98 research outputs found
Dynamic Feedforward Control for an Active Three Phase EMI Filter
Power electronic systems usually produce high amounts of electromagnetic interferences (EMI)
due to PWM operation. To comply with international standards on electromagnetic compatibility
(EMC), e. g. EN 61800-3 in industrial applications [1], the EMI shall not exceed given limits. To
reach these limits often filters need to be integrated into the system. The common solution is to
add passive EMI filters consisting of capacitors and inductors [2]. Passive filters are often bulky
and heavy, therefore active cancellation techniques for power electronic systems were introduced
[3]. Active EMI filter (AEF) consists of an analog (and rarely also digital) circuit to actively suppress
the disturbances by injecting an anti-noise signal.
As discussed in [4], well-known closed loop feedforward or feedback structures for AEF have their
limitation specially because of the limited amplifiers open-loop gain, delays due to the finite signal
propagation speed in the circuit and the measurement accuracy. For this reason, active EMI
cancellation by injecting synthesized signals was introduced.
This paper introduces a method for generating a synthesized signal for a three-phase grid
converter
Output Amplifier Phase Compensation for Improved Filter Performance of Feedforward Active EMI Filters
[no abstract available
MATLAB/Octave function to evaluate time-domain signals according to the measurement bandwidth and average/peak detector of EMI test receivers
Electromagnetic emissions are often measured with EMI (electromagnetic emissions) test receivers or spectrum analyzers [1] that must be specifically set up regarding their measurement bandwidth, frequency step size and measurement time (e.g. [2] for automobiles). Additionally, the emissions must be evaluated by different measurement detectors (e.g. average or peak) that may all have individual limit lines like in [2].
EMI measurements can be done in frequency or in time domain [1]. Frequency-domain measurement devices sequentially apply the superheterodyne principle to the frequencies of interest [3]. Since the measurement time for each frequency may take up to several seconds, the total measurement time can become long and cumbersome [4]. To overcome this problem, the time-domain signal can be processed by using, e.g., fast Fourier transforms (FFTs) and further methods [4]. This principle can also be applied to evaluate time-domain simulation results according to EMC standards. There are numerous publications on this topic including, e.g., [4] and [5].
In this contribution, a MATLAB/Octave function is presented that evaluates time-domain signals according to EMC standards. This “virtual EMI test receiver” mimics actual EMI test receivers regarding their measurement bandwidth, frequency step and average/peak detection. Potential use cases include the EMC evaluation of oscilloscope measurements or simulation results. The developed function can be found in the MATLAB Central (https://mathworks.com/matlabcentral/) under the title “Virtual EMI test receiver” by Andreas Bendicks [6].
In the following section, the superheterodyne measurement principle is described that is mimicked by the virtual EMI test receiver. Afterward, the corresponding signal processing of the MATLAB/Octave function is explained. The precision of the MATLAB/Octave function is verified by comparing its results to the ones of an actual EMI test receiver. The work is closed by a conclusion and an outlook
Schmalbandige nichtlineare Optimierung des Gate-Ansteuerungssignals von Leistungstransistoren zur Minimierung von Schaltresonanzen
[no abstract available
Simulationsbasierte Analyse der Störfestigkeit von ausgedehnten CAN FD-Netzwerken gegen elektromagnetische Felder
Die große Anzahl von elektrischen Komponenten und Steuergeräten im Fahrzeug erfordert Kommunikationssysteme
mit vielen Teilnehmern und hohen Datenraten. CAN FD [1,2] ermöglicht
Übertragungsraten bis 8 MBit/s über ein ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar. Die räumliche
Ausdehnung der Kommunikationsnetzwerke und die Zunahme leistungselektronischer Systeme
im Fahrzeug bilden eine herausfordernde elektromagnetische Umgebung. Teile des Kommunikationsnetzes
können sich nah an Störquellen befinden, was eine Einkopplung von Störgrößen ermöglicht.
Für die Realisierung von neuen Fahrzeugfunktionen bis hin zu automatisiertem Fahren
ist eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung unerlässlich und damit auch die genaue
Kenntnis über die Störfestigkeit der Kommunikationssysteme. In diesem Beitrag wird eine simulationsbasierte
Analysemethode von ausgedehnten CAN FD-Netzwerken mit mehr als 3 Teilnehmern
vorgestellt, die eine quantitative Bewertung der Störfestigkeit verschiedener Netzwerktopologien
ermöglicht. Es wird ein modular aufgebautes Simulationssetup präsentiert, das für eine
systematische Analyse von Parametern der Netzwerktopologie und der Störeinkopplung verwendet
wird. Als Störquelle wird eine ebene Welle betrachtet, sodass die Analyse verschiedener Frequenzen
der eingekoppelten Felder möglich ist. Die Verwendung von ungeschirmten verdrillten
Leitungen führt vor allem zur Einkopplung von Common-Mode-Störungen (CM). Da in einem differentiell
übertragenden Kommunikationssystem Differential-Mode-Störungen (DM) besonders
kritisch sind, wird ebenfalls die durch Asymmetrien im Netzwerk hervorgerufene Modenkonversion
und die damit entstehenden DM-Störungen untersucht. Das Paper ist wie folgt strukturiert: In Kapitel
2 werden die Simulationsmodelle für Kommunikationstransceiver, Leitungen und Störeinkopplung
einer ebenen Welle vorgestellt. In Kapitel 3 werden auf Basis der Modelle verschiedene
Netzwerktopologien aufgebaut und mit Frequenz- und Zeitbereichssimulationen untersucht. Der
Fokus liegt dabei auf der Methodik der simulationsbasierten Analyse der Netzwerktopologien. Die
CM- und DM-Spannungen an den verschiedenen Transceivern im Netzwerk können für die Bewertung
der Störfestigkeit verwendet werden, sodass kritische Parameter der untersuchten Sterntopologien
identifiziert werden können. Die Ergebnisse werden in Kapitel 4 zusammengefasst
Nahfeldbasierte Charakterisierung eines schnellen Bus-Systems zur Bestimmung des Störpotentials und der Auslegung von Filtermaßnahmen
Die Auswertung von Nahfelddaten ist ein vielversprechender Ansatz, um die EMV-Eigenschaften von elektrischen Komponenten und Systemen kontaktlos zu analysieren. Kritische Feldemissio-nen und die verursachenden Quellen können in einer beliebigen Messumgebung bestimmt wer-den. Zur Untersuchung von Leiterplatten sind insbesondere Stromrekonstruktionsverfahren wie [1] oder [2] von Interesse, da diese die tatsächliche Stromverteilung in einer untersuchten Struktur bestimmen und so die Ströme in den einzelnen Leiterbahnen identifizieren.
In diesem Beitrag geht es um Stromrekonstruktionsverfahren, welche die Kenntnis über die Geo-metrieinformationen zu den Leiterbahnen einer untersuchten Leiterplatte voraussetzen. Diese Verfahren erlauben es in vielen Fällen für kritische Leiterbahnen die Terminierungsimpedanzen zu bestimmen. Anhand dieser Daten ist eine gezielte Auslegung von Entstörmaßnahmen möglich [3]. In [2] und [3] wurden einfache Beispielanordnungen für die Anwendung von Stromrekonstruk-tionsverfahren gewählt, um die grundsätzlichen Potentiale zu analysieren. Hier wurde ein Leiter gezielt angeregt und die Phase der Nahfelddaten war bekannt. Ein großer Abstand zwischen den Leitern vereinfachte die Bestimmung der Stromverteilungen. In Abgrenzung zu vorangegangenen Untersuchungen wird in dieser Arbeit eine realitätsnähere Leiterplattenstruktur untersucht und ihre Stromverteilung mit dem Verfahren aus [2] bestimmt. Hierzu wird im Vorfeld die Fragestellung diskutiert, welche Bedingungen eine Feldmessung erfül-len muss, um die notwendigen Daten zu bestimmen, mit denen eine genaue Rekonstruktion mög-lich ist. Gleichzeitig wird auch untersucht, welche Grenzen das in [2] vorgestellte Verfahren hat, bzw. für welche Strukturen eine befriedigende Rekonstruktion nicht mehr erwartet werden kann.
Einen entscheidenden Einfluss hat die Wahl der Messsonde sowie die Positionierung. In [1] wird der Einfluss von Positionierungsfehler auf die rekonstruierten Ströme untersucht, wobei ideale Feldmessungen angenommen werden. Tatsächlich basiert jedoch der Messeffekt von Nahfeld-sonden i.d.R. auf der Integration von Feldstärken in einem aktiven Bereich (bspw. der Induktion in eine Schleifenfläche bei einer magnetischen Nahfeldsonde). Daher liefert die gemessene Span-nung an der Sonde lediglich eine integrale Aussage über das Feld im Sondenbereich. Dies führt zu einem systematischen Messfehler (vgl. [4]). Um solche Fehler zu reduzieren, sollten möglichst kleine Sonden verwendet oder spezielle Messtechniken angewendet werden, wie bspw. die Aus-wertung von Differenzen von leicht versetzten Feldmessungen [5]. Die Beschreibung der Feldver-teilung über eine räumliche Faltung der Messwerte mit der Aufnahmecharakteristik der Feldsonde [6] ist ein weiteres Verfahren zur Fehlerminimierung. Die genannten Verfahren sind jedoch unge-eignet für schwache Feldquellen oder erfordern die Erfassung der Messdaten in einem äquidistan-ten Gitter, was zu sehr langen Messzeiten führen kann. Die in [2] vorgestellte Rekonstruktionsme-thode kann mit wenigen Messdaten im Leiterbahnenbereich gute Ergebnisse erzielen. Dazu wer-den die Sondenspannungen mithilfe von skalaren Übertragungsfaktoren in Feldwerte übertragen.
Um zu klären, welcher Einfluss die Wahl einer Feldsonde auf die Rekonstruktionsqualität hat, werden in diesem Beitrag Simulationen vorgestellt und diskutiert. Das Nahfeld einer SPI-Kommu-nikation von zwei Mikrocontrollern auf einer Leiterplatte wird gemessen und die Stromverteilung wird rekonstruiert. Aufgrund einer praxisnahen Signalerzeugung, einer phasenlosen Nahfeldmes-sung und einem kleinen Leiterabstand stellen diese Untersuchungen einen wichtigen Schritt hin zu realitätsnahen Konfigurationen dar und grenzen sich so gegenüber den vorherigen Betrach-tungen ab. Anhand der bestimmten Rekonstruktionsergebnisse wird exemplarisch gezeigt, wie eine Maßnahme zur Unterdrückung von Störemissionen gezielt ausgelegt werden kann. In dieser Arbeit wird zur Bestimmung der Stromverteilung die in [2] vorgestellte Rekonstruktionsmethode
verwendet. Bei dieser Methode wird zwischen den Felddaten und der gesuchten Stromverteilung
ein inverses Problem formuliert und gelöst. Für die Formulierung wird ein Feldmodell
anhand der Leitergeometrie aufgebaut und bei der Lösung werden physikalische Bedingungen
wie z.B. die Leitungstheorie berücksichtigt. Die Untersuchungen zu den Bedingungen, unter denen
dieses Rekonstruktionsverfahren genaue Ergebnisse liefert, werden im zweiten Kapitel vorgestellt.
Danach folgen im dritten Kapitel die Messung, Analyse und Diskussion des SPI-Kommunikation-
Demonstrators. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick
Nichtlineare EMV-Optimierung von periodischen Gate-Ansteuerungssignalen im Frequenzbereich mit dem Newton-Verfahren
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
Messtechnische Validierung und Rechenzeitoptimierung für ein nahfeldbasiertes Stromrekonstruktionsverfahren zur Prädiktion von Antennenmessergebnissen
[no abstract available
Global distribution of the HIMU end member: Formation through Archean plume-lid tectonics
Oceanic basalts reflect the heterogeneities in the earth's mantle, which can be explained by five mantle end members. The HIMU end member, characterized by high time-integrated μ (238U/204Pb), is defined by the composition of lavas from the ocean islands of St. Helena, South Atlantic Ocean and Mangaia and Tubuai (Cook-Austral Islands), South Pacific Ocean. It is widely considered to be derived from a mantle reservoir that is rarely sampled and not generally involved in mixing with the other mantle components. On the other hand, the FOZO end member, located at the FOcal ZOne of oceanic volcanic rock arrays on isotope diagrams, is considered to be a widespread common component with slightly less radiogenic 206Pb/204Pb and intermediate Sr-Nd-Hf isotopic compositions. Here we present new major and trace element, Sr-Nd-Pb-Hf isotope and geochronological data from the Walvis Ridge and Richardson Seamount in the South Atlantic Ocean and the Manihiki Plateau and Eastern Chatham Rise in the southwest Pacific Ocean. Our new data, combined with literature data, document a more widespread (nearly global) distribution of the HIMU end member than previously postulated. Our survey shows that HIMU is generally associated with low-volume alkaline, carbonatitic and/or kimberlitic intraplate volcanism, consistent with derivation from low degrees of melting of CO2-rich sources. The majority of end member HIMU locations can be directly related to hotspot settings. The restricted trace element and isotopic composition (St. Helena type HIMU), but near-global distribution, point to a deep-seated, widespread reservoir, which most likely formed in the Archean. In this context we re-evaluate the origin of a widespread HIMU reservoir in an Archean geodynamic setting. We point out that the classic ocean crust recycling model cannot be applied in a plume-lid dominated tectonic setting, and instead propose that delamination of carbonatite- metasomatized subcontinental lithospheric mantle could be a suitable HIMU source
Vergleich zwischen parallelen und pseudo-kaskadierten adaptiven Kerbfilterarchitekturen zur breitbandigen aktiven Unterdrückung elektromagnetischer Störungen
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
- …