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Die Erfindung betrifft einen aktiven Filter zur Reduktion von Gleichstörimpulsen auf den Hochvoltleitungen, insbesondere den Hochvoltleitungen von Elektrofahrzeugen.
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Die hohe Spannungslage leistungselektronischer Komponenten in Elektrofahrzeugen bedingt eine erhöhte Störaussendung. Dabei sind insbesondere die Gleichtaktstörimpulse bzw. die Common-Mode-Störungen (CM) auf den Leitungen zwischen Wechselrichter und Hochvolt-Batterie für eine erhöhte Störaussendung verantwortlich. Dies ist vor allem kritisch, da auf der DC-Seite mehr abstrahlfähige Strukturen vorhanden sind.
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Mit Hilfe von EMV-Filtern kann diesen Störungen entgegen gewirkt werden. Diese bestehen üblicherweise aus kapazitiven Elementen, welche die Störungen nahe der Quelle kurzschließen bzw. induktiven Elementen, welche die Impedanz des Störpfades erhöhen. Um CM-Störungen in Elektrofahrzeugen zu reduzieren, werden primär Y-Kondensatoren zwischen den HV-Leitungen und der Fahrzeugmasse eingesetzt. Da diese Bestandteile der Isolation des HV-Systems sind, sind sie sicherheitskritisch, sodass hier besondere Anforderungen gelten. Gemäß ISO 6469-3 ist die im Kondensator gespeicherte Energie auf einen Wert von 200 mJ zu begrenzen. Bei einem 400 V Hochvoltsystem entspricht dies einer gesamten Y-Kapazität im Fahrzeug von nur 2,5 µF.
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Reichen diese Maßnahmen nicht aus, kann die Störung mit Hilfe von induktiven Elementen in Form von CM-Drosseln entgegengewirkt werden. Diese Maßnahme ist aber sowohl kosten- als auch bauraumintensiv.
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In dem Fachartikel „Aktive EMI-Filter zur Reduktion von CM-Störimpulsen auf den HV-Leitungen von Elektrofahrzeugen“, präsentiert auf der 7. GMM Fachtagung „EMV im KFZ“, 20.09.2017 in Wolfsburg, wird zur Lösung dieses Problems die Verwendung aktiver Filterschaltungen vorgeschlagen.
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Dabei wird insbesondere ein aktiver Filter vorgeschlagen, umfassend ein Einkoppelglied aus mindestens zwei Kondensatoren, die in Reihe geschaltet zwischen der positiven Hochvoltleitung und der negativen Hochvoltleitung angeordnet sind, einen Spannungsverstärker, einen Stromverstärker und ein Auskoppelglied. Das Auskoppelglied besteht aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, die zwischen der positiven Hochvoltleitung und der negativen Hochvoltleitung angeordnet sind, wobei der Stromverstärker eine Push-Pull-Stufe aufweist, d.h. zwei komplementäre Transistoren am Ausgang aufweist.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen aktiven Filter zu schaffen, der ein verbessertes Frequenzverhalten aufweist.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen aktiven Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst das aktive Filter zur Reduktion von Gleichtaktstörimpulsen auf Hochvoltleitungen, insbesondere auf Hochvoltleitungen von Elektrofahrzeugen, ein Einkoppelglied aus mindestens zwei Kondensatoren, die in Reihe geschaltet zwischen der positiven Hochvoltleitung und der negativen Hochvoltleitung angeordnet sind, einen Spannungsverstärker, einen Stromverstärker und ein Auskoppelglied. Das Auskoppelglied besteht aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, die zwischen der positiven Hochvoltleitung und der negativen Hochvoltleitung angeordnet sind. Weiter weist der Stromverstärker mindestens eine Transistor-Endstufe auf.
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Dabei sind dem mindestens einen Transistor (Q1-Q4) der Transistor-Endstufe zwei Kondensatoren zugeordnet, die parallel geschaltet sind und zwischen Kollektor oder Drain und Masse angeordnet sind, wobei die Kapazität des einen Kondensators ein Vielfaches kleiner als die Kapazität des andere Kondensators ist. Über die beiden Kondensatoren kann der Transistor schneller umgeladen werden, als wenn dies nur über die Betriebsspannungsquelle erfolgen würde. Anschaulich stellen die Kondensatoren daher schnelle Ladungsquellen dar. Die Kondensatoren sind dabei vorzugsweise in gleicher Technologie gefertigt, also beispielsweise Mehrschicht-Keramik-Kondensatoren. Dabei gilt, dass die größeren Kondensatoren auch größere parasitäre Elemente wie Induktivitäten oder ohmsche Widerstände aufweisen, die die Dynamik begrenzen. Durch den Kondensator mit der kleinen Kapazität kann somit die Umladung auch bei sehr großen Frequenzen im MHz-Bereich sichergestellt werden. Die kleinere Kapazität stellt dabei kein Problem dar, da die Störenergien in diesem Bereich betragsmäßig nicht so groß sind. Dabei liegt der Faktor zwischen den beiden Kondensatoren beispielsweise zwischen 10 bis 100, vorzugsweise zwischen 20 und 30.
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In einer Ausführungsform ist die Transistor-Endstufe als Push-Pull-Stufe ausgebildet, wobei jedem Transistor der Push-Pull-Stufe ein Kondensatorpaar zugeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Stromverstärker mindestens zwei parallele Push-Pull-Stufen auf.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass allen Transistoren aller Push-Pull-Stufen je ein Kondensatorpaar zugeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Transistor ein kleiner Kondensator zugeordnet ist, wobei der größere Kondensator bzw. Kondensatoren zusätzlich nur den Transistoren einer Push-Pull-Stufe zugeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die Transistoren des Spannungsverstärkers und des Stromverstärkers als Bipolartransistoren ausgebildet, da diese eine große Steilheit aufweisen und so gegenüber FETs Dynamikvorteile aufweisen. Allerdings sind auch Schaltungen mit Bipolar- und Feldeffekttransistoren möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den Emittern der Transistoren der Push-Pull-Stufen und einem Mittelabgriff zwischen den Kondensatoren des Auskoppelgliedes jeweils mindestens ein ohmscher Widerstand angeordnet. Hierdurch wird die Schwingungsanfälligkeit reduziert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an einer Verbindungsleitung zwischen einem Ausgang des Spannungsverstärkers und einem Eingang des Stromverstärkers ein Widerstand angeordnet, der gegen Masse geschaltet ist. Hierdurch wird das Potential an diesem Punkt stabilisiert und somit verhindert, dass das Potential „floaten“ kann, was zu Unsymmetrien in der Stromverstärkung führen könnte.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an Versorgungsspannungsanschlüssen des Spannungsverstärkers jeweils mindestens ein Kondensator angeordnet, der gegen Masse geschaltet ist und somit auch als schnelle Energiequelle wirkt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 eine erste Schaltungsanordnung eines aktiven Filters,
- 2 eine alternative Schaltungsanordnung für einen Spannungsverstärker und
- 3 eine alternative Schaltungsanordnung zur Einstellung der Arbeitspunkte der Push-Pull-Stufen des Stromverstärkers.
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Das aktive Filter 1 weist ein Einkoppelglied 2 aus zwei Kondensatoren C3, C5 auf, die in Reihe geschaltet sind, wobei der obere Kondensator C3 mit einer positiven Hochvoltleitung HV+ und der untere Kondensator C5 mit einer negativen Hochvoltleitung HV- verbunden wird.
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Der Spannungsverstärker 3 weist einen Transistor Q5 auf, der in Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung verschaltet ist, wobei die Stromgegenkopplung durch einen Widerstand R14 zwischen Emitter und Masse sowie einer Reihenschaltung aus Widerstand R15 und einem Kondensator C10 zwischen Emitter und Masse realisiert wird. Über einen Spannungsteiler aus den Widerständen R9, R10 wird der Arbeitspunkt eingestellt. Die Betriebsspannung bzw. Versorgungsspannung ist beispielsweise V+ = +12 V und V- = -12 V. Der Eingang der Spannungsverstärkung ist mit dem Mittelabgriff IN des Einkoppelgliedes 2 verbunden. Weiter weist die Spannungsverstärkung 3 zwei Kondensatoren C11, C23 auf, die jeweils zwischen einem Anschluss der Versorgungsspannung V+, V- und Masse liegen. Über ein Auskoppelkondensator C6 ist dann der Ausgang des Spannungsverstärkers 3 mit einem Eingang des Stromverstärkers 4 verbunden. An der Verbindungsleitung zwischen Ausgang des Spannungsverstärkers 3 und Eingang des Stromverstärkers 4 ist ein Widerstand R18 gegen Masse geschaltet. Am Eingang des Stromverstärkers 4 sind dann zwei Einkoppelkondensatoren C7, C9 angeordnet. Der Stromverstärker 4 weist zwei Push-Pull-Stufen, die aus den Transistoren Q1, Q2 bzw. Q3, Q4 gebildet werden, zwischen deren Emittern und einem Ausgang Out jeweils Widerstände R8, R4, R17, R16 angeordnet sind. Über einen ersten Spannungsteiler R6, R3 wird ein Arbeitspunkt der oberen Transistoren Q2, Q4 der Push-Pull-Stufen eingestellt und über einen zweiten Spannungsteiler R5, R7 wird der Arbeitspunkt der unteren Transistoren der Push-Pull-Stufen eingestellt. Zwischen den Versorgungsspannungsanschlüssen der Kollektoren der Transistoren der Push-Pull-Stufen und Masse sind jeweils zwei Kondensatoren C28, C26; C25, C22; C30, C29; C24, C17 angeordnet. Dabei weist jeweils ein Kondensator eines Kondensatorpaares eine vielfach höhere Kapazität auf als der andere Kondensator des Kondensatorpaares. Beispielsweise weisen die Kondensatoren C26, C22, C29 und C17 eine um den Faktor 22 größere Kapazität auf als die Kondensatoren C28, C25, C30 und C24. Dabei weisen die Kondensatoren C28, C25, C30 und C24 kleinere parasitäre Induktivitäten auf und reagieren somit schneller auf hochfrequente Störungen.
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Die Kondensatoren C3, C5 des Einkoppelglieds 2 stellen einen Hochpass dar, die den Spannungsverstärker 3 vor dem DC-Anteil und niederfrequenten Anteil der Störungen schützen, sodass die Bauelemente für die Verstärkerschaltungen im Bereich < 30 V ausgelegt werden können (z.B. ±12 V). Die Invertierung des gemessenen Signals auf den beiden Hochvoltleitungen HV+, HV- wird durch den Spannungsverstärker 3 realisiert und das invertierte Signal durch den Stromverstärker 4 verstärkt. Über das Auskoppelglied 5 wird dann das verstärkte, invertierte Signal der Störungen auf die Hochvoltleitungen HV+, HVzurückgekoppelt. Dabei kann das Auskoppelglied 5 durch mehrere jeweils parallel geschaltete Kondensatoren gebildet werden, sodass die Kapazität erhöht wird und die parasitäre Induktivität reduziert wird.
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In der 2 ist eine alternative Ausführungsform für den Spannungsverstärker 3 dargestellt. Der wesentliche Unterschied ist, dass die Ausgangsstufe als Push-Pull-Stufe ausgebildet ist, wobei der komplementäre Transistor Q6 wie der Transistor Q5 beschaltet ist, wobei die Elemente mit einem ' gekennzeichnet sind. Ein weiterer Unterschied ist, dass der Spannungsteiler mit R3 und R10 durch zwei Stromquellen, bestehend aus einem Junction-FET J1 bzw. J1' und zwei Widerständen R30, R31 bzw. R30', R31', ersetzt ist. Durch die Stromquellen sind die Arbeitspunkte der Transistoren Q5, Q6 besser temperaturstabilisiert, wobei durch die Push-Pull-Stufe die erreichbare Verstärkung erhöht wird.
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In der 3 ist ein Teil einer alternativen Schaltungsanordnung des Stromverstärkers 4 dargestellt. Dabei ist der Spannungsteiler mit den Widerständen R5, R3 aus 1 durch zwei Stromquellen ersetzt, die durch einen Junction-FET J2 bzw. J2' sowie Widerstände R32, R33, R34 bzw. R32', R33', R34' gebildet wird. Dies dient analog den Ausführungen zu 2 dazu, den Arbeitspunkt bezüglich der Temperatur zu stabilisieren. Die Widerstände R35 dienen zur Reduzierung der Schwingungsneigung.
