Active cancellation of electromagnetic emissions of power electronic systems by injecting synthesized and synchronized signals

In this thesis, a new method is developed for the active cancellation of predictable EMI by injecting synthesized and synchronized signals. At first, a generic description is derived for the active cancellation of conducted EMI of arbitrary single- and multi-port electronic systems. From the mathematical description, important requirements for the overall system and the cancellation signals are found. Analog active EMI filters as an established method for active EMI cancellation are discussed. These use analog circuitry to generate the cancellation signals from a measured quantity by a feedback or feedforward approach. It is shown that the performance of these structures is systematically limited by the amplifiers' gain-bandwidth products (that can also be interpreted as time constants) and the finite propagation speed of electrical signals. Digital active EMI filters use digital signal processing hardware instead of analog amplifiers in the feedback or feedforward structures. By doing so, restricting gain-bandwidth products are avoided. However, the signal processing causes significant delay times that limit the performance of these systems. Active cancellation methods and systems in the fields of power quality and acoustics are reviewed for their applicability to active EMI cancellation. The most promising approaches are applicable to periodic disturbances. These synthesize artificial cancellation signals and inject them in synchronicity with the disturbances. For quasi-periodic EMI, these systems can use the knowledge of the past for the future. Therefore, time constants and delay times can be compensated by shaping the cancellation signal and injecting it earlier than the EMI occurs. By doing so, the signal generation is no limiting factor for the achievable EMI reduction anymore. The remaining limitations are the capabilities of the digital hardware. These methods are further abstracted to a new active cancellation technique that uses synthesized and synchronized cancellation signals. This method requires the EMI to be predictable so that the cancellation signals can be synthesized and injected at the right time. The predictability is given for quasi-periodic signals (since the past signals allow for an extrapolation into the future), but may also be given for non-periodic signals if there is sufficient knowledge on the upcoming events. Various possibilities for implementation are discussed. The method is realized by an FPGA system with an ADC and a DAC, or a laboratory setup consisting of arbitrary waveform generators, an oscilloscope and a PC. The FPGA system is investigated and applied to one port of a DC-to-DC converter and a PFC. The laboratory setup is first applied to one and afterward to multiple ports of a DC-to-DC converter. After a system identification, the components are purposefully designed to fulfill specific EMI requirements. Measurement results demonstrate the high potential of the method with promising EMI reductions of up to 64 dB for 1 MHz and up to 47 dB for frequencies of up to 30 MHz

Reduktion räumlicher und zeitlicher Mehrdeutigkeiten bei der Lagrange'schen Strömungsanalyse unter Verwendung farbiger Tracer

von Christian Bendick

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

Injektorkonzepte zur aktiven Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen aller Klemmen eines stationär betriebenen DC/DC-Wandlers

Die voranschreitende Elektrifizierung des Kfz erfordert den Einsatz verschiedener leistungselektronischer Konverter, die durch die funktionsbedingten Schaltvorgänge der Leistungstransistoren ein hohes Maß an elektromagnetischen Störungen verursachen können. Um andere elektronische Systeme nicht in ihrer Funktion zu beeinträchtigen, muss die Störaussendung begrenzt werden. Üblicherweise werden dazu passive Filterkomponenten eingesetzt. Diese können für hohe Störungen, Spannungen und Ströme jedoch groß, schwer und teuer werden. Um bauraumreduzierte Systeme zu ermöglichen, haben sich bereits verschiedene aktive Methoden zur Störunterdrückung etabliert [1]. Aktive EMV-Filter wurden z.B. in [2]-[5] vorgestellt. Diese Systeme nutzen das Prinzip der destruktiven Interferenz. Das Gegenstörsignal wird direkt durch Messung und Invertierung der Störungen generiert. Limitierte Verstärkungs-Bandbreiten-Produkte und unvermeidbare Verzögerungszeiten begrenzen hierbei die Filterleistung. Bei stationär betriebenen Systemen bestehen die Störungen aus diskreten Harmonischen, die sich auf die zugrundeliegende Schaltfrequenz zurückführen lassen. Damit ist es also möglich, ein Gegenstörsignal aus einzelnen Sinuswellen zu synthetisieren. Durch Synchronisation der Ansteuersignale und Einstellen der Amplituden und Phasen der einzelnen Sinussignale ist es beispielsweise möglich, systembedingte Verzögerungszeiten, Phasen- und Betragsgänge zu kompensieren. In diesem Beitrag wird die Methodik der aktiven Störunterdrückung mithilfe von synthetisierten und synchronisierten Gegenstörsignalen eingesetzt [6], [7]. Dadurch konnten bereits überzeugende Ergebnisse für einzelne Klemmen eines stationär betriebenen DC/DC-Wandlers erzielt werden. Diese Methode wurde in [8] erweitert, um die aktive Störunterdrückung an allen Klemmen (und damit für das Gesamtsystem) zu ermöglichen. In [8] wurden die Gegenstörsignale zwischen den Leitungen und der Referenzmasse über kapazitive Injektoren eingekoppelt. Diese führen allerdings zu einer Erhöhung der Y-Kapazitäten des Gesamtsystems, die es aufgrund von Sicherheitsvorschriften zu beschränken gilt. Dieses Problem kann beispielsweise durch den Einsatz induktiver Injektoren behoben werden. Im Rahmen dieses Beitrags werden verschiedene Injektoren hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Einschränkungen diskutiert

Aktive Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen eines stationär betriebenen Antriebswechselrichters mithilfe von synthetisierten und synchronisieren Gegenstörsignalen

Die voranschreitende Elektrifizierung des Kfz bedingt eine steigende Anzahl an leistungselektronischen Konvertern zur Energiewandlung und -verteilung. Aufgrund der zugrundeliegenden PWM-Signale können diese Systeme erhebliche elektromagnetische Störungen erzeugen, welche beispielsweise den Empfang von Funkdiensten, die für das automatisierte Fahren eine noch größere Bedeutung bekommen werden, verschlechtern oder unmöglich machen. Zur Begrenzung dieser Störungen werden üblicherweise passive Filterstrukturen eingesetzt, welche groß, schwer und teuer sind. Zur Reduktion des Verbrauchs und zur Erhöhung der Reichwerte werden jedoch leichte Systeme gefordert. Aktive Verfahren zur Störunterdrückung können hier eine Lösung sein. Zunächst werden in diesem Beitrag zwei Verfahren zur aktiven Störunterdrückung vorgestellt und zusammengefasst. Diese umfassen aktive EMV-Filter und die aktive Störunterdrückung mithilfe von synthetisierten und synchronisierten Gegenstörsignalen. Das zuletzt genannte Verfahren hat sich als vorteilhaft bei der Unterdrückung der Störungen von stationär betriebenen DC/DC-Wandlern herausgestellt. Im Rahmen dieses Beitrags soll dieses Verfahren das erste Mal auf einen stationär betriebenen Antriebswechselrichter angewendet werden. Die Topologie und die Ansteuerung des betrachteten Antriebswechselrichters werden vorgestellt und die zu erwartenden Störungen werden diskutiert. Daraufhin wird das hier verwendete Verfahren zur Generierung des Gegenstörsignals (Berechnung im Frequenzbereich mithilfe einer FFT) dargestellt. Der realisierte Demonstrator wird beschrieben und verschiedene Messergebnisse werden präsentiert. Unerwartete Einflüsse werden herausgearbeitet und Optimierungen werden am System umgesetzt. Der Beitrag schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick ab

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

Verbesserung des EMV-Verhaltens getakteter MOSFETs mithilfe synthetisierter Ansteuerungssignale auf Grundlage einer Netzwerkanalyse und des EKV-Modells

Aufgrund der Elektromobilität steigt die Anzahl leistungselektronischer Systeme in Kraftfahrzeugen (Kfz) stark an. Durch die funktionsbedingten Schaltvorgänge können diese erhebliche Störquellen für andere im Kfz befindliche Systeme darstellen. Um die Störungen zu reduzieren, sind unterschiedliche Ansätze zur Störunterdrückung bekannt. Eine häufig eingesetzte Lösung sind passive Filter. Diese dämpfen die entstandenen Störungen, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu gewährleisten. Eine Alternative ist es, die Entstehung von elektromagnetischen Störungen direkt an der Quelle ihrer Entstehung zu verhindern oder zu reduzieren. In leistungselektronischen Systemen stellen die schaltenden Transistoren die Quellen der Störungen dar. Da es sich hierbei um gut steuerbare Elemente handelt, kann die elektromagnetische Verträglichkeit durch gezielte Ansteuerungssignale verbessert werden. Ziel ist, das EMV-Verhalten des betrachteten Systems zu verbessern. Gleichzeitig soll die Effizienz des Schaltvorgangs erhalten bleiben. Dies stellt einen Zielkonflikt dar. Wird das Spektrum eines Trapezsignals in Bild 1 (in Gelb) betrachtet, treten auch bei hohen Frequenzen noch relativ hohe Schwingungsamplituden auf. Wird die Flankensteilheit des Trapezsignals reduziert, werden die Amplituden hochfrequenter Signalanteile reduziert (Bild 1 in Blau). Nachteil ist jedoch, dass sich die Schaltzeit erhöht und damit einhergehend die Schaltverluste. Die Effizienz des Schaltvorgangs sinkt hierdurch. Einen verbesserten Kompromiss stellen s-förmige Signale dar [1]. Ein Beispiel hierfür sind Pulse mit gaußförmigen Flanken. Das Spektrum dieses Pulses ist ebenso in Bild 1 (in Grün) dargestellt. Bei gleicher Anstiegs- und Abfallzeit wie bei dem Trapezsignal mit steilen Schaltflanken (in Gelb) weisen hochfrequente Signalanteile eine geringere Amplitude auf, sodass ein verbesserter Kompromiss zwischen EMV und Effizienz gegeben ist. Die Methode dieses Beitrags hat das Ziel, das notwendige Ansteuerungssignal für einen zuvor definierten Ausgangsstromverlauf zu bestimmen. Wie in Bild 2 dargestellt, kann der Ausgangsstromverlauf im Zeit- oder Frequenzbereich vorgegeben werden. Durch Modifikation und Anwendung einer Netzwerkanalyse auf das betrachtete leistungselektronische System wird das erforderliche Ansteuerungssignal bestimmt. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren ist den Methoden der aktiven Gate-Ansteuerung (engl. active gate control) zuzuordnen. Einen Überblick über bereits bekannte Methoden der aktiven Gate-Ansteuerung wird in Abschnitt 2 gegeben. Die entwickelte Methode umfasst die Berechnung des Gate-Signals eines MOSFETs zur Steuerung des Ausgangssignals und wird im Detail in Abschnitt 3 beschrieben. Im Folgenden wird eine Source-Schaltung betrachtet, die in Abschnitt 4 modelliert wird. In Abschnitt 5 wird diese Methode in einem Anwendungsbeispiel auf eine Source-Schaltung angewendet. Darauffolgend wird die Güte der Methode anhand von Berechnungen unter Verwendung des Modells des Testsystems verifiziert. Abschließend werden die Ergebnisse in Abschnitt 6 zusammengefasst. In Abschnitt 7 werden Erweiterungsmöglichkeiten und Potentiale dieser Methode diskutiert

Zeit- und frequenzbereichsbasierte Bestimmung der Grundfrequenz von Störsignalen zur Anwendung in der aktiven Störunterdrückung mithilfe von synthetisierten Signalen

Zur Dämpfung stationärer Störsignale leistungselektronischer Systeme werden meist passive Filterschaltungen eingesetzt. Mit der Motivation, das hohe Gewicht, das große Bauvolumen und die damit einhergehenden Kosten dieser passiven Filterschaltungen einsparen zu können, wurden aktive Kompensationsverfahren wie die aktive Filterung [1, 2] entwickelt. Hierbei wird ein Störsignal mit einer Verzögerungszeit behaftet gemessen, rückgeführt und dem Störsignal destruktiv überlagert. Aufgrund der unvermeidbaren Verzögerungszeit durch die Messung und Rückführung der Störung, die die Unterdrückung des Störsignals einschränkt, wurde mit dem Konzept der aktiven Störunterdrückung der Ansatz der synthetischen Erzeugung geeigneter Gegenstörsignale etabliert [3, 4]. Durch geeignete Anpassung des synthetisierten Gegenstörsignals kann im Idealfall eine vollständige Unterdrückung der Störung resultieren. Im Falle eines periodischen Störsignals ist sein zeitlicher Werteverlauf vorhersagbar. Dadurch wird die Synthese eines geeigneten Gegenstörsignals ermöglicht. Dieses Gegenstörsignal muss zu jedem Zeitpunkt exakt auf die Störung abgestimmt sein. Dazu ist die zeitliche Synchronität zwischen Stör- und Gegenstörsignal entscheidend. Bisherige Realisierungskonzepte für getaktete leistungselektronische Systeme erreichen die notwendige dauerhafte Synchronität von Stör- und Gegenstörsignalen durch die Erzeugung der Ansteuerungssignale für die Leistungselektronik und der Gegenstörung durch ein gemeinsam verwendetes digitales System [3, 4]. Durch nur einen gemeinsamen Taktgenerator ist ein fester zeitlicher Bezug zwischen dem Ansteuerungssignal, dem Störsignal und dem Gegenstörsignal gegeben. Hieraus resultieren jedoch erhebliche Einschränkungen. Das Gegenstörsystem muss zusammen mit der Ansteuerung der Leistungselektronik entwickelt werden. Eine Nachrüstlösung mit einem unabhängigen zweiten Taktgeber führt aufgrund von unvermeidbaren Toleranzen zwischen den Taktgebern früher oder später zu Problemen. Das Gegenstörsignal muss in festen zeitlichen Abständen nachsynchronisiert werden. Eine PLL könnte diese Aufgabe übernehmen, hier sind jedoch sehr hohe Echtzeitanforderungen durch die Hardware zu erfüllen. Wünschenswert ist eine offline-Bestimmung des Gegenstörungssignal für eine gesamte Periodendauer, was eine längere Berechnungszeit erfordert. Damit auch nach der Berechnung des Synthesesignals die Synchronität noch sichergestellt werden kann, sind Verfahren notwendig, welche insbesondere die Periodendauer der Störung sehr genau bestimmen können

Finishing Perspective (Endbehandlung Perspektive)

Vor dem Hintergrund des Konferenzrahmens: Entwerfen, Entwickeln, Erleben möchten wir dem Leser den Entwurf unseres geometrischen Ansatzes einer Objekt-basierten Perspektivischen Optimierung (OPO), das Entwickeln unseres computergrafischen Algorithmus und das Erleben und Arbeiten im Designentscheidungsprozess nahebringen. Den OPO-Algorithmus vergleichend wollen wir einen zweiten Ansatz, eine Kamera-basierte Perspektivische Optimierung (KPO), darlegen. Unser konkretes Anliegen ist es, Designentscheidungsprozesse zu unterstützen, indem wir digitale und analoge Mittel und Werkzeuge optimieren und zusammenbringen. Das heißt, nicht nur optimierte computergrafische Algorithmen, sondern auch ein design-gerechtes Verhalten des Betrachters vor einer Bildfläche sind entscheidend. Je nach Rolle des Betrachters (Entscheider, Designer, Präsentator, Moderator) liegen spezifische Rahmenbedingungen, Handlungs- sowie Arbeitsabläufe im Designentscheidungsprozess vor