DE10019696A1 - Verfahren und Schaltung zur Verringerung von Störstrahlung in Motorspeiseschaltungsanwendungen - Google Patents

Abstract

Die weitergeleitete EMI in Motorspeiseschaltungen wird dadurch verringert, daß Induktivitäten in die Erdleitung eingefügt werden. Der Gleichtaktstrom tritt in die Motorspeiseschaltung über die beiden Versorgungsleitungen ein und verläßt das System über die Erdleitung. Der Erdstrom weist typischerweise eine sehr hohe Frequenz, jedoch einen sehr geringen Effektivstromwert auf. Die Einfügung einer Induktivität (für einen niedrigen Strom und mit einem hohen Induktivitätswert) in die Erdleitung verringert in vorteilhafter Weise die EMI. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert oder beseitigt die Notwendigkeit von Filterkondensatoren längs des Gleichrichters der Motorspeiseschaltung. Zusätzlich verkleinert das erfindungsgemäße Verfahren die Gleichtaktdrossel auf lediglich einen Ferritkern über den Eingangsleitungen. Die EMI-Emissionen werden weiterhin dadurch verringert, daß die Erdleiterbahnen zusammen mit den Leistungs-Leiterbahnen eingeschichtet werden und mit dem Kühlkörper auf der kürzestmöglichen Strecke verbunden werden. Hierdurch wird der Erdschleifenbereich verringert, wodurch anderseits Emissionen verringert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Verringerung von weitergeleiteten und abgestrahlten, elektromagnetischen Störungen (EMI) in Motorspeiseschaltungsanwendungen.

Die Gesetzgebung beschränkt die Größe der Hochfrequenzleistung, die in eine Leistungsversorgungsleitung, beispielsweise durch eine Motorspeiseschaltung, einge­ führt werden darf. Eine bekannte Motorspeiseschaltung 2 ist in Form eines Block­ schaltbildes in Fig. 1 gezeigt. Die Motorspeiseschaltung 2 speist einen Elektromotor 4 und schließt einen Gleichrichterabschnitt 6 und einen Inverter- oder Wechselrichter­ abschnitt 8 ein. Ein Kondensator 10 ist längs der Verbindungen zwischen dem Gleich­ richter 6 und dem Inverter 8 angeschaltet. Typischerweise ist ein Kühlkörper 12 für den Inverter 8 erforderlich.

Die Störstrahlung verringernde Bauteile sind hinzugefügt, um die abgehende Energie zu verringern, wie dies im Blockschaltbild nach Fig. 2 gezeigt ist, das die Motor­ speiseschaltung 20 zeigt. Ein symmetrisches oder Gleichtaktfilter 22 führt den Haupt- Leistungsstrom und muß daher einen großen Strom führen. Entsprechend muß das Filter 22 große Abmessungen aufweisen und ist damit kostspielig. Die Funktion dieses Filters besteht darin, den Gleichtakt- und Differenz-Strom in das System zu verringern. Zusätzlich sind Filterkondensatoren 24, 26 und 27 längs des Gleichrichters 6 angeschaltet. Es wird keine Filterung in der Erdleitung 28 verwendet.

Die abgestrahlte EMI wird in den Erdverbindungen beispielsweise zwischen den Kühlkörpern und den Filterkondensatoren erzeugt. Typische Verdrahtungs- und Leiterbahnauslegungen, bei denen die Filterkondensatoren und die Leistungsschalter getrennt voneinander angeordnet sind, ergeben beispielsweise hohe Emissionen aufgrund der langen Schleifen in den Erdleitungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die weitergeleiteten und abgestrahlten, elektromagnetischen Störungen bei geringem Raumbedarf und geringen Kosten verringert.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung ergibt verringerte, weitergeleitete und abgestrahlte, elektro­ magnetische Störungen in Motorspeiseschaltungsanwendungen. Die weitergeleitete EMI wird dadurch verringert, daß eine Induktivität in die Erdleitung einer Motorspeise­ schaltung eingefügt wird. Der Gleichtaktstrom tritt in die Motorspeiseschaltung über die beiden Versorgungsspannungsleitungen ein und verläßt das System über die Erdleitung. Der Erdstrom weist typischerweise eine sehr hohe Frequenz auf; der Effektivstrom ist jedoch sehr niedrig. Entsprechend verringert die Einfügung einer Induktivität (mit niedrigem Strom und hohem Induktivitätswert) in die Erdleitung in vorteilhafter Weise die EMI.

In vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Schaltung die Verringerung oder Beseitigung der Notwendigkeit von Filterkondensatoren längs des Gleichrichters der Motorspeiseschaltung. Zusätzlich ermöglicht es das erfindungs­ gemäße Verfahren bzw. die Schaltung, die Gleichtaktdrossel zu verkleinern oder fortzulassen.

Die abgestrahlten, elektromagnetischen Störungsemissionen werden dadurch verringert, daß die Erdleiterbahnen zusammen mit den Leistungsleiterbahnen in geschichteter Weise angeordnet und mit dem Kühlkörper auf der kürzestmöglichen Strecke verbunden werden. Hierdurch wird der Erdschleifenbereich verringert, wodurch entsprechend die Emissionen verringert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Motorspeiseschaltung nach Fig. 1 mit EMI- Unterdrückungsmaßnahmen nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung mit EMI-Unterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung mit EMI-Unterdrückung gemäß einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung der Auslegung einer gedruckten Leiterplatte nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung der Auslegung einer gedruckten Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung 30 mit einer EMI- Unterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein EMI-Filter 32 ist in die Erdleitung 34 der Schaltung 30 eingefügt. Als Ergebnis können, obwohl der Filterkondensator 36 der gleiche bleiben oder eine vergrößerte Kapazität verglichen mit den Kondensatoren 24 aufweisen kann, die Filterkondensatoren 38 fortgelassen werden und oder hinsichtlich ihrer Kapazität verglichen mit den Kondensatoren 26 und 27 der bekannten Schaltung 20 nach Fig. 2 verringert werden. Eine Induktivität 37 zur Beseitigung unsymmetrischer Störungen ist eingefügt, um unsymmetrische Störungen zu begrenzen. Die Induktivität zur Begrenzung der unsymmetrischen Störungen kann eine geringe Größe und damit geringe Kosten aufweisen. Zusätzlich macht die EMI-Verringerung oder Unterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung die Größe der Gleichtakt-Drossel 22 zu einem Minimum oder läßt diese vollständig entfallen.

Der Fortfall des Gleichtaktfilters 22 ermöglicht die Zusammenfassung der zwei Kondensatoren 24 (siehe Fig. 2) zu einem einzigen Kondensator 36, wenn kein Gleichtakt-Kondensator erforderlich ist, was zu einer weniger aufwendigen und einen geringeren Raumbedarf aufweisenden Lösung führt. Weiterhin muß der Kondensator 36 eine geringere Spannungsfestigkeit (verglichen mit den Kondensatoren 26 und 38) aufweisen und ist damit weniger aufwendig.

Gemäß einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine zweite Induktivität in die Erdleitung eingefügt werden, die von der Motorspeise­ schaltung zu dem Motor führt, wie dies in der Motorspeiseschaltung 40 nach Fig. 4 gezeigt ist. Entsprechend werden durch das Einfügen der Induktivitäten 42 und 44 in die Erdleitung 46 in der gezeigten Weise die in dieser Schleife fließenden Hochfrequenzströme verringert, und die Größe und Kosten der Filterbauteile, die in den Schaltungen 20 und 30 nach den Fig. 2 und 3 erforderlich sind, werden verringert.

Verringerungen der abgestrahlten EMI werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß die Erdschleifenfläche auf der gedruckten Leiterplatte verringert wird. Die Verbindungen, die von der Kühlkörpererde zur Erde für die Kondensatoren 26, 27 und 38 gemäß den Fig. 2 und 3 vorgesehen sind, können die Abstrahlung von EMI hervorrufen. Die Leistungshalbleiter-Bauteile sind kapazitiv mit dem Kühlkörper gekoppelt. Der durch die kapazitive Kopplung erzeugte Strom fließt zu den Kondensatoren und zurück zur Kühlkörperverbindung.

In Fig. 5 ist eine bekannte Schaltung gezeigt, bei der Ströme entlang einer langen Schleife fließen, wodurch hohe Emissionen hervorgerufen werden. Fig. 5 zeigt schematisch eine Leiterplatte 50. Ein Substrat 51, das auf einem (nicht gezeigten) Kühlkörper befestigt ist, trägt verschiedene Bauteil-Chips, wie z. B. Leistungsschalter 52. Die Leistungsschalter sind kapazitiv mit dem unterhalb der Leistungsschalter liegenden Kühlkörper gekoppelt. Strom-Leiterbahnen auf der gedruckten Leiterplatte 50 sind als Bereiche 53, 54 und 56 dargestellt. Ein Strom fließt von einem Eingang zu den Kondensatoren 58 entlang der Leistungs-Leiterbahnen 53 und 54. Die Schleife setzt sich entlang der Leiterbahn 56 über eine Kühlkörper-Erdbefestigung fort, wie z. B. eine Schraube 59. Die Leiterbahn 56 stellt den Kühlkörper-Erdstrom zwischen den Kondensatoren 58 und dem Kühlkörper 12 dar. Der vergrößerte Bereich, der durch die Leiterbahnen umschlossen ist, führt zu einer vergrößerten abgestrahlten EMI.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die abgestrahlte EMI dadurch verringert, daß die Erdleiterbahn zusammen mit den Leistungs-Leiterbahnen sandwichförmig geschichtet angeordnet wird und die übereinandergeschichteten Leiterbahnen mit dem Kühlkörper auf der kürzestmöglichen Strecke verbunden werden. Die Erdverbindung kann mit Hilfe verschiedener, bekannter Verfahren unter Verwendung von Schrauben, Drahtkontaktierungen, Klammern, Druckkontakt oder anderen Befestigungsmitteln an der Leiterplatte erzielt werden. Zusätzlich ist das Gerät so ausgelegt, daß die Konden­ satoren näher an dem Kühlkörper angeordnet sind. Eine bevorzugte Leiterbahn- Auslegung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt.

In Fig. 6 ist die gedruckte Leiterplatte 60 schematisch dargestellt. Ein auf einem (nicht gezeigten) Kühlkörper befestigtes Substrat 61 trägt verschiedene Bauteil-Chips 62. Strom-Leiterbahnen 63, 64 und 66 sind mit entsprechenden Richtungspfeilen gezeigt. Eine Erd-Leiterbahn 66 zwischen den Kondensatoren 68 und der Kühlkörper- Erdverbindung 69 ist zwischen Leistungs-Leiterbahnen 63 und 64 eingeschichtet. Vorzugsweise überlappt die Erd-Leiterbahn beide Leistungs-Leiterbahnen um 20% oder mehr. Höhere prozentuale Anteile der Überlappung führen zu einer vergrößerten Verringerung der abgestrahlten EMI.

Durch die Anordnung der Kondensatoren 68 näher an dem Substrat 61 ist weiterhin die Erd-Leiterbahn mit dem Kühlkörper unter Verwendung der kürzestmöglichen Strecke verbunden. Entsprechend wird die Erdschleifenfläche verringert und damit die abgestrahlte EMI.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verringerung der weitergeleiteten EMI in einer Motorspeise­ schaltungsanwendung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktivität (32; 42) in die Erdleitung (34; 46) der Motorspeiseschaltung (30; 40) eingefügt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Induktivität (44) in die Erdleitung (46) der Motorspeiseschaltung (40) eingefügt ist.

3. Schaltung mit verringerter EMI, mit einer Motorspeiseschaltung, die zwei Versorgungsspannungsleitungen, einen Gleichrichter und einen mit einem Motor verbundenen Inverter sowie eine Motorspeiseschaltungs-Erde und einen Kühlkörper aufweist, der mit der Motorspeiseschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichtaktstrom in die Motorspeiseschaltung (30; 40) über die Versorgungs­ spannungsleitungen eintritt und die Motorspeiseschaltung zur Motorspeiseschaltungs- Erde hin verläßt und daß eine Induktivität (32; 42) in Serie zwischen einer Erdanschluß-Erde und einer Kühlkörper-Erde eingefügt ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor-Erdanschluß vorgesehen ist und daß eine weitere Induktivität (44) in Serie zwischen dem Kühlkörper (12) und dem Motor-Erdanschluß eingefügt ist.

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedruckte Leiterplatte (60) vorgesehen ist, auf der die Motorspeiseschaltung ausgebildet ist, und daß eine Motorspeise-Erdleitung (66) überlappend zu einer Leistungs-Leiterbahn (63, 64) auf der gedruckten Leiterplatte (60) angeordnet ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 20% der Motorspeise-Erdleitung und der Leistungs-Leiterbahn einander überlappen.

7. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 3-6, gekennzeichnet durch eine Differenzbetriebsarts-Induktivität, die in Serie in eine der beiden Leistungs­ versorgungsleitungen eingefügt ist.

8. EMI-Filter mit einer Induktivität, die in Serie in eine Erdschleife in einer Motorspeiseschaltung eingefügt ist.

9. EMI-Filter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine weitere Induktivität, die in die Erdschleife der Motorspeiseschaltung eingefügt ist.