Methodologie und Prüfverfahren zur EMV Qualifizierung von Leistungsmodulen

Für Hersteller von leistungselektronischen Systemen sind Qualifizierungsergebnisse hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eines einzelnen Leistungsmoduls oft kein primäres Entscheidungskriterium für die Auswahl bzw. den Vergleich unterschiedlicher Lösungsangebote. Dennoch beeinflussen Leistungsmodule als primäre Störquelle auch insbesondere durch ihre integrierten Leistungshalbleiter die Störemission in einem erheblichen Maße. So können sich zum Beispiel je nach gewähltem Leistungsmodul deutliche Unterschiede im Emissionsspektrum ergeben. Die sich daraus ergebende Diskrepanz aufgrund der technischen Notwendigkeit und einer nicht vorhanden qualitativen Absicherung auf der Leistungsmodulebene ist letztlich der Unvergleichbarkeit zwischen den einzelnen Messergebnissen unterschiedlicher Modulhersteller geschuldet. Häufig werden innerhalb von Entwicklungsabteilungen EMV Messungen in Form eines Delta-Vergleiches unterschiedlicher Leistungsmodule verschiedener Generationen durchgeführt, welche aber keine echte Vergleichbarkeit liefern können. „State-of-the-Art“ EMV-Prüfungen werden aktuell auf Leistungsmodulebene häufig in einer vereinfachten, generischen Systemumgebung durchgeführt. D.h., das Leistungsmodul wird aktiv betrieben, dabei sind sowohl die Leistungselektronikkomponenten (Leitungsmodul, Zwischenkreis, interne Verbindungstechnik und Gehäuse) als auch die Systemumgebung (Bordnetznachbildung, E-Maschine, HV Leitungen und Gehäuse) vereinfacht und zum Teil nicht aussagefähig im Vergleich zu einem realen Fahrzeug aufgebaut. Aufgrund dieser Problematik ist es sinnvoll, zusätzliche Untersuchungen mit einem umgebungsunabhängigen Prüfverfahren durchzuführen, welches Aussagen über das reine Bauteil (Leistungsmodul) liefern kann. Innerhalb dieses Beitrags wird ein für die Leistungselektronik neuartiges passives Prüfverfahren vorgestellt, welches eine umgebungsunabhängige Charakterisierung von unterschiedlichen Leistungsmodulen erlaubt. Dieses Papier zeigt anschaulich das Potential, welches sich in einer rein passiven Leistungsmodulbewertung befindet. Innerhalb des BMBF geförderten Projektes „InSeL“ treibt das Fraunhofer IISB zusammen mit der BMW AG die Forschung im Bereich der passiven Leistungsmodulmessung voran und entwickelt dazu die nötigen Grundlagen für diese spezielle Messanwendung innerhalb der Leistungselektronik. In dem Beitrag wird das allgemeingültige Verfahren exemplarisch am Beispiel eines Fahrzeugumrichter-Modules erklärt

EMV von Kabeln, Steckern und Komponenten mit dem Triaxialverfahren

Die Reihe IEC 62153-4 beschreibt verschiedene Verfahren zur Messung von Kopplungswiderstand und Schirm- oder Kopplungsdämpfung mit dem Triaxialverfahren. Neue Kabelkonstruktionen, z.B. HV-Kabel für Elektrofahrzeuge mit Wellenwiderständen im Bereich von 10 Ohm erforderten die Anpassung der Normen der Reihe IEC 62153-4. Die neuen Normen IEC 62153-4-3, -4-4 und -4-7 ermöglichen jetzt die Messung der Schirmeigenschaften von Kabeln, Steckern und Komponenten ohne Impedanzwandler. Die Messung der Kopplungsdämpfung von symmetrischen Datenkabeln erfordert die Impedanzanpassung des 50 Ohm des Netzwerkanalysators an 100 Ohm Wellenwiderstand der zu prüfenden Kabel. Dies geschieht üblicherweise mit Symmetrieübertragern (Baluns). Handelsübliche Symmetrieübertrager sind nur bis zu Frequenzen von ca. 1.200 MHz erhältlich. Der Einsatz von Mehrtor-Netzwerkanalysatoren ermöglicht die Messung der Kopplungsdämpfung von geschirmten symmetrischen Paaren bis zu und über 3 GHz. Der folgende Bericht gibt eine Übersicht über neue und überarbeitete Normen der Reihe IEC 62153-4 zur Messung von Kopplungswiderstand und Schirm- oder Kopplungsdämpfung an Kabeln, Steckern und Komponenten mit dem Triaxialverfahren

Alternatives Verfahren für die Störfestigkeitsprüfung von elektronischen Messwandlern in Schaltanlagen

Mittelspannungsschaltanlagen ermöglichen in Energieversorgungsnetzen eine Änderung der Netztopologie, bzw. den selektiven Schutz des Netzes im Fehlerfall. Schalthandlungen in den Mittelspannungskreisen verursachen Vorund Rückzündungslichtbögen, die transiente Überspannungen mit kurzen Anstiegszeiten zur Folge haben. Diese breitbandigen Transienten koppeln auf die Niederspannungsseite über und wirken dort auf die elektronischen Schutzund Steuereinheiten (engl. intelligent electronic devices, kurz: IEDs) ein. Um das Risiko einer Fehlfunktion des Netzschutzes zu minimieren sind für die analogen Eingänge eines IEDs spezielle Typprüfungen vorgesehen. Durch die zunehmende Verbreitung von elektronischen Messwandlern nach IEC 60044-8, wie z.B. Rogowski-Sensoren, ergeben sich Unsicherheiten in Bezug auf das genormte Prüfverfahren. In diesem Beitrag werden die Unterschiede zwischen den konventionellen Stromwandlern (engl. current transformer, kurz: CT) und der neuen Technik vorgestellt. Beide Technologien werden hinsichtlich der Koppelpfade für Störgrößen verglichen. Anschließend werden das genormte Prüfverfahren und die Probleme bei dessen Anwendung auf IEDs mit elektronischen Messwandlern beschrieben. Es wird ein alternatives Prüfverfahren vorgeschlagen, dass die reale Beanspruchung für hochohmige Eingänge besser nachbildet. Die Vergleichbarkeit der Störpegel bei Prüfung und realem Schaltanlagenbetrieb wird dabei im Zeitund Frequenzbereich gezeigt

Verbesserung der Korrelation zwischen dem BCI- und dem Antennenprüfverfahren für Kfz-Komponenten durch Anpassung von Verstärkerleistung und Position der BCI-Zange

In diesem Beitrag wurde eine Methode vorgestellt, um die Feldeinkopplung in ein Kabel durch eine Antennenprüfung nach ISO 11452-2 in einer Absorberkammer durch eine BCI-Prüfung nach ISO 11452-4 durch Verschieben der Position der BCI-Zange und Anpassung der Verstärkerleistung besser nachzubilden. Beide Verfahren werden modelliert und anhand der Modelle wurden Untersuchungen durchgeführt. Zur Bestimmung der Position und Eingangsleistung der BCI-Zange werden zwei Verfahren vorgeschlagen. Mit den entwickelten Verfahren kann eine frequenzabhängige Anpassung der Position und Leistung für verschiedene Impedanzverhältnisse durchgeführt werden. Bisher wurden die Untersuchungen nur an einfachen Leitungsstrukturen in der Simulation durchgeführt. In der Zukunft sollen auch Kabelbündel berücksichtigt werden. Weiterhin ist es für die Auswahl der Position der Zange und der Einspeiseleistung noch notwendig, die Impedanz der Kabelabschlüsse zu kennen, was in der Praxis ein Problem darstellt. Hier müssen noch praxistaugliche Verfahren entwickelt werden, um die notwendigen Impedanzdaten zu erhalten. Inwieweit die noch nicht berücksichtigten Phasenbeziehungen eine Rolle spielen ist noch zu untersuchen

Anwendung der Stromeinspeisung (Bulk-Current-Injection) zur Störfestigkeitsprüfung bei unterschiedlichen Prüfbedingungen

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Vergleich zwischen drei Störfestigkeitsmessmethoden an KFZ-Unterbaukomponenten

Die Störfestigkeit von Kfz-Unterbaukomponenten kann anhand von verschiedenen Messverfahren nach ISO 11452 geprüft werden. Häufig wird die Fernfeldeinkopplung durch Antennen nach [1] über den Kabelbaum der Unterbaukomponente in einer Absorberhalle geprüft. Problematisch sind bei diesem Messverfahren die hohen Kosten für die Anschaffung sowie der Platzbedarf einer Absorberhalle. Alternativ wird für die Prüfung der Störfestigkeit von Kfz-Komponenten gemäß [2] das standardisierte Bulk- Current-Injection (BCI) Messverfahren verwendet, bei der Prüfströme in den Kabelbaum eingekoppelt werden. Das BCI-Messverfahren ist gegenüber der Feldeinkopplung in der Absorberhalle aufgrund der geringeren Beschaffungskosten sowie der Messzeit vorteilhaft. Mit Hilfe dieses Messverfahrens kann der Einfluss von Störungen sowie die Störfestigkeit von Geräten oder Systemen während der Entwicklung schnell und kostengünstig untersucht und bewertet werden [4]. In [5] wurde die Verbesserung der Korrelation zwischen dem BCI- und dem Antennenprüfverfahren für Kfz-Komponenten durch Anpassung von Verstärkerleistung und Position der BCI-Zange diskutiert. In [6] wurden die BCI- und Fernfeldeinkopplungsverfahren verglichen. Das BCI-Messverfahren an Kfz-Komponenten wurde auch mit der kapazitiven Spannungseinkopplung verglichen [7]. Ein zweites Alternativmessverfahren zur Prüfung der Störfestigkeit von Kfz-Komponenten ist der Streifenleiter nach ISO 11452-5 [3]. In [8] wurden die elektrischen Eigenschaften der Streifenleitung und die damit verbundenen Anwendungsgrenzen ermittelt. Die Gleich- und Gegentaktanregung von Kabeln wurde mit der Stripline-Methode und im Absorberraum untersucht und verglichen [9]. Durch die breitbandigen Frequenzbereiche sowie die komplexe Geometrie der Kfz-Komponenten und der zugehörigen Kabelbäume kann die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit dieser Prüfverfahren nicht immer sichergestellt werden. In diesem Beitrag werden die Herausforderungen an die Komplexität und den Aufwand der Kfz-Komponentenmessverfahren betrachtet. Außerdem wird die benötigte Vorwärtsleistung bei den Störfestigkeitstests diskutiert. Folgende Messverfahren wurden betrachtet: Feldeinkopplung in der Absorberhalle der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, BCI-Messverfahren und Streifenleiter

Proceedings EMV Kongress 2022 : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit

Proceedings der EMV 202

Hebel und Randbedingungen der EMV in der Leistungselektronik

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten und Vorgehensweisen der Simulation in der Leistungselektronik, speziell für Hochvoltsysteme. Der Beitrag richtet sich nicht an Spezialisten der EMV Simulation sondern vielmehr an diejenigen, die wissen wollen, welche Hebel die Leistungselektroniksimulation entfalten kann. Diskutiert werden dabei die Partitionierung eines komplexen Aufbaus, die zu verwendenden geeigneten Lösungsverfahren, mögliche Ziele der Modellierung sowie der Einfluss des Produktdesignprozesses auf die Möglichkeiten der Simulation. Als Beispiel wird am Ende des Beitrages ein 48V System per Simulation untersucht. Ziel ist, eine Abschätzung zu geben, unter welchen Bedingungen die Leistungselektroniksimulation sinnvoller Bestandteil der Produktentwicklung ist

Analyse der Störunterdrückung von HV-Systemen von E-Fahrzeugen

Die elektronischen Hochvoltkomponenten des Traktionssystems von Elektrofahrzeugen erzeugen Störungen von hoher Intensität, die gegebenenfalls die fehlerfreie Funktion anderer Elektroniksysteme im Fahrzeug beeinflussen. Die EMV-Anforderungen im Fahrzeug können bisher nur erfüllt werden, wenn diese Gesamtsysteme aufwendig geschirmt sind. Nachfolgend werden Untersuchungen vorgestellt, bei denen die Schirmung eines Hochvoltsystems, bestehend aus Umrichter, Motor, Spannungsquelle und Ansteuerung, durch innovative Filter in den Traktionsoder Phasenleitungen ersetzt wird. Dazu wird ein Messaufbau nach CISPR 25 [1] gezielt abgeändert. Der dadurch mögliche Verzicht auf rotierende Komponenten durch die Entwicklung einer Nachbildung für die E-Maschine führt zu signifikant vereinfachten Randbedingungen bei den Messungen ohne die Aussagekraft der Ergebnisse zu beeinflussen. Die entwickelte Einrichtung lässt sich unabhängig von dem eingesetzten EUT geschirmt und ungeschirmt betreiben. Die Einflussparameter auf die Störaussendung können damit gezielt analysiert werden. Zielstellung ist der Vergleich der Störaussendung bei Schirmung oder Filterung unter applikationsnahen Bedingungen. Für den Messaufbau wurde ein EMV-geeignetes Netzwerksimulationsmodell entwickelt. Es wird die beispielhaft auf Randbedingungen beim Filterentwurf eingegangen und die erreichbare Störunterdrückung an Bespielen dargelegt. Die Arbeiten erfolgten in im Auftrag der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT) des Verbandes der Automobilindustrie e. V. (VDA)

Messtechnische Detektion von Schirminhomogenitäten und Aperturen an Hochvoltleitungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen mittels der normativen Speisedraht- und Triaxialverfahren im praktischen Vergleich

Elektrofahrzeuge gewinnen vor dem Hintergrund der schwindenden Erdölreserven und den damit verbundenen steigenden Primärenergiepreisen zunehmend an Bedeutung [Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): Leitstudie 2008. Weiterentwicklung der "Ausbaustrategie Erneuerbare Energien" vor dem Hintergrund der aktuellen Klimaschutzziele Deutschlands und Europas, Berlin, Oktober 2008]. Neben dem Fahrkomfort stellen sich auch hohe Funktionalitätsanforderungen an Multimediasysteme (z.B. Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme, Audio- und Videoanwendungen). Alle Systeme müssen im Fahrzeug nebeneinander und miteinander einwandfrei funktionieren. Die Hochvoltebene (Antriebsstrang, Ladekreis) ist im Fahrzeug als geschirmtes System ausgeführt. Hierdurch wird ein IT Netz realisiert, welches die Funktion eines Berührschutzes übernimmt. Des Weiteren findet die Schirmung Verwendung um ein Hochfrequenzübersprechen eventueller Störungen im HV System in die 12 V-Niedervoltebene zu minimieren. Produktionsbedingte Schirmdefekte (Löcher in Leitungsschirmen, schlecht geschirmte Leitungen) reduzieren die Schirmwirkung und können somit den Fahrkomfort erheblich reduzieren bzw. auch die Fahrsicherheit beeinträchtigen (z.B. gestörte Sensorik von Fahrerassistenzsystemen oder Busleitungen) [Hans A. Wolfsperger: Elektromagnetische Schirmung, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2008]. Neben produktionsbedingten Schirminhomogenitäten können auch durch den alltäglichen Fahrzeugbetrieb Schirmdefekte durch Umwelteinflüsse entstehen [Günter Vogel: Umweltsimulation für Produkte, Zuverlässigkeit steigern, Qualität sichern, Würzburg, Vogel Verlag 1999]. (Reibung der Leitungen an Kanten hervorgerufen durch Vibrationen). Fahrzeug- und Steckverbinderhersteller stellen im Allgemeinen einen störungsfreien Betrieb von Antriebssystemen und Niedervoltkomponenten durch vordefinierte Schirmkonzepte sicher. Im Rahmen dieser Messreihe wird ein vertikales Triaxialverfahren und Speisedrahtverfahren bezüglich der Detektion von Schirminhomogenitäten und künstlich erzeugten Aperturen verglichen und bewertet. Nach ersten Erkenntnissen sind Aperturen und herstellungsbedingte Inhomogenitäten im Kabelaufbau mit dem Paralleldrahtverfahren einfacher zu detektieren