Auswahl von Induktivitäten für EMV-Rauschfilter in Leistungswandlern

Die meisten modernen Spannungswandler und alle isolierten DC/DC-Wandler sind vom geschalteten Typ, wobei externe Gleichspannungen mit hohen Frequenzen zerhackt werden, um Wechselspannung für den internen Trenntransformator zu erzeugen. Die Ausgangswechselspannung des Transformators wird gleichgerichtet und durch Steuerung des Tastverhältnisses mit hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten geregelt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass durch die Schaltvorgänge hochfrequente Rippelströme am Ein- und Ausgang entstehen, zusammen mit leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen, die andere Geräte beeinflussen können. Um den Wirkungsgrad weiter zu steigern, geht der Trend bei Spannungswandlern zu höheren Schaltfrequenzen mit schnelleren Anstiegszeiten, was ein deutlich breiteres Störungsspektrum verursacht.

Alle kommerziellen Spannungswandler enthalten intern mindestens eine Filterung, um Rippelströme und Störspannungen auf typische Höchstwerte von etwa 1% des DC-Ausgangs zu begrenzen. In den meisten Anwendungen ist das ausreichend. Werden jedoch für empfindliche Systeme geringere Werte gefordert, stellt ein externer LC-Filter eine einfache und wirksame Lösung dar (Abbildung 1).


Die Impedanz des Induktors ist bei Gleichspannung theoretisch Null und die Impedanz des Kondensators unendlich, sodass die gewünschte Gleichspannung unbeeinflusst bleibt. Mit steigender Frequenz steigt jedoch die Impedanz des Induktors ZL und die Impedanz des Kondensators ZC sinkt, was zu einem zunehmenden Spannungsteiler-Effekt führt. Die gewählte Filtereckfrequenz verringert Rippelströme bei der Schaltfrequenz des Wandlers. Die Dämpfung von Störspitzen, die ein Frequenzspektrum bis in den zweistelligen MHz-Bereich umfassen, ist jedoch schwieriger vorherzusagen. Der Grund dafür ist, dass das LC-Netzwerk bei bestimmten Frequenzen, wenn ZL und ZC gleich groß sind, in Resonanz gerät und Störungen verstärken statt dämpfen kann – wobei dieser Effekt durch den Lastwiderstand abgeschwächt wird.

Oberhalb der Resonanz ist weiterhin eine gewisse Störungsdämpfung vorhanden, es treten jedoch auch andere parasitäre Effekte auf. Die Eigenkapazität des Induktors erzeugt beispielsweise eine zusätzliche Resonanz bei deutlich höheren Frequenzen. Diese Kapazität kann zudem dazu führen, dass Störungen den Induktor umgehen. Bei höheren Frequenzen nehmen die Kernverluste im Induktor zu und der Wechselstromwiderstand des Induktordrahts steigt infolge des Skin-Effekts. Auch der Kondensator wirkt zunehmend wie ein Widerstand, da seine Impedanz im Vergleich zum äquivalenten Serienwiderstand (ESR) klein wird. Die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Kondensators verursacht ebenfalls hochfrequente Effekte. Werden diese parasitären Elemente berücksichtigt, ähnelt das Ersatzschaltbild eines LC-Filters eher dem in Abbildung 2 dargestellten.

LLOSS 1 und 2 zusammen mit RLOSS 1 und 2 sind ein vereinfachter Ansatz zur Berücksichtigung frequenzabhängiger Kernverluste im Stromkreis. Unterschiedliche LLOSS-Werte erzeugen verschiedene Impedanzen, wodurch die Widerstände RLOSS 1 und 2 je nach Frequenz unterschiedlich wirksam werden. Zur Verfeinerung des Modells können weitere LLOSS/RLOSS-Netzwerke hinzugefügt werden, jedoch lassen sich die erforderlichen Komponentenwerte anhand von Induktordatenblättern bislang nur schwer berechnen.

Daher müssen sie für eine bestimmte Induktor-Kern-Kombination meist empirisch ermittelt werden. Abbildung 3 zeigt das Simulationsergebnis der Dämpfung eines Filters mit und ohne LLOSS/RLOSS-Netzwerke. Dabei wurden angenommene Werte für L und C sowie deren parasitäre Anteile verwendet. Die Darstellung verdeutlicht, dass Kernverluste einen erheblichen Einfluss auf die Dämpfung hochfrequenter Störungen haben können – in diesem Fall einen Unterschied von 20dB bei etwa 10MHz. Leider sind Kernverluste in typischen Induktordatenblättern nicht angegeben und können stark variieren.

Bei der Wahl eines kommerziellen Induktors für den EMV-Filter auf der Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers geben die Informationen im Datenblatt (Abbildung 4) des Induktorherstellers normalerweise kaum mehr als Induktivität, DC-Widerstand und manchmal die Resonanzfrequenz an. Das kann zwar die Dämpfung des reflektierten Rippelstroms am Eingang um einen bestimmten Betrag ermöglichen, die Dämpfung von Störspitzen und deren Spektrum ist ohne Angaben zu den parasitären Komponenten jedoch nur schwer vorherzusagen.

Wie bereits am Ausgangsfilter gesehen, haben Hochfrequenzeffekte wie Kernverluste einen starken Einfluss auf die Störungsdämpfung. Es ist nachvollziehbar, dass Hersteller diese Informationen nicht angeben, da viele Variablen im Spiel sind. Der Kernverlust hängt beispielsweise von der Amplitude des AC-Anteils der Wellenform sowie deren Form ab. Außerdem ist er abhängig von Frequenz, DC-Bias-Strom und Temperatur.


Die Wahl des optimalen Induktors ist schwierig und kann im schlimmsten Fall zu leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen führen, die die operationellen oder sogar die gesetzlichen Grenzwerte überschreiten. Häufig wird dies erst erkannt, wenn ein Endprodukt einer unabhängigen EMV-Prüfung unterzogen wird. Zu diesem Zeitpunkt sind Änderungen sehr kostspielig.

Falls eine geeignete Prüfumgebung einschließlich Antennen und EMV-Kammer verfügbar ist, können Muster-Induktoren mit denselben Nennwerten von unterschiedlichen Herstellern in der Schaltung getestet werden, um reale Ergebnisse zu vergleichen. Ein hoher Induktivitätswert erscheint zunächst vorteilhaft, jedoch sinkt dadurch die Resonanzfrequenz, und ein physisch kleines Bauteil hat wahrscheinlich einen hohen DC-Widerstand, was je nach Last am Wandler zu einem Spannungsabfall führt und zusätzlich Leistung dissipiert. Große Induktoren weisen außerdem eine hohe Eigenkapazität auf, was die Hochfrequenzdämpfung verringert.

Ein weiterer Aspekt ist, dass eine hohe Induktivität bei Laststromänderungen Spannungsspitzen verursachen kann. Eine kleinere Induktivität in Kombination mit einem größeren Kondensator ist eine Alternative. Wird jedoch aus Kosten- oder Platzgründen ein Elektrolytkondensator eingesetzt, weist dieser meist schlechtere Hochfrequenzeigenschaften auf. Andere Typen wie Keramikkondensatoren sind bei hohen Frequenzen deutlich besser, aber in großen Kapazitätswerten teuer und sperrig.

Die richtige Kombination aus Induktor und Kondensator ist stets ein Kompromiss zwischen Kosten, Baugröße und Leistung. Für Induktoren gibt es eine große und oft unübersichtliche Auswahl auf dem Markt. Es existieren Typen mit Ferrit- oder Eisenpulverkern sowie exotischere Varianten wie polykristalline Kerne. Zusätzlich sind verschiedene Bauformen wie Walzen-, Ring- oder E-Kerne zu berücksichtigen, ebenso wie THT- oder SMD-Montage, was die Leistung ebenfalls beeinflussen kann. Häufig finden sich erhebliche Preisunterschiede zwischen Bauteilen mit scheinbar identischen Spezifikationen für Induktivität und Nennstrom.

Jeder Induktortyp eignet sich für bestimmte Anwendungen. Ferritkerne weisen die geringsten Verluste auf, sind jedoch teurer als Eisenpulverkerne, die Überströme besser verkraften und ihre Induktivität stabiler aufrechterhalten. Ring‑ oder Toroidkerne haben eine geringe magnetische Streufeldabstrahlung, sind jedoch schwieriger zu wickeln und zu kontaktieren als Trommel‑ oder sogenannte „Bobbin“-Kerne.

Als Hersteller von AC/DC- und DC/DC-Wandlern kennt RECOM die Herausforderungen bei der Auswahl des passenden Induktors zur effektiven Störunterdrückung. Um dem zu begegnen, bietet RECOM eine Auswahl kosteneffizienter Induktoren und sorgfältig abgestimmter Kondensatoren an, die auf die meisten ihrer Leistungswandler ausgelegt sind. Diese Filterkomponenten werden in der firmeneigenen EMV-Kammer auf leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen geprüft und verifiziert. So erhalten Kunden eine bewährte, sofort einsetzbare Lösung, die den Entwicklungsaufwand reduziert, Kosten senkt und die Markteinführung beschleunigt.