Vorhersage von magnetischen Kopplungen in Filterschaltungen

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Ziel bei der Entwicklung eines EMV-Filters ist es, mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen eine gewünschte Filterperformance zu erreichen. Dem entgegen stehen dem Designer zwei Arten von parasitären Effekten. Die erste Art beinhaltet die parasitären Elemente der Bauteile, wie z.B. die Ersatzserieninduktivität und den Ersatzserienwiderstand der Kondensatoren oder die parasitären Windungskapazitäten der Drossel. Diese Effekte sind bekannt und leicht durch eine Impedanzmessung der Bauteile handhabbar. Trotzdem ist diese Art der Nachbildung zu ungenau, wie die starke Abweichung der gemessenen von der erwarteten Einfügedämpfung eines Filters zeigt. Diese Abweichung hat ihre Ursache in der zweiten Art der parasitären Effekte, der induktiven Verkopplung der Bauteile untereinander und ist abhängig von der Anordnung der Bauteile auf dem Schaltungsträger. So können sich Filterschaltungen mit den gleichen Topologien und den gleichen verwendeten Bauteilen bei unterschiedlicher Anordnung der Bauteile auch unterschiedlich verhalten. Eine schwache Verkopplung der Bauteile reicht aus, um die Dämpfung des Filters deutlich zu verringern. Zur Berücksichtigung müssten die elektromagnetischen Felder berechnet und in die Filtersimulation eingebunden werden, diese Vorgehensweise scheiterte jedoch bisher an der Komplexität des Problems. Bislang erfolgten wenige Arbeiten auf diesem Gebiet, wahrscheinlich weil die Filterbauelemente bei dem Verdacht auf induktive Verkopplungen weiter voneinander entfernt eingebaut oder mehr Filterbauteile zur Grenzwerteinhaltung vorgesehen wurden. Daraus resultierte jedoch ein Platzanspruch der Filter innerhalb einer leistungselektronischen Baugruppe, der mit dem Ziel der Reduktion des Systemvolumens nicht mehr vereinbar ist. Methodiken zur Vorhersage des minimalen Abstandes der Bauteile untereinander oder der sinnvollsten Anordnung der Filterbauelemente zur Verkopplungsminimierung gibt es nicht. So erfolgt der Filterentwurf nach dem „trial and error“-Verfahren – zeit- und kostenintensiv. Verstärkt wird der Wunsch nach einer Vorhersage der Verkopplungen der passiven Bauteile auch durch die zunehmende dreidimensionale Anordnung der Filterbauteile zur Erhöhung der Packungsdichte. Durch diese werden die Interaktionen der Bauelemente untereinander für den Filterentwickler noch unüberschaubarer.