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Die Erfindung betrifft ein aktives Isolationsfilter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen steigen die Anforderungen an die Qualität der Spannungsversorgung, insbesondere hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Herkömmliche passive Filter zur Dämpfung von EMV-Störungen benötigen verhältnismäßig viel Bauraum im Kraftfahrzeug und sind außerdem in ihrer Effizienz begrenzt.
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Die erforderliche Dämpfung zwischen einem Steuergerät und den versorgenden Bordspannungsnetzen von Kraftfahrzeugen wird in der Regel mit klassischen Tiefpass-Filtern mit geeigneten Kapazitäten und Induktivitäten erreicht. Bei Frequenzen unterhalb von 1 MHz und einer Stromstärke von mehr als 10 A nimmt die Baugröße dieser einzelnen Komponenten sowie deren Gewicht und Kosten erheblich zu, wobei mit abnehmender Frequenz sich zusätzlich auch der Dämpfungsfaktor verschlechtert. Dies trifft insbesondere auf Leistung-PWM-Endstufen zu.
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3 zeigt ein LC-Tiefpassfilter in Π-Schaltung als konventionelle Lösung mit einer aus einer Induktivität LS und einem ersten und zweiten Kondensator C1 und C2 bestehende Komponenten. Dieses Tiefpassfilter ist an eine Rauschsignalquelle Q einer DC-Spannungsquelle eines Bordspannungsnetzes eines Kraftfahrzeugs, die von einer Steuereinheit (ECU) eines Kraftfahrzeugs erzeugt wird, angeschlossen. Zur Reduzierung von Störsignalen, wie bspw. periodische Motor- oder PWM-Störungen, weist der erste Kondensator C1 eine große Kapazität auf, so dass ein erheblicher Teil der Rauschleistung auf Masse kurzgeschlossen wird (angedeutet mit Pfeil A). Ein kleines Rauschsignal (angedeutet mit Pfeil B) verbleibt am Ausgang, hier der Klemme KL30. Mit fallender Grenzfrequenz nimmt auch der induktive Widerstand XL der Induktivität L ab, mit der Folge, dass ein erheblicher Teil der AC-Störleistung aus der Störsignalquelle Q den Ausgang KL30 erreicht. Damit ist es auch erforderlich, den zweiten Kondensator C2 ebenfalls mit einer großen Kapazität auszubilden, um eine ausreichende AC-Dämpfung zu gewährleisten. Infolgedessen erreichen jedoch diese Komponenten eine Baugröße, die insbesondere für Kfz-Anwendungen nicht mehr geeignet bzw. untauglich ist.
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Als eine Alternative werden aktive Filter verwendet, die Transkonduktanz-Elemente wie Transistoren in Kombination mit Kondensatoren verwenden, welche zusammen Integratoren oder Gyratoren bilden und den Widerstand von Induktivitäten nachbilden. Dabei wird die Serieninduktivität durch ein aktiv gesteuertes Impedanzelement ersetzt. Beispielhaft wird auf die
DE 24 30 106 C2 oder die
DE 199 36 430 A1 verwiesen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein aktives Isolationsfilter anzugeben, dessen Komponenten eine geringe Baugröße aufweisen, insbesondere für über 10 A liegende Ströme und Frequenzen, die kleiner als 1 MHz sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solches erfindungsgemäßes aktives Isolationsfilter, insbesondere in Π-Schaltung mit einem Längszweig und wenigstens einem Querzweig, das wenigstens einen ersten in dem Querzweig angeordneten Kondensator und ein im Längszweig angeordnetes induktives Impedanzelement umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- – als induktives Impedanzelement ein steuerbarer Widerstand, insbesondere ein steuerbarer Halbleiterwiderstand im Längszweig angeordnet ist,
- – zur Nachbildung einer Tiefpassfilterfunktion eine Differenzverstärkerschaltung mit einem ersten und zweiten Eingang zur Regelung des steuerbaren Widerstandes vorgesehen ist,
- – der erste Kondensator unter Ausbildung eines ersten Schaltungsknotens mit einem Ende des steuerbaren Widerstandes verbunden ist,
- – der erste Eingang der Differenzverstärkerschaltung mit dem ersten Schaltungsknoten verbunden ist, und
- – der zweite Eingang der Differenzverstärkerschaltung mit dem anderen Ende des steuerbaren Widerstandes (T) verbunden ist.
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Hiernach wird erfindungsgemäß die Abkopplung einer Störsignalquelle mittels wenigstens eines Kondensators und eines einen induktiven Widerstand nachbildenden Längsreglers erreicht. Eine Differenzverstärkerschaltung als Treiberschaltung folgt dem dynamischen Inhalt eines von einer Störsignalquelle erzeugten Störsignals und bildet mit dem steuerbaren Widerstand eine dynamische Stromquelle in dem Störsignalpfad. Bei fallender zu dämpfender Frequenz wird mit dem erfindungsgemäßen Längsregler ein hoher dynamischer induktiver Widerstand erzielt, wodurch der Isolationsfaktor zwischen einer Störsignalquelle und einem an das aktive Isolationsfilter angeschlossenen Spannungsversorgungsnetz, insbesondere ein Kfz-Bordspannungsnetz wesentlich verbessert wird. Damit erreicht nur noch ein unwesentlicher Betrag der verbleibenden Störsignalleistung die an einem solchen Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Kfz-Verbraucher.
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Im Vergleich zur klassischen Filterschaltung nach 3 kann die Kapazität des Kondensators reduziert werden, so dass sich auch dessen Baugröße verkleinert.
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Ein weiterer Vorteil mit dem Längsregler des erfindungsgemäßen aktiven Isolationsfilters ist dadurch gegeben, dass der DC-Spannungsabfall über dem steuerbaren Halbleiterwiderstand und der Energieverbrauch hinsichtlich Temperaturanforderungen und anderen funktionalen Anforderungen einstellbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Bildung einer Π-Schaltung in einem weiteren Querzweig ein zweiter Kondensator vorgesehen, der unter Ausbildung eines zweiten Schaltungsknotens mit dem anderen Ende des steuerbaren Widerstandes verbunden ist, so dass vorzugsweise der erste Schaltungsknoten mit einer Rauschsignalquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten einen Ausgang des aktiven Isolationsfilters bildet.
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Während mit einer klassischen Spule nur ein Filter 1. Ordnung aufgebaut werden kann, ist es mit einem solchen erfindungsgemäß erhaltenen aktiven Isolationsfilter in Π-Schaltung möglich, ein Filter höherer Ordnung zu realisieren.
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Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als steuerbarer Widerstand ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOS-Feldeffekttransistor eingesetzt werden.
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Schließlich ist gemäß einer letzten Weiterbildung der Erfindung eine Differenzverstärkerschaltung vorgesehen, die wenigstens einen Operationsverstärker und in der Regel weitere Elemente, wie Widerstände, Kondensatoren und dgl. umfasst.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße aktive Isolationsfilters unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen aktiven Isolationsfilters in Π-Schaltung,
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2 den prinzipiellen Amplitudenverlauf des Filters nach 1 in Abhängigkeit der Frequenz, und
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3 ein LC-Tiefpassfilter in Π-Schaltung mit einer Spule als Induktivität LS gemäß Stand der Technik.
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1 zeigt eine typische Anwendungssituation für das erfindungsgemäße aktive Isolationsfilter in einem Kraftfahrzeug.
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Von Kfz-Verbrauchern, insbesondere elektronischen Steuereinheiten, wie Steuergeräte und dgl. zur Steuerung bspw. von induktiven Lasten entstehen Störsignale bei der Erzeugung von pulsförmigen Signalen, wie bspw. bei der PWM. Eine solche interne PWM-Störquelle ist in 1 als Störsignalquelle Q dargestellt. Zwischen dieser Störsignalquelle Q und dem Bordspannungsnetz eines Kraftfahrzeugs, dargestellt durch die Klemmen KL30 und KL31 ist ein erfindungsgemäßes aktives Insolationsfilter geschaltet, das die Aufgabe hat, die von der Störsignalquelle Q erzeugten AC-Störsignale von dem Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs fernzuhalten bzw. hiervon zu isolieren, insbesondere diese Störrückwirkungen auf dieses Bordspannungsnetz auf ein vorgegebenes Maß zu reduzieren.
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Hierzu wird mit dem aktiven Isolationsfilter nach 1 ein induktives Impedanzelement Z mit einer seriellen Impedanz XS verwendet.
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Das aktive Isolationsfilter in Π-Schaltung nach 1 umfasst in einem Längszweig eine Treiberschaltung, bestehend aus einem MOS-Feldeffekttransistor T als induktives Impedanzelement Z, wobei dieser MOS-Feldeffekttransistor T von einer Differenzverstärkerschaltung V mit zwei Eingängen geregelt wird und zusammen mit den Kondensatoren C1 und C2 einen Gyrator zur Nachbildung eines induktiven Widerstands darstellt. Diese prinzipiell dargestellte Differenzverstärkerschaltung V umfasst wenigstens einen Operationsverstärker und zusätzliche weitere elektronische Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren und dgl.
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Am Eingang E ist die ein Störsignal liefernde Störsignalquelle Q gegen Masse geschaltet und unter Ausbildung eines ersten Schaltungsknotens S1 mit dem Eingang des MOS-Feldeffekttransistors T und einem ersten Kondensator C1, der in einem ersten Querzweig liegt, verbunden.
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Ein zweiter Kondensator C2 ist in einem zweiten Querzweig an den Ausgang des MOS-Feldeffekttransistors T unter Ausbildung eines zweiten Schaltungsknotens S2 angeschlossen, wobei dieser zweite Schaltungsknoten S2 auf Klemme KL30 des Kraftfahrzeug-Bordspannungsnetzes als Ausgang des aktiven Isolationsfilters liegt. Das Massepotential stellt bekannter weise die Fahrzeugmasse (Klemme 31) dar.
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Der Differenzverstärkerschaltung V wird eingangsseitig die über dem MOS-Feldeffekttransistors T entstehende Spannungsdifferenz zugeführt. So ist der erste bzw. zweite Eingang der Differenzverstärkerschaltung V mit dem ersten bzw. zweiten Schaltungsknoten S1 bzw. S2 verbunden.
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Mit diesem erfindungsgemäßen aktiven Isolationsfilter wird die in einer solchen Schaltung üblicherweise verwendete Spule durch einen Leistungstransistor T im Längszweig ersetzt, der von der Differenzverstärkerschaltung derart angesteuert wird, um eine ideale große Induktivität nachzubilden. Zusammen mit den Kondensatoren C1 und C2 in den Querzweigen wird eine typische Tiefpassfilter-Struktur geschaffen, mit der ein äquivalentes Tiefpass-Verhalten erzielt wird.
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Mittels des mit dem ersten Schaltungsknoten S1 verbundenen ersten Kondensators C1 von mittlerer Kapazität, die kleiner als diejenige in einem klassischen LC-Tiefpass gemäß 3 ist, wird der größte Teil der Störleistung bzw. des Störsignals der Störsignalquelle Q auf Massepotential abgeführt (angedeutet mit Pfeil A), wobei nur noch eine Spanungs-Restwelligkeit verbleibt. Der dynamische Anteil des Störsignals wird von der die Differenzverstärkerschaltung V umfassende Treiberschaltung kontrolliert, indem die Sättigung des MOS-Feldeffekttransistors T zur Bildung einer dynamischen Stromquelle in dem Störpfad entsprechend gesteuert wird. Damit wird mit fallender zu dämpfender Frequenz ein hoher dynamischer induktiver Widerstand XS erzielt, so dass nur noch ein unwesentlicher Anteil des Störsignals an der Klemme 30 ankommt.
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Daher ist nur noch ein Kondensator C2 mit mittlerer Kapazität, die kleiner als diejenige in einem klassischen LC-Tiefpass gemäß 3 ist, erforderlich, um den verbleibenden kleinen Rest (dargestellt mit Pfeil B) des Störsignals zu dämpfen.
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Mit einer solchen aus der Differenzverstärkerschaltung V und dem MOS-Feldeffekttransistor T nachgebildeten Induktivität wird der Isolationsfaktor zwischen der Störsignalquelle Q und dem Ausgang (KL30) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs wesentlich verbessert.
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Die Übertragungsfunktion der Differenzverstärkerschaltung V kann so eingestellt werden, dass sich ein definierter DC-Spannungsabfall über dem MOS-Feldeffekttransistor T einstellt und ein Filterverhalten erster oder höherer Ordnung zur Einstellung der Grenzfrequenz und der Einschwingzeit erzeugen lässt. Außerdem können auch spezifische Dämpfungseigenschaften eingestellt werden.
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Beispielhaft zeigt das Diagramm nach 2 den prinzipiellen Amplitudenverlauf des aktiven Isolationsfilters nach 1 in Abhängigkeit eines Frequenzbereichs zwischen 0,1 kHz und 1 MHz, wobei die Grenzfrequenz fG bei ca. 1 kHz liegt.
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Unterhalb dieser Grenzfrequenz fG liegt der DC-Bereich, bei dem die nachgebildete Induktivität eine geringe serielle Impedanz XS darstellt und somit unter den gegebenen Bedingungen des Bordspannungsnetzes arbeitet.
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Im Frequenzbereich des AC-Störsignals, der wesentlich über dieser Grenzfrequenz fG liegt, weist die nachgebildete Induktivität einen hohen dynamischen Widerstand XS auf und stellt damit den AC-Störanteil dämpfenden Frequenzbereich dar. Damit ist auch eine Rückwirkung des die Störquelle Q aufweisenden Verbrauchers auf das DC-Bordspannungsnetz minimiert.
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Ein vorteilhafter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen aktiven Isolationsfilters liegt im Automotivbereich, insbesondere im Zusammenhang mit PWM-Stufen, die hinsichtlich der EMV-Bedingungen hohe Anforderungen an die Störsignalunterdrückung erfüllen müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2430106 C2 [0005]
- DE 19936430 A1 [0005]
