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Mit der rasanten Entwicklung der Branche für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben fungiert das On-Board-Ladegerät (OBC) als zentrale Verbindungskomponente zwischen dem Stromnetz und der Traktionsbatterie, wodurch sein elektromagnetischer Verträglichkeits-(EMC-)Entwurf zunehmend entscheidend wird. Die Hochfrequenz-Schaltvorgänge von Leistungsbauelementen in Schaltnetzteilen erzeugen elektromagnetische Störstrahlung (EMI), bestehend sowohl aus symmetrischen als auch asymmetrischen leitungsgebundenen Störspannungen entlang der Stromversorgungsleitungen als auch aus raumseitig abgestrahlten Störungen. On-Board-Ladegeräte müssen über einen robusten EMC-Filterentwurf verfügen, um sich an die komplexe elektromagnetische Umgebung im Fahrzeug anzupassen, ihren eigenen stabilen Betrieb sicherzustellen und Störungen anderer elektronischer Geräte im Fahrzeug zu vermeiden. Unter diesen Komponenten sind der symmetrische Drosselkern und die Pi-Filter-Schaltung die Kernkomponenten der EMC-Filterung; die Auswahl der Induktivitäten bestimmt unmittelbar die Filterleistung, das Gesamtvolumen des Systems sowie dessen thermische Zuverlässigkeit.
1-EMI-Störquellen und Filterarchitektur
Wenn ein OBC in Betrieb ist, erzeugen die Hochfrequenz-Schalttransistoren (IGBTs oder SiC-MOSFETs) des vorderen PFC-Kreises sowie die Resonanzschaltungen des hinteren DC-DC-Wandlers erhebliche harmonische Anteile. Gekoppeltes EMI-Rauschen wird in zwei Typen unterteilt :differenzmodus-Rauschen und Gemeinsamkeitsmodus-Rauschen. Differenzmodus-Störungen treten zwischen den beiden Stromzuführungsleitungen (z. B. zwischen der L-Leitung und der N-Leitung) mit entgegengesetzten Stromrichtungen auf und werden hauptsächlich durch Stromwelligkeiten im Leistungsloop verursacht, die bei schnellem Ein- und Ausschalten der Schalttransistoren entstehen; Gemeinsamkeitsmodus-Störungen treten zwischen den Stromleitungen und der Schutzleiterleitung (PE) mit gleicher Stromrichtung auf und werden hauptsächlich durch hochspannungsfähige transiente Knoten während der Schaltvorgänge verursacht, die über parasitäre Kapazitäten mit Masse gekoppelt werden, sowie durch Kopplung externer elektromagnetischer Felder .
Das Eingangsende eines OBC ist typischerweise mit einer π-förmigen EMI-Filter-Schaltung ausgestattet, die eine Kombination aus Drosseln und Kondensatoren verwendet, um elektromagnetische Störungen in verschiedenen Frequenzbändern zu unterdrücken. Die allgemeine Architektur des Filternetzwerks besteht aus einem X-Kondensator (Differenzmodus-Filterung), einer gemeinsamen Modus-Drossel, einem Y-Kondensator (Gemeinsam-Modus-Filterung) und einer Differenzmodus-Drossel, die nacheinander von der Netzseite aus angeordnet sind und eine zweistufige oder mehrstufige Filterstruktur bilden. Die vordere Stufe behandelt hauptsächlich leitungsgebundene Störungen und Oberschwingungen von der Netzseite, während die hintere Stufe für die weitere Dämpfung hochfrequenter Störgeräusche zuständig ist, die durch Schaltvorgänge entstehen. 。
Abbildung 1. Schaltplan eines OBC
2 – Funktionsprinzip und Auswahl der Kernmaterialien für Gemeinsam-Modus-Drosseln
2.1 Arbeitsprinzip
Eine Gleichtakt-Drossel ist auf einem geschlossenen magnetischen Kern gewickelt, wobei die Spulen entgegengesetzte Wicklungsrichtungen und dieselbe Windungszahl aufweisen, um eine hochimpedante Unterdrückung von Gleichtaktstörungen zu erreichen. Fließt ein Gleichtaktstrom durch, stimmen die Richtungen der magnetischen Flüsse in den Wicklungen überein und überlagern sich; dadurch zeigt die Gleichtakt-Drossel eine hohe Impedanz und dämpft Gleichtaktsignale wirksam. Fließt ein Gegentaktstrom (z. B. der normale Betriebsstrom) durch beide Wicklungen, sind die im Kern erzeugten magnetischen Flussrichtungen entgegengesetzt und heben sich gegenseitig auf, sodass Gegentaktsignale nahezu ungedämpft durchtreten.
Abbildung 2. Magnetfelder überlagern sich beim Durchfließen eines Gleichtaktstroms
Abbildung 3. Magnetfelder heben sich beim Durchfließen eines Gegentaktstroms gegenseitig auf
Gemäß der Impedanzformel einer Gleichtakt-Drossel:
Und der Induktivitätsformel:
Die effektive magnetische Permeabilität μe des Kerns bestimmt direkt die bei gegebener Größe und Windungszahl erzielbare Induktivität. Je höher die Permeabilität, desto höher die Impedanz bei gleicher Größe, was zu einer stärkeren Filterwirkung führt. .
2.2 Auswahl des magnetischen Kernmaterials
Häufig verwendete Kernmaterialien für Gleichtaktspulen sind Mangan-Zink-Ferrit, Nickel-Zink-Ferrit, amorphe Legierungen und nanokristalline Legierungen. Die Unterschiede in ihren Eigenschaften bestimmen ihre jeweiligen Anwendungsgrenzen. ：
◾ Ferrit: Eine kostengünstige Wahl für mittlere bis hohe Frequenzen Anwendungen
Ferrit (z. B. Mn-Zn, Ni-Zn) ist aufgrund seiner hohen Resistivität und geringen Wirbelstromverluste zum bevorzugten Material für hochfrequente Gleichtaktspulen geworden. Mn-Zn-Ferrit zeigt im Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz hervorragende Eigenschaften, doch seine Curie-Temperatur ist relativ niedrig (ca. 120 °C). ，verursacht einen starken Abfall der Durchlässigkeit bei hohen Temperaturen; Ni-Zn-Ferrit eignet sich für Frequenzbänder oberhalb. Obwohl seine Anfangsdurchlässigkeit niedrig ist (μ < 1000) ，ist seine Hochfrequenzstabilität überlegen .
◾ Amorphe und nanokristalline Legierungen : Die ultimative Lösung für Hochfrequenz- und Niederverlustanwendungen
Amorphe Legierungen (wie eisenbasierte und kobaltbasierte) bilden durch ein schnelles Abschreckverfahren eine ungeordnete atomare Struktur und weisen eine extrem hohe Sättigungsflussdichte (Bs > 1,2 T) sowie extrem geringe Hochfrequenzverluste auf. Nanokristalline Legierungen bilden durch Wärmebehandlung zusätzlich eine nanokristalline Struktur, wodurch die Verluste im Frequenzband von 100 kHz bis 500 kHz um mehr als 50 % gegenüber Ferrit gesenkt werden und die Temperaturstabilität deutlich verbessert wird. Sie eignen sich für Anwendungen mit strengen Effizienzanforderungen, wie z. B. Lademodule für Elektrofahrzeuge.
2.3 Wichtige Auswahlkriterien für Gleichtakt-Drosseln
（1）Induktivität: Wählen Sie die geeignete Induktivität basierend auf der Betriebsfrequenz und den Störeigenschaften des On-Board-Ladegeräts aus. Im Allgemeinen bietet eine höhere Induktivität eine bessere Unterdrückung niederfrequenter Störungen, erhöht jedoch den Einfügungsverlust der Schaltung. Üblicherweise liegt die Induktivität von Gleichtaktspulen im Bereich von einigen hundert Mikrohenry （μH ）bis hin zu einigen Millihenry （mH ）.
（2) Nennstrom: Der Nennstrom der Gleichtaktspule sollte größer sein als der maximale Betriebsstrom des On-Board-Ladegeräts, um eine Effizienzverschlechterung des gesamten Systems durch Erwärmung der Drossel zu vermeiden, und gleichzeitig eine ausgezeichnete Stabilität der Drossel bei Nennstrom sicherzustellen.
（3) Frequenzeigenschaften: Wählen Sie eine Gleichtaktspule mit guten hochfrequenten Unterdrückungseigenschaften, um die breitbandige Störunterdrückung für das On-Board-Ladegerät zu erfüllen. Prüfen Sie die Impedanz-frequenz-Kurve der Gleichtaktspule, um eine ausreichende Impedanz innerhalb des Ziel-Frequenzbereichs sicherzustellen.
Für Hochleistungs-Anwendungen von OBCs werden Automobil-Common-Mode-Drosseln hauptsächlich durch kundenspezifische Anforderungen getrieben. Das F&E-Team von CODACA Electronics verfügt über langjährige Erfahrung in der kundenspezifischen Entwicklung von Common-Mode-Drosseln und kann auf Basis der charakteristischen Kundenanforderungen schnell passende Produktlösungen bereitstellen.
3 – Prinzip von π-förmiger Filter-Schaltung und entscheidende Auswahlkriterien für Differenzmodus-Induktoren
Ein π die Filter-Schaltung besteht aus zwei Kondensatoren und einer Differenzmodus-Induktivität und hat die Form des Buchstabens π er nutzt den Bypass-Effekt von Kondensatoren und den Filtereffekt von Induktivitäten, um Differenzmoden-Störungen wirksam zu unterdrücken. In On-Board-Ladegeräten (OBCs) können π-Typ-Filter-Schaltungen Störsignale auf den Stromleitungen weiter reduzieren und die EMV-Leistung verbessern. Die typische Schaltfrequenz eines OBC liegt zwischen 40 kHz und 150 kHz; die Leitungsstöremissionsprüfung beginnt bei 150 kHz. Daher richtet sich die Differenzmoden-Filterung hauptsächlich auf Differenzmoden-Störungen im Frequenzband von 150 kHz bis 1 MHz.
Die Formel für die Grenzfrequenz eines π-Typ-Filters lautet:
Wobei Cx die äquivalente Kapazität der zweistufigen X-Kondensatoren im π-förmigen Filter ist. (In der Praxis werden häufig zwei Stufen von X-Kondensatoren mit gleicher Kapazität verwendet, sodass die kombinierte äquivalente Filterkapazität üblicherweise konservativ auf Basis des Wertes eines einzelnen X-Kondensators geschätzt wird.) Das Design muss sicherstellen, dass die Grenzfrequenz deutlich niedriger als die grundlegende Schaltfrequenz liegt – typischerweise wird sie auf 1/5 bis 1/10 der Schaltfrequenz festgelegt –, um zu gewährleisten, dass der Zielstörungsfrequenzbereich innerhalb des Sperrbereichs des Filters liegt.
3.1 Funktionsprinzip von Differenzmodus-Induktivitäten
Eine Differenzmodus-Drossel besteht hauptsächlich aus einer einzigen Wicklung, die in Reihe innerhalb der Stromzuführungsleitung geschaltet ist. Durch Ausnutzung der Impedanzeigenschaften der Drossel gegenüber hochfrequenten Strömen bildet sie einen hochimpedanten Pfad für Differenzmodus-Störungen zwischen der L-Leitung und der N-Leitung und erreicht so eine Dämpfung von Störgeräuschen. Bei der Auswahl einer Drossel werden abgeschirmte Drosseln bevorzugt, um externe Abstrahlung sowie externe Störungen zu reduzieren.
(1) Induktivität: Die Induktivität ist der grundlegendste Parameter einer Differenzmodus-Drossel und bestimmt deren Fähigkeit, Störgeräusche bei bestimmten Frequenzen zu unterdrücken. Bei der Auswahl ist das gewünschte Filterfrequenzband zu berücksichtigen; eine größere Induktivität bewirkt im Allgemeinen eine stärkere Unterdrückung von niederfrequentem Störgeräusch.
(2) Nennstrom: Dies bezieht sich auf die maximale Stromstärke, bei der die Drosselspule unter festgelegten Bedingungen bezüglich der Temperaturerhöhung langfristig sicher betrieben werden kann. Bei der Auswahl muss sichergestellt sein, dass der maximale Betriebsstrom unter dem Nennstrom liegt, wobei ein ausreichender Sicherheitsabstand (typischerweise ＞ 30%).
(3) Gleichstromwiderstand (DCR): Der Gleichstromwiderstand bezeichnet den inneren Widerstand der Wicklung der Drosselspule unter Gleichstrombedingungen. Je niedriger der DCR ist, desto geringer ist die durch Gleichstrom verursachte Leistungsaufnahme und damit desto höher die Gesamteffizienz.
Da OBC w s zu Automobilanwendungen gehören, müssen die Drosselspulen die Automobil-Elektronik-Zuverlässigkeitsstandards AEC-Q200 erfüllen. Zu den Prüfungen zählen: elektrische Leistungsprüfung, mechanische Schockprüfung, Vibrationsprüfung, Anschlussfestigkeitsprüfung, Lotbarkeitsprüfung, feuchtebeanspruchte Temperaturprüfung, Temperaturwechselprüfung, Hochtemperatur-Lagerungsprüfung usw. CODACA bietet verschiedene Standard-Leistungsprodukte für den Automobilbereich an.
Im Folgenden wird eine Auswahl von autospezifische Spulen .Für weitere Einzelheiten besuchen Sie bitte die offizielle Website von CODACA Electronics unter https://www.codaca.com.cn/, oder wenden Sie sich an das Vertriebsteam von CODACA. Anfragen sind ausdrücklich willkommen.
Abbildungsbildunterschrift: Abbildung 4. Automobiltauglicher Induktor von CODACA