Wechselwirkungen
Simulation des Rippelstroms im Kondensator C1 mit Diode in Serie
Trotz Resonanzbedingung ist der Kondensatorstrom nur ein Bruchteil des Stroms ohne Diode (RMS = 162 A siehe Auswirkungen)
Die Diode verursacht allerdings einen Spannungsabfall und muss bei größerer Leistung entsprechend gekühlt werden
Das Einschalten verursacht einen Stromstoss durch die Diode und darf daher nicht beliebig schnell erfolgen - bzw erfordert eine hohe Stossstrom-Fähigkeit der Diode
Beim schnellen Spannungsänderungen im Bordnetz, speziell bei Not-Abschaltung, entsteht eine negative Spannung an der Diode, die durch geeignete Beschaltung begrenzt werden sollte, da sonst eine teure Diode mit hoher Spannung und höherer Verlustleistung eingesetzt werden muss
Die Diode muss außerdem alle EMV-Anforderungen erfüllen (z.B. ESD oder BCI etc.) und sollte daher durch geeignete Beschaltung geschützt sein
Natürlich ist eine Diode nicht für alle Anwendungen geeignet: wenn der Strom auch in Gegenrichtung fließen soll, wie z.B. bei DCDC-Wandlern, sind kompliziertere aktive Umschaltungen erforderlich
Rot: Rippelstrom im Kondensator C1 (RMS = 7.2 A) Blau: Rippelspannung Türkis: Spannung an der Diode Grün: Phasenstrom
Gegenmaßnahmen
Die Kapitel Rippelspannung, Spektrum und Auswirkungen haben die Zusammenhänge und die bedrohlichen Wechselwirkungen zwischen großen Umrichtern und kleinen Elektroniken behandelt
Die Rippelspannungen großer Inverter stellen eine erhebliche Belastung für kleinere Elektroniken dar, wenn die Zwischenkreis-Kondensatoren der kleineren Elektroniken in Resonanz mit der Rippelspannung kommen. Dabei wird ein um Faktoren höherer Rippelstrom im kleineren Zwischenkreis-Kondensator erzeugt, der den normalen eigenen Rippelstrom deutlich überschreiten kann – und so zur Überlastung und Beschädigung und Ausfall führen kann.
Die Resonanzfrequenz ergibt sich dabei aus der Kapazität des Zwischenkreis-Kondensators und allen Differential-Mode Induktivitäten zwischen der Rippelspannungsquelle (dem großen Inverter) und der kleinen Elektronik. Zu diesen Induktivitäten zählen sowohl die Leitungsinduktivitäten, als auch die Filterinduktivitäten. Nicht dazu zählen die Common-Mode Induktivitäten von Leitungen und Filtern.
Besonders gefährlich ist der Bereich der Taktfrequenz +- der 6-fachen Drehfrequenz, weil hier das Spektrum der Rippelspannung die höchsten Amplituden aufweist.
Nicht nur der überhöhte Rippelstrom stellt eine Gefahr für die kleineren Elektroniken dar – auch die Rippelspannung an ihrem Zwischenkreis kann sich im Resonanzfall dramatisch erhöhen und so einen Ausfall durch Überspannung hervorrufen.
Bei der Durchführung von Rippelspannungs-Prüfungen ist dem Innenwiderstand des Test-Generators besondere Beachtung zu schenken: ein zu kleiner Innenwiderstand wird den Prüfling unnötig stark belasten – ein zu großer Innenwiderstand macht die Prüfung zu einfach.
Welche Gegenmaßnahmen können nun bei der Auslegung von Bordnetzen, Leitungen und den Komponenten der beteiligten Baugruppen ergriffen werden ?
Resonanzfrequenz außerhalb des Bereichs der Hauptanregung halten
Die Differential-Mode Induktivitäten in den Filtern und in den Leitungen so klein halten, dass die Resonanzfrequenz zusammen mit den Zwischenkreis-Kondensatoren möglichst weit oberhalb der Taktfrequenz der großen Inverter landet.
Das kann auch bedeuten, geschirmte Leitungen anstelle von ungeschirmten Leitungen zu verwenden, da die Induktivität geschirmter Leitungen wesentlich (Faktor 10 und mehr) unter der Induktivität von ungeschirmten Leitungen liegt.
Erhöhte Rippelstrom-Belastbarkeit der Zwischenkreis-Kondensatoren vorsehen
Die Zwischenkreis-Kondensatoren für die stark erhöhte Rippelstrom-Belastung dimensionieren
Dämpfung der Resonanzen
Die Resonanz mit Hilfe von Widerständen parallel oder in Serie zu den Kapazitäten und Induktivität bedämpfen
Dioden
Eine Diode als Gleichrichter vor den Zwischenkreis schalten
Wirkt sehr effektiv gegen die Resonanz (siehe nachstehende Simulation)
Nachteilig ist die Verlustleistung in der Diode und der notwendigen Zusatzbeschaltung gegen zu hohe negative Spannung
Nachteilig außerdem die Beschränkung des Leistungsflusses auf eine Richtung
Aktive Maßnahmen
Schalter oder Dioden zusammen mit Schaltern zur Verringerung der Verlustleistung und/oder zusammen mit Umschaltern zum Wechseln der Leistungsflussrichtung
Vorteile: Weniger Verlustleistung, Wechsel der Leistungsflussrichtung
Nachteile: Aufwand, komplizierte (störanfällige) Schalt-Logik, Schutz gegen Beeinflussung, Transienten, ESD, BCI etc. notwendig
Wir helfen gerne bei der Analyse der Situation und der Auswahl und Auslegung der optimalen Maßnahmen
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