Podendorf, Simon

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.

Hohe Anforderungen an die elektronischen Komponenten von Systemen der medizinischen Bildgebung können im Rahmen derer Energieversorgung nur durch den Einsatz von moderner Leistungselektronik erfüllt werden. Mit der Verwendung von Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern, z. B. in Stromrichtern von Röntgensystemen, gehen damit schnellere Schaltvorgänge sowie hohe Schaltfrequenzen einher. Dies macht eine Untersuchung der Auswirkungen auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erforderlich. Das betrifft sowohl die Einhaltung von normativen EMV-Grenzwerten als auch die Wechselwirkung der parasitären Eigenschaften von Komponenten innerhalb eines Systems. Im Forschungsprojekt DiMoLEK werden messtechnische Untersuchungen durchgeführt und es wird ein Ansatz zur Modellierung der parasitären Eigenschaften von passiven Komponenten entwickelt. Die Simulation von Stromrichtern mit anschließender Analyse der Wechselwirkungen parasitärer Eigenschaften ermöglicht die Optimierung der (elektromagnetischen) Resilienz. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung des Designs der Komponenten und der Modulationsverfahren erreicht werden.

To guarantee the safe operation of switching devices and accomplish zero voltage switching (ZVS), it is crucial to determine the dead time in a half-bridge LLC resonant inverter. When the resonant inverter fails to meet the ZVS boundary, the voltage reversal occurs across the switching devices with high voltage/current transitions leading to the distortion event. This work provides the opportunity to investigate the electromagnetic compatibility (EMC) issues of the half bridge LLC resonant inverter in the context of varying dead time. Hardware results from an experimental setup demonstrate the impact of dead time distortion on the switching device and their correlation with EMC challenges, which are validated by measurements performed in an anechoic chamber.

The use of wide-bandgap semiconductors in modern power electronics creates new challenges in EMC. These result, among other things, from high frequencies and steep switching slopes. In addition, parasitic elements of semiconductors, passive components and the printed circuit board can cause resonances, which become noticeable in oscillations. In this work, a possibility is presented to simulate resonances in a power electronic circuit. The circuit used is a series-LC resonant converter with SiC-MOSFETs. An impedance model of the resonant load is generated with consideration of parasitic elements. The accurate simulation is validated by comparison with time domain measurements. EMC measurements of conducted and radiated emissions are done. It is shown that the resonances lead to emissions which can be predicted using the time domain simulation.

The double pulse measurement is a standard test method to analyze the dynamic behavior of power electronic devices like IGBTs, MOSFETs, and diodes. In this work, a double pulse measurement is modeled and simulated with SPICE to investigate the influence of the MOSFETs, the printed circuit board and the inductive load on the switching oscillations. The main parasitic elements are taken into account for an accurate simulation. The simulation results are validated by comparison with measurement results. The SPICE-simulation shows that the lead length from the printed circuit board to the inductive load influences the switching oscillation. The reason is a resonance of the lead's inductance and the parasitic winding capacitance of the inductor. This fact can be used for a reduction of the oscillation.