Analogtipp EMI-Filter Aktive Filter-ICs: So gelingen kleinere Gleichtaktfilter

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Schulz-Electronic GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

Texas Instruments

Eine kompakte EMI-Filterstufe in High-Density-Schaltreglern zu entwickeln, ist nicht trivial. Wir stellen in diesem Analogtipp die praktische Umsetzung eines aktiven Gleichtaktfilters vor, der sich durch eine signifikante Größenreduzierung der Gleichtaktdrosseln gegenüber rein passiven Filtern auszeichnet.

Bordnetz-Ladegeräte von Elektrofahrzeugen, aber auch Server-Stromversorgungen sind Beispiele für Anwendungen, in denen die Leistungsdichte eine hohe Priorität hat. Hier kommt es also darauf an, auch die EMI-Filter möglichst kompakt zu realisieren. Oftmals jedoch steht die Größe passiver Filter einer höheren Leistungsdichte entgegen, beanspruchen sie doch bis zu 30 Prozent des Gesamtvolumens einer Stromversorgung.

Der große Platzbedarf entsteht hauptsächlich durch Gleichtaktdrosseln, die hohe Induktivitätswerte aufweisen müssen, da Y-Kondensatoren aus Gründen der Berührungssicherheit nur eine begrenzte Kapazität haben dürfen.

Aktive EMI-Filterschaltungen (AEF) ermöglichen nicht nur kompaktere Filter, sondern erzeugen auch geringere Verluste, was das Wärmemanagement vereinfacht und die Zuverlässigkeit verbessert. AEF-ICs, die es in ein- und dreiphasiger Ausführung gibt, werden zwischen den Gleichtaktdrosseln platziert, deren Induktivitätswerte dadurch deutlich niedriger gewählt werden können als bei einem passiven Filter, und bieten den Gleichtaktströmen einen Ableitweg mit niedrigerer Impedanz.

Mithilfe einer aktiven EMI-Filterschaltung gelingt es, den Frequenzgang der Injektionskondensatoren so zu formen, als wäre ihr Kapazitätswert bei hohen Frequenzen größer. Die höhere Kapazität in dem für die EMI-Eindämmung wichtigen Frequenzbereich gestattet wiederum die Verwendung von Gleichtaktdrosseln mit geringeren Induktivitätswerten, als sie bei einem passiven Filter erforderlich wären.

Aktive Gleichtaktfilter: Die Vorteile

Die aktive Filterschaltung bringt gleich mehrere Vorteile mit sich. Der Filter ist einfacher aufgebaut, deckt einen größeren Frequenzbereich ab und besitzt höhere Stabilitätsreserven. Die kleineren, leichteren und billigeren Gleichtaktdrosseln ergeben zudem deutlich niedrigere Kupferverluste und bieten bei hohen Frequenzen eine bessere Dämpfung. Es werden keine zusätzlichen induktiven Bauelemente benötigt, und auch die Sicherheit verbessert sich durch die Verwendung eines Niedervolt-AEF-IC, der zudem nah an den Filterbauteilen platziert werden kann. Die Beständigkeit gegen Netzspannungsspitzen hilft bei der Einhaltung der IEC-Norm 61000-4-5.

Bild 1 zeigt eine AEF-Implementierung, in welcher der einphasige AEF-IC TPSF12C1-Q1 zur Eindämmung von Gleichtaktstörgrößen dient. Bild 2 zeigt die EMI-Testergebnisse mit deaktivierter bzw. aktivierter AEF-Funktion.

Im niedrigen Frequenzbereich von 100 kHz bis 3 MHz bewirkt die Schaltung eine Abschwächung der Gleichtakt-Störgrößen um bis zu 30 dB, sodass ein Filter mit zwei nanokristallinen Drosseln von je 2 mH die gleiche CM-Unterdrückung erzielt wie ein passives Filter mit zwei Drosseln von 12 mH. Für einen fairen Vergleich wurden Drosseln aus der gleichen Produktfamilie und mit ähnlichen Kernwerkstoffen gewählt (Anbieter: Würth Elektronik).

Mit der Lösung aus diesem Beispiel erzielten wir eine Senkung der Gesamt-Kupferverluste bei 10 A (unter Vernachlässigung des aus der Temperaturzunahme resultierenden Anstiegs des Wicklungswiderstands) von 60 Pozent, was zu einer geringeren Erwärmung der Bauteile sowie zu einer besseren Zuverlässigkeit führt.

Fazit: Insgesamt ist es eine durchaus anspruchsvolle Aufgabe, eine kompakte und effiziente EMI-Filterstufe für Schaltregler mit hoher Leistungsdichte zu entwickeln. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Größe und die Kosten hohe Priorität haben. Ein aktiver Gleichtaktfilter zeichnet sich durch eine signifikante Größenreduzierung der Gleichtaktdrosseln gegenüber rein passiven Filtern aus. (kr)

* Timothy Hegarty ist System- und Applikationsingenieur für Abwärtswandler bei Texas Instruments in Phoenix, USA.

(ID:49428805)