Het ontwerpen van EMI-filters voor vermogenselektronica

Vanwege het grote belang is het dringend noodzakelijk te zoeken naar oplossingen voor problemen die nog steeds onlosmakelijk lijken verbonden met de vermogenselektronica. Een van de belangrijkste is wel de emissie van elektromagnetische stoorsignalen, die het gevolg zijn van het fundamentele werkingsprincipe van snelle schakelaars voor hoge spanning en stromen. In figuur 1 zijn de stoorpaden van dergelijke elektromagnetische emissies afgebeeld, voor zowel de symmetrische als de asymmetrische onderdelen van een circuit. De storingen hebben gemeen dat zij tot aanzienlijke kosten leiden bij de ontwikkeling van een product en dus ook tot een hogere prijs van dat product. Daarom is de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van vermogenselektronica uitgegroeid tot een bijzonder belangrijke technische discipline.

Figuur 1. Stoorpaden in een besturingssysteem.

Storingsemissie is alleen te reduceren door het gebruik van EMI-filters. Aan de kant van het lichtnet worden daarvoor netfilters en ontstoringscombinaties met filters en smoorspoelen gebruikt; aan de uitgangszijde motorspoelen of du/dt-filters. Aan de uitgang van een gelijkrichter komt het er in veel toepassingen op neer dat de snelheid waarop de uitgangsspanning kan veranderen wordt begrensd op minder dan 500 V/ms. Als dat niet voldoende is, worden sinusfilters gebruikt.

In figuur 2 zijn de stoorpaden afgebeeld nadat ze zijn veranderd door het gebruik van EMI-filters. Elektromagnetisch compatibele systemen worden gerealiseerd door inperking van de stoorstromen.

 

Figuur 2. Stoorpaden in een besturingssysteem na gebruik van EMI-filters

  

Filterontwerp

Om het juiste functioneren te kunnen garanderen, worden vermogenselektronicasystemen altijd gebruikt in combinatie met enkeltraps- of meertraps EMI-filters. Het ontwerpen van zulke filters is gebaseerd op jarenlange ervaring. Daarbij ligt het zwaartepunt op het praktisch experimenteren; ondanks intensieve inspanningen is hiervoor nog geen geschikte ontwerpmethodiek ontwikkeld.

In principe verloopt het ontwerp op de in figuur 6 geschetste manier. Het proces bevat twee iteratielussen, die zijn te beschrijven als ‘trial and error’. Dankzij grote ervaring op dit gebied lukt het om het aantal iteratiestappen beperkt te houden. Vooraf is het echter moeilijk om te schatten hoeveel pogingen nodig zijn en hoe hoog dus de ontwikkelkosten zullen uitvallen. Elke iteratiestap brengt hoge kosten met zich mee, omdat er telkens een filter moet worden gebouwd om praktijkproeven mee uit te voeren.

Figuur 3. Netfilter voor 5 A tot 1200 A.

Moderne vermogenselektronicasystemen bevatten in veel gevallen ten minste de als basisontstoring aangeduide, altijd noodzakelijke EMC-filtering. Bij het ontwerp van dergelijke in het systeem geïntegreerde EMI-filters wegen de geschetste problemen extra zwaar. Om het ontworpen filter te kunnen beoordelen moet naast het filter zelf de complete schakeling al kant-en-klaar beschikbaar zijn. Veranderingen aan het filter na een iteratiestap kunnen echter ook veranderingen in het totale ontwerp nodig maken, waardoor de totale kosten aanmerkelijk zullen stijgen.

Het zal duidelijk zijn dat het er in de toekomst op aankomt een geschikte methodiek te ontwikkelen, die een effectief ontwerp van EMI-filters voor vermogenselektronica mogelijk maakt.

Figuur 4. du/dt-filter voor 1 A tot 610 A.

Figuur 5. Sinusfilter voor 2,5 A tot 500 A.

Gezamenlijk project

Er zijn op dit moment onderzoeksactiviteiten gaande op het gebied van EMC in de vermogenselektronica die betrekking hebben op de beheersing van elektromagnetische storingsemissie door vermogenselektronische systemen, het liefst tegen lage kosten. In de huidige activiteiten zijn twee richtingen te onderscheiden. Aan de ene kant gaat het om de verbetering van de ontwerpmethodiek voor EMI-filters, waarbij al vroeg in het ontwikkelproces van het totale systeem aandacht wordt besteed aan de storingsemissie. Aan de andere kant worden nieuwe filtertopologieën onderzocht om de kosten voor EMC te reduceren en vermogenselektronica ook in storingsgevoelige omgevingen beter te kunnen inzetten.

Figuur 6. ‘Vroeger’ ging het EMI-filterontwerp op deze manier. (bron: Fraunhofer IZM/Max Fuss)

In een gemeenschappelijk langlopend onderzoeksprogramma wordt door het Duitse Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration en de firma Max Fuss GmbH de samenhang onderzocht tussen de opbouw van filtercomponenten en de parasitaire eigenschappen daarvan. Het doel van dit onderzoek is de ontwikkeling van een effectieve ontwerpmethodiek voor EMI-filters voor vermogenselektronica. Figuur 7 toont de structuur van zo’n nieuwe methodiek. Essentieel onderdeel is de adequate modellering van alle componenten die het gedrag van het filter beïnvloeden. Als deze modellering lukt, kunnen de – ook in de toekomst noodzakelijke – ontwerpiteraties worden uitgevoerd met een simulator. Dat leidt tot een aanzienlijke kostenbesparing, niet alleen door de kortere ontwikkeltijd, maar ook doordat het niet meer nodig is voor elke test een compleet filter te bouwen.

Figuur 7. Een moderne methode voor het ontwerpen van EMI-filters. (bron: Fraunhofer IZM/Fuss)

Computerondersteund ontwerpen

Zelfs als alle beschikbare richtlijnen en voorschriften voor een elektromagnetisch compatibele opbouw van vermogenselektronicasystemen streng worden nageleefd, zal het meestal nodig zijn om EMI-filters te gebruiken om de compatibiliteit van het gehele systeem te realiseren.

Anders dan in veel sectoren van de micro-elektronica zijn er momenteel nog geen geschikte, op systeemniveau gerichte tools op de markt voor EMI-simulatie. Het voorspellen van de invloed van de vele in het ontwerpstadium deels nog niet bekende systeemonderdelen op het uiteindelijk optredende stoorspectrum is onderwerp van onderzoek. Daarom wordt er gewerkt aan moderne, op uitgebreide EMI-simulaties berustende methoden voor het filterontwerp, die het noodzakelijke aantal iteraties in het ontwerpproces voor een ontstoord systeem reduceren. Na afsluiting van het researchproject zal het mogelijk zijn met een computerondersteunde ontwerpmethodiek de voor een bepaald vermogenselektronicasysteem benodigde EMI-filters voor zo’n 70% tot 90% met de computer te ontwerpen. Dat is ten opzichte van de huidige praktijk een enorme sprong vooruit met het oog op ontwikkelingstijd en ontwikkelingsinspanningen.

Stephan Guttowksi, Fraunhofer IZM, Volker Keddig, Max Fuss GmbH