Power EMV-Filter für DCDC

[Marcus81 (Gast)]

Hallo Zusammen,

ich benötige Unterstützung um etwas mehr Klarheit beim Thema 
Filterdesign zu erlangen.

Ich möchte einen EMV-Filter für ein SMPS (Buck 250V/24V DC/DC, 4kW, 
100kHZ Schaltfrequenz) entwerfen. Den Wandler gibt es momentan nur als 
Schaltplan-Entwurf. Aus diesem Grund ist das Qualifizieren der realen 
Störungen im ersten Schritt nicht möglich.

Der Filter soll auf der Primärseite (also HV-Seite) verbaut werden. Nun 
ist mir nicht ganz klar welche Anordnung der Bauteile für eine saubere 
Dämpfung der Gleichtakt- und Gegentakt-Störungen geeignet ist.
Klar ist, dass es ein zweistufiger Filter werden soll - also mit 
40dB/dec mit Grenzfrequenzen von 10kHz (zumindest für den 
Gegentakt-Filter). Die  Grenzfrequenz des Gleichtakt-Filters muss sich 
aus den verfügbaren CMM-Chokes und der jeweiligen Induktivität bei einer 
vertretbaren Baugröße ergeben (so zumindest der Ansatz).

Was man häufig findet ist die Anordnung (siehe Bild Filter01.jpg) mit 
den Y-Caps auf der Load-Seite. Es gibt allerdings auch Filterdesigns mit 
Y-Caps auf der Line-Seite. Werden die Gleichtaktstörungen im 
entsprechenden Frequenzbereich in beiden Fällen gleich stark bedämpft?

Außerdem scheint der X-Cap auf der Load-Seite optional zu sein. Welches 
Kriterium gibt es um die Notwendigkeit zu erkennen?

Die Bedämpfung des Filters mit R+C zwischen L u. N scheint auch auf 
beiden Seiten - also Line- u. Load-Seite möglich.

Ich freue mich über Erklärungen und konstruktive Vorschläge.

VG,
Marcus

[Forist (Gast)]

Marcus81 schrieb:
> Ich freue mich über Erklärungen und konstruktive Vorschläge.

Wegen Filterdesign fragst du vielleicht besser in einem Forum für 
Analogtechnik. Mit Mikrocontrollern oder digitaler Elektronik kommst du 
da nicht weiter.

[Chris (Gast)]

Wo welche Kondensatoren (egal ob jetzt X- oder Y-) anzubringen sind, ist 
leider nur die halbe Erkenntnis beim Filterdesign. Selbst das Layout der 
Platine kann große Auswirkungen haben und bei einer schlechten Umsetzung 
deinen gesamten Filter überbrücken (z.B. kapazitiv durch sich 
überlagernde Kupferflächen).

Vorher solltest du klären, wie viel du filtern willst/musst. Also welche 
Normen und Grenzwerte sollen eingehalten werden? Je nach Härte gleich 
mal ein zweites Design einplanen. Dazu kommt auch Störfestigkeit durch 
Spannungsimpulse (Surge). Umso besser du mit Kondensatoren filterst, 
umso anfälliger wird es für Surges.

Wenn du schon mal die Schaltfrequenz kennst, ist das ein Anfang. Ich 
würde anhand der eine passende Common Mode Choke suchen. Diese sollte in 
dem Frequenzbereich eine möglichst hohe Gleichtakt-Dämpfung aufweisen. 
Die Würth 744825510 würde da gut passen, packt aber wohl zu wenig Strom.

Baugröße: Bei 10 kHz Grenzfrequenz wird das ein großer Filter. Daran 
kann man nicht viel ändern, da die notwendige CMM-Choke einfach groß 
ist.

Du schreibst von einem DCDC-Schaltnetzteil, aber zeigst einen AC-Filter. 
Was ist denn nun richtig?

Bei galvanischer Trennung sind X/Y-Kondensatoren von der Sekundärseite 
auf die Primärseite (evtl auch über PE) hilfreich, um weitere Störungen 
abzuleiten.

Marcus81 schrieb:
> Werden die Gleichtaktstörungen im
> entsprechenden Frequenzbereich in beiden Fällen gleich stark bedämpft?
Nein, da du ja immer einen anderen "Vorwiderstand" hast, z.B. durch die 
CMM-Choke.

> Außerdem scheint der X-Cap auf der Load-Seite optional zu sein. Welches
> Kriterium gibt es um die Notwendigkeit zu erkennen?
Gerade diese Kondensator vor der eigentlichen Last würde ich setzten, da 
dieser Störungen dort abfangen kann, wo sie entstehen

> Die Bedämpfung des Filters mit R+C zwischen L u. N scheint auch auf
> beiden Seiten - also Line- u. Load-Seite möglich.
Ja, bringt aber erst mal nur etwas bei Gegentaktstörungen und 
üblicherweise verwendet man dafür ein L+C-Filter. Das hilft in Kombi mit 
Varistoren auch gegen Surges.

[Marcus81 (Gast)]

Danke,
ja das Layout ist sicher die zweite Herausforderungen. Allerdings würde 
ich zumindest die Auslegung schonmal in Ansätzen korrekt durchführen 
wollen.

Also folgende CMM Choke ist zumindest von der Baugröße noch im Rahmen 
(https://www.mouser.de/datasheet/2/599/6123-X220-237899.pdf), allerdings 
werden der Berechnung nach die Kapazitäten 
(https://www.mouser.de/datasheet/2/427/mkp1848dcl-1762560.pdf) relativ 
groß. Ich habe im Anhang meine Überlegungen aufgezeichnet. Kann das 
passen?

Mir sind leider die folgenden Dinge immer noch nicht klar:
1. Y-Caps auf Line oder Load-Seite oder beides? Falls ja, wie 
dimensioniert man die Line-Side-Y-Caps.
2. Kann der X-Cap auf der Load-Seite gleichzeitig als Link-Capacitor für 
den Eingang des DC/DCs genutzt werden?

Chris schrieb:
> Also welche
> Normen und Grenzwerte sollen eingehalten werden?

CISPR22 ClassB

Chris schrieb:
> Du schreibst von einem DCDC-Schaltnetzteil, aber zeigst einen AC-Filter.
> Was ist denn nun richtig?

DCDC SMPS - Ja, die Beschriftungen (P/N/PE) führen tatsächlich etwas in 
die Irre ;). Ich hatte das Bild zu Anschauung genutzt da es den 
prinzipiellen Aufbau des Filters zeigt, der ja beim DCDC identisch ist.

[Sven S. (schrecklicher_sven)]

Marcus81 schrieb:
> werden der Berechnung nach die Kapazitäten...relativ groß.

Nimm halt Elkos.

[Chris (Gast)]

Marcus81 schrieb:
> 1. Y-Caps auf Line oder Load-Seite oder beides? Falls ja, wie
> dimensioniert man die Line-Side-Y-Caps.
Wenns geht überall welche vorsehen, man muss sie final ja nicht 
bestücken. Bei der Dimensionierung solltest du auch berücksichtigen, was 
es überhaupt käuflich gibt. Je nach dem wie die Isolation von deinem 
Gerät aussieht müssen das Y1 (sehr selten) oder Y2 Kondensatoren sein, 
die es nicht beliebig gibt. Selbiges gilt für deine "X-Kondensatoren" 
von Vishay. Im Datenblatt steht nirgends etwas, dass dies 
X-Kondensatoren sind. Zumindest konnte ich keine offensichtliche Angabe 
dazu finden. Dabei stellt sich die Frage, ob du dort (Zwischenkreis?) 
überhaupt X-Kondensatoren brauchst.

Die Bezeichnung X- und Y- Kondensator hat nicht nur etwas damit zu tun, 
dass dieser Kondensator zwischen Line und Line oder Line to PE verbunden 
ist. Die Bezeichnung X- und Y- Kondensator ist eine spezielle "Art" bei 
Kondensatoren, welche ein definiertes Verhalten im Fehlerfall haben! 
ElKos gibt es meines Wissens nicht als X/Y-Kondensatoren, sondern nur 
KerKos und FoKos. Das schränkt die Kapazitätsauswahl dann schon mal ein.

> 2. Kann der X-Cap auf der Load-Seite gleichzeitig als Link-Capacitor für
> den Eingang des DC/DCs genutzt werden?
Kann man machen, allerdings ist das scheinbar etwas spezieller in deinem 
Fall. Da würde es sich direkt an der Last dann ohnehin empfehlen mehrere 
Kondensatoren zu kombinieren. Einen mit mehr Kapazität als klassischen 
Puffer sowie einen oder mehrere zum Filtern der HF-Störungen.

Marcus81 schrieb:
> CISPR22 ClassB
Oh weh, na dann schon mal viel Spaß. Das kann eine Herausforderung 
werden, da würde ich bei dem ersten Versuch gleich genug 
Alternativbestückungen vorsehen, um bei der tatsächlichen Messung 
verschiedene Konfigurationen testen zu können.

[MiWi (Gast)]

Marcus81 schrieb:
> Hallo Zusammen,
>
> ich benötige Unterstützung um etwas mehr Klarheit beim Thema
> Filterdesign zu erlangen.
>
> Ich möchte einen EMV-Filter für ein SMPS (Buck 250V/24V DC/DC, 4kW,
> 100kHZ Schaltfrequenz) entwerfen. Den Wandler gibt es momentan nur als
> Schaltplan-Entwurf. Aus diesem Grund ist das Qualifizieren der realen
> Störungen im ersten Schritt nicht möglich.
>

Hast Du dir denn schon einmal angeschaut wo die Störungen Deines Bucks 
herkommen? Wer da klingelt das Du ganz vorne so filtern mußt?

Denn wenn Du das Layout und vor allem die Anspeisung des Bucks sauber 
machst (Buck mit 4kW wäre diesbezüglich auch eine eigene Betrachtung 
wert) dann verändert sich die Filterei ganz dramatisch... Und durch eine 
andere, vielleicht besser geeignete Topologie sieht die Filterei auch 
anders aus, es macht einen Unterschied ob Du Störungen um mehr als 60db 
filtern mußt oder "nur" 30db bei einer handvoll Frequenzen um innerhalb 
der Limits zu bleiben.

iaW: Du kannst berechnen was Du willst, auch mit vielen Nachkommastellen 
- doch die Realität sieht bei 170A I_sec vollkommen anders aus als alles 
was Du da vorab berechnet hast, alleine weil die Maschengröße durch die 
nötigen Bauteile riesig werden und Du da keine Chance hast was kleiner 
zu machen...

Wenn Du einen synchronen Buck hast - viel Spaß bei der Bauteilauswahl... 
der Lowside-Teil - egal ob FET oder Diode wird einiges zu tun haben - 
hohe Spannung und irre viel Strom - und das alles in ein paar 10ns zum 
Umchalten, sonst steigen die Schaltverluste ins unermessliche.

Langer Rede kurzer Sinn: hol Dir eine lokale und kompetente Begleitung

[Carsten (Gast)]

Das hast du bestimmt schon gefunden, oder?

https://www.we-online.de/web/de/electronic_components/produkte_pb/application_notes/netzfilter___die_letzte_huerde_im_schaltnetzteil.php

[Carlo (Gast)]

vielleicht hilft das weiter ... ??? !
https://www.we-online.de/web/en/electronic_components/produkte_pb/demoboards/designyouremcfilter/StartDesignYourEMCFilter.php