Nichtlineare EMV-Optimierung von periodischen Gate-Ansteuerungssignalen im Frequenzbereich mit dem Newton-Verfahren

Abstract

Leistungselektronische Systeme stellen mögliche Quellen elektromagnetischer Störungen dar. Schnellschaltende Transistoren werden zunehmend in modernen leistungselektronischen Systemen verwendet, die die Ursache der Störungen sind. Durch den Einsatz von Wide-Bandgap- Transistoren sind immer schnellere periodische Schaltvorgänge möglich, wodurch die Verlustleistung reduziert werden kann. Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) hat dies den Nachteil, dass breitbandigere Störspektren durch steilere Schaltflanken entstehen. Eine häufig verwendete Methode zur Dämpfung der Störungen sind passive Filter. Passive Filterschaltungen sind insbesondere bei hohen Transferleistungen jedoch häufig groß, schwer und teuer. Der Aufwand kann beispielsweise durch aktive Entstörmaßnahmen reduziert werden, welche auf Halbleiterschaltungen beruhen. Eine Möglichkeit der Realisierung einer aktiven Entstörung stellen aktive Filter dar, bei welchen die Störungen durch geeignete Gegenstörsignale im Sinne einer destruktiven Interferenz ausgelöscht werden. In [1] und [2] werden diese Gegenstörsignale mithilfe von adaptiven Kerbfiltern auf FPGA-Systemen (field programmable gate array) erzeugt. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, die Entstehung der Störungen direkt an der Quelle zu beeinflussen. Die Transistoren können als Quellen der Störungen gesehen werden. Es ist gängige Praxis, durch gezielte Ansteuerung des Gates der Transistoren die Störemission zu reduzieren. Oft werden hierfür zusätzliche Gate-Widerstände verwendet. Dies führt zu einer Abflachung der Flankensteilheit des Ansteuerungssignals und damit zu einem verlangsamten Schaltvorgang mit geringerem Überschwingen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Schaltverluste erhöht werden und die Effizienz des Schaltvorgangs reduziert wird. Um diesen Zielkonflikt zu minimieren, d.h. die Störungen zu reduzieren und gleichzeitig die Verlustleistung des Schaltvorgangs nur geringfügig zu erhöhen, wird in diesem Beitrag eine Methode zur aktiven Gate-Ansteuerung angewendet. Typischerweise werden bei der aktiven Gate-Ansteuerung zusätzliche variable Gate-Widerstände, variable Gate-Kapazitäten, eine Ansteuerung mit einem variablen Strom oder einer variablen Spannung verwendet ([3]). Zur Bestimmung der Ansteuerungssignale für diese variablen Komponenten sind verschiedene Ansätze bekannt. Unterschieden werden kann hier beispielsweise zwischen einer empirischen Bestimmung des Ansteuerungssignals ([4]) oder einer Regelung des Ansteuerungssignals mithilfe analoger Schaltungstechnik ([5]). Auch werden Partikel-Schwarm-Algorithmen ([6]), Simulated Annealing ([7]) oder heuristische Suchverfahren wie in [8] und [9] verwendet. Für die erwähnten Optimierungsverfahren ist die Konvergenz nicht sichergestellt und die Konvergenzgeschwindigkeit im Allgemeinen gering. In dieser Arbeit wird ein schneller und hochauflösender Signalgenerator verwendet, um das Gate des Transistors anzusteuern. Es wird von einem periodischen Betrieb des Transistors ausgegangen und die Berechnung des Ansteuerungssignals erfolgt im Frequenzbereich. Daher wird in Anlehnung an das Schaltungssimulationsverfahren „Harmonic Balance – Harmonic Newton“ ([10]) ein Verfahren verwendet, bei dem auf Basis eines Newton-Verfahrens das Gate-Ansteuerungssignal optimiert wird. Hierbei werden die Funktionswerte gemessen und die Ableitung wird numerisch berechnet. Hierdurch kann eine höhere Konvergenzgeschwindigkeit erreicht werden. Bei ungeeigneten Startwerten ist jedoch auch bei dem Newton-Verfahren keine Konvergenz garantiert. Daher wird in dieser Arbeit vor der Anwendung des Newton-Verfahrens ein Residuen-Verfahren ([10]) genutzt, durch das geeignete Startwerte bestimmt werden. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Das detaillierte Vorgehen zur Bestimmung eines Zielsignals wird in Kapitel 2 beschrieben. In diesem Kapitel wird darüber hinaus die Methode zur Optimierung des Gate-Ansteuerungssignals auf Basis des Newton-Verfahrens beschrieben. Weiter wird im Kapitel 3 der verwendete Testaufbau eines DC-DC-Aufwärtswandlers erläutert und die Anwendung der allgemeinen Theorie der präsentierten Methode auf das Testsystem beschrieben. Darüber hinaus werden Messergebnisse diskutiert. Abgeschlossen wird diese Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick.