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Um die elektromagnetische Verträglichkeit in der Automobilindustrie gewährleisten zu können, ist besonders bei leistungselektronischen Komponenten ein teurer und voluminöser Filter notwendig. In neuen Ansätzen mit aktiven Filtern sollen diese Nachteile kompensiert werden. Zur Gruppe der aktiven Filter zählen auch Verfahren zum gegenphasigen Inverterbetrieb, bei welchem durch synchrones Schalten von zwei geeigneten Halbleitern in einem sechsphasigen Wechselrichteraufbau das Gleichtaktspektrum durch destruktive Superposition reduziert werden kann. In einem prototypischen Aufbau können Dämpfungen von bis zu 40 dB bis in den Frequenzbereich der Mittelwelle (500 kHz – 2 MHz) erreicht werden [1]. In diesem Beitrag wird dargestellt, inwiefern Asymmetrien eines sechsphasigen Wechselrichters kompensiert werden können, welche unausweichlich zu einer Verschlechterung der Auslöschung führen [2]. Untersucht werden zeitliche Asymmetrien, also eine asynchrone Ansteuerung der Halbleiter oder ein ungleiches Schaltverhalten der Halbleiter selbst, aber auch bauteilabhängige und geometrisch bedingte Asymmetrien von Komponenten oder Streugrößen können zu zeitlichen Asymmetrien führen.

Aufgrund ihres Schaltverhaltens können Wechselrichter (WR) hohe elektromagnetische Emissionen erzeugen. Zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden deshalb u.a. Emissionsmessungen durchgeführt. Bei Emissionsmessungen von Kfz-Wechselrichtern nach CISPR 25 [1] wird der zugehörige Motor als Peripherie betrachtet. Aus diesem Grund kann stattdessen eine möglichst realistische Ersatzlast verwendet werden. Häufig wird hierzu eine passive Impedanznachbildung eingesetzt, welche zwar eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet, allerdings nicht den realen Lastbedingungen entspricht. Für möglichst reale Lastbedingungen bieten einige wenige EMV-Labore Emissionsmessungen mit einer externen Last am Motor (hydraulisch oder mithilfe einer zusätzlichen Lastmaschine) an. Nachteilig sind hierbei u.a. die erhöhten Sicherheitsanforderungen aufgrund rotierender Teile sowie hohe Anschaffungs- und Prüfkosten. Vor diesem Hintergrund entstand die Idee, eine aktive elektrische Ersatzlast zu verwenden. Die aktive Impedanznachbildung soll sowohl das niederfrequente Funktionsverhalten als auch die hochfrequenten (HF) Koppelpfade einer belasteten elektrischen Maschine emulieren können. Für funktionale Prüfungen von Wechselrichtern werden bereits Systeme angeboten, welche das funktionale Verhalten abbilden und als elektrische Maschinenemulatoren bezeichnet werden (u.a. [2]). Bild 1 zeigt den zu prüfenden Wechselrichter (DUT, engl. device under test) sowie den über ein Koppelnetzwerk angeschlossenen Emulator. Um die Maschinenemulation auch bei EMV-Prüfungen verwenden zu können, muss diese die HF-Impedanz der belasteten Maschine ausreichend genau nachbilden, bei vernachlässigbar geringen Eigenemissionen. Eine genauere Ausführung zu diesem Ansatz und den Anforderungen sowie erste Messergebnisse werden in [3] präsentiert. Ziel dieses Papers ist die Untersuchung der Impedanzen für Gleichtakt (CM) und Gegentakt (DM) von elektrischen Maschinen im aktiven Betrieb. Die Ergebnisse sollen anschließend zur Nachbildung des HF-Verhaltens bei der elektrischen Maschinenemulation verwendet werden. Zunächst wird die verwendete Messmethode vorgestellt und validiert. Dann werden beispielhaft die CM- und DM-Impedanzen einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) bei verschiedenen Betriebsmodi analysiert. Abschließend werden Verhaltensmodelle zur Nachbildung der Motorimpedanz erstellt und die Werte der Streuparameter aus den Messkurven extrahiert.

Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung verschiedener Komponenten, wie beispielsweise der Lenkung im Automobilbereich, muss in der Entwicklung ein wesentlich größerer Aufwand betrieben werden, um einen störungsfreien, EMV-gerechten Betrieb gewährleisten zu können. Insbesondere bei taktender Leistungselektronik ist mit erheblichen breitbandigen Störemissionen zu rechnen. Im klassischen EMV-Ansatz werden Emissionen mithilfe passiver Filter auf ein Grenzwert konformes Maß reduziert. Als mögliche Alternative wird in [1] eine neue Methode vorgestellt, bei der in mehrphasigen, redundant aufgebauten Invertern mithilfe einer geeigneten Ansteuerung der MOSFETs und einem optimierten, symmetrischen Schaltungsdesign eine Gleichtaktauslöschung ohne passive Filter und damit ohne zusätzlichen Bauteilaufwand erreicht werden kann. Eine Reduzierung der Gleichtaktstörungen von bis zu 40 dB bis in den Frequenzbereich der Mittelwelle ist damit möglich. In diesem Beitrag werden darauf aufbauend die kritischen Einflussparameter bewertet und die Grenzen der Methode aufgezeigt. Anhand einer Sensitivitätsbetrachtung wird evaluiert, welche Parameter durch geeignete Verfahren kompensiert werden können und welche beim Hardwarelayout des Inverters zwingend zu beachten sind. Zu nennen sind hier beispielsweise die Designanforderungen bzgl. des symmetrischen Aufbaus.

Seit der Einführung der Norm CISPR 25 im Jahr 1995 hat die Komplexität der Steuergeräte und Kabelbäume signifikant zugenommen. Gleichzeitig steigt die Vernetzung der Steuergeräte untereinander, wodurch oft mehrere gleiche oder unterschiedliche Bus-Systeme in ein und demselben Steuergerät vorhanden sind. Für die Messung der gestrahlten Emissionen einer Fahrzeugkomponente wird diese über eine Leitung (Prüfkabelbaum) mit einer Lastnachbildung verbunden [1]. Ein Steuergerät kann aber nur dann richtig getestet werden, wenn alle für den Betrieb notwendigen Informationen vorhanden sind. Bei Prüflingen mit Bus-System muss daher auch eine aktive Kommunikation auf dem Bus möglich sein. Da weder diese Busleitung beliebig verlängerbar ist, noch die komplette Peripherie in die Absorberkammer gestellt werden kann, muss mit optischen Übertragungsstrecken gearbeitet werden. Mit Hilfe der Übertragungsstrecke kann der Prüfling (DUT) im Inneren der Absorberkammer mit seiner Peripherie, welche sich außerhalb befindet, verbunden werden. Sollen nun die Emissionen eines Steuergerätes gemessen werden, wird für jedes zu prüfende Bus- System eine dieser Übertragungsstrecken benötigt. Dafür muss der Kabelbaum so angepasst werden, dass auf der Seite der Lastnachbildung alle benötigten Transceiver angeschlossen werden können. Dabei ist eine Vielzahl an möglichen Aufbauvarianten denkbar, welche potentiell mit unterschiedlichen Messergebnissen einhergehen, zusätzlich hat bei größeren Aufbauten auch die Positionierung der einzelnen Geräte einen teils unbekannten Einfluss. Durch Vergleichsmessungen sollen daher verschiedene Messaufbauten, in Bezug auf die gestrahlten Emissionen, untersucht werden.

Die aktuellen Bemühungen einen internationalen Standard für eine induktive KFZ-Ladeschnittstelle zu schaffen, erfordern auch die Einführung von Grenzwerten für die elektrischen und magnetischen Störaussendungen dieser Systeme. Von Seiten der SAE bestehen bereits Vorgaben zum geometrischen Design der energieübertragenden Spulen sowie deren elektrischen Beschaltung [1]. Die bodenseitigen Komponenten des Ladesystems werden als Ground Assembly (GA) und die fahrzeugseitigen Komponenten als Vehicle Assembly (VA) bezeichnet. Diese werden im Folgenden als Referenzsysteme herangezogen. Eine flexible Möglichkeit zur Beurteilung der elektrischen und magnetischen Feldemissionen kann die 3D-Modellierung dieser WPT-Systeme sein. Mit den Modellen ist es beispielsweise möglich, Auswirkungen von Geometrie- und Materialvariationen auf die Emissionsspektren vorherzusagen, oder Feldstärkeverläufe an beliebigen Raumpunkten zu berechnen. In diesem Beitrag werden die Schritte hin zu einem WPT-Modell aufgezeigt, mit dem Aussagen zu dessen magnetischen Emissionsverhalten mit abschätzbarer Genauigkeit im Frequenzbereich von 9 kHz - 30 MHz möglich sind.

In der Leistungselektronik wird für die Miniaturisierung von Baugruppen viel Aufwand betrieben. Neue Halbleitertechnologien wie Siliziumcarbid unterstützen diesen Trend. Um den benötigten Bauraum der Leistungselektronik weiter reduzieren zu können, stellen hybride EMV – Filter eine Möglichkeit zur Verkleinerung der Filterbaugruppen und damit des Gesamtvolumens der Komponente dar [1]. Durch die Kombination von konventionellen passiven Filtern mit aktiven Elementen zur Störreduzierung lässt sich deutlich an Bauraum bei induktiven Filterkomponenten einsparen. Die Filterdämpfung der aktiven Filter ist jedoch, ebenso wie bei konventionellen EMV – Filtern, von der Quell bzw. Senkenimpedanz abhängig [2]. Diese Impedanzen können sich im Betrieb sowohl durch verschiedene Einbausituationen als auch unterschiedliche Betriebspunkte verändern. Im Hinblick auf mögliche Anwendungen aktiver und hybrider EMV – Filter ist eine Sensitivitätsuntersuchung auf solche schwankenden Betriebsparameter bzw. Einflüsse durch unterschiedliche Einbausituationen notwendig. Deren Analyse wird an einem Traktionsinverter im CISPR 25 Komponententest durchgeführt. Ein eigens entwickeltes, hybrides Gleichtaktfilter fungiert dabei als Prüfling. Nach einer kurzen Vorstellung der entwickelten Hardware des Hybridfilters werden anschließend die Auswirkungen von unterschiedlichen Zuleitungslängen, Ausgangsströmen, Batteriespannungen und Schaltfrequenzen auf die Filterdämpfung des Hybridfilters gezeigt. Die Auswahl der betrachteten Parameter unterliegt dabei keinem Anspruch auf Vollständigkeit, sondern bildet lediglich einen Ausschnitt aus möglichen Variationen ab und soll eine Vorgehensweise zu deren Bewertung aufzeigen.

Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung konnte ein Optimierungsalgorithmus entwickelt werden, welcher die automatisierte Filterauslegung anhand einer einfachen Schaltungssimulation ermöglicht. Dabei können mögliche Grenzwerte und Bauteillimitierungen berücksichtigt und, je nach Komplexität der zugrundeliegenden Optimierungsfunktion, Kosten, Bauraum oder Gewicht optimiert werden. Bei Messungen im realen Aufbau hat das optimierte Filter eine gute Dämpfung erreicht, die ausreichend ist um den gegebenen Grenzwert einzuhalten. Die Abweichung zur Messung konnte auf Ungenauigkeiten im Simulationsmodell zurückgeführt werden. Hierzu bieten sich genauere Untersuchungen der verwendeten Gleichtaktdrosselmodelle an. Bisher berücksichtig das Simulationsmodell nur die Gleichtaktstörung weshalb der Algorithmus um ein Simulationsmodell zur Berücksichtigung der Gegentaktstörung erweitert werden muss, was es ermöglichen soll, den gesamten Filteraufwand zur Entstörung des Inverters abschätzen zu können.

Zur Bewertung der Kopplungsmechanismen induktiver Ladesysteme werden zunächst ein repräsentatives Spulendesign für Boden- und Fahrzeugspule als Labormodell aufgebaut und als 3D Simulationsmodell entwickelt. Mittels S-Parametermessungen wird das elektrische Verhalten der Spulen ermittelt und durch Z- bzw. Y-Transformation deren Impedanzverlauf bestimmt. Der Vergleich mit den Simulationsmodellen zeigt bis zur ersten Resonanz eine sehr gute Übereinstimmung, was die Simulationsmodelle für weitere Untersuchungen prinzipiell qualifiziert. Damit ist es bereits möglich Auswirkungen durch Variationen im Aufbau (z.B. Materialeigenschaften oder Spulengeometrien) auf das Systemverhalten simulativ abzuschätzen. Im Weiteren wird der Messaufbau inkl. Messumgebung simulativ berücksichtigt, um auch die hochfrequenten Resonanzen in den Impedanzverläufen abbilden zu können. In weiteren Mess- und Simulationsreihen werden die Common-Mode sowie Differential-Mode Kopplungen zwischen Boden- und Fahrzeugspule genauer untersucht. Auch ist ein vergleichbares Vorgehen zur Modellerstellung und -Verifizierung für andere Spulengeometrien mit Doppelhelix Design denkbar. Hierbei wird ein Fokus auf die Interoperabilität zwischen Zirkularen und Doppelhelix Spulen gelegt, da zum jetzigen Zeitpunkt nicht abzusehen ist, ob sich herstellerunabhängig eines der Spulendesigns durchsetzten wird, oder beide Varianten parallel auf dem Markt angeboten werden.