Frequenzumrichter unter EMV spezifischen Aspekten Referent: Andreas Zander Phone +49(0)5235-9500-21 Fax +49(0)5235-9500-20 zander.andreas@phoenix-testlab.de

Kapitel Ein wenig EMV-Theorie Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Ein wenig EMV-Theorie Die Aufgabe des Umrichterherstellers beim Entwickeln eines Umrichters unter EMV- Aspekten ist die Umsetzung der sogenannten Intrasystemmaßnahmen (Massung, Schirmung, Filterung, Verkabelung) und Einhaltung der EMV-Zonen. Eine Modellvorstellung einer EMV-Zone ist im folgendem Bild (Bild 1) dargestellt. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Ein wenig EMV-Theorie K o m p n e t g r u Z 1 S ö f a d P l i ( M y ) Zone 0 ist z. B. die Elektromagnetische Umwelt Barriere, z. B. ein Filter Bild 1: Darstellung von EMV Phänomenen mit Hilfe des Zonenkonzeptes © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störquellen unter EMV-Aspekten Kapitel Ein wenig EMV-Theorie Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störquellen unter EMV-Aspekten Die Störquellen in einem Umrichter sind komplex. Es gibt Quellen im niederfrequenten Bereich (150 kHz bis 30 MHz) wie z. B. den Brückengleichrichter, Schaltnetzteil und das Schaltverhalten des Leistungsteil (IGBT`s). Im hoch frequenten Bereich (ab 30 MHz) sind Quellen wie z. B. die CPU / Sensorik des Umrichters, die Funktionsmodule und wiederum das Schaltnetzteil mit seinen Oberwellen zu finden. Das Bild 2 soll erläutern, mit welchen Quellen und mit welcher Störfrequenz zu rechnen ist. Die Darstellung (Bild 2) unterstützt die Auswertung, einzelne Störquellen, die sich aus der Addition mehrerer Störquellen herleiten, z. B. Taktfrequenz CPU / Sensorik und die Taktfrequenz der Funktionsmodul, könnten sich überlagern. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Brücken-gleichrichter Störquellen – Gleichrichter Umrichter - Blockschaltplan AC-Anschluss Motorleitung Brücken-gleichrichter   IGBT's Schalt-netzteil   CPU Funktions-module Bild 2: Störquellen des Umrichters unter EMV-Aspekten © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Kapitel Gleichrichter Grundlagen der Norm Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ Der Brückengleichrichter ist mit dem Schaltverhalten der Dioden und deren Oberwellen eine Störquelle im Frequenzbereich 150 kHz bis 500 kHz, die IGBT's im Frequenzfenster 5 MHz bis 50 MHz. Es ist daher notwendig eine niederimpedante Anbindung der Masselage im Leiterplattenaufbau zum Erdanschluss zu schaffen. Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass die Kapazitäten über eine flächige Anbindung (Kontaktbleche von der Umrichtergrundplatine zur Massefläche) an den Erdleiter geführt werden. Am Beispiel (Foto 1 und Foto 2) ist dies durch eine Anzahl von Kontaktbügel gewährleistet worden. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ Nur die in dieser Form angebundenen Kapazitäten an Masse ermöglichen einen guten HF Kurzschluss. Schematisch in Bild 3 dargestellt. Die Platzierung der Kondensatoren wird beispielhaft in Foto 3 gezeigt. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ Bild 3: Schematische Darstellung von y-Kondensatoren im Eingangsbereich des Umrichters © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ Das Bild 4 illustriert die Resonanzverschiebung des Saugkreises für ausgewählte Kondensatoren. Weiterhin kann es notwendig sein, bei nicht ausreichenden Kapazitäten, eine Induktivität in Reihe zu den einzelnen Phasen (L1,L2,L3) einzusetzen. Um hier nochmals eine HF-Dämpfung mit einzubringen. Nicht nur für diese Störquelle sonder auch für die Ableitung der Störphänomene anderer Störquellen ist die großflächige Anbindung der Masseanschlussmöglichkeit zur Masse des Motors und zu den Masseflächen der Funktionsmodule hilfreich. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ 1 MHz 10 MHz Bild 4: Resonanzverschiebung bei ausgewählten Kondensatoren © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Beispielmaßnahmen zur Reduzierung der leitungsgebundenen Störaussendung Im Frequenzbereich 150 kHz bis 500 kHz ist der Einfluss des Gleichrichters zu erkennen. Die Rückkopplung der IGBT's in den Eingangsbereich (Netzleitung) ist im Frequenzfenster 5 MHz bis 30 MHz herausgehoben. Dämpfung der Rückkopplung der IGBT's durch einsetzen von Kondensatoren (1,5 nF) zwischen L1 und Masse und N und Masse (Foto 3) © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Beispielmaßnahmen zur Reduzierung der leitungsgebundenen Störaussendung Aufbau vom „HF- Kurzschlussbrücken“ um Oberwellen der IGBT's zu unterdrücken. In diesem Beispiel werden 150 nF Kondensatoren zwischen –UG und Masse und +UG und Masse eingesetzt (Bild 5 und Foto 4). © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Beispielmaßnahmen zur Reduzierung der leitungsgebundenen Störaussendung Gleichrichter Zwischenkreis IGBT's +UG Geschirmte Motorleitung Netz M -UG 1,5 nF Ersatz- kapazität (Schirm/Masse) 150 nF 150 nF Bild 5: Schematische Darstellung des Leistungsstrangs vom Umrichter © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Beispielmaßnahmen zur Reduzierung der leitungsgebundenen Störaussendung Großflächige Anbindung des „Groundlayers“ an Masse, damit die EMV Maßnahmen greifen können. In diesem Beispiel wird eine Anbindung der Platine über zwei Kontaktbügel an das Kühlblech erreicht (Foto 1 und Foto 2). Wechseln der Potentialebene sind zu vermeiden © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ Netz Motor Foto 1: Flächige Anbindung des „Groundlayers“ an Masse Foto 2: Flächige Anbindung des „Groundlayers“ an Masse © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „Gleichrichter“ Motor Netz Foto 4: Kondensatoren (150 nF) am Zwischenkreis Foto 3: Einsatz von Kondensatoren um die Rückkopplung der IGBT Störung © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich Bild 6: Leitungsgeführte Störaussendung (Störspannung) laut EN 55011 ohne Maßnahmen (ohne gute Masseanbindung und zusätzliche Kondensatoren) © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich Bild 7: Leitungsgeführte Störaussendung (Störspannung) laut EN 55011 mit Maßnahmen (gute Masseanbindung und zusätzliche Kondensatoren im Eingangsbereich und im Zwischenkreis gegen Masse) © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Kapitel Schaltnetzteil Ein wenig EMV-Theorie Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Brücken-gleichrichter Störquellen unter EMV-Aspekten - Schaltnetzteil Umrichter - Blockschaltplan AC-Anschluss Motorleitung Brücken-gleichrichter   IGBT's Schalt-netzteil   CPU Funktions-module Bild 8: Störquellendarstellung Schaltnetzteil © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene und Maßnahmen des Schaltnetzteils Das Über- und Unterschwingen („Ringing“) eines Schalters vom Schaltnetzteil erzeugt Oberwellen im Frequenzfenster 50 MHz bis 120 MHz. Das Fenster ist vom Takt des Schaltnetzteils abhängig.   Durch den Einsatz von einem Kondensator (ca. 11pF) am Schalter (MosFET) wird das „Ringing“ stark unterdrückt. Achtung: Mit dieser Maßnahme wird die Temperatur des Schalters (MosFET) erhöht. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich 11 pF Bild 9: Einsetzen von Kondensatoren um das Überschwingverhalten des Schalters zu reduzieren © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich Bild 10: Gestrahlte Störaussendung mit dem Fokus auf den Frequenzbereich 50 MHz bis 120 MHz ohne Maßnahmen © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich Bild 11: Gestrahlte Störaussendungsdiagramm mit Maßnahmen zur Reduzierung des „Ringings“ vom Schaltnetzteil © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Kapitel IGBT's Grundlagen der Norm Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Brücken-gleichrichter Störquellen unter EMV-Aspekten – IGBT´s Umrichter - Blockschaltplan AC-Anschluss Motorleitung Brücken-gleichrichter   IGBT's Schalt-netzteil   CPU Funktions-module Bild 12: Störquellendarstellung IGBT`S © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene und Maßnahmen vom „IGBT's“ Die Ursache der Störaussendung der IGBT's ist die von ihnen generierten Oberwellen der steilflankigen, energiereichen Rechteckimpuls. Das Spektrum der Oberwellen reicht von 50 kHz bis 50 MHz mit signifikanten Amplituden. Eine wirkungsvolle EMV-Maßnahme ist das einsetzen geeigneter Ferrite, die in Reihe zu den einzelnen Motorleitungen platziert werden (Sinusfilter). Aufbau vom „HF- Kurzschlussbrücken“ um Oberwellen der IGBT's zu unterdrücken. In diesem Beispiel werden 150 nF Kondensatoren zwischen –UG und Masse und +UG und Masse eingesetzt (Bild 5 und Foto 4). Des weiteren wird die Ausbreitung über die Netzzuleitung mit den Maßnahmen ,„im Kapitel „Gleichrichter“ dargestellt, reduziert. (z.B. Flächige Anbindungen) © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Brücken-gleichrichter Störquellen unter EMV-Aspekten - IGBT's Sinusfilter Umrichter - Blockschaltplan AC-Anschluss Motorleitung Brücken-gleichrichter   IGBT's Schalt-netzteil   CPU Funktions-module Bild 12a: Störquellendarstellung IGBT's © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahme im Frequenzbereich Bild 13: Leitungsgeführte Störaussendung am Umrichter ohne Sinusfilter © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahme im Frequenzbereich Bild 14: Leitungsgeführte Störaussendung am Umrichter mit Sinusfilter © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahme im Frequenzbereich Foto 5: Laborbeispiel eines Sinusfilters direkt am Ausgang des Umrichters © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „IGBT´s“ Bild 14a: ohne PE Flächenanbindung an der Grundplatine © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene vom „IGBT´s“ Bild 14b: mit einer Flächenanbindung der Platine an die PE-Fläche © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Kapitel Motorleitung Grundlagen der Norm Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Brücken-gleichrichter Störquellen unter EMV-Aspekten - Motorleitung Umrichter - Blockschaltplan AC-Anschluss Motorleitung Brücken-gleichrichter   IGBT's Schalt-netzteil   CPU Funktions-module Bild 15: Störquellendarstellung Motorleitung © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomen und Maßnahmen von der Motorleitung Das Spektrum der Störimpulse auf der Motorleitung ist im Frequenzbereich von 150 kHz bis ca. 50 MHz zu erkennen. Hier ist es sinnvoll, die Motorleitung geschirmt zu wählen um den Schirm als zusätzliche Kapazität zur Massefläche zu nutzen (Bild 5). Besonders nützlich sind hierbei die EMV-Motoranschlussleitungen. Diese geschirmten Leitungen sind mit einem Geflecht und zusätzlich mit einer Metallfolie umwickelt. Des weiteren ist darauf zu achten, dass der Schirm der Motorleitung großflächig am Motor und am Umrichter aufgelegt ist (Foto 6). © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomen und Maßnahmen von der Motorleitung Gleichrichter Zwischenkreis IGBT's +UG Geschirmte Motorleitung Netz M -UG 1,5 nF Ersatz- kapazität (Schirm/Masse) 150 nF 150 nF Bild 5: Schematische Darstellung des Leistungsstrangs vom Umrichter © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomen und Maßnahmen von der Motorleitung Foto 6: Musterbeispiel Leitungseinbindung der Motorleitung © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich Bild 16: Gestrahlte Störaussendung am Umrichter mit ungenügender Schirmanbindung des Motorkabels © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Maßnahmen im Frequenzbereich Bild 17: Gestrahlte Störaussendung am Umrichter mit guter Schirmanbindung des Motorkabels © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Kapitel CPU Grundlagen der Norm Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Brücken-gleichrichter Störquellen unter EMV-Aspekten - CPU Umrichter - Blockschaltplan AC-Anschluss Motorleitung Brücken-gleichrichter   IGBT's Schalt-netzteil   CPU Funktions-module Bild 18: Störquellendarstellung der CPU des Umrichters © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Störphänomene von der „Ansteuerung“ (CPU-Sensorik) Die Oberwellen der Taktfrequenz der CPU breiten sich gleichermaßen über die gesamten Anschlüsse des Prozessors aus. Diese Störimpulse sind verteilt über die gesamten Anschlüsse des Prozessors im Frequenzbereich von 120 MHz bis 500 MHz zu erkennen. In diesem Fall ist eine (Bild 19) eigene Zone für den Prozessor anzustreben. Die sogenannte „HF-Verseuchung“ wird auf einen Raum (der Insel) begrenzt. An optimalen Übergangspunkten lassen sich nun die Versorgungs- sowie die Datenleitungen mit Widerständen, Ferriten oder Induktivitäten Filtern, um eine möglichst hohe Dämpfung der HF - Störungen zu erzielen. Insbesondere ist es notwendig die CPU - DC - Versorgung über Kapazitäten und in Reihe liegende Ferrite an die vorhandene Massefläche anzubinden und somit zu filtern. Beispiel Insellösung bei Masse des CPU (Bild 19). Die Ausgänge der CPU zu dem IGBT Treiberbaustein, sollten über einen RC - Tiefpass bedämpft werden. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Maßnahmen Als sehr Wirkungsvoll erwies sich auch hier die Insellösung (Aufteilung der Groundflächen) (Bild 19, 20, 21 und Foto 7). Die DC-Dämpfung über geeignete Ferrite ist ebenfalls erfolgreich. Die Innenlagen der Leiterplatte sollten für die störungsbehafteten Leitungen, wie z. B. die Clockoutleitungen zwischen µPC und Speicher, reserviert werden. Taktausgangsleitungen bei denen die Leistung nicht benötigt werden, mit einem geeigneten Widerstand abschließen. Alle Anschlussleitungen die von bzw. zu den Funktionsmodulen führen, sind mit geschirmten Leitungen oder ungeschirmte gefilterte Leitungen (Kapazitäten, Ferrite oder Induktivitäten) zu führen. Die geschirmten Leitungen sollten möglichst nah am Funktionsmodul oder über eine Schirmschelle nahe am Umrichter großflächig, niederimpedant an Masse angeschlossen werden. © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Schematische Darstellung der Insellösung Anschlußpat Groundinsel Verbindung zwischen Groundinsel und Platinengroundfläche DC-Versorgung µPC Ferrite Bild 19: Insellösung für den Layout-Entwurf einer CPU © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Schematische Darstellung der Insellösung Foto 7: Realisierung einer Insellösung © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Darstellung der Insellösung im Frequenzbereich Bild 20: Simulationsergebnis Fazit: Die durch das IC verursachte Störspannung lässt sich über einen weiten Frequenzbereich um ein Vielfaches reduzieren © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Maßnahmendarstellung im Frequenzbereich Bild 21: Gestrahlte Störaussendung am Umrichter ohne Maßnahmen zur Reduzierung der CPU Oberwellen © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Maßnahmendarstellung im Frequenzbereich Im Bild 22 ist die Wirkung im Frequenzbereich der folgenden Maßnahmen dargestellt: Mit Ferriten in der DC - Versorgung des Prozessors, Dämpfung der Treiberzuleitungen vom Prozessor zum Treiber durch geeignete Widerstände, Platine mit Groundinsel um den Prozessor und neuem Prozessortyp “CA” © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Maßnahmendarstellung im Frequenzbereich Bild 22: Gestrahlte Störaussendung am Umrichter mit Maßnahmen, um die EMV Phänomene der CPU zu dämpfen © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Zusammenfassung und Ausblick Kapitel Grundlagen der Norm Störquellen unter EMV-Aspekten Gleichrichter Schaltnetzteil IGBT's Motorleitung CPU Zusammenfassung und Ausblick © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Tendenzen Der Wunsch nach kleineren Baugrößen von Umrichtern führt zur intensiven Nutzung von komplexen Halbleitermodulen. Ein Beispiel ist die neue Generation von Powermodulen von Mitsubishi, Fuji und Infineon in der die Gleichrichter im Gehäuse der IGBT's integriert sind (inklusive Powermanagement der IGBT's). © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

Zusammenfassung und Ausblick Folgen der Tendenzen: Wie diskutiert wird das Übersprechen der IGBT-Störungen verstärkt. Intensive Nutzung von Kondensatoren im Eingangsbereich sowie im Zwischenkreis sind notwendig. Großflächige Masseflächen mit guter „Groundanbindung“ ist Basis für jede EMV-Maßnahme mit passiven Bauelementen. Sinusfilter für die Motorleitung sollten im Layout vorgesehen werden (Baugrößen von Umrichter kleiner 30 kW). Insellösungen für die CPU ist ein wirksames Mittel um die Störaussendung (leitungsgebunden wie gestrahlt) zu reduzieren. Schaltnetzteile im Umrichter sind unter EMV-Gesichtspunkten zu entwerfen.  Die Integration von EMV Maßnahmen beginnt in der Konzeptphase des Entwurfs! © 2005 PHOENIX TESTLAB GmbH

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