Aktive Gegenkopplung
Einleitung: Active Noise Cancellation
Am Arbeitsgebiet Bordsysteme werden aktive Gegenkoppelkonzepte für elektromagnetische Störungen untersucht und entwickelt. Das grundsätzliche Konzept ist im Bereich der Akustik unter dem Begriff „Active Noise Cancellation“ weit verbreitet. Bei dieser Methode werden die Störungen durch Gegenstörungen überlagert, wodurch es zu einer destruktiven Interferenz kommt, sodass die Störungen eliminiert werden.
Anwendung auf elektromagnetische Störungen
Zur Reduktion der Störemission werden in leistungselektronischen Konvertern üblicherweise passive Filterstrukturen eingesetzt, welche Kondensatoren, Spulen und Schirme umfassen. Zur Erhöhung der Leistungsdichte und Reduktion der Kosten sollen diese Elemente durch aktive Gegenkoppelstrukturen ersetzt werden, welche im Wesentlichen auf Siliziumhalbleitern basieren. Bisherige Implementierungen von aktiven Gegenkoppelstrukturen in der EMV verwenden dabei analoge Schaltungstechnik. Das Arbeitsgebiet Bordsysteme setzt an dieser Stelle als Vorreiter digitale FPGA-Signalverarbeitungssysteme ein, welche die Implementierung innovativer und umfangreicher Methoden ermöglichen.
Universelle FPGA-Entwicklungsumgebung
Programmierbare FPGA-Entwicklungsboards sind vielfältig einsetzbare Plattformen zur Realisierung verschiedenster Prototypen. Das Arbeitsgebiet Bordsysteme hat in verschiedenen Projekten umfangreiche Erfahrungen mit unterschiedlichen Systemen sammeln können. Der Fokus lag und liegt dabei auf einer effizienten und benutzerfreundlichen Programmierung, um beliebige Untersuchungen schnell, flexibel und systematisch durchführen zu können. Dazu wurde eine Entwicklungsumgebung aufgebaut, mit der die FPGA-Logik in Matlab Simulink zunächst definiert, simuliert und optimiert werden kann. Anschließend kann die modellbasiert entwickelte Logik übersetzt und auf den FPGA-IC geladen werden. Insbesondere für die Realisierung der adaptiven Gegenkopplung eröffnet dieses flexible System immense Möglichkeiten. Vor dem Hintergrund von möglichen Anwendungen auf dem Markt erforscht das Arbeitsgebiet Bordsysteme ebenfalls hardwarereduzierte Realisierungen der erarbeiteten Methoden und Strategien.
Adaptive Gegenkopplung von Harmonischen
Eine besondere Methode stellt die aktive Gegenkopplung der Störungen von (quasi‑)stationär getakteten Systemen dar. Bei diesen Systemen bilden sich aufgrund der Taktung störende Harmonische aus, welche die Grundwelle und die zugehörigen Oberwellen umfassen. Um diese Systeme zu entstören, ist es ausreichend, genau diese Frequenzkomponenten zu unterdrücken. Zur Realisierung wird für jede störende Harmonische ein in der Frequenz entsprechender Sinus generiert. Zur Ermittlung der notwendigen Amplitude und Phase wird ein Optimierer eingesetzt, der komplexe Berechnungen oder einfache Suchalgorithmen umfassen kann. Damit wird ein Gegenkoppler beschrieben, der sich adaptiv auf das störende System einstellt.
Demonstrator
Zu Demonstrationszwecken wurde das Verfahren auf einem FPGA-System implementiert und auf einen Testaufbau angewendet. Bei dem Probanden handelt es sich um einen DC/DC-Wandler, welcher hier die Bordnetzspannungen von 48 V und 12 V miteinander verbindet. Die 48 V-seitigen Störungen werden mithilfe einer Bordnetznachbildung und einem Spektrumanalysator gemessen. Das FPGA-System misst die Störungen an der Bordnetznachbildung als Feedback-Signal, um die Gegenkopplung zu optimieren. Zur Injektion der Gegenstörungen ist ein einfacher Ringferrit mit zwei Wicklungen à zwei Windungen vorgesehen. Das Ansteuerungssignal des Konverters wird von dem FPGA-System erzeugt, um eine vollständige Synchronisation zwischen Störungen und Gegenstörungen zu erzielen. Zur Vermeidung störender Masseschleifen wird ein Digitalisolator zur galvanischen Trennung eingesetzt.
Messung
Als Beispiel wurde der Bereich der Lang- und Mittelwelle (150 kHz-1,8 MHz [CISPR 25]) mithilfe der adaptiven Gegenkopplung entstört. Es ist ersichtlich, dass alle betrachteten Harmonischen erheblich reduziert wurden (teilweise um über 60 dB), wodurch das System nun der Grenzwertklasse 5 der CISPR 25 genügt. Die adaptive Gegenkopplung von Harmonischen ist somit ein effektives Verfahren zur Unterdrückung der Harmonischen von stationär getakteten Systemen.