Breitbandige Netzwerkmodelle für Spulen und Transformatoren in Resonanzwandlern

Die meistens unerwünschten Abweichungen vom idealen Verhalten leistungselektronischer Schaltungen sind auf parasitäres Verhalten der passiven Bauelemente, der Halbleiter und elektrischer Verbindungen zurückzuführen. Mögliche Folgen sind Fehlfunktionen, ein Ausfall der Schaltungen oder die Überschreitung von normativen Grenzwerten der Elektromagnetischen Verträglichkeit. Eine schnell zu implementierende entwicklungsbegleitende Modellierung ermöglicht die Analyse der Wechselwirkung parasitärer Eigenschaften, so dass daraus Optimierungen entwickelt werden können. Dies reduziert den zeitlichen und finanziellen Aufwand des Herstellers enorm. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Modellierung von Spulen und Transformatoren in Form von breitbandigen Netzwerkmodellen entwickelt, um die wesentlichen parasitären Effekte zu berücksichtigen. Das Verfahren basiert auf der Berechnung von elektrischen Ersatzschaltbildern aus der rationalen Näherung von Übertragungsfunktionen. Diese Näherung wird durch Vector Fitting von gemessenen Impedanzdaten gewonnen, das üblicherweise Black-Box-Modelle generiert. Die einzelnen Bauelemente der Ersatzschaltbilder können dabei physikalischen Phänomenen zugeordnet werden. Das Verfahren wird zur Modellierung eines Serienresonanzwandlers angewendet und anhand eines Hochspannungstransformators demonstriert. Zur Validierung des Modells der Schaltung wird eine Simulation im Zeitbereich den gemessenen Daten gegenübergestellt. Eine Messung des elektromagnetischen Störspektrums zeigt eine gute Übereinstimmung mit simulierten Resonanzen. Dies belegt die Möglichkeit, eine systematische Resonanzanalyse auf Basis des elektrischen Ersatzschaltbildes durchzuführen und die Elektromagnetische Verträglichkeit zu optimieren.

The mostly undesirable deviations from the ideal behavior of power electronic circuits are due to parasitic behaviour of the passive components, semiconductors and electrical connections. Possible consequences are incorrect functioning, failure of the circuits or exceeding the normative limit values for electromagnetic compatibility. Modeling during the development phase allows the analysis of the interaction of parasitic properties so that optimizations can be developed. This reduces the manufacturer’s time and financial resources. As part of this work, a method for the modeling of coils and transformers in the form of a network model is developed to consider the essential parasitic effects. The method is based on the calculation of electrical equivalent circuits from the rational function approximation. This is obtained by vector fitting of measured impedance data, which usually generates black-box models. The individual components of the equivalent circuits can be assigned to physical phenomena. The modeling method is applied to a series resonant converter and demonstrated using a high-voltage transformer. To validate the model of the circuit, a simulation in the time domain is compared with the measured data. A measurement of the electromagnetic emissions shows a good match with simulated resonances. This demonstrates the possibility of performing a systematic resonance analysis on the basis of the equivalent circuits and optimization of the electromagnetic compatibility.

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