Simulation von Common-Mode Filter in LTSpice

Hallo Leute,

ich brauche Hilfe bei der Simulation eines Common-Mode Filters.

Vorgeschichte, die leider recht lang und hoffentlich ausführlich genug ist: Wir haben einen Motorregler (BLDC/24Vdc/15Apeak/5Anom) an der Uni als Projektarbeit entwickelt wird und in einem ersten Prototypen einem EMV-Test unterzogen wurde. Dies war eine lehrreiche Erfahrung mit vielen Aha-Momenten. Gemessen wurde (falls von Interesse) nach einem Mix aus EN61000-6/EN55011/EN55014/EN61800. Bei unterschiedlichen Auslegungen zwischen den Normen wurde immer der niedrigste Grenzwert als Referenz heran gezogen.

Im niederfrequenten Bereich (Messung an der Stromzuführung) konnten wir feststellen, dass unsere Kapazität auf der Baugruppe unterdimensioniert war. Unsere Vorgabe, maximal 250mVpp zu erzeugen haben wir mit 1Vpp um mindestens Faktor 4 überschritte. Auch konnten wir bei der niederfrequenten Messung (30Hz – 150kHz) im „Differential Mode“ die Rotation ableiten, da sie mit +5dB über dem Grenzwert lag. Knapp unter dem Grenzwert (~10dB unter der Grenze) war auch die PWM der Ansteuerung und die Harmonischen (30kHz, gefolgt von 60/90/120) zusehen

=> Hier wird nur eine deutliche Vergrößerung der Kapazität auf der Baugruppe helfen. Dies ist zumindest unsere Annahme. Der ESR sollte so niedlich sein wie möglich, um die PWM-Frequenzen zu dämpfen und genügend Strom für die FETs liefern. Ein paar 1/10/100nF MLCCs zusätzlich, nahe den FETs werden da sicher auch zusätzlich helfen.

=> Bislang hatten wir nur einen LC-Filter (1µH MgZn Speicherinduktivität ein paar MLCCs in diversen Größen (470pF, 10nF, 220nF, 3,3µ) und zwei 100µF Low-ESR ELKOs) vorgesehen.

==> Wie legt man die Stromfähigkeit der ELKOs eigentlich in einer Motorapplikation aus? Müssen Elkos 100% des Peaks an Rippelstrom verkraften, oder reichen auch ggf. 50% oder weniger, wenn die Stromversorgung potent genug ist? Bei Peak-Strömen von 15A wäre das eine physikalisch recht große Kondensatorbank, die man sonst bei 100% Peakstrom vorsehen müsste. In der Betrachtung sind unsere bislang vorgesehen zwei ELKOs ganz klar unterdimensioniert!

Unsere Schaltregler, welche die 24V direkt auf 12, 5 und 3,3V herabsetzen konnte man leider schön im Spektrum (Common Mode Messung im Bereich von 100k – 100M) sehen. Bei 800kHz bis 1.2MHz, was ungefähr der Frequenz der der Schaltregler entspricht hatten wir Ausschläge von +10dB über dem gesetzten Grenzwert. Wir hatten im Vorfeld zwar CLC-Filter mit Ferriten vor jeden Schaltregler vorgesehen, aber die Ferrite wirken erst ab 10MHz am besten, wie wir jetzt beim studieren der Datenblätter sehen konnten. [Randnotiz: Auf was für Wissen man jetzt auf einmal zurückgreifen kann, wenn man nur einen einzigen Test gemacht hat ist wirklich erstaunlich. Das konnte ich so aus keiner Vorlesung bislang mitnehmen. Theorie ist wir großartig, aber die Praxis öffnet einem die Augen!]

=> Da werden wir jetzt zusätzlich noch 10µH SMD-Induktivitäten als weiteren LC Filter (MnZn oder falls verfügbar un platztechnisch passend FE-Material) in reihe bringen, um auch den Bereich um 1MHz besser zu filtern.

In der Common Mode Messung 100kHz bis 50MHz der zuführenden Stromversorgung von 24Vdc konnten wir leider eine Erhöhung um +5dB bei 2-3,5MHz über dem Grenzwert Messen. Im Differential Mode waren diese zwar auch zu sehen, aber mit minimal 10dB unter dem Grenzwert.

=> Hier werden wir eine Stromkompensierte Drossel / Filter vorsehen müssen. Diesen würde ich aber gerne im Vorfeld erst einmal theoretisch mit LTSpice simulieren.

Und genau da liegen einige Verständnisprobleme. Ich habe eine, noch nicht auf unsere Störer angepasste Eingangsbefilterung einmal in LTSpice aufgesetzt, um mal etwas zu experimentieren und eine AC-Simulation laufen lassen. Kein Bauteil ist auf Frequenz/Impedanz ausgelegt, ich habe erst einmal das erstbeste genommen! Dabei kamen mir aber ein paar Fragen auf.

1. Ist die AC-Quelle an der richtigen Stelle? Oder muss ich sie auf die andere Seite (Lastseite anstelle von R2 bringen, da kommt ja eigentlich auch die Störungen her)? Meine Vermutung ist, dass ich genau falsch herum einspeise, wenn es denn überhaupt eine Rolle spielt.
2. Um die Dämpfung an Potential V3 anzusehen, ist da GND der AC-Quelle oder das virtuelle GND-Potential hinter der StroKo das richtige?
3. Mehr eine generelle Frage: Wenn ich eine Speicher-Induktivität als Filter-Induktivität vorsehe, sollte es dann eine geschirmte Bauform sein, oder reicht eine offene? In diversen AppNotes von DC/DC Wandlern haben ich meist ungeschirmte gefunden.
4. Noch eine generelle Frage: Was für Dämpfungen sollte man anstreben? Sollte man nur versuchen so weit zu dämpfen, das die Grenzwerte unterschritten bzw. gerade eingehalten werden, oder sollte man am besten gleich mit Kanonen auf Spatzen schießen und immer min 40++dB unter den Grenzwerten anstreben? Da fehlt es mir definitiv an Praxiserfahrung um darüber eine Meinung zu Bilden.