Diskussion über magnetischen Kern (E, U, Toroid etc.) für Differential Mode LCL Filter

[Alexander (Gast)]

Hallo Leute,

ich habe die Aufgabe bekommen, ein LCL Filter für eine Netzanwendung 
auszulegen (siehe Bild, Quelle siehe [1]). Hauptzweck ist zunächst die 
Unterdrückung der Differential Mode Signale, d.h. die Oberwellen, die 
durch die PWM entstehen.

Jetzt geht es um die Auswahl eines geeigneten Gehäuses des magnetischen 
Kerns (E, U, Toroid etc.). Ich habe schon einiges an Literatur gesucht, 
aber keine wirkliche Antwort gefunden. Was ich bisher herauslesen 
konnte:

E, U Core:
Gute Ausnutzung des Füllfaktors -> Geringes Volumen -> Hohe 
Leistungsdichte. Allerdings aufgrund der Geometrie nachteilig 
hinsichtlich EMV (Die Feldlinien verteilen sich nicht gleichmäßig im 
Kern, speziell an den Ecken und Kanten entsteht eine Verengung der 
Feldlinien). Der hohe Füllfaktor bedeutet, dass die Wicklungskapazität 
der Drossel relativ groß ist, was bei höheren Frequenzen ebenfalls die 
Common Mode Signale verstärkt durchlässt. Das führt dann dazu, dass das 
Common Mode Filter größer ausgelegt werden muss.

Toroid:
Aufgrund der Donout-Form entsteht eine gleichmäßige Verteilung der 
Feldlinien, was am Ende der EMV zu Gute kommt. Ferner kann man die 
Induktivität mit einem Single Layer realisieren, was die 
Wicklungskapazität stark verkleinert, was am Ende die Common Mode 
Signale stärker unterdrückt bei höheren Frequenzen. -> Common Mode 
Filter kann dadurch u.U. kleiner ausgelegt werden.

Was meine (Gesamt) Aufgabe ist:
Die physikalische Größe des gesamten Ausgangsfilters (Differential Mode 
und Common Mode) in Abhängigkeit der Schaltfrequenz zu untersuchen. 
Startpunkt ist die Auslegung des Differential Mode Filters und im 
zweiten Schritt dann das Common Mode Filter.

Sooo, nach langem Text, meine Frage an euch:
Was für Kerne (E, U, Toroid etc.) werden für Differential Mode Filter 
eingesetzt? Für aktive PFC Anwendungen sehe ich hauptsächlich Toroids in 
den Hochsetzstellern verbaut, was m.M.n. wegen der Common Mode Signale 
so gehandhabt wird. Gibt es vielleicht jemanden, der damit in der Praxis 
zu tun hat und seine Erfahrung schildern kann?

Angaben zum Prototypen:
Dreiphasiger Wechselrichter, Ausgangsleistung pro Phase ca. 1.5kW, 
Peak-Strom durch die Drossel ca. 10A, Schaltfrequenz von 16kHz - 100kHz.

Ziel:
LCL sowie Common Mode Filter auslegen mit minimalen (Gesamt) Volumen

Quelle:
[1] 
http://www.degruyter.com/view/j/ijeeps.2013.14.issue-5/ijeeps-2013-0015/graphic/ijeeps-2013-0015_figure1.gif

[Mark S. (voltwide)]

Alexander schrieb:
> Für aktive PFC Anwendungen sehe ich hauptsächlich Toroids in
> den Hochsetzstellern verbaut, was m.M.n. wegen der Common Mode Signale
> so gehandhabt wird.

Das war wohl vor >10Jahren so. Da es sich um Speicherdrosseln handelt 
(diffential mode) ist ein Luftspalt unumgänglich. Hier wurden aus 
Kostengründen Eisenpulverkerne verwendent ("distributed gap"), bekannt 
für ihre hohen Magnetisierungsverluste.

Im Zuge der erhöhten Anforderungen an den Wirkungsgrad sind diese 
Toroide inzwischen weitestgehend verschwunden. Stattdessen werden 
Ferritkerne mit Luftspalt verwendet.

Wenn es nicht so aufs Geld ankommt, nimm Gleichtaktdrosseln von VAC. Es 
gibt weltweit keine besseren auf kleinstem Raum.

Btw - wie kommst Du beim PFC auf common mode signale?

[Alexander (Gast)]

Hi Mark,

Mark Space schrieb:
> Im Zuge der erhöhten Anforderungen an den Wirkungsgrad sind diese
> Toroide inzwischen weitestgehend verschwunden. Stattdessen werden
> Ferritkerne mit Luftspalt verwendet.
Hmm, Ferrit ist doch nur das Material. Ein Ferritkern ist 
dementsprechend eine Drossel bestehend aus Ferrit. Denn es gibt ja auch 
Ferrit als Ringkerne/Toroids.
http://www.mag-inc.com/products/ferrite-cores/ferrite-toroids

"Toroidal inductors and transformers are passive electronic components, 
typically consisting of a circular ring-shaped magnetic core of high 
magnetic permeability material such as iron powder or ferrite, around 
which wire is coiled to make an inductor."
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Toroidal_inductors_and_transformers


> Wenn es nicht so aufs Geld ankommt, nimm Gleichtaktdrosseln von VAC. Es
> gibt weltweit keine besseren auf kleinstem Raum.
Ich habe mal bei VAC herumgestöbert. Die Kerne und Drosseln, die ich 
gefunden habe, bestehen alle aus Ringkernen.

Mir geht es im Moment weniger um das Kernmaterial, sondern eher um die 
Bauform. Ringkern, E-Kern, U-Kern etc.

> Btw - wie kommst Du beim PFC auf common mode signale?
Common Mode im Sinne von unsymmetrischem PCB Layout / kapazitiven 
Kopplungen und hochfrequente common mode Ströme. Siehe Links:
http://www.exergia.info/Lightning/lightning1_files/lightn4.gif
http://www.dei.unipd.it/~pel/Articoli/1998/Intelec/Intelec98.pdf

Ich dachte, das nennt man so auch auf Deutsch (lebe im englisch 
sprachigen Raum)

Ergo, zurück zur eigentlichen Frage:
Speicherdrosseln / Differential Mode Filter: Welcher Kern -> 
Ring/Toroid, E-Kern, U-Kern etc. ?

Cheers,
Alexander