Wandler, die bei der Prüfung der Stoßspannungsfestigkeit oszillieren

Die Induktivität in einem Entkopplungsnetzwerk zwischen einer DC-Spannungsquelle und der Eingangskapazität eines DC/DC-Wandlers kann Oszillationen verursachen, die zu Anlauffehlern und Geräteschäden führen können. Die bei Überspannungsfestigkeits-Prüfung nach IEC 61000-4-5 verwendete Ausrüstung wird besonders wahrscheinlich zu Oszillationen führen, wenn keine Abhilfemaßnahmen ergriffen werden. Im Folgenden wird die Ursache der Oszillationen untersucht und was getan werden kann, um diese zu vermeiden.

Anforderungen für die Stoßspannungsfestigkeits-Prüfung (IEC 61000-4-5)

Testziel

• Das Ziel dieser Prüfung besteht darin, die Leistung des Prüfobjekts (EUT) unter hochenergetischen Störungen (Stoßspannungsimpulse) auf den Spannungsversorgungs- und Verbindungsleitungen zu bewerten. Diese Störungen können durch Überspannungen von Schalt- und Blitztransienten verursacht werden
• Die Überspannung wird normalerweise an AC- (oder DC)- Spannungseingangsports angelegt, aber in einigen Normen muss diese auch an Signalports angelegt werden.
• Üblicherweise werden Überspannungsimpulse über eine Quellenimpedanz (z. B. ein Widerstand von 10 Ω mit einer Kapazität von 9 µF in Reihe geschaltet) direkt in die Signale eingekoppelt.
• Das Kopplungs/Entkopplungs-Netzwerk (CDN - Coupling - Decoupling Network) ist normalerweise in einem Immunitätstestsystem enthalten und hilft, die Stromversorgung oder Zusatzgeräte während der Überspannungsprüfung zu schützen.

Problem Definition

Das Problem hängt mit dem Vorhandensein einer Induktivität zusammen, die innerhalb des CDN verwendet wird, um die DC-Versorgungsquelle vom DC/DC-Wandler durch Kombination mit einer Kapazität des Wandlers zu entkoppeln. Je höher die im CDN verwendete Induktivität ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von Oszillationen zu erwarten. Im Gegensatz dazu sind Oszillationen bei höherer Eingangskapazität des Wandlers weniger wahrscheinlich.

Sobald das EUT über das CDN verbunden ist, können derzeit konstruierte Wandler möglicherweise nicht anlaufen oder oszillieren. In einigen Fällen können diese Oszillationen dazu führen, dass das EUT beschädigt wird.

Große Speicherkondensatoren, die früher in Eingangsschaltungen älterer Wandler verwendet wurden, um die Energie zwischen Leitungszyklen zu speichern, wurden in neueren Designs eliminiert oder drastisch reduziert, um andere wichtige Wandlereigenschaften (Anforderungen an den Einschaltstrom oder die Eingangsentladungszeit) zu erfüllen.

Überlegungen zur Verbesserung

Erhöhen der Eingangsspannung der DC-Quelle

Je höher die Eingangsspannung angelegt wird, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von zu erwartenden Oszillationen. Zusätzlich muss darauf geachtet werden, dass die DC-Quellenspannung hoch genug eingestellt ist, um Verluste am CDN und an den Eingangsleitungen zu kompensieren (z. B. beträgt bei einer 300 W-DC/DC-Wandlerleistung der Spannungsabfall über das CDN bei 24 V und einem CDN mit einer Reihenschaltungsnimpedanz von 0,5 Ω etwa 7 V). Auch die Schienenfahrzeugnorm EN 50121-3-2 definiert, dass die Stoßspannungsprüfung bei einer maximalen Eingangsbetriebsspannung durchgeführt werden muss (z. B. für die Prüfung bei 137,5 V für Anwendungen mit 110 V Batteriespannung).

Abnehmender Ausgangsstrom der Last

Bei geringerer Ausgangsleistung ist der Eingangsstrom, der der Quelle entnommen wird, niedriger – bei entsprechend geringer Belastung würden die Oszillationen entfallen.

Verwendung von CDN mit höherer Nennstromstärke

Diese CDN haben typischerweise eine niedrigere Entkopplungsinduktivität und einen niedrigeren Serienwiderstand, was zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit von Oszillationen bei gegebenen Leitungs- und Lastbedingungen führt. Die in der Norm IEC 61000-4-5 definierten allgemeinen Anforderungen an die Überspannungsfestigkeit enthalten keine Parameter für die CDN-Induktivität. Daher sind verschiedene CDN-Komponenten auf dem Markt erhältlich, was dazu führt, dass einige Prüflabore ein CDN mit beträchtlich hoher Induktivität verwenden, bei der DC/DC-Wandler oszillieren könnten. Im Gegensatz dazu könnte es Labore geben, die ein CDN mit niedrigerer Induktivität verwenden, ohne dass eine Instabilität beobachtet wird. Eine typische Induktivität des CDN beträgt etwa 1 mH (je Pol).

Ursache von Oszillationen und mögliche Lösungen

Theoretische Erklärung (1/4)

Nachdem der Schalter „SW“ eingeschaltet wird (oder eine andere Änderung/Stufe in die Schaltung eingeführt wird), treten harmonische Oszillationen mit der Frequenz „fr“ in dieser LC-Schaltung auf.

fr = (1/2pi) * (1/sqrt(L*C))

Da kein Dämpfungselement vorhanden ist, das die Energie abführt, die sich vom Magnetfeld der Drossel zum elektrischen Feld des Kondensators und zurückbewegt, setzen sich die Oszillationen der Kondensatorspannung und des Drosselstroms unaufhörlich mit konstanter Amplitude fort.

Theoretische Erläuterung (2/4)

Sobald ein Dissipationselement (Widerstand „Rdump“) in die Schaltung integriert ist, kommt es zu Verlusten bei der Energieübertragung zwischen Drossel und Kondensator und die Amplituden der Oszillationen nehmen mit der Zeit ab.

Theoretische Erläuterung (3/4)

Wird anstelle des Dämpfungswiderstands (Last) ein geregelter Stromrichter angeschlossen, werden die Amplituden nicht verringert, sondern verstärken sich im Laufe der Zeit.

Dies liegt daran, dass der Regler des Wandlers seinen Eingangsstrom erhöht, wenn seine Eingangsspannung sinkt (um die Ausgangsleistung konstant zu halten).

Dies kann durch den virtuellen Begriff „negative Impedanz/Widerstand“ dargestellt werden und hat den gegenteiligen Effekt im Vergleich zum Dämpfungswiderstand (ein negativer Widerstand liefert die Energie für den Resonanzkreis).

-R = dv/di = (Vin1-Vin2)/(Iin1-Iin2) = (Vin1-Vin2)/(P/Vin1 – P/Vin2)

Wobei P die Eingangsleistung des Wandlers ist.

Theoretische Erläuterung (4/4)

Um diesen Effekt zu kompensieren, muss zu der Schaltung mindestens ein gleicher Dämpfungswiderstand „R“ hinzugefügt werden. Um eine angemessene Dämpfung zu erhalten sollte der Wert von „R“ ziemlich niedrig sein.

Eine Parallelschaltung des Dämpfungswiderstands „R“ würde unter DC-Bedingungen zusätzliche erhebliche Verluste verursachen. Daher ist es zum Dämpfen der Oszillationen effizienter, den Widerstand „Rs“ und den Kondensator „Cs“ in Reihe zu schalten.

Verfügbare Lösungen zur Reduzierung von Oszillationen während der Überspannungsprüfung