Analyse und Optimierung eines Leistungsfilters in einer Kfz-Komponente

Abstract

In einer Kfz-Leistungselektronik dient ein Tiefpassfilter dazu, das Störspektrum des Schaltwandlers zum 12-V-Bordnetz auf den zulässigen Wert zu begrenzen. Topologie und Bauraum des Filters sind bei möglichst minimalen Kosten vorgegeben. Der vorhandene erste Filterentwurf erfüllt nicht die im 50-Ω-System geforderte hohe Filterdämpfung, die sich aus den zulässigen Grenzwerten der Störspannung auf dem 12-V-Bordnetz und dem Störspektrum des Schaltwandlers am Filtereingang ableiten lässt. Mit Simulationen sollte die Filterdämpfung berechnet, die Ursache für die unzureichende Dämpfung analysiert und schließlich optimiert werden. Der Transmissionsfaktor eines Niedervolt-Filters, das in einer Kfz-Leistungselektronik als Tiefpassfilter dient, wurde mit einem 3D-Modell und einem Netzwerk-Ersatzschaltbild numerisch berechnet. Beide Simulationsergebnisse stimmen sehr gut mit Messergebnissen überein. Die Analyse des Transmissionsfaktors am Netzwerk-Ersatzschaltbild offenbarte die Ursache für die unzureichende Dämpfung des ersten Filterentwurfs oberhalb der Serien-Resonanzfrequenz: der gemeinsame GND-Dom zur Masse-Anbindung der drei Querkapazitäten. Aus diesem Ergebnis konnte die Maßnahme aus drei getrennten GND-Domen abgeleitet und dafür die Filterdämpfung optimiert werden. 3D-Feldsimulationen am optimierten Modell liefern eine Filterdämpfung, die die Dämpfungsanforderungen im 50-Ω-System nahezu erfüllt.