EP4649583A1

EP4649583A1 - Aktives störfilter

Info

Publication number: EP4649583A1
Application number: EP24710638.8A
Authority: EP
Inventors: Stefan Tolle
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2023-03-31
Filing date: 2024-02-23
Publication date: 2025-11-19
Also published as: CN120883496A; EP4439951A1; WO2024199844A1

Abstract

Einem aktives Störfilter in Feedforward-Topologie zur Reduzierung von Störsignalen in einer elektronischen Schaltung umfasst einen Einkopplungs-Kondensator und einen Verstärker in Integriererschaltung mit einem Rückkopplungs-Kondensator, wobei dem Rückkopplungs-Kondensator eine Induktivität parallelgeschaltet ist.

Description

202305931 1 Beschreibung Aktives Störfilter Die Erfindung betrifft ein aktives Störfilter in Feedforward- Topologie zur Reduzierung von Störsignalen in einer elektro- nischen Schaltung, umfassend eine Sensorschaltung, einen Ver- stärker und eine Einkopplungsschaltung. EMV-Störungen, die von Umrichtern und schaltenden Stromver- sorgungen erzeugt werden, müssen gedämpft werden, damit Stan- dards für die elektromagnetische Verträglichkeit eingehalten werden können. Die Dämpfung kann mit passiven Komponenten vorgenommen werden. Diese sind aber typischerweise schwer und groß. Eine Alternative zu rein passiven Filtern sind aktive EMV- Filter (AEF). Bei aktiven Filtern werden aktive Komponenten wie bspw. Operationsverstärker verwendet und damit durch ge- eignete Beschaltung die Störungen aktiv unterdrückt. Gemeinsam ist den Filtertopologien, dass das Nutzsignal, bei- spielsweise bei einer AC-Schaltung ein Sinussignal bei einer fundamentalen Frequenz von 50 Hz, nur sehr geringfügig kom- pensiert werden darf. Hierzu werden üblicherweise Hochpass- filter als Eingangsfilter verwendet, die das Nutzsignal stark dämpfen und somit der nachfolgenden hohen Verstärkung des ak- tiven Verstärkers entgegenwirken. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass bei der nachfolgenden Verstärkung auch unerwünschte niederfrequente Störungen verstärkt werden und sich somit ein schlechtes Signal- zu Rauschverhältnis („S/R“) ergibt. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes aktives Stör- filter in Feedforward-Topologie anzugeben, das mit einer ge- ringeren Anzahl an Bauteilen auskommt und ein besseres S/R- Verhältnis im niederen Frequenzbereich bereitstellt. Insbe- sondere soll es sich dabei sich um eine Feedforward-Topologie mit Strommessung („Current Sense“) handeln. 202305931 2 Diese Aufgabe wird durch das aktive Störfilter mit den in An- spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Das erfindungsgemäße aktive Störfilter in Feedforward- Topologie zur Reduzierung von Störsignalen in einer elektro- nischen Schaltung umfasst eine Sensorschaltung zur Erfassung eines elektrischen Störsignals in einer Leitung der Schal- tung. Es umfasst weiterhin eine Verstärkerschaltung mit einem Verstärker, wobei die Sensorschaltung mit einem ersten Ein- gang des Verstärkers gekoppelt ist und eine Einkopplungs- schaltung zur Einkopplung eines das Störsignal reduzierenden Ausgangs-Signals der Verstärkerschaltung in die Schaltung. Dabei ist der Verstärker als Integrator beschaltet und um- fasst dafür zwischen seinem Ausgang und dem ersten Eingang einen Kondensator, wobei dem Kondensator eine Induktivität parallelgeschaltet ist. Falls das Störfilter auf einem spannungskompensierenden Ope- rationsverstärker beruht, dann ist der Kondensator direkt mit dem ersten Eingang des Verstärkers verbunden. Beruht die Schaltung dagegen auf einem stromkompensierenden Operations- verstärker, dann ist ein Feedback-Widerstand in Serie zum Kondensator zwischen dem Ausgang und dem ersten Eingang des Verstärkers angeordnet. Vorteilhaft wird bei niedrigen Frequenzen der Kondensator durch die Induktivität überbrückt. Dadurch wird erreicht, dass Frequenzen unterhalb einer Schwelle, die durch den Wert der Induktivität und des Kondensators festgelegt sind, sehr stark bei der Erzeugung des Ausgangssignals unterdrückt wer- den. Es wird also mit anderen Worten ein Eingangsfilter ge- schaffen, durch das beispielsweise das Nutzsignal der Schal- tung von einer Filterung im Wesentlichen ausgeschlossen wird. Es wird also ein integratives Verhalten von einer Startfre- quenz f_AEF bis hin zu einigen Megahertz erreicht. Dabei hängt die obere Eckfrequenz vom Operationsverstärker selbst ab und 202305931 3 kann durch die Wahl des verwendeten Operationsverstärker auch noch zu höheren Frequenzen geschoben werden. Bei dem Verstärker kann es sich um eine Verstärkerschaltung mit diskreten Transistoren handeln oder um einen integrierten Operationsverstärker. Bei einem Operationsverstärker ist der erste Eingang sein invertierender Eingang und der zweite Ein- gang sein nicht-invertierender Eingang. Operationsverstärker sind vorteilhaft in vielen Variationen der Eigenschaften ver- fügbar. Die Einkopplungsschaltung umfasst bevorzugt einen Einkopp- lungs-Kondensator. Dieser ist zweckmäßig zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Leitung an-geordnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Störfil- ters gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der unabhängigen Ansprüche mit den Merk- malen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit de- nen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden: Das aktive Störfilter kann eine zweite Sensorschaltung zur Aufnahme von verbleibenden Störungen umfassen, wobei die zweite Sensorschaltung auf einer von der ersten Sensorschal- tung abgewandten Seite der Einkopplungs-Schaltung mit der Leitung verbunden ist. Die zweite Sensorschaltung umfasst be- vorzugt eine Spannungsmesseinrichtung. Die zweite Sensoreinrichtung erlaubt vorteilhaft die Aufnahme der Störungen, die nach der Einkopplung des ausgleichenden Ausgangssignals des Operationsverstärkers in die Leitung ver- bleiben. Der zweite Sensor erlaubt es also, zu bestimmen, ob das aktive Störfilter die Störungen optimal ausgleicht oder ob Störungen verbleiben, die darauf zurückzuführen sind, dass Abweichungen der verbauten Elemente zu einer fehlerhaften Kompensation führen. 202305931 4 Dadurch wird die Aufnahme und Prüfung von verbleibenden Stö- rungen ermöglicht. Im Gegensatz zu Feedback-Topologien, wo diese automatisch in das Störfilter zurückgekoppelt werden, können Störungen bei der vorliegenden Feedforward-Topologie verbleiben und werden nicht automatisch ausgeglichen. Die zweite Sensorschaltung bietet ein Mess-Signal, mit dem eine weitere Behandlung von verbleibenden Störungen möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein steuerbarer Eingangswiderstand zwischen der Sensorschaltung und dem Kondensator angeordnet. Der steuerbare Eingangswider- stand ist zwischen die Sensorschaltung und den ersten Eingang des Verstärkers geschaltet, wobei zwischen dem steuerbaren Eingangswiderstand und dem ersten Eingang noch der Feedback- Widerstand angeordnet sein kann. Die Verstärkung des Operationsverstärkers muss normalerweise sehr genau bei 1 liegen, damit die vom Sensor aufgenommenen Störungen durch die Einspeisung des vom Operationsverstärker ausgegebenen Signals genau ausgeglichen werden. Diese Vorgabe ist durch Herstellungsschwankungen schwierig einzuhalten und erfordert eine genaue Anpassung der verwendeten Komponenten, insbesondere des Werts des Eingangswiderstands. Ein automati- scher Ausgleich von Abweichungen wie bei einer Feedback- Topologie erfolgt bei der Feedforward-Topologie nicht. Treten Abweichungen der idealen Werte in laufenden Betrieb auf, be- einträchtigen diese die Funktion des aktiven Störfilters, in- dem die Störungen je nach Richtung der Abweichungen nicht ausreichend ausgeglichen oder überkompensiert werden. Durch einen steuerbaren Eingangswiderstand wird vorteilhaft erreicht, dass auch im laufenden Betrieb auftretende Abwei- chungen von den idealen Werten ausgeglichen werden können und somit der optimale Betrieb des aktiven Störfilters trotz die- ser Abweichungen gewährleistet bleibt. Der steuerbare Eingangswiderstand kann ein temperaturabhängi- ger Widerstand sein. Temperaturabhängige Widerstände stellen 202305931 5 weithin verfügbare Standardbauteile dar, die auch als Tempe- ratursensoren verwendet werden, beispielsweise in Form von „Pt100“-Elementen oder „Pt500“-Elementen. Sie sind einfache und kleine metallische Widerstände, die ein sehr gutes Fre- quenzverhalten bis zu mehreren 100 MHz aufweisen. Dazu kommt, dass Änderungen des Eingangswiderstands zur Einstellung der richtigen Verstärkung des Operationsverstärkers in ver- gleichsweise großen Zeiträumen vorgenommen werden müssen, die von Sekunden bis Minuten oder mehr betragen, sodass die rela- tive Trägheit eines temperaturabhängigen Widerstands durch seine thermische Masse eher vorteilhaft ist, um Schwingungen zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der steuerbare Eingangswi- derstand in thermischem Kontakt mit einem Temperatursteue- relement angeordnet ist und eine Steuereinrichtung für das Temperatursteuerelement vorhanden ist, ausgestaltet zur Auf- nahme eines Mess-Signals von der zweiten Sensorschaltung und einer Ansteuerung des Temperatursteuerelements basierend auf dem Mess-Signal. Hierdurch wird eine Rückkopplung von der zweiten Sensoreinrichtung zum Verstärker geschaffen, womit dessen Übertragungsfunktion so nachgeregelt wird, dass die Genauigkeit des Ausgleichs von Störungen erhalten bleibt, auch wenn sich im laufenden Betrieb leichte Veränderungen bei den Werten der verwendeten Komponenten ergeben. So begrenzt eine Abweichung von 1 % bei den Werten der Komponenten die beste erreichbare Unterdrückung von Störungen auf 40 dB; wird der Fehler durch die zusätzliche Rückkopplung auf 0,1 % ge- senkt, steigt die erreichbare Unterdrückung auf 60 dB. Die Steuereinrichtung kann einen Analog-Digital-Wandler zur Wandlung des Mess-Signals der zweiten Sensoreinrichtung um- fassen und eine Einrichtung zur digitalen Hochpassfilterung des digitalisierten Signals. Für die Rückkopplung der ver- bleibenden Störungen ist es wichtig, dass das Nutzsignal wei- testgehend aus dem Mess-Signal herausgefiltert ist, um Ein- flüsse der Veränderung des Nutzsignals zu vermeiden. Gleich- zeitig muss die Filterung aber nicht schnell sein. Unter die- 202305931 6 sen Voraussetzungen ist eine digitale Filterung für die Sig- nalqualität ideal. Das aktive Störfilter kann einen Temperatursensor zur Erfas- sung der Temperatur des temperaturgesteuerten Widerstands aufweisen, wobei der Temperatursensor mit der Steuereinrich- tung verbunden ist. Dadurch wird erreicht, dass von außen auf den temperaturgesteuerten Widerstand einwirkende Störungen, beispielsweise eine Beeinflussung durch Luftbewegung (Wind), bereits am Widerstand selbst detektiert und ausgeglichen wer- den können. Zwar würde auch die Rückkopplung über die zweite Sensoreinrichtung für einen Ausgleich sorgen, dazu wäre es aber erforderlich, dass die Störung (Wind) zuerst für eine Veränderung des Widerstandswerts des temperaturgesteuerten Widerstands sorgt und dadurch die Verstärkung des Verstärkers fehlerhaft verändert wird. Dadurch wiederum würden die Stör- signale unvollständig ausgeglichen und die zweite Messein- richtung würde möglicherweise erhebliche Reststörungen detek- tieren, die dann in der Folge ausgeglichen würden durch eine Reaktion der Heizeinrichtung. Eine solche Reaktion wäre aber vergleichsweise langsam und würde zuerst einen fehlerhaften Ausgleich der Störsignale erfordern. Durch den Temperatur- sensor wird dieser Vorgang vermieden. Der steuerbare Eingangswiderstand kann ein digital veränder- barer Widerstand sein. Insbesondere kann der digital verän- derbare Widerstand über eine schaltbare Widerstandskaskade aufgebaut sein. In diesem Fall umfasst die Steuereinrichtung einen Analog-Digital-Wandler zur Aufnahme und Digitalisierung des Signals der zweiten Sensoreinrichtung. Ein Digital- Analog-Wandler kann hingegen entfallen, da der steuerbare Eingangswiderstand nun direkt digital ansteuerbar ist. Bevorzugt umfasst die Sensorschaltung einen Stromsensor. In diesem Fall handelt es sich um eine „Current Sense“- Schaltung. Wird stattdessen ein Spannungssensor verwendet, handelt es sich um eine „Voltage Sense“-Schaltung. 202305931 7 Eine elektronische Schaltung, in der das Störfilter bevorzugt zum Einsatz kommt, ist beispielsweise ein Stromrichter wie ein Umrichter oder DC/DC-Wandler oder ein Schaltnetzteil. Die elektronische Schaltung umfasst wenigstens einen Phasen- leiter und einen Neutralleiter und die Sensorschaltung und die Einkopplungsschaltung sind zweckmäßig mit dem Phasenlei- ter verbunden. Liegen mehrere Phasenleiter vor, sind die be- zeichneten Elemente zweckmäßig mit genau einer Phasenleitung verbunden. Es kann dann weitere gleichartige aktive Störfil- ter in der Schaltung geben, die mit jeweils einer der anderen Phasenleiter verbunden sind, sodass eine Reduzierung der Stö- rungen in jeder der Phasenleitungen vorgenommen wird. Der zweite Eingang des Verstärkers ist in diesem Fall mit dem Neutralleiter oder Erdleiter verbunden. Das aktive Störfilter kann in einer Weiterbildung der Erfin- dung ausgestaltet sein, ausschließlich Gleichtaktstörungen zu kompensieren, insbesondere in einem Mehrphasensystem, also in einer Schaltung mit wenigstens zwei Phasenleitern. Dazu kann die Sensorschaltung ausgestaltet sein, die Ströme in allen Phasen zu addieren oder als Summe aufzunehmen. Beispielsweise kann pro Phase ein Stromsensor vorhanden sein und eine Ein- richtung zur Summenbildung für die Signale der Stromsensoren. Alternativ können die Phasenleiter in einem Stromsensor zu- sammengeführt sein, wobei der Stromsensor so ausgestaltet ist, dass er nur den Summenstrom aufnimmt. In diesem Fall kann die Einkopplung des Ausgangssignals des Verstärkers über einen kapazitiv gebildeten Sternpunkt erfol- gen, an den der Einkopplungskondensator angeschlossen ist. Alternativ kann die Einkopplung auch direkt in einen der Pha- senleiter erfolgen, wenn die Schaltung beispielsweise X- Kondensatoren zwischen den Phasenleitern aufweist, da diese eine wesentlich höhere Kapazität aufweisen als der Einkopp- lungskondensator und dadurch die Einkopplung durch die X- Kondensatoren auf alle Phasenleiter wirkt. 202305931 8 Elemente der elektronischen Schaltung wie beispielsweise die Schalter eines aktiven Gleichrichters bilden dabei eine Stör- quelle aus und die Sensorschaltung ist mit ihrem ersten Kno- tenpunkt bezüglich der Störquelle vor der Einkopplungsschal- tung mit dem Phasenleiter verbunden. Je nach Anwendung kann der erste Knotenpunkt von der Störquelle aus gesehen in Rich- tung eines Netzanschlusses angeordnet sein oder in Richtung einer Last, aber näher an der Störquelle als die Einkopp- lungsschaltung. Ist der Stromrichter mehrphasig, also beispielsweise dreipha- sig und umfasst dementsprechend drei Phasenleiter, dann um- fasst er bevorzugt für jeden Phasenleiter ein aktives Stör- filter der beschriebenen Art. Jedes der aktiven Störfilter ist dann mit einem der Phasenleiter und dem Neutralleiter oder Erdleiter verbunden. Alternativ kann, wie bereits beschrieben, in einer mehrphasi- gen Schaltung auch eine Unterdrückung von nur Gleichtaktstö- rungen erfolgen. In diesem Fall kommt auch in einer mehrpha- sigen Schaltung nur genau ein aktives Störfilter zum Einsatz. Das aktive Störfilter ist vorteilhaft modular, d.h. es kann auch in bereits bestehende Schaltungen nachträglich einge- bracht werden. Die bestehenden Komponenten der Schaltung, beispielsweise des Umrichters, müssen dabei nicht verändert werden. Die Komponenten des aktiven Störfilters sind zweckmä- ßig an die bereits vorhandenen Komponenten der Schaltung an- zupassen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert. Es zeigen: Figur 1 einen DC/DC-Wandler mit aktivem Störfilter, Figur 2 ein Schaltbild für das aktive Störfilter, 202305931 9 Figur 3 ein Diagramm mit der Open-Loop-Verstärkung und der Übertragungsfunktion für das aktive Störfilter, Figur 4 einen schematischen Aufbau eines temperaturgesteu- erten Widerstands, Figur 5 den DC/DC-Wandler mit aktivem Störfilter, in dem der temperaturgesteuerte Widerstand verwendet wird, Figur 6 ein Diagramm mit der Filterwirkung des aktiven Störfilters im Vergleich zu einem passiven Störfil- ter bei einer ersten Grenzfrequenz für das Störfil- ter, Figur 7 ein Diagramm mit der Filterwirkung des aktiven Störfilters im Vergleich zum passiven Störfilter bei einer zweiten, kleineren Grenzfrequenz für das Störfilter, Figur 8 ein Schaltbild für eine dreiphasige Schaltung mit einem aktiven Störfilter zur Kompensation von Gleichtaktstörungen. Figur 1 zeigt einen vereinfacht dargestellten DC/DC-Wandler 10, in dem ein aktives Störfilter 50 gemäß einem Ausführungs- beispiel für die Erfindung angeordnet ist. Der DC/DC-Wandler 10 umfasst eine DC-Spannungsquelle 12, die als Eingangsspan- nung dient. Die DC-Spannungsquelle 12 ist über einen Hinlei- ter 14 und einen Rückleiter 15 mit einer Last 16 verbunden, die in diesem Beispiel als Widerstand dargestellt ist. Im Hinleiter 14 ist ein Umschalter 18 angeordnet. Der Um- schalter 18 ist so angeordnet, dass er die Verbindung des Hinleiters 14 zur DC-Spannungsquelle 12 auftrennen kann und dabei eine direkte Verbindung zwischen Hinleiter 14 und Rück- leiter 15 schließt, dabei also die DC-Spannungsquelle 12 überbrückt. Auf den Umschalter 18 folgend ist eine Konverter- Induktivität 17 angeordnet. 202305931 10 Im laufenden Betrieb wird der Umschalter 18 mit einer Schalt- frequenz von beispielsweise 10 kHz umgeschaltet und sorgt so- mit für eine resultierende Spannung an der Last, die einen DC-Anteil aufweist, der geringer als die Spannung der DC- Spannungsquelle 12 ist und weiterhin einen AC-Spannungsanteil aufweist, dessen primäre Frequenz der Schaltfrequenz ent- spricht. Da die entstehende Spannungsform nicht sinusförmig ist, entstehen weitere Frequenzanteile bis zu sehr hohen Fre- quenzen. Das aktive Störfilter 50 ist an einem ersten und zweiten Kno- tenpunkt 20, 21 mit dem Hinleiter 14 verbunden und an einem dritten Knotenpunkt 22 mit dem Rückleiter 15. Bei dem aktiven Störfilter 50 handelt es sich um ein Störfilter in Feedback- Topologie. Daher können der erste und zweite Knotenpunkt 20, 21 nicht zusammengelegt werden, vielmehr ist die Reihenfolge der Anbindung der internen Elemente des aktiven Störfilters 50 wichtig. Der Aufbau des aktiven Störfilters 50 ist in Figur 2 darge- stellt. Das aktive Störfilter 50 umfasst eine Sensorschaltung 51, eine Einkopplungsschaltung 52 und eine zwischen Sensor- schaltung 51 und Einkopplungsschaltung 52 geschaltete Ver- stärkerschaltung 53. Die Sensorschaltung 51 ist eine Serienschaltung aus einem Stromsensor, in diesem Beispiel einer Rogowski-Spule 61 und einem Sensor-Widerstand R_S. Diese Serienschaltung ist zwi- schen den ersten Knotenpunkt 20 und den dritten Knotenpunkt 22, also zwischen Hinleiter 14 und Rückleiter 15 geschaltet. Die Verstärkerschaltung 53 umfasst einen Operationsverstärker 54. Dessen invertierender Eingang ist über einen Rückkopp- lungs-Widerstand R_FB und einen Eingangs-Widerstand R_IN mit ei- nem vierten Knotenpunkt 62 zwischen der Rogowski-Spule 61 und dem Sensor-Widerstand R_S verbunden. Ein fünfter Knotenpunkt 63 zwischen dem Rückkopplungs-Widerstand R_FB und dem Ein- 202305931 11 gangswiderstand R_IN ist über einen Sensor-Kondensator C_S mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 54 verbunden. In dieser Beschaltung agiert der Operationsverstärker 54 als Integra- tor. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 54 ist direkt mit dem dritten Knotenpunkt 22, also hier dem Rückleiter 15 verbunden. Die Einkopplungsschaltung 52 umfasst in diesem Ausführungs- beispiel einen Injektor-Kondensator C_I. Der Injektor- Kondensator C_I ist zwischen den zweiten Knotenpunkt 21 und den Ausgang des Operationsverstärkers 54 geschaltet. Parallel zum Sensor-Kondensator C_S ist in dieser Topologie eine Sensor-Induktivität LS geschaltet. Die Sensor- Induktivität L_S überbrückt bei geringen Frequenzen den Sen- sor-Kondensator C_S und senkt somit die Verstärkung bei nied- rigen Frequenzen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer anderweitigen Eingangsfilterung des gemessenen Stroms, um niederfrequente Signale wie beispielsweise das Nutzsignal auszublenden. Es ergibt sich mit der beschriebenen Verschaltung des Opera- tionsverstärkers 54 ein integratives Verhalten von einer Startfrequenz f_AEF bis hin zu einigen Megahertz. Die obere Eckfrequenz hängt dabei vom gewählten Operationsverstärker 54 ab und kann bei geeigneter Wahl auch noch bei höheren Fre- quenzen liegen. Die Startfrequenz bestimmt sich dabei wie folgt: Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die folgenden Wer- te verwendet: 202305931 12 R_IN: 26,667 Ω R_FB: 1200 Ω L_S: 1 mH C_S: 15 nF L_CONV: 100 µH C_I: 400 nF Auf die sich ergebende Übertragungsfunktion nehmen auch para- sitäre Elemente Einfluss, speziell die parasitäre Induktivi- tät L_I im Injektor-Kondensator C_I und die parallele Kapazität C_par in der Konverter-Induktivität 17. Deren Werte betragen im vorliegenden Beispiel: L_I: 3 nH C_par: 50 pF Mit den genannten Werten kann ein aktives Störfilter 50 in Feedforward-Topologie in einem DC/DC-Wandler 10 aufgebaut werden. Figur 3 zeigt neben der Verstärkung eines idealen In- tegrierers G_id auch die Übertragungsfunktion G_cl der Verstär- kerschaltung. Über den Eingangswiderstand R_IN und die Kapazi- tät des Sensorkondensators C_S kann die Verstärkung des Integ- rierers eingestellt werden: Mit den genannten Werten für die Komponenten des aktiven Störfilters ergibt sich die Startfrequenz zu f_AEF ≈ 41 kHz. Über den Eingangswiderstand R_IN kann das aktive Störfilter in seinen optimalen Betriebspunkt gebracht werden. Dieser liegt vor, wenn gilt: 202305931 13 Ist eine geringe Toleranz der Komponenten und der Strommes- sung gegeben, kann der Eingangswiderstand R_IN während des De- signs passend gewählt werden. Gibt es größere Toleranzen, die aber bei der Produktion bekannt sind, kann durch eine initia- le Messung der Widerstandswert angepasst werden. Ist mit Toleranzen während des Betriebs zu rechnen, kann der Eingangswiderstand R_IN aber auch im Betrieb angepasst werden. In diesem Beispiel wird dazu vorteilhaft ein temperaturge- steuerter Widerstand R_IN,C verwendet. Der Aufbau des tempera- turgesteuerten Widerstands R_IN,C ist schematisch in Figur 4 dargestellt. Der temperaturgesteuerte Widerstand R_IN,C umfasst ein Substrat 41. Auf diesem ist ein temperaturabhängiger Widerstand 44, beispielsweise ein PT500-Element angeordnet. Dessen Anschlüs- se 42, 43 stellen die Lastanschlüsse des temperaturgesteuer- ten Widerstands R_IN,C dar. Widerstände wie das PT500-Element vorteilhaft einfach aufgebaute und kleine Widerstände, die eine weitgehend lineare und im hier betrachteten Bereich bis zu mehreren 100 MHz frequenzunabhängige Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur zeigen. Sie sind dafür im einfachsten Fall Metallstreifen aus beispielsweise Platin und können daher zur Integration auch als mikrostruk- turierte Platin-Streifen erstellt werden. Eine einfache Auf- bauvariante verwendet SMD-Bauelemente, die weithin verfügbar und dennoch klein sind im Vergleich zu typischen passiven Filterkomponenten. Ebenfalls auf dem Substrat 41 angeordnet ist ein Heizelement 45. Für das Heizelement gibt es verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung, im einfachsten Fall ist es aber ebenfalls als elektrischer Widerstand ausgestaltet. Dessen Anschlüsse stellen die Steueranschlüsse 46, 47 für den temperaturgesteu- erten Widerstand R_IN,C dar. Durch Abwärme des Widerstands, der das Heizelement 45 darstellt, wird das Substrat 41 aufgeheizt 202305931 14 und dadurch auch der temperaturabhängige Widerstand 44, wodurch sich sein Widerstandswert ändert. In der vorliegenden Anwendung wird ein Eingangswert für das Heizelement 45 durch eine Rückkopplung im DC/DC-Wandler 10 erzeugt. Ein entsprechender veränderter Aufbau für den DC/DC- Wandler 10 ist in Figur 5 dargestellt. Die Elemente des DC/DC-Wandlers 10 selbst und der Aufbau des aktiven Störfil- ters 50 sind dabei weitgehend unverändert zu den Aufbauten, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind. Das aktive Stör- filter 50 verwendet aber nun den temperaturgesteuerten Wider- stand R_IN,C an der Stelle des Eingangswiderstands R_IN. Einer von dessen Steueranschlüssen 47 ist mit Erde verbunden, wäh- rend der andere Steueranschluss 46 sein Signal aus einer wei- teren Messung im DC/DC-Wandler 10 erhält. Dazu umfasst der DC/DC-Wandler 10 nun eine Spannungsmessung 62, die die Spannung zwischen Hinleiter 14 und Rückleiter 15 ermittelt. Die Anschlüsse an Hinleiter 14 und Rückleiter 15 befinden sich dabei ausgehend von Anschluss der Sensorschal- tung 51 hinter dem Anschluss der Einkopplungsschaltung 52, also hinter dem zweiten Knotenpunkt 21 und dem dritten Kno- tenpunkt 22. Bei dieser Anordnung wird davon ausgegangen, dass eine Störquelle im DC/DC-Wandler in der anderen Rich- tung, also vor dem ersten Knotenpunkt 20 angeordnet ist, also in Richtung des Umschalters 18. Sie kann beispielsweise im Umschalter 18 selbst bestehen. Durch die gegebene Anordnung nimmt die Spannungsmessung 62 neben dem Nutzsignal die be- reits gefilterten Störungen auf. Im Idealfall bliebe hier nur das Nutzsignal selbst, aber ein verbleibender Rest von Stö- rungen wird typischerweise ebenfalls aufgenommen. Ein solcher Rest bleibt systematisch bestehen, wenn die Verstärkung der Verstärkerschaltung nicht exakt an die verwendeten Komponen- ten angepasst ist oder sich im laufenden Betrieb kleine Dif- ferenzen ergeben haben, da in der vorliegenden Feedforward- Schaltung kein automatischer Ausgleich erfolgen kann. 202305931 15 Das Nutzsignal muss für die Nachjustierung des temperaturge- steuerten Widerstands R_IN,C sehr genau ausgefiltert werden, um jeden Einfluss des Nutzsignals auf die Nachjustierung der Störfilterung zu vermeiden. Das passiert im vorliegenden Bei- spiel vorteilhaft digital durch eine digitale Signalverarbei- tung 64. Diese wird gespeist durch einen Analog-Digital- Wandler 63, der das Signal der Spannungsmessung 62 aufnimmt und digitalisiert. Nach Filterung und Größenanpassung wird das resultierende digitale Signal in einem Digital-Analog- Wandler 65 rückgewandelt und ein Verstärker 66 speist daraus durch Anschluss an den Steueranschluss 46 das Heizelement 45 im temperaturgesteuerten Widerstand R_IN,C. Hierdurch ist eine Rückkopplung geschaffen, mit der der Wert des temperaturgesteuerten Widerstands R_IN,C nachjustiert wer- den kann, wenn systematisch Störungen nach der Filterung ver- bleiben. Der Nachteil von möglichen Schwingungen von Feed- back-Topologien für aktive Störfilter wird dabei vermieden, da die Nachjustierung über die Temperatur vergleichsweise träge ist und Änderungen mit um Größenordnungen kleineren Frequenzen passieren als die Störsignale selbst haben. Im Ergebnis ergibt sich ein Verlauf A_AEF der Dämpfung von Stö- rungen, wie er in Figur 6 gezeigt ist im Vergleich zu einem Verlauf A_LC einer Dämpfung durch ein passives LC-Filter. Es ist erkennbar, dass ab der Grenzfrequenz f_AEF eine Verbesse- rung gegenüber dem passiven LC-Filter eintritt. Anstelle ei- nes Dämpfungsverlauf mit 40 dB/dec verbessert sich die Dämp- fung hier mit 80dB/dec. Der maximale Intersection Loss (IL) beträgt 28 dB bei 383 kHz. Mit einer Feedforward-Topologie ist es sogar möglich, die Grenzfrequenz f_AEF für das aktive Störfilter 50 unterhalb der Grenzfrequenz f_LC für das passive Filter zu legen. Dieses Vorgehen ist bei Feedback-Topologien aus Stabilitätsgründen nicht möglich. Figur 7 zeigt Verläufe A_AEF und A_LC der Dämp- fungen, wobei als Grenzfrequenz für das aktive Störfilter 50 jetzt eine Frequenz von f_AEF = 4,1 kHz gewählt wurde. Es zeigt 202305931 16 sich, dass eine Peakbildung wie bei dem Verlauf A_AEF aus Figur 6 bei ca. 20 kHz nicht mehr stattfindet und dass der -20 dB- Punkt von 60 kHz zu 19 kHz verschoben ist. Für eine ver- gleichbare Dämpfung müsste der Wert der Induktivität oder Ka- pazität im LC-Filter verzehnfacht werden gegenüber der hier verwendeten Werten. Durch eine Verschiebung der Grenzfrequenz des aktiven Stör- filters 50 in den Bereich unterhalb derjenigen des LC-Filters können die passiven Komponenten verkleinert werden, da das aktive Störfilter 50 bei deren Grenzfrequenz bereits aktiv ist. Figur 8 zeigt einen Ausschnitt aus einer Schaltung, die einen symbolisiert dargestellten Stromrichter 88 umfasst, der über drei Phasenleitungen 87a…c an ein Versorgungsnetz 82 ange- schlossen ist. Bei dieser dreiphasigen Schaltung wird das aktive Störfilter 50 so verwendet, dass nur Gleichtaktstörungen kompensiert werden. Dafür ist ein Stromsensor 81 so angeschlossen, dass er den Summenstrom der drei Phasenleiter 87a…c als Mess- Signal liefert. Das Mess-Signal wird in der bereits beschrie- benen Weise als Eingangssignal für die Verstärkerschaltung 53 verwendet. Das sich ergebende Ausgangssignal wird über den Einkopplungskondensator C_I in die Phasenleitungen zurückge- speist. Allerdings ist der Einkopplungskondensator C_I hier über drei weitere Kondensatoren, die zwischen je eine der Phasenleitungen 87a…c und einen Sternpunkt geschaltet sind, mit den Phasenleitungen 87a…c verbunden. Eine Rückkopplung zur Anpassung des Eingangswiderstands, bei- spielsweise eines digitalen Potentiometers, kann hier eben- falls verwendet werden, indem hierfür ein weiterer Sternpunkt mit Kondensatoren erzeugt wird und die Spannung an diesem Punkt gemessen wird. Die Ankopplung dieses Sternpunkts würde zweckmäßig zwischen der Anbindung der Einkopplungsschaltung 202305931 17 52 und den Induktivitäten 83 erfolgen, also abseits der Stör- quelle, die hier durch den Stromrichter 88 gegeben ist. In einer alternativen Ausgestaltung, die in Figur 8 nicht ge- zeigt ist, ist es möglich, dass der Einkopplungskondensator CI direkt an einen beliebige der drei Phasenleiter 87a…c an- geschlossen ist und dass beispielsweise als Teil eines Gegen- taktfilters X-Kondensatoren zwischen den Phasenleitern 87a…c vorliegen. Da die X-Kondensatoren eine wesentlich höhere Ka- pazität aufweisen als der Einkopplungskondensator C_I, wirkt die Einkopplung durch die X-Kondensatoren auf alle drei Pha- senleiter 87a…c. Im Gegensatz zu einer Ausgestaltung, bei der nicht nur Gleichtaktstörungen kompensiert werden sollen, kommt also hier auch bei einem dreiphasigen System nur ein einzelnes Störfilter 50 zum Einsatz, das auf alle Phasenleiter 87a…c wirkt und dafür entsprechend an diese angeschlossen sein muss.

202305931 18 Bezugszeichen 10 DC/DC-Wandler 50 Aktives Störfilter 12 DC-Spannungsquelle 14 Hinleiter 15 Rückleiter 16 Last 17 Konverter-Induktivität 18 Umschalter 20, 21, 22 Knotenpunkt 41 Substrat 42, 43 Lastanschlüsse 44 temperaturabhängiger Widerstand 45 Heizelement 46, 47 Steueranschlüsse 51 Sensorschaltung 52 Einkopplungsschaltung 53 Verstärkerschaltung 54 Operationsverstärker 61 Rogowski-Spule 81 Stromsensor 82 Versorgungsnetz 83 Netzinduktivität 85 Kondensatoren 87a…c Phasenleiter 88 Stromrichter L_S Sensorinduktivität R_S Sensorwiderstand C_S Sensorkondensator C_I Injektorkondensator R_FB Feedback-Widerstand R_IN Eingangswiderstand A_LC, A_AEF Signal-Abschwächung G_id Verstärkung des idealen Integrierers G_cl Close-loop-Verstärkung des aktiven Störfilters f_LC Grenzfrequenz des passiven LC-Filters f_AEF Grenzfrequenz des aktiven Störfilters

Claims

202305931 19 Patentansprüche 1. Aktives Störfilter (50) in Feedforward-Topologie zur Redu- zierung von Störsignalen in einer elektronischen Schaltung (10), umfassend - eine Sensorschaltung (51) zur Erfassung eines elektrischen Störsignals in einer Leitung (14) der Schaltung (10), - eine Verstärkerschaltung (53) mit einem Verstärker (54), wobei die Sensorschaltung (51) mit einem ersten Eingang des Verstärkers (54) gekoppelt ist, - eine Einkopplungsschaltung (52) zur Einkopplung eines das Störsignal reduzierenden Ausgangs-Signals der Verstärker- schaltung (53) in die Schaltung (10), - wobei der Verstärker (54) als Integrator beschaltet ist und dafür zwischen seinem Ausgang und dem ersten Eingang einen Kondensator aufweist, wobei dem Kondensator eine Induktivität parallelgeschaltet ist. 2. Aktives Störfilter nach Anspruch 1, bei dem die Einkopp- lungsschaltung einen Kondensator zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und der Leitung umfasst. 3. Aktives Störfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgestaltet zur Reduzierung von Gleichtakt-Störsignalen, bei dem die Sensorschaltung ausgestaltet ist, einen Summenstrom über die Leitungen oder Phasen der Schaltung zu bestimmen und die Einkopplungsschaltung einen Einkopplungs-Kondensator um- fasst, der über jeweils einen weiteren Kondensator mit jeder der Leitungen verbunden ist. 4. Aktives Störfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer zweiten Sensorschaltung zur Aufnahme von verblei- benden Störungen, wobei die zweite Sensorschaltung auf einer von der ersten Sensorschaltung abgewandten Seite der Einkopp- lungs-Schaltung mit der Leitung verbunden ist. 5. Aktives Störfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem steuerbaren Eingangswiderstand zwischen der Sensor- 202305931 20 schaltung und dem Kondensator und mit einer Steuereinrichtung für den steuerbaren Eingangswiderstand. 6. Aktives Störfilter nach Anspruch 5, bei dem der steuerbare Eingangswiderstand ein digital veränderbarer Widerstand ist, insbesondere ein über eine Widerstandskaskade aufgebauter di- gital veränderbarer Widerstand. 7. Aktives Störfilter nach Anspruch 5, bei dem der steuerbare Eingangswiderstand ein temperaturgesteuerter Widerstand ist. 8. Aktives Störfilter nach Anspruch 7, bei dem der steuerbare Eingangswiderstand in thermischem Kontakt mit einem Tempera- tursteuerelement angeordnet ist und die Steuereinrichtung ausgestaltet ist zur Aufnahme eines Mess-Signals von der zweiten Sensorschaltung und einer Ansteuerung des Temperatur- steuerelements basierend auf dem Mess-Signal. 9. Aktives Störfilter einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Steuereinrichtung einen Analog-Digital-Wandler zur Wand- lung des Mess-Signals umfasst und eine Einrichtung zur digi- talen Hochpassfilterung des digitalisierten Signals. 10. Aktives Störfilter nach Anspruch 4, bei dem die zweite Sensorschaltung einen Spannungssensor umfasst. 11. Aktives Störfilter nach einem der vorangehenden Ansprü- che, bei dem die Sensorschaltung einen Stromsensor umfasst. 12. Elektronische Schaltung (10) mit einem aktiven Störfilter (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elekt- ronische Schaltung (10) einen Phasenleiter (14) und einen Neutralleiter (15) umfasst und die Sensorschaltung (51) und die Einkopplungsschaltung (52) mit dem Phasenleiter (14) ver- bunden sind. 13. Elektronische Schaltung (10) nach Anspruch 12, bei der Elemente der Schaltung (10) eine Störquelle ausbilden und die 202305931 21 Sensorschaltung (51) bezüglich der Störquelle vor der Ein- kopplungsschaltung (52) mit dem Phasenleiter (14) verbunden ist. 14. Elektronische Schaltung (10) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der zweite Eingang des Verstärkers (54) mit dem Neutralleiter (15) oder Erdleiter verbunden ist. 15. Stromrichter (10) oder Schaltnetzteil nach einem der An- sprüche 12 bis 14.