Einfluss von Kühlkörpern auf die EMV leistungselektronischer Schaltungen
Publication date
2024-08-21
Document type
Dissertation
Author
Fink, Stephan
Advisor
Referee
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2024-07-02
Organisational unit
Part of the university bibliography
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Keyword
Elektromagnetische Verträglichkeit
EMV
Leistungselektronik
Electromagnetic compatibility
EMC
Power electronics
Abstract
Weltweit nimmt die Dichte elektronischer Geräte aller Art immer weiter zu. Störungen zwischen dieser großen Anzahl an Geräten nach Möglichkeit zu verhindern, dies ist eine der Aufgaben der elektrotechnischen Disziplin „elektromagnetische Verträglichkeit“ (EMV). Eine typische Störquelle ist oft die Bauteilgruppe der Leistungselektronik. Die Aufgabe der Leistungselektronik ist die Anpassung der Versorgungsspannung an die Bedürfnisse des jeweiligen Verbrauchers. Die Nutzung von Schaltnetzteilen führt zu einem erheblichen Störpotential der Leistungselektronik und die immer weitere Verbreitung von Schaltnetzteilen mit elektronischen Geräten aller Art verstärkt diesen Effekt. Daher wird in dieser Arbeit das Zusammenwirken von EMV und Leistungselektronik betrachtet.
Beim Betrieb von Leistungselektronik fällt Verlustleistung in Form von Wärme an. Die Kühlung zur Abführung dieser Wärme befindet sich typischerweise direkt an der Wärmequelle und somit an der Bauteilgruppe, welche im Falle der EMV gleichzeitig eine Störquelle darstellt. Bereits die unmittelbare räumliche Nähe legt einen Einfluss der Kühlung auf die EMV-Eigenschaften von Leistungselektronik nahe. Dieser Einfluss wird in der vorliegenden Arbeit untersucht.
Zentral für diese Arbeit ist die Betrachtung des Kühlkörpers mit der kapazitiven Kopplung zur Bauteilgruppe der Leistungselektronik als Störquelle. Die Betrachtung erfolgt sowohl für leitungsgebundene, als auch für abgestrahlte Störungen. Mit Blick auf die leitungsgebundenen Störungen werden keine Änderungen an der Schaltung oder dem Schaltverhalten der Leistungselektronik zur Verminderung der Störungen vorgenommen. Der Fokus liegt auf der parasitären Kopplung und den Potentialen in der Leistungselektronik. Für die abgestrahlten Störungen liegt der Fokus auf dem Kühlkörper als Antenne.
Zunächst wird die kapazitive Kopplung untersucht. Zum einen, welche kapazitiven Kopplungen sich aus der Geometrie zwischen leistungselektronischen Bauteilen und Kühlkörper ergeben. Zum anderen werden Schaltbilder leistungselektronischer Grundschaltungen analysiert und besonders kritische Knoten für parasitäre Koppelkapazitäten mittels SPICE-Simulation verifiziert. Für die EMV-Eigenschaften ist das Zusammentreffen von drei Aspekten besonders ungünstig und unbedingt zu vermeiden: Große Koppelkapazität aus der Geometrie an Potentialen mit großen und schnellen Änderungen in der leistungselektronischen Schaltung.
Eine Möglichkeit, die kapazitive Kopplung nahezu komplett zu eliminieren, ist die Verwendung eines elektrisch nichtleitenden Kühlkörpers. Ein solcher Kühlkörper aus Aluminiumnitrid (AlN) wurde gefertigt und dessen thermische Leistungsfähigkeit bestätigt.
Hinsichtlich abgestrahlter Störungen werden Untersuchungen mit zwei Kühlkörpern gleicher Geometrie als Aluminium und AlN berichtet. Die Untersuchungen wurden in einer Halbabsorberkammer mittels Netzwerkanalysator durchgeführt. Hierbei ergab sich, dass die dielektrischen Eigenschaften des Kühlkörpers aus AlN zu einer Erhöhung der Abstrahlung führen können. Aufgrund der rein reellen Systemimpedanz des Netzwerkanalysators, welche in einer Leistungselektronik nicht gegeben ist, ist eine Übertragung der Ergebnisse auf die Impedanzen in der Leistungselektronik nicht direkt möglich. Für einen metallischen Kühlkörper ist zur Verringerung der Abstrahlung eine bis in den hohen Frequenzbereich niederinduktive Erdung wirksam.
Beim Betrieb von Leistungselektronik fällt Verlustleistung in Form von Wärme an. Die Kühlung zur Abführung dieser Wärme befindet sich typischerweise direkt an der Wärmequelle und somit an der Bauteilgruppe, welche im Falle der EMV gleichzeitig eine Störquelle darstellt. Bereits die unmittelbare räumliche Nähe legt einen Einfluss der Kühlung auf die EMV-Eigenschaften von Leistungselektronik nahe. Dieser Einfluss wird in der vorliegenden Arbeit untersucht.
Zentral für diese Arbeit ist die Betrachtung des Kühlkörpers mit der kapazitiven Kopplung zur Bauteilgruppe der Leistungselektronik als Störquelle. Die Betrachtung erfolgt sowohl für leitungsgebundene, als auch für abgestrahlte Störungen. Mit Blick auf die leitungsgebundenen Störungen werden keine Änderungen an der Schaltung oder dem Schaltverhalten der Leistungselektronik zur Verminderung der Störungen vorgenommen. Der Fokus liegt auf der parasitären Kopplung und den Potentialen in der Leistungselektronik. Für die abgestrahlten Störungen liegt der Fokus auf dem Kühlkörper als Antenne.
Zunächst wird die kapazitive Kopplung untersucht. Zum einen, welche kapazitiven Kopplungen sich aus der Geometrie zwischen leistungselektronischen Bauteilen und Kühlkörper ergeben. Zum anderen werden Schaltbilder leistungselektronischer Grundschaltungen analysiert und besonders kritische Knoten für parasitäre Koppelkapazitäten mittels SPICE-Simulation verifiziert. Für die EMV-Eigenschaften ist das Zusammentreffen von drei Aspekten besonders ungünstig und unbedingt zu vermeiden: Große Koppelkapazität aus der Geometrie an Potentialen mit großen und schnellen Änderungen in der leistungselektronischen Schaltung.
Eine Möglichkeit, die kapazitive Kopplung nahezu komplett zu eliminieren, ist die Verwendung eines elektrisch nichtleitenden Kühlkörpers. Ein solcher Kühlkörper aus Aluminiumnitrid (AlN) wurde gefertigt und dessen thermische Leistungsfähigkeit bestätigt.
Hinsichtlich abgestrahlter Störungen werden Untersuchungen mit zwei Kühlkörpern gleicher Geometrie als Aluminium und AlN berichtet. Die Untersuchungen wurden in einer Halbabsorberkammer mittels Netzwerkanalysator durchgeführt. Hierbei ergab sich, dass die dielektrischen Eigenschaften des Kühlkörpers aus AlN zu einer Erhöhung der Abstrahlung führen können. Aufgrund der rein reellen Systemimpedanz des Netzwerkanalysators, welche in einer Leistungselektronik nicht gegeben ist, ist eine Übertragung der Ergebnisse auf die Impedanzen in der Leistungselektronik nicht direkt möglich. Für einen metallischen Kühlkörper ist zur Verringerung der Abstrahlung eine bis in den hohen Frequenzbereich niederinduktive Erdung wirksam.
The number of electronic devices raises world wide. Therefore, the aim and the commitment of the electromagnetic compatibility (EMC) to minimize interferences between the devices gets more challenging. Interferences are often created by switching component assemblies, for instance they are part of power electronics. In this thesis, the EMC properties of power electronics are addressed.
During the operation of power electronics, heat is generated because of power dissipation. The heat has to be removed from the devices in order to maintain proper operation. So the cooling is typically positioned directly at the source of the heat, which is the switching component assembly. Hence, from the emc point of view, the cooling is positioned directly at a source of interferences. This suggests an influence of the cooling on the emc properties of the power electronics, which is investigated in this thesis.
The focus of the investigations in this thesis is on the heat sink and its capacitive coupling to the switching component assembly of the power electronics. Conducted interference as well as radiated interference are considered. Concerning the conducted interference, neither changes are made to the power power electronics’ topology nor to the switching behavior. Instead, the parasitic capacitive coupling and the behavior of the potentials within the power electronics are analyzed. Regarding radiated interference, the heat sink is considered as an antenna.
At first, the capacitive coupling is investigated. On the one hand, the parasitic capacitive couplings are deduced from a typical mounting geometry of the heat sink and the devices. On the other hand, circuit diagrams of fundamental power electronic topologies are analyzed regarding critical potential behavior. The emc properties of the power electronics degrade strongly, if three conditions apply simultaneously at the same potential: Large coupling capacity as well as large and fast change of the potential.
One possibility to nearly eliminate the capacitive coupling is the application of an electrically non-conducting heat sink. Therefore, a ceramic heat sink made from aluminum nitride were manufactured and its thermal capability verified.
Concerning radiated interference, investigations with two heat sinks of the same geometry were carried out: One made from aluminum, the other made from aluminum nitride. The investigations were done within a semi-anechoic chamber using a vector network analyzer. The results show, that the dielectric properties of the aluminum nitride heat sink can lead to higher radiated interference. It is difficult to transfer the results from the measurements with the vector network analyzer in a 50 Ω system to typical power electronics, as the impedances differ strongly. Concerning a heat sink made from metal, a grounding with low impedance up to high frequencies is an effective way to decrease radiated interference.
During the operation of power electronics, heat is generated because of power dissipation. The heat has to be removed from the devices in order to maintain proper operation. So the cooling is typically positioned directly at the source of the heat, which is the switching component assembly. Hence, from the emc point of view, the cooling is positioned directly at a source of interferences. This suggests an influence of the cooling on the emc properties of the power electronics, which is investigated in this thesis.
The focus of the investigations in this thesis is on the heat sink and its capacitive coupling to the switching component assembly of the power electronics. Conducted interference as well as radiated interference are considered. Concerning the conducted interference, neither changes are made to the power power electronics’ topology nor to the switching behavior. Instead, the parasitic capacitive coupling and the behavior of the potentials within the power electronics are analyzed. Regarding radiated interference, the heat sink is considered as an antenna.
At first, the capacitive coupling is investigated. On the one hand, the parasitic capacitive couplings are deduced from a typical mounting geometry of the heat sink and the devices. On the other hand, circuit diagrams of fundamental power electronic topologies are analyzed regarding critical potential behavior. The emc properties of the power electronics degrade strongly, if three conditions apply simultaneously at the same potential: Large coupling capacity as well as large and fast change of the potential.
One possibility to nearly eliminate the capacitive coupling is the application of an electrically non-conducting heat sink. Therefore, a ceramic heat sink made from aluminum nitride were manufactured and its thermal capability verified.
Concerning radiated interference, investigations with two heat sinks of the same geometry were carried out: One made from aluminum, the other made from aluminum nitride. The investigations were done within a semi-anechoic chamber using a vector network analyzer. The results show, that the dielectric properties of the aluminum nitride heat sink can lead to higher radiated interference. It is difficult to transfer the results from the measurements with the vector network analyzer in a 50 Ω system to typical power electronics, as the impedances differ strongly. Concerning a heat sink made from metal, a grounding with low impedance up to high frequencies is an effective way to decrease radiated interference.
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