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DE10019696B4 - Schaltung zur Verringerung von Störstrahlung in Motorspeiseschaltungsanwendungen - Google Patents

Schaltung zur Verringerung von Störstrahlung in Motorspeiseschaltungsanwendungen Download PDF

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Abstract

Schaltung zur Verringerung der Störstrahlung in einer Motorspeiseschaltung, die zwei Versorgungsspannungsanschlüsse, einen Erdanschluss, eine Gleichrichterschaltung, erste und zweite Kondensatoren, die in Serie längs der Gleichrichterschaltung angeschaltet sind, einen mit einem Motor verbundenen Inverter, einen Kühlkörper, auf dem ein Substrat (61) angeordnet ist, das die Leistungshalbleiterbauteile (62) des Inverters trägt, und eine gedruckte Leiterplatte (60) aufweist, auf der die Motorspeiseschaltung angeordnet ist, wobei die gedruckte Leiterplatte (60) zumindest zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) und eine Erd-Leiterbahn (66) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erd-Leiterbahn zwischen den zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) angeordnet ist, wobei die Erd-Leiterbahn (66) zumindest einen Teil jeder der zumindest zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) überlappt, dass der erste Kondensator (68) zwischen einer der Leistungs-Leiterbahnen (63) und der Erd-Leiterbahn angeschaltet ist, während der zweite Kondensator (68) mit der anderen Leistungs-Leiterbahn (64) und der Erd-Leiterbahn (66) verbunden ist, wobei die Leiterbahnen (63, 64, 66) und die Kondensatoren (68) nahe an dem Substrat...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
  • 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 eingeführt werden darf. Eine bekannte Motorspeiseschaltung 2 ist in Form eines Blockschaltbildes in 1 gezeigt. Die Motorspeiseschaltung 2 speist einen Elektromotor 4 und schließt einen Gleichrichterabschnitt 6 und einen Inverter- oder Wechselrichterabschnitt 8 ein. Ein Kondensator 10 ist längs der Verbindungen zwischen dem Gleichrichter 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 2 gezeigt ist, das die Motorspeiseschaltung 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.
  • Leiterbahnauslegungen, bei denen die Filterkondensatoren und die Leistungsschalter getrennt voneinander angeordnet sind, ergeben beispielsweise hohe Emissionen aufgrund der langen Schleifen in den Erdleitungen.
  • Aus der DE-43 33 387 C2 ist eine Motorspeiseschaltung der eingangs genannten Art bekannt, bei der über dem Kühlkörper in mehreren Ebenen ein die Leistungs-Halbleiterbauteile tragendes Substrat und darüberliegend eine gedruckte Leiterplatte mit Leiterbahnen und Anschlußklemmen für die Versorgungsspannung angeordnet ist, auf der weitere Bauteile der Motorspeiseschaltung angeordnet sind. Das Substrat und die Leiterplatte sind über langgestreckte Verbindungsstifte miteinander verbindbar, die eine erhebliche EMI-Abstrahlung ergeben. Der Kühlkörper weist einen Erdanschluß auf.
  • Aus der DE-19 503 949 ist weiterhin eine Mehrlagen-Leiterplatte für ein Schaltnetzteil bekannt, die eine durchgehende Schutzleiter-Ebene einschließt, die unterhalb einer ersten Trägerplatte angeordnet ist, die die Leistungshalbleiter-Bauteile und Entstörelemente trägt.
  • Aus der den Oberbegriff bildenden WO 97/01212 A1 ist eine Motorspeiseschaltung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser bekannten Motorspeiseschaltung sind am Eingang und Ausgang der Motorspeiseschaltung Filterschaltungen angeordnet, die einerseits in den Phasenleitungen angeordnete Induktivitäten und andererseits eine weitere Induktivität einschließen, über die die Filterkondensatoren mit Erde verbunden sind, wobei sämtliche Induktivitäten jeweils auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Am Ausgang der Gleichrichterschaltung ist eine Serienschaltung aus zwei Kondensatoren angeordnet, deren gemeinsamer Verbindungspunkt mit dem Kühlkörper der Leistungshalbleiter-Bauteile des Inverters verbunden ist. Die Eingangs- und Ausgangs-Filterschaltungen erfordern einen relativ hohen Raumbedarf, der unerwünscht ist.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die weitergeleitete und abgestrahlte elektromagnetische Störungen bei geringem Raumbedarf und geringen Kosten verringert.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die abgestrahlten elektromagnetischen Störungsemissionen werden erfindungsgemäß 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. Eine weitere Verringerung wird dadurch erzielt, dass eine Induktivität zwischen dem Erdanschluss der Motorspeiseschaltung und der Kühlkörper-Erde eingefügt ist. 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 Frquenz 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.
    •
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung nach dem Stand der Technik,
  • 2 ein Blockschaltbild der Motorspeiseschaltung nach 1 mit EMI-Unterdrückungsmaßnahmen nach dem Stand der Technik,
  • 3 ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung mit EM1-Unterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 4 ein Blockschaltbild einer Motorspeiseschaltung mit EM1-Unterdrückung gemäß einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 5 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung der Auslegung einer gedruckten Leiterplatte nach dem Stand der Technik,
  • 6 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung der Auslegung einer gedruckten Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In 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 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 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 Motorspeiseschaltung zu dem Motor führt, wie dies in der Motorspeiseschaltung 40 nach 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 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 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 5 ist eine bekannte Schaltung gezeigt, bei der Ströme entlang einer langen Schleife fließen, wodurch hohe Emissionen hervorgerufen werden. 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 Kondensatoren näher an dem Kühlkörper angeordnet sind. Eine bevorzugte Leiterbahn-Auslegung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt.
  • In 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 (3)

  1. Schaltung zur Verringerung der Störstrahlung in einer Motorspeiseschaltung, die zwei Versorgungsspannungsanschlüsse, einen Erdanschluss, eine Gleichrichterschaltung, erste und zweite Kondensatoren, die in Serie längs der Gleichrichterschaltung angeschaltet sind, einen mit einem Motor verbundenen Inverter, einen Kühlkörper, auf dem ein Substrat (61) angeordnet ist, das die Leistungshalbleiterbauteile (62) des Inverters trägt, und eine gedruckte Leiterplatte (60) aufweist, auf der die Motorspeiseschaltung angeordnet ist, wobei die gedruckte Leiterplatte (60) zumindest zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) und eine Erd-Leiterbahn (66) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erd-Leiterbahn zwischen den zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) angeordnet ist, wobei die Erd-Leiterbahn (66) zumindest einen Teil jeder der zumindest zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) überlappt, dass der erste Kondensator (68) zwischen einer der Leistungs-Leiterbahnen (63) und der Erd-Leiterbahn angeschaltet ist, während der zweite Kondensator (68) mit der anderen Leistungs-Leiterbahn (64) und der Erd-Leiterbahn (66) verbunden ist, wobei die Leiterbahnen (63, 64, 66) und die Kondensatoren (68) nahe an dem Substrat (61) angeordnet sind und die Erd-Leiterbahn (66) auf kürzester Strecke mit einer Kühlkörper-Erde (12) verbunden ist, und dass eine Induktivität (32; 42) in Serie zwischen dem Erdanschluss der Motorspeiseschaltung und der Kühlkörper-Erde (12) eingefügt ist.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erd-Leiterbahn (66) zumindest 20% jeder der zumindest zwei Leistungs-Leiterbahnen (63, 64) überlappt.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor-Erdanschluss vorgesehen ist, und dass eine weitere Induktivität (44) in Serie zwischen dem Kühlkörper-Erde (12) und einem Motor-Erdanschluss eingefügt ist.
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