Charakterisierung zeitvarianter HF-Impedanzen im Hinblick auf die EMV-Modellierung leistungselektronischer Systeme

Abstract

Zukünftige leistungselektronische Systeme werden von dem Einsatz von Wide-Bandgap- Halbleitern wie Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) profitieren. Gegenüber Silicium-Halbleitern sind deutlich gesteigerte Taktfrequenzen möglich, was sich positiv auf die Effizienz und den Bauraum der Systeme auswirkt. Aus Sicht der EMV stellen die sehr steilen Schaltflanken, die bei GaN-Leistungshalbleitern mehr als 100 kV/μs und 50 kA/μs betragen können, jedoch eine besondere Herausforderung dar. Häufig ist eine Modellierung des leistungselektronischen Systems u.a. hinsichtlich seiner HF-Impedanz sinnvoll, um die Leistungselektronik und gegebenenfalls erforderliche EMV-Maßnahmen bereits vor der Realisierung des Gesamtsystems optimal auslegen zu können. Hierdurch können der Designprozess verkürzt und Entwicklungskosten eingespart werden. In [1] werden beispielsweise die Gleich- und die Gegentaktimpedanz eines im Betrieb befindlichen Umrichter-Motor-Systems durch Einkopplung eines HF-Signals und Messung der resultierenden HF-Spannungen und HF-Ströme charakterisiert. Diese Messdaten werden danach zur Modellierung einer Ersatzimpedanz genutzt. Falls die gemessene HF-Impedanz in dem untersuchten Szenario kaum vom Betriebszustand des Systems abhängt, ist die Nachbildung leicht möglich. Der zeitliche Verlauf der HF-Impedanzen leistungselektronischer Systeme ergibt sich aber durch das periodische Umschalten der Halbleiter und ist daher im Allgemeinen direkt durch den jeweiligen Betriebszustand der Leistungselektronik festgelegt. Es ist zu untersuchen, wie eine Modellierung solcher Systeme auch dann sinnvoll erfolgen kann, wenn sich die EMV-relevanten HF-Eigenschaften bei verschiedenen Betriebszuständen deutlich ändern. Im Rahmen dieser Veröffentlichung erfolgt eine grundlegende Betrachtung zur Charakterisierung zeitvarianter HF-Impedanzen. Anstelle eines realen leistungselektronischen, zu untersuchenden Systems (system under test, SUT) wird hier ein generischer Laboraufbau genutzt, mit dem unterschiedliche Impedanzverläufe mit Taktfrequenzen bis 100 kHz reproduzierbar nachgebildet werden können. Der Laboraufbau wird in Abschnitt 2 dieses Beitrags vorgestellt. Abschnitt 3 veranschaulicht, welchen Einfluss die Zeitvarianz von HF-Impedanzen auf deren Messung mit den in der EMV etablierten Messmethoden besitzt. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird in Abschnitt 4 ein schalttaktsynchronisiertes Messkonzept vorgestellt, mit dessen Hilfe der tatsächliche zeitliche Verlauf der HF-Impedanz von leistungselektronischen Systemen analysiert werden kann. Mit diesem Verfahren aufgenommene Messkurven werden mit Referenzmessungen verglichen, um die Messgenauigkeit zu bewerten. Abschnitt 5 gibt abschließend einen kurzen Ausblick auf zukünftige, weiterführende Untersuchungen zu zeitvarianten HF-Impedanzen und mögliche Erweiterungen des hier vorgestellten Messkonzepts.