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Aktive Gegenkopplung elektromagnetischer Störungen

Einleitung: Active Noise Cancellation

In einer Forschungsarbeit des Arbeitsgebiets Bordsysteme werden aktive Gegenkoppelkonzepte für elektromagnetische Störungen untersucht und entwickelt. Das grundsätzliche Konzept ist im Bereich der Akustik unter dem Begriff „Active Noise Cancellation“ weit verbreitet. Bei dieser Methode werden die Störungen durch Gegenstörungen überlagert, wodurch es zu einer destruktiven Interferenz kommt, und die Störungen eliminiert werden.

ANC

PE

Anwendung auf elektromagnetische Störungen

Zur Reduktion der Störemission werden in leistungselektronischen Konvertern üblicherweise passive Filterstrukturen eingesetzt, welche Kondensatoren, Spulen und Schirme umfassen. Zur Erhöhung der Leistungsdichte und Reduktion der Kosten sollen diese Elemente durch aktive Gegenkoppelstrukturen ersetzt werden, welche im Wesentlichen auf Siliziumhalbleitern basieren. Bisherige Implementierungen von aktiven Gegenkoppelstrukturen in der EMV verwenden dabei analoge Schaltungstechnik. Das Arbeitsgebiet Bordsysteme setzt an dieser Stelle als Vorreiter digitale FPGA-Signalverarbeitungssysteme ein, welche die Implementierung innovativer und umfangreicher Methoden ermöglichen.

Universelle FPGA-Entwicklungsumgebung

Programmierbare FPGA-Entwicklungsboards sind vielfältig einsetzbare Plattformen zur Realisierung verschiedenster Prototypen. Das Arbeitsgebiet Bordsysteme hat in verschiedenen Projekten umfangreiche Erfahrungen mit unterschiedlichen Systemen sammeln können. Der Fokus lag und liegt dabei auf einer effizienten und benutzerfreundlichen Programmierung, um beliebige Untersuchungen schnell, flexibel und systematisch durchführen zu können. Dazu wurde eine Entwicklungsumgebung aufgebaut, mit der die FPGA-Logik in Matlab Simulink zunächst definiert, simuliert und optimiert werden kann. Anschließend kann die modellbasiert entwickelte Logik übersetzt und auf den FPGA-IC geladen werden. Insbesondere für die Realisierung der adaptiven Gegenkopplung eröffnet dieses flexible System immense Möglichkeiten. Vor dem Hintergrund von möglichen Anwendungen auf dem Markt erforscht das Arbeitsgebiet Bordsysteme ebenfalls hardwarereduzierte Realisierungen der erarbeiteten Methoden und Strategien.

xilinx

AHC

Adaptive Gegenkopplung von Harmonischen

Eine besondere Methode stellt die aktive Gegenkopplung der Störungen von (quasi‑)stationär getakteten Systemen dar. Bei diesen Systemen bilden sich aufgrund der Taktung störende Harmonische aus, welche die Grundwelle und die zugehörigen Oberwellen umfassen. Um diese Systeme zu entstören, ist es ausreichend, genau diese Frequenzkomponenten zu unterdrücken. Zur Realisierung wird für jede störende Harmonische ein in der Frequenz entsprechender Sinus generiert. Zur Ermittlung der notwendigen Amplitude und Phase wird ein Optimierer eingesetzt, der komplexe Berechnungen oder einfache Suchalgorithmen umfassen kann. Damit wird ein Gegenkoppler beschrieben, der sich adaptiv auf das störende System einstellt.

Demonstrator

Zu Demonstrationszwecken wurde das Verfahren auf einem FPGA-System implementiert und auf einen Testaufbau angewendet. Bei dem Probanden handelt es sich um einen DC/DC-Wandler, welcher hier die Bordnetzspannungen von 48 V und 12 V miteinander verbindet. Die 48 V-seitigen Störungen werden mithilfe einer Bordnetznachbildung und einem Spektrumanalysator gemessen. Das FPGA-System misst die Störungen an der Bordnetznachbildung als Feedback-Signal, um die Gegenkopplung zu optimieren. Zur Injektion der Gegenstörungen ist ein einfacher Ringferrit mit zwei Wicklungen à zwei Windungen vorgesehen. Das Ansteuerungssignal des Konverters wird von dem FPGA-System erzeugt, um eine vollständige Synchronisation zwischen Störungen und Gegenstörungen zu erzielen. Zur Vermeidung störender Masseschleifen wird ein Digitalisolator zur galvanischen Trennung eingesetzt.

Demonstrator

Messung

Messung

Als Beispiel wurde der Bereich der Lang- und Mittelwelle (150 kHz-1,8 MHz [CISPR 25]) mithilfe der adaptiven Gegenkopplung entstört. Es ist ersichtlich, dass alle betrachteten Harmonischen erheblich reduziert wurden (teilweise um über 60 dB), wodurch das System nun der Grenzwertklasse 5 der CISPR 25 genügt. Die adaptive Gegenkopplung von Harmonischen ist somit ein effektives Verfahren zur Unterdrückung der Harmonischen von stationär getakteten Systemen.

Weiterführende Informationen

Bendicks, A.; Dörlemann, T.; Frei, S.; Hees, N.; Wiegand, M.: FPGA-basierte aktive Gegenkopplung der Schaltharmonischen von leistungselektronischen Systemen, EMV Düsseldorf, Germany, 2018

Bendicks, A.; Dörlemann, T.; Frei, S.; Hees, N.; Wiegand, M.: Development of an Adaptive EMI Cancellation Strategy for Stationary Clocked Systems, EMC Europe, Germany, 2018

Bendicks, A.; Dörlemann, T.; Frei, S.; Hees, N.; Wiegand, M.: Active EMI Reduction of Stationary Clocked Systems by Adapted Harmonics Cancellation, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2018

Bendicks, A.; Frei, S.; Broadband Noise Suppression of Stationary Clocked DC/DC Converters by Injecting Synthesized and Synchronized Cancellation Signals, IEEE Transactions on Power Electronics, 2019



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Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Stephan Frei
Leiter Arbeitsgebiet
Tel.: 0231 755-5980
M. Sc. Andreas Bendicks
Wissenschaftlicher Angestellter
Tel.: 0231 755-3033
M. Sc. Tobias Dörlemann
Wissenschaftlicher Angestellter
Tel.: 0231 755-4307