Electromagnetic Interference Analysis of Fast-Switching-Speed Semiconductors Applied to Power Electronics Converters

Colvero Schittler, Andressa

dc.date.accessioned	2023-08-15T12:20:02Z
dc.date.available	2023-08-15T12:20:02Z
dc.date.issued	2023
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202307108352
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/14989
dc.description	Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2022
dc.language.iso	eng
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	EMC/EMI	eng
dc.subject	Passive filter	eng
dc.subject	High frequency power converter	eng
dc.subject	Wide bandgap devices	eng
dc.subject	Noise source	eng
dc.subject.ddc	600
dc.title	Electromagnetic Interference Analysis of Fast-Switching-Speed Semiconductors Applied to Power Electronics Converters	eng
dc.type	Buch
dcterms.abstract	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.	eng
dcterms.abstract	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.	ger
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Colvero Schittler, Andressa
dcterms.dateAccepted	2022-04-05
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik	ger
dc.contributor.referee	Zacharias, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
dc.contributor.referee	Basler, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-1129-9
dc.subject.swd	Elektromagnetische Verträglichkeit	ger
dc.subject.swd	Frequenzumrichter	ger
dc.subject.swd	Hochfrequenz	ger
dc.subject.swd	Lärm	ger
dc.subject.swd	Halbleiter	ger
dc.subject.swd	Interferenz <Physik>	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Elektrische Energiesysteme	ger
dcterms.source.volume	Band 22
kup.iskup	true
kup.price	39,00
kup.series	Elektrische Energiesysteme	ger
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Monographie
kup.institution	FB 16 Elektrotechnik / Informatik	ger
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5
ubks.epflicht	true