Datum
2023Schlagwort
600 Technik Elektromagnetische VerträglichkeitFrequenzumrichterHochfrequenzLärmHalbleiterInterferenz <Physik>Metadata
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Buch
Electromagnetic Interference Analysis of Fast-Switching-Speed Semiconductors Applied to Power Electronics Converters
Zusammenfassung
With new semiconductor technologies of outstanding performance each day more accessible, higher power density converters are being developed and introduced into the market, taking advantage of the potential increase of the switching frequency offered by such devices while keeping the same overall efficiency. As the switching frequency enters a range covered by EMI standards, unwanted and even neglected issues may arise, as the increase of the differential mode (DM) noise. Along with that, also the common mode (CM) noise source is affected, specially by the high dv/dt from faster switching events. For designing an EMI filter, the first step is to understand which and how the noise sources are. In this work, various aspects of the noise source are analysed: types of coupling, categorization of emissions, DC-DC and DC-AC converters mostly used on solar applications, and in uence of semiconductors switching events. Because of the PV cell output characteristics, a voltage regulation/boost is usually necessary and it is usually performed by a DC-DC stage. Therefore, the noise source of step-down, step-up and a multi-cell step-up converters are analysed. Moreover, typical non-isolated inverters as full-bridge, H5, HERIC and 3-level NPC are also assessed in terms of their generated noise. The semiconductors switching waveforms also influence the frequency spectrum, therefore the most relevant non-ideal effects are investigated in detail: rise and fall times, overvoltage, oscillations and soft-switching. Fourier series analysis of those cases are performed, enabling the understanding their effects on the spectrum. Application requirements and properties of inductors and capacitors are also presented. At first suitable materials and properties of magnetic core and windings are described. Following that, capacitors types and materials are described and compared, with focus given to capacitors for EMI filters. Additionally, a review of methods for minimizing the series stray inductance of these capacitors is presented, with a practical example also shown. Finally, some aspects of EMI filter design are investigated, based on a one-phase grid-connected 2.3 kW full-bridge PV inverter operating with bipolar modulation. At first the system requirements are analysed. Following that, the noise source is described. Based on that, the power and EMI filter can be designed. Finally, a prediction of the filter performance is achieved by extracting the parasitic elements of its single components. Based on the simulation and experimental results, a very strong influence of the components self-resonance and coupling effects is observed, as the response was even worse with filter at higher frequencies. Therefore, it is shown that the minimization of coupling effects and parasitic elements of the filter components is essential to achieve best filter responses on the frequencies of interest.
Neuen Halbleitertechnologien mit herausragender Leistung erlauben die Erhöhung der Schaltfrequenz und somit die Erhöhung der Leistungsdichten von Leistungselektronik Systemen, ohne Velust der Gesamtwirkungsgrad. Als die Schaltfrequenz in einen Bereich eintritt, der von EMV-Normen abgedeckt wird, können unerwünschte und sogar vernachlässigte Probleme auftreten, wie die Zunahme des Gegentaktmodus Störungen. Daneben wird auch die Gleichtakt-Störungsquelle beeinflusst, insbesondere durch das hohe dv/dt von schnelleren Schaltvorgängen. Beim Entwerfen eines EMV-Filters besteht der erste Schritt darin, zu verstehen, welche und wie die Störungsquellen sind. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Störungsquellen analysiert: Kopplungsarten, Kategorisierung der Emissionen, DC-DC- und DC-AC-Wandler, die hauptsächlich in Solaranwendungen verwendet werden, und Einfluss von Halbleiter-Schaltvorgängen. Aufgrund der Ausgangseigenschaften der PV-Zellen ist normalerweise eine Spannungsregelung/-erhöhung erforderlich, die normalerweise von einer DC-DC-Stufe durchgeführt wird. Dazu wird die Störungsquellen von Tiefsetzsteller-, Hochsetzsteller- und Interleaved-Hochsetzstellerwandlern analysiert. Darüber hinaus werden auch typische nicht isolierte Wechselrichter wie Vollbrücke (B4), H5, HERIC und 3-Level-NPC hinsichtlich ihres erzeugten Störungen bewertet. Da die Schaltkurven der Halbleiter auch das Frequenzspektrum beeinflussen, werden die wichtigsten nicht idealen Effekte im Detail untersucht: Anstiegs- und Abfallzeiten, Überspannung, Oszillationen und sanftes Schalten. Eine Fourier-Reihenanalyse dieser Fälle wird durchgeführt, was das Verständnis ihrer Auswirkungen auf das Spektrum ermöglicht. Anwendungsanforderungen und Eigenschaften von Induktivitäten und Kondensatoren werden ebenfalls vorgestellt. Zunächst werden geeignete Materialien und Eigenschaften von Magnetkern und Wicklungen dargestellt. Anschließend werden Kondensatoren Typen und Materialien beschrieben und verglichen, wobei der Schwerpunkt auf Kondensatoren für EMI-Filter liegt. Zusätzlich wird ein Überblick über Methoden zur Minimierung der Serienstreuinduktivität dieser Kondensatoren gegeben, mit einem praktischen Beispiel. Abschließend werden einige Aspekte des EMV-Filter Designs untersucht, basierend auf einem einphasigen netzgekoppelten 2,3-kW-Vollbrücken- PV-Wechselrichter, der mit bipolarer Modulation arbeitet. Zuerst werden die Systemvoraussetzungen analysiert, dann die Störungsquellen werden dargestellt. Darauf aufbauend können Leistungs- und EMV-Filter ausgelegt werden. Schließlich wird eine Vorhersage der Filterleistung erreicht, indem die parasitären Elemente seiner einzelnen Komponenten extrahiert werden. Basierend auf den Simulations- und Versuchsergebnissen wird ein sehr starker Einfluss der Komponenteneigenresonanz und Kopplungseffekte beobachtet, da das Verhalten mit Filter bei höheren Frequenzen noch schlechter war. Daher wird gezeigt, dass die Minimierung von Kopplungseffekten und parasitären Elementen der Filterkomponenten wesentlich ist, um die besten Filterantworten auf den interessierenden Frequenzen zu erzielen.
Zusätzliche Informationen
Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2022Druckausgabe
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@book{doi:10.17170/kobra-202307108352,
author={Colvero Schittler, Andressa},
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2023-08-15T12:20:02Z 2023-08-15T12:20:02Z 2023 doi:10.17170/kobra-202307108352 http://hdl.handle.net/123456789/14989 Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2022 eng kassel university press Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ EMC/EMI Passive filter High frequency power converter Wide bandgap devices Noise source 600 Electromagnetic Interference Analysis of Fast-Switching-Speed Semiconductors Applied to Power Electronics Converters Buch With new semiconductor technologies of outstanding performance each day more accessible, higher power density converters are being developed and introduced into the market, taking advantage of the potential increase of the switching frequency offered by such devices while keeping the same overall efficiency. As the switching frequency enters a range covered by EMI standards, unwanted and even neglected issues may arise, as the increase of the differential mode (DM) noise. Along with that, also the common mode (CM) noise source is affected, specially by the high dv/dt from faster switching events. For designing an EMI filter, the first step is to understand which and how the noise sources are. In this work, various aspects of the noise source are analysed: types of coupling, categorization of emissions, DC-DC and DC-AC converters mostly used on solar applications, and in uence of semiconductors switching events. Because of the PV cell output characteristics, a voltage regulation/boost is usually necessary and it is usually performed by a DC-DC stage. Therefore, the noise source of step-down, step-up and a multi-cell step-up converters are analysed. Moreover, typical non-isolated inverters as full-bridge, H5, HERIC and 3-level NPC are also assessed in terms of their generated noise. The semiconductors switching waveforms also influence the frequency spectrum, therefore the most relevant non-ideal effects are investigated in detail: rise and fall times, overvoltage, oscillations and soft-switching. Fourier series analysis of those cases are performed, enabling the understanding their effects on the spectrum. Application requirements and properties of inductors and capacitors are also presented. At first suitable materials and properties of magnetic core and windings are described. Following that, capacitors types and materials are described and compared, with focus given to capacitors for EMI filters. Additionally, a review of methods for minimizing the series stray inductance of these capacitors is presented, with a practical example also shown. Finally, some aspects of EMI filter design are investigated, based on a one-phase grid-connected 2.3 kW full-bridge PV inverter operating with bipolar modulation. At first the system requirements are analysed. Following that, the noise source is described. Based on that, the power and EMI filter can be designed. Finally, a prediction of the filter performance is achieved by extracting the parasitic elements of its single components. Based on the simulation and experimental results, a very strong influence of the components self-resonance and coupling effects is observed, as the response was even worse with filter at higher frequencies. Therefore, it is shown that the minimization of coupling effects and parasitic elements of the filter components is essential to achieve best filter responses on the frequencies of interest. Neuen Halbleitertechnologien mit herausragender Leistung erlauben die Erhöhung der Schaltfrequenz und somit die Erhöhung der Leistungsdichten von Leistungselektronik Systemen, ohne Velust der Gesamtwirkungsgrad. Als die Schaltfrequenz in einen Bereich eintritt, der von EMV-Normen abgedeckt wird, können unerwünschte und sogar vernachlässigte Probleme auftreten, wie die Zunahme des Gegentaktmodus Störungen. Daneben wird auch die Gleichtakt-Störungsquelle beeinflusst, insbesondere durch das hohe dv/dt von schnelleren Schaltvorgängen. Beim Entwerfen eines EMV-Filters besteht der erste Schritt darin, zu verstehen, welche und wie die Störungsquellen sind. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Störungsquellen analysiert: Kopplungsarten, Kategorisierung der Emissionen, DC-DC- und DC-AC-Wandler, die hauptsächlich in Solaranwendungen verwendet werden, und Einfluss von Halbleiter-Schaltvorgängen. Aufgrund der Ausgangseigenschaften der PV-Zellen ist normalerweise eine Spannungsregelung/-erhöhung erforderlich, die normalerweise von einer DC-DC-Stufe durchgeführt wird. Dazu wird die Störungsquellen von Tiefsetzsteller-, Hochsetzsteller- und Interleaved-Hochsetzstellerwandlern analysiert. Darüber hinaus werden auch typische nicht isolierte Wechselrichter wie Vollbrücke (B4), H5, HERIC und 3-Level-NPC hinsichtlich ihres erzeugten Störungen bewertet. Da die Schaltkurven der Halbleiter auch das Frequenzspektrum beeinflussen, werden die wichtigsten nicht idealen Effekte im Detail untersucht: Anstiegs- und Abfallzeiten, Überspannung, Oszillationen und sanftes Schalten. Eine Fourier-Reihenanalyse dieser Fälle wird durchgeführt, was das Verständnis ihrer Auswirkungen auf das Spektrum ermöglicht. Anwendungsanforderungen und Eigenschaften von Induktivitäten und Kondensatoren werden ebenfalls vorgestellt. Zunächst werden geeignete Materialien und Eigenschaften von Magnetkern und Wicklungen dargestellt. Anschließend werden Kondensatoren Typen und Materialien beschrieben und verglichen, wobei der Schwerpunkt auf Kondensatoren für EMI-Filter liegt. Zusätzlich wird ein Überblick über Methoden zur Minimierung der Serienstreuinduktivität dieser Kondensatoren gegeben, mit einem praktischen Beispiel. Abschließend werden einige Aspekte des EMV-Filter Designs untersucht, basierend auf einem einphasigen netzgekoppelten 2,3-kW-Vollbrücken- PV-Wechselrichter, der mit bipolarer Modulation arbeitet. Zuerst werden die Systemvoraussetzungen analysiert, dann die Störungsquellen werden dargestellt. Darauf aufbauend können Leistungs- und EMV-Filter ausgelegt werden. Schließlich wird eine Vorhersage der Filterleistung erreicht, indem die parasitären Elemente seiner einzelnen Komponenten extrahiert werden. Basierend auf den Simulations- und Versuchsergebnissen wird ein sehr starker Einfluss der Komponenteneigenresonanz und Kopplungseffekte beobachtet, da das Verhalten mit Filter bei höheren Frequenzen noch schlechter war. Daher wird gezeigt, dass die Minimierung von Kopplungseffekten und parasitären Elementen der Filterkomponenten wesentlich ist, um die besten Filterantworten auf den interessierenden Frequenzen zu erzielen. open access Colvero Schittler, Andressa 2022-04-05 Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik Zacharias, Peter (Prof. Dr.-Ing.) Basler, Thomas (Prof. Dr.-Ing.) Kassel 978-3-7376-1129-9 Elektromagnetische Verträglichkeit Frequenzumrichter Hochfrequenz Lärm Halbleiter Interferenz <Physik> publishedVersion Elektrische Energiesysteme Band 22 true 39,00 Elektrische Energiesysteme Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Monographie FB 16 Elektrotechnik / Informatik Softcover DIN A5 true
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