die Zwischenkreis-Kondensatoren der kleineren Elektroniken in Resonanz mit der Rippelspannung kommen. Dabei wird ein um Faktoren höherer Rippelstrom im kleineren Zwischenkreis-Kondensator erzeugt, der den normalen eigenen Rippelstrom deutlich überschreiten kann – und so zur Überlastung und Beschädigung und Ausfall führen kann.


Die Resonanzfrequenz ergibt sich dabei aus der Kapazität des Zwischenkreis-Kondensators und allen Differential-Mode Induktivitäten zwischen der Rippelspannungsquelle (dem großen Inverter) und der kleinen Elektronik. Zu diesen Induktivitäten zählen sowohl die Leitungsinduktivitäten, als auch die Filterinduktivitäten. Nicht dazu zählen die Common-Mode Induktivitäten von Leitungen und Filtern.

Besonders gefährlich ist der Bereich der Taktfrequenz +- der 6-fachen Drehfrequenz, weil hier das Spektrum der Rippelspannung die höchsten Amplituden aufweist.


Nicht nur der überhöhte Rippelstrom stellt eine Gefahr für die kleineren Elektroniken dar – auch die Rippelspannung an ihrem Zwischenkreis kann sich im Resonanzfall dramatisch erhöhen und so einen Ausfall durch Überspannung hervorrufen.


Bei der Durchführung von Rippelspannungs-Prüfungen ist dem Innenwiderstand des Test-Generators besondere Beachtung zu schenken: ein zu kleiner Innenwiderstand wird den Prüfling unnötig stark belasten – ein zu großer Innenwiderstand macht die Prüfung zu einfach.

Welche Gegenmaßnahmen können nun bei der Auslegung von Bordnetzen, Leitungen und den Komponenten der beteiligten Baugruppen ergriffen werden ?



Resonanzfrequenz außerhalb des Bereichs der Hauptanregung halten


Die Differential-Mode Induktivitäten in den Filtern und  in den Leitungen so klein halten, dass die Resonanzfrequenz zusammen mit den Zwischenkreis-Kondensatoren möglichst weit oberhalb der Taktfrequenz der großen Inverter landet.  


Das kann auch bedeuten, geschirmte Leitungen anstelle von ungeschirmten Leitungen zu verwenden, da die Induktivität geschirmter Leitungen wesentlich (Faktor 10 und mehr) unter der Induktivität von ungeschirmten Leitungen liegt.  



Erhöhte Rippelstrom-Belastbarkeit der Zwischenkreis-Kondensatoren vorsehen


Die Zwischenkreis-Kondensatoren für die stark erhöhte Rippelstrom-Belastung dimensionieren



Dämpfung der Resonanzen


Die Resonanz mit Hilfe von Widerständen parallel oder in Serie zu den Kapazitäten und Induktivität bedämpfen



Dioden


Eine Diode als Gleichrichter vor den Zwischenkreis schalten

Wirkt sehr effektiv gegen die Resonanz (siehe nachstehende Simulation)

Nachteilig ist die Verlustleistung in der Diode und der notwendigen Zusatzbeschaltung gegen zu hohe negative Spannung

Nachteilig außerdem die Beschränkung des Leistungsflusses auf eine Richtung



Aktive Maßnahmen


Schalter oder Dioden zusammen mit Schaltern zur Verringerung der Verlustleistung und/oder zusammen mit Umschaltern zum Wechseln der Leistungsflussrichtung

Vorteile: Weniger Verlustleistung,  Wechsel der Leistungsflussrichtung

Nachteile: Aufwand, komplizierte (störanfällige) Schalt-Logik, Schutz gegen Beeinflussung, Transienten, ESD, BCI etc. notwendig



Wir helfen gerne bei der Analyse der Situation und der Auswahl und Auslegung der optimalen Maßnahmen


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