EMC-Leistungstests Design und Verbesserung für elektronische Spannungswandler

1 Überblick über die EMC-Leistung von elektronischen Spannungswandlern
1.1 Definition & Anforderungen an die EMC

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) bezeichnet die Fähigkeit eines Geräts/Systems, in einer gegebenen elektromagnetischen Umgebung ungestört zu arbeiten und keine unannehmbare elektromagnetische Störung für andere Entitäten zu verursachen. Für elektronische Spannungswandler erfordert EMC eine stabile Messleistung in komplexen Umgebungen, ohne andere Geräte zu stören. Ihre EMC-Leistung muss bei der Konzeption und Herstellung berücksichtigt und gewährleistet werden.

1.2 Arbeitsprinzip

Elektronische Spannungswandler nutzen elektromagnetische Induktion und hochpräzise elektronische Messung, um Hochspannungssignale in Stromsystemen in Niederspannungssignale umzuwandeln. Sie bestehen in der Regel aus einem Primär sensor, einer Sekundärwandler-Schaltung und einer Signalverarbeitungseinheit: Der Primärsensor wandelt Hochspannungssignale in schwache Ströme/Spannungen um, die proportional zur Primärspannung sind; die Sekundär-Schaltung konvertiert diese weiter in standardisierte digitale/analoge Signale; die Verarbeitungseinheit filtert, verstärkt und kalibriert die Signale, um die Messgenauigkeit und -stabilität zu verbessern. Sie können Spannung, Strom und Leistung eines einzelnen Schaltkreises (siehe Abbildung 1) oder Spannung/Strom von einem oder mehreren Schaltkreisen messen.

1.3 Analyse der elektromagnetischen Störung & Empfindlichkeit

Elektronische Spannungswandler unterliegen elektromagnetischen Störungen durch andere elektrische Geräte (z.B. Blitzimpulse, Transientüberspannungen durch Schaltvorgänge), was die Messleistung beeinträchtigt (z.B. erhöhte Fehler, unstabile Anzeigen).

2 Analyse der Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeitsleistung von elektronischen Spannungswandlern (EVT)
2.1 Testinhalt und Bewertungskriterien

Der Test zur elektromagnetischen Verträglichkeitsleistung eines EVT ist ein entscheidender Schritt, um seine stabile und genaue Funktion in realen Arbeitsumgebungen sicherzustellen. Der Test fokussiert sich auf die Beurteilung der Störfestigkeit des EVT und seiner Leistung unter verschiedenen elektromagnetischen Störungen. Die Bewertungskriterien sind in Kategorie A und B unterteilt, abhängig von der Schwere der Testergebnisse:

• Kategorie A: Behält normale Leistung innerhalb der Genauigkeitsvorgaben. Die Bewertung erfordert, dass die Messgenauigkeit des EVT bei elektromagnetischen Störungen innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt. Dies stellt sicher, dass das Ausgangsspannungssignal dem tatsächlichen Wert entspricht und nicht die normale Überwachung und Steuerung des Stromsystems stört.

• Kategorie B: Erlaubt vorübergehende Verschlechterung der Messleistung, die nicht mit Schutzfunktionen zusammenhängt. Die Kriterien erlauben vorübergehende Abnahmen der Messleistung unter elektromagnetischen Störungen, sofern sie die normale Funktion der Schutzfunktionen nicht beeinträchtigen oder einen Gerätereset/Neustart verursachen. Die Ausgangsspannung muss innerhalb von 500 V kontrolliert werden, um unnötige Störungen oder Schäden am Stromsystem zu vermeiden.

2.2 Leitungsgeführte Störtests

Leitungsgeführte Störungen beziehen sich auf elektromagnetische Störungen, die über leitfähige Wege (z.B. Drähte, Metallrohre) übertragen werden. Für EVTs stellen leitungsgeführte Störungen eine große Herausforderung dar.

• Test auf elektrische schnelle Transiente/Bursts (EFT/B): Simuliert transiente Störungen von induktiven Lasten (z.B. Relais, Kontaktoren) während des Schaltens, die in der Regel breite Frequenzspektren haben und die Funktionsweise des EVT stören können. Der Test wendet eine Reihe schneller Transientbursts auf den EVT an und beobachtet die Stabilität und Genauigkeit des Ausgangsspannungssignals, um die Störfestigkeit zu bewerten.

• Übertragbarkeitstest gegen Überspannungen (Impulsfestigkeit): Simuliert transiente Überspannungen/Überströme durch Schaltvorgänge, Blitzschläge usw. Diese Ereignisse tragen hohe Energie und kurze Dauer, was die Isolierung und Messgenauigkeit des EVT stark beeinflusst. Der Test wendet Überspannungen auf den EVT an, um dessen Fähigkeit zu überprüfen, Störungen ohne Schaden oder Leistungsabfall zu widerstehen.

2.3 Strahlungsstörtests

• Festigkeit gegenüber Netzfrequenzmagnetfeldern: Bewertet die Leistung des EVT in Netzfrequenzmagnetfeld-Umgebungen. Durch Anwendung eines gesteuerten Netzfrequenzmagnetfelds beobachtet der Test die Stabilität und Genauigkeit des Ausgangsspannungssignals, um die Störfestigkeit zu bewerten.

• Festigkeit gegenüber gedämpften oszillatorischen Magnetfeldern: Simuliert gedämpfte oszillatorische Magnetfelder, die bei der Betätigung von Trennschaltern in Hochspannungsanlagen auf Hochspannungsbusbaren entstehen. Diese Felder haben schnelle Abfallraten und hohe Frequenzen, die die Messgenauigkeit des EVT beeinträchtigen können. Der Test wendet gedämpfte oszillatorische Magnetfelder an, um zu prüfen, ob der EVT eine stabile Messleistung aufrechterhält.

• Festigkeit gegenüber Puls-Magnetfeldern: Simuliert Puls-Magnetfelder von Blitzschlägen auf Gebäuden oder anderen metallischen Strukturen. Diese Felder haben schnelle Anstiegszeiten und hohe Spitzenintensitäten, die die Isolierung und Messgenauigkeit des EVT bedrohen. Der Test wendet Puls-Magnetfelder an, um die Fähigkeit des EVT zu überprüfen, Störungen ohne Schaden oder Leistungsabfall zu überstehen.

• Festigkeit gegenüber Hochfrequenzstrahlungsmagnetfeldern: Bewertet die Leistung des EVT in Hochfrequenzstrahlungsumgebungen (z.B. industrielle elektromagnetische Quellen, Radiosendungen, Mobilfunkbasisstationen). Durch Anwendung gesteuerter Hochfrequenzstrahlungsfelder beobachtet der Test die Stabilität und Genauigkeit des Ausgangsspannungssignals, um die Störfestigkeit zu bewerten.

3 Designprinzipien für die elektromagnetische Verträglichkeit von elektronischen Spannungswandlern
3.1 Schaltkreisdesignprinzipien

• Schwebmassivdesign: Im Schaltkreisdesign wird die Schwebmassivtechnik verwendet, um Signalleitungen vom Gehäuse zu isolieren. Dies verhindert, dass Störströme im Gehäuse direkt in den Signalweg koppeln, reduziert Rauschstörungen und verbessert die Signalgeneauigkeit und -stabilität.

• Rationales Verkabelungsdesign: Eine geeignete Anordnung von Stromleitungen, Masseleitungen und verschiedenen Signalleitungen ist entscheidend, um die Kopplungsstörungen zu minimieren. Im Schaltkreisdesign von EVTs sollte die Kopplung zwischen den Leitungen minimal gehalten werden. Methoden wie geschichtete Verkabelung und orthogonale Routen (um parallele Läufe zu vermeiden) reduzieren die elektromagnetische Induktion und die kapazitive Kopplung.

• Filterkondensator-Design: Filterkondensatoren werden am Stromversorgungseingang von Modulen implementiert, um Störsignale, die über die Stromversorgung eindringen, zu unterdrücken. Kondensatoren werden basierend auf Parametern wie Kapazität, Spannungsfestigkeit und Frequenzeigenschaften ausgewählt, um effektiv Hochfrequenzrauschen und Störungen von der Stromquelle zu filtern.

• Niedrigpegel-Logik-Design: Unnotwendige hohe Logikpegel sollten vermieden werden, um den Stromverbrauch und die Hochfrequenzstörungen im Schaltkreis zu reduzieren. Im Schaltkreisdesign von EVTs sollten niedrigpegelige Logikbauteile (z.B. 3,3 V-Bauteile) bevorzugt werden, um die Emission und Rezeption von Hochfrequenzrauschen zu minimieren.

• Steuerung der Anstiegs- und Abfallzeiten: Wählen Sie die langsamsten zulässigen Anstiegs- und Abfallzeiten (innerhalb der Schaltkreisfunktionalität) aus, um unnötige Hochfrequenzkomponenten zu vermeiden. Dies hilft, das Hochfrequenzrauschen im Schaltkreis zu reduzieren und die Signalstabilität und -genauigkeit zu verbessern.

3.2 Prinzipien des internen Strukturdesigns

• Vollständig geschlossene Abschirmstruktur: Verwenden Sie eine vollständig geschlossene Abschirmung für das Gehäuse, um einen guten Kontakt zwischen allen Oberflächen und eine ordnungsgemäße Erdung sicherzustellen. Dies blockiert effektiv externe elektromagnetische Feldstörungen und schützt die internen elektronischen Schaltkreise vor externen Störungen.

• Minimieren der Länge der freiliegenden Leitungen: Halten Sie alle freiliegenden Leitungen im Gehäuse so kurz wie möglich, um die elektromagnetische Strahlung und die Kopplungsstörungen zu reduzieren. Im internen Design von EVTs sollten die Komponentenanordnung und -platzierung optimiert werden, um die Länge der freiliegenden Leitungen zu minimieren.

• Bündelung und Gruppierung von Kabeln: Gruppieren Sie die Leitungen nach Signalarten (z.B. getrennte digitale und analoge Leitungen) und halten Sie angemessenen Abstand zwischen den Gruppen. Dies reduziert das Crossover zwischen den Leitungen und verbessert die Signaldeutlichkeit und -genauigkeit.

• Verwendung von leitfähigen Klebstoffen: Verwenden Sie leitfähigen Klebstoff an allen Gehäuseanschlussstellen, um eine gute elektrische Verbindung und eine wirksame Abschirmung sicherzustellen. Dies senkt den Kontaktwiderstand und verbessert die Leistung der Abschirmung.

4 Strategien zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeitsleistung von elektronischen Spannungswandlern
4.1 Störfestes Design des Stromversorgungsanschlusses
4.1.1 Installieren von Stromfiltern

Ein Stromfilter ist ein effektives Gerät zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen, das Hochfrequenzrauschen und transiente Impulse in der Stromversorgung filtern kann, um die Reinheit der Stromversorgung sicherzustellen. Bei der Auswahl eines Stromfilters sollten Sie das passende Filtermodell und die Spezifikation gemäß der Nennleistung und der Arbeitsumgebung des EVT wählen und sicherstellen, dass der Filter nahe am Stromzufuhranschluss installiert wird, um die beste Filterwirkung zu erzielen.

4.1.2 Redundantes Stromversorgungsdesign

Um die Stromversorgungsverlässlichkeit des EVT zu verbessern, wird ein redundantes Stromversorgungsdesign eingesetzt, d.h., es werden zwei oder mehr Stromversorgungsmodule konfiguriert. Wenn ein Stromversorgungsmodul ausfällt, können andere Stromversorgungsmodule schnell die Stromversorgung übernehmen, um den normalen Betrieb des EVT sicherzustellen. Dies verbessert nicht nur die Störfestigkeit des EVT, sondern auch seine Gesamtstabilität.

4.1.3 Verstärkung der Abschirmung und Erdung der Stromleitungen

Stromleitungen sind ein wichtiger Pfad für die Verbreitung elektromagnetischer Störungen. Um elektromagnetische Störungen auf den Stromleitungen zu reduzieren, werden abschirmende Kabel verwendet, um die Stromleitungen in eine metallische Abschirmung zu wickeln, um die Strahlung und Kopplung elektromagnetischer Wellen zu reduzieren. Gleichzeitig sollte eine gute Erdung der Stromleitungen gewährleistet werden, um die Störströme in den Boden zu leiten und Schäden am EVT zu vermeiden.

4.2 Elektrostatische Entladungsschutz der Signalanschlüsse
4.2.1 Installieren von Bauteilen zur Absorption transienter Störungen

Bauteile zur Absorption transienter Störungen, wie Transient Voltage Suppressors (TVS) und Varistoren, können schnell die Entladungsenergie bei elektrostatischen Entladungen absorbieren und die Spannung auf ein sicheres Niveau begrenzen, um die internen elektronischen Bauteile des EVT vor Schäden zu schützen. Bei der Auswahl von Bauteilen zur Absorption transienter Störungen sollten Sie das passende Bauteilmodell und die Spezifikation gemäß den Signalcharakteristiken und der Arbeitsumgebung des EVT wählen.

4.2.2 Einsatz der Differenzsignalübertragungsmethode

Die Differenzsignalübertragungsmethode kann effektiv gemeinsame Modenstörungen widerstehen und die Störfestigkeit des Signals verbessern. Im Signalanschlussdesign des EVT wird die Differenzsignalübertragungsmethode eingesetzt, bei der das Signal in positive und negative Kanäle geteilt wird. Effektive Informationen werden durch den Vergleich der Signalunterschiede zwischen den beiden Kanälen extrahiert, was nicht nur die Qualität der Signalübertragung verbessert, sondern auch die Störung durch elektrostatische Entladungen am EVT reduziert.

4.3 Optimierung der Gehäuseabschirmleistung
4.3.1 Auswahl von Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität

Die Materialauswahl des Gehäuses ist entscheidend für die Abschirmwirkung. Um die magnetische Feldabschirmfähigkeit des Gehäuses zu verbessern, werden Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität, wie Eisenplatten, ausgewählt, die effektiv magnetisches Feldenergie absorbieren und verteilen und die Störung des magnetischen Feldes im Inneren des EVT reduzieren. Die relative magnetische Permeabilität von Metallen ist in Tabelle 1 dargestellt.

4.3.2 Optimierung des Gehäusedesigns

Das strukturelle Design des Gehäuses ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Abschirmwirkung beeinflusst. Im Gehäusedesign des EVT wird eine vollständig geschlossene Abschirmstruktur eingesetzt, um einen guten Kontakt und eine ordnungsgemäße Erdung zwischen den verschiedenen Oberflächen sicherzustellen.

4.3.3 Verstärkung der Erdung des Gehäuses

Die Erdung des Gehäuses ist entscheidend für die Abschirmwirkung. Im Gehäusedesign des EVT muss eine gute Erdverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Erdungspunkt gewährleistet werden, um die Störströme in den Boden zu leiten.

Sie emittieren auch Störungen wie Hochfrequenzharmonische und elektromagnetische Strahlung, die andere Geräte beeinflussen. Ihr Design erfordert Maßnahmen zur Unterdrückung und zum Schutz dieser Störungen und Empfindlichkeiten.

5 Schlussfolgerung

In diesem Artikel wird die elektromagnetische Verträglichkeitsleistung von elektronischen Spannungswandlern eingehend erforscht und entworfen. Es werden eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, einschließlich Schaltkreisdesignprinzipien, Prinzipien des internen Strukturdesigns und Strategien zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeitsleistung. Das Ziel ist es, die Störfestigkeit und Stabilität des EVT in komplexen elektromagnetischen Umgebungen zu verbessern, sicherzustellen, dass es Spannungssignale in Stromsystemen genau und zuverlässig messen kann, und eine starke Garantie für den sicheren und stabilen Betrieb von Stromsystemen zu bieten.