Vergleich zwischen parallelen und pseudo-kaskadierten adaptiven Kerbfilterarchitekturen zur breitbandigen aktiven Unterdrückung elektromagnetischer Störungen

Abstract

In modernen leistungselektronischen Systemen zur effizienten Energiewandlung und -verteilung werden zunehmend hochfrequent schaltende Leistungshalbleiter eingesetzt. Zur Reduktion von Schaltverlusten werden die Anstiegs- und Abfallzeiten der Schaltflanken minimiert. Aufgrund dieser kurzen Schaltzeiten in Kombination mit höheren Schaltfrequenzen entstehen auch höhere elektromagnetische Emissionen, sowohl leitungsgebunden als auch gestrahlt, die andere elektronische Systeme unerwünscht in ihrer Funktion beeinträchtigen können. Um derartige Störemissionen zu reduzieren, werden zumeist passive Filterschaltungen eingesetzt. Diese sind jedoch aufgrund ihres hohen Gewichts und Bauraumbedarfs zunehmend schwerer zu integrieren. Aktive Gegenstörkonzepte (siehe z.B. [1, 2, 3]), welche auf dem Einsatz von elektronischen Schaltungen zur Störauslöschung beruhen, können helfen, den passiven Filteraufwand zu reduzieren und damit kleinere und leichtere Gesamtsysteme ermöglichen. Adaptive Kerbfilter, also schmalbandige Bandsperrfilter, implementiert in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) in Verbindung mit A/D- und D/A-Wandlern, haben sich als vielversprechend zur aktiven Unterdrückung einzelner unerwünschter Harmonischer erwiesen (z.B. [4, 5, 6, 7]). Durch die Auslegung eines adaptiven Kerbfilters für eine unerwünschte Harmonische, also durch die Synthese, Adaption und Injektion einer entsprechenden Gegenstörung durch das Kerbfilter, konnten beispielsweise in [4] Störreduktionen einzelner Harmonischer von über 60 dB erzielt werden. Durch eine hohe Adaptionsgeschwindigkeit ergibt sich eine gewisse Bandbreite, wodurch Frequenzvariationen kompensiert und nicht mehr nur einzelne Schaltharmonische unterdrückt werden können, sondern – in einem gewissen Maße – auch z.B. Seitenbandharmonische. Zum Beispiel befinden sich bei Sinus-pulsweitenmodulierten (SPWM) Ansteuerungssignalen in direkter Nähe der Schaltharmonischen weitere Seitenbandharmonische (siehe z.B. [8]). Dadurch eignen sich adaptive Kerbfilterimplementierungen auch zur Reduktion typischer elektromagnetischer Emissionen schnellschaltender Wechselrichtersysteme [5, 6]. Der zu unterdrückende Frequenzbereich kann durch die Wahl der Regelparameter in bestimmten Grenzen beeinflusst werden. Eine breitbandige Filterung erfordert aber mehrere unabhängige adaptive Kerbfilter, die für verschiedene Frequenzen ausgelegt sind. Bei mehreren adaptiven Kerbfiltern gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, diese miteinander zu verschalten. Die Art der Anordnung entscheidet über die Störunterdrückungscharakteristik: Neben der naheliegenden, parallelen Anordnung mehrerer adaptiver Kerbfilter zur breitbandigen Unterdrückung unerwünschter Frequenzen wird in diesem Beitrag auch ein weiterer, aus der Akustik bekannter Ansatz zur (pseudo-) kaskadierten Anordnung [9, 10, 11] mehrerer Filter vorgestellt und diskutiert. Dieser Ansatz verspricht eine relativ breitbandige Störunterdrückungscharakteristik, die im Falle von SPWM-Störspektren notwendig ist und die Reduktion von Schaltharmonischen samt benachbarten Seitenbandharmonischen verspricht.