Grundlagen der Elektrotechnik

Maintaining compliance to electromagnetic compatibility (EMC) standards becomes an increasing challenge for the automotive industry in the course of the ongoing automation of vehicles. Novel extended design procedures and test standards are required to ensure safety of automated driving functions, particularly in an adverse electromagnetic (EM) environment. In order to keep the number of tests within a reasonable and practical limit, an evaluation framework based on virtual design methods and information drawn from legacy experiments and simulations can support the automotive industry. With this digital framework appropriate technological solutions can be identified during the pre-compliance phase and efficient experimental designs can be generated to ensure EMC compliance. Furthermore, such a framework paves the way for digital EMC twins of automated vehicles (AVs) considering the complex interrelations of AV’s (sub-)systems to accurately predict the behaviour of new AV functions in various EM environments. To this purpose, a cross-domain platform is being developed in this work as the backbone of such a virtual framework. It supports the handling, storage and processing of various datasets from EMC test campaigns, including (intentional) electromagnetic interference ((I)EMI) tests, as well as simulations of automotive devices-under-test (DUTs). The platform allows for the establishment of interconnections between various data sources and deeper analyses based on artificial intelligence (AI) methods to deduce EMC information for new developments, whilst maintaining traceability.

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.

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.

Um die elektromagnetische Verträglichkeit eines Prüflings mit seiner Umwelt zu überprüfen, müssen unter anderem Abstrahlungsmessungen vorgenommen werden, welche mit nicht unerheblichem zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden sind. Als Alternative werden die Messergebnisse in dieser Arbeit durch Aufteilung in zwei Teilprobleme berechnet. Zunächst wird ein Prüfling mit linearem Klemmenverhalten im Norton-Ersatzschaltbild leitungsgebunden charakterisiert. Anschließend wird angenommen, dass die Abstrahlung hauptsächlich von den Strömen im Messaufbau und nicht vom Prüfling selbst erzeugt wird. Eine Transferfunktion von den Klemmen des Prüflings zum Messempfänger beschreibt in Form von Streuparametern den Zusammenhang zwischen dem Klemmenverhalten des Prüflings und der Spannung am Messempfänger, dessen Eigenschaften berücksichtigt werden. So kann das Ergebnis einer Abstrahlungsmessung für mehrere Prüflinge berechnet werden, wenn die Transferfunktion des Messaufbaus einmal bekannt ist. Das Verfahren wird für einen Tiefsetzsteller und eine Motoransteuerung als Prüflinge mit deterministischen Störsignalen und zwei Gleichstrommaschinen als Quellen stochastischer Störsignale überprüft. Abschließend wird das Verfahren hinsichtlich seiner Nutzbarkeit eingeordnet.

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.

In a modern vehicle, the automotive wire harness forms a crucial part of the sensor signal and power distribution system. It is thus important to understand the impact of electromagnetic interference on such harness, in particular its dependence on layout with respect to an incoming electromagnetic wave. The research presented here investigates the induced common-mode and differential-mode currents in various wire harness layouts, as well as the dependence on both grounding and on the harness design involving an unshielded twisted or untwisted pair. The results indicate that for harness layouts with a substantial component along the electric field directions, such current levels can reach up to those that disrupt automotive sensor communication.

In this paper, we present a filter circuit that can be used to prevent sensor disturbances caused by intentional electromagnetic interference (IEMI). Sensors are an increasingly important component in almost all electrical systems, and faulty sensor readings can cause major problems. We show that sensor disturbances can be caused by IEMI and that sensors with Inter-Integrated Circuit (I²C) interfaces are particularly susceptible to this type of interference. We present a filter circuit that can be connected directly to I²C sensors in order to prevent disturbances caused by IEMI. Through both simulation and experimental testing, the effectiveness of the filter in preventing errors in sensor readings without impacting the functionality of the I²C communication is demonstrated.

Standardized radiation measurements can be simulated by various numerical or analytical approaches. In this article, a transfer function method is proposed for a fast and accurate antenna voltage prediction. Assuming that the interference source can be characterized as a linear Norton equivalent current source, its internal admittances and source currents are determined from measurements made with a vector network analyzer and an oscilloscope. The setup of the radiation measurement is described as a transfer function using its scattering parameters. A system of equations is set up with the multiport theory and solved for the antenna voltage, which is fed into a spectrum analyzer model. The result is compared to a measurement in a fully anechoic chamber. The method is extended to interference sources with stochastic signals, and, in the course of this, an approach for the estimation of the radiation measurement is developed. A dc motor is used as an application example.