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Design and Optimization of EMI Filters for Power Electronics Systems

Manushyn, Illia :
Design and Optimization of EMI Filters for Power Electronics Systems.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design and Optimization of EMI Filters for Power Electronics Systems
Language: English
Abstract:

Modern power electronics develop very rapidly. The main direction for development nowadays is increasing power density. This can be achieved by utilizing higher switching frequencies. The last generation of SiC and GaN semiconductors can reach switching frequencies up to several MHz. At the same time the number of power electronics devices connected to the power grid has grown significantly during past decades and continues to increase. These two factors result in the high level of power grid pollution with electromagnetic interferences. In order to minimize the emission level, passive electromagnetic interference (EMI) filters are employed. Within the frame of this thesis, issues related to design and improvement of EMI filters for three-phase power electronic converters are comprehensively studied. Detailed analyses of magnetic materials, filter components, mutual couplings, enhancement methods and filter topologies are presented. Insertion loss of EMI filters is analysed within a system under idealised conditions 50 Ohm reference impedance). Moreover the impact of the reference impedance used for EMI filter characterisation on insertion loss is investigated based on mathematical models. Behavioural models of EMI filters with different complexity are developed. Diverse simulation approaches are used for profound understanding of the physical processes inherent in EMI filters. Exactness of the behavioural models is proven by measurements of built prototypes. The main insertion loss degradation mechanisms are derived from the developed models. The advantages and disadvantages of models based upon the network theory, S-functions and differential equations with the help of electronic design automation tools are shown. Existing filter improvement methods are systematized and complemented. Novel improvement possibilities for conventional filters including parasitics compensation methods and mutual coupling minimization are developed. Different combinations of improvement methodologies are applied to reference EMI filters and tested. Multistage filters with enhanced topologies are proposed. Critical comparison of conventional and proposed filter topologies considering power density and costs is carried out. Obtained results demonstrate considerable advantages of enhanced EMI filter topologies over conventional ones. Three phase power electronics systems are examined from the perspective of electromagnetic compatibility. Analysis of common and differential currents' contribution into the spectrum of a conventional drive system is carried out. EMI filters are tested together with different types of power electronic converters. Effects caused by variation of converter parameters on the emitted spectrum of disturbances are assessed from the EMI filter design point if view. It is determined that essentially all investigated parameters of a power electronics converter and a drive system except DC voltage fluctuation have feasible impact on the EMI spectrum. Thus EMC behaviour of the system can be adjusted by variation of these parameters. Semiconductor speed, motor stray capacitance and concept of protective earthing are determined as the most relevant system parameters influencing EMI filter design.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Entwicklung leistungselektronischer Systeme schreitet, getrieben durch globale Trends, wie Klimawandel und Digitalisierung, sehr schnell voran. Viele Anwendungen sind nur durch den Einsatz moderner leistungselektronischer Systeme überhaupt umsetzbar, was zu einem stetig steigenden Bedarf führt. Eines der Hauptziele, neben der Steigerung der Systemeffizienz, ist hierbei die Erhöhung der Leistungsdichte. Diese ist insbesondere zu erreichen durch höhere Schaltfrequenzen der verwendeten Halbleiterbauelemente. Gerade die neuste Generation von Halbleitern mit großem Bandabstand (SiC und GaN) ermöglicht den Betrieb mit Schaltfrequenzen bis in den Megahertz-Bereich. Neben den Vorteilen, die moderne Systeme bieten, erwachsen aus den angewandten Technologien auch neue Herausforderungen. Gerade im Hinblick auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entstehen ungelöste Fragestellungen. Um bestehende Emissionsgrenzwerte einzuhalten und auf diese Weise den störungsfreien Betrieb anderer elektrischer oder elektronischer Systeme zu garantieren, kommt bei einer Mehrzahl der leistungselektronischen Systeme ein passiver EMV Filter zum Einsatz. Um den schnell schaltenden Halbleiterbauelementen Rechnung zu tragen, ist es notwendig, die Auslegung und den Entwurf der Filterschaltungen zu optimieren. Zu diesem Zweck untersucht die vorliegende Arbeit die unterschiedlichen magnetischen Materialien und Filterkomponenten. Weiterhin werden gegenseitige Verkopplungen innerhalb eines Filters analysiert, Methoden zur Verbesserung der Einfügungsdämpfung erarbeitet und Filtertopologie ausgewertet. Es werden Verhaltensmodelle der EMV Filter mit unterschiedlicher Komplexität abgeleitet. Weiterhin kommen diverse Simulationsansätze zur Anwendung, um die physikalischen Prozesse zu verstehen und die Verhaltensmodelle schlussendlich anhand von Messungen zu validieren. Mittels der entwickelten Verhaltensmodelle werden negative Einflussfaktoren auf die Einfügungsdämpfung abgeleitet. Anhand der Netzwerktheorie, S-Funktionen und Differentialgleichungen werden die Vor- und Nachteile der Verhaltensmodelle von EMV Filtern verdeutlicht. Dies geschieht mit dem Ziel die Anwendbarkeit innerhalb von Entwurfsautomatisierungswerkzeugen darzulegen. Bestehende Filterverbesserungsmethoden werden systematisiert und durch neuartige Verbesserungsoptionen ergänzt. Die entwickelten Erweiterungen umfassen Kompensationsverfahren parasitärer Komponenten und Vorschläge zur Minimierung von parasitären Kopplungen, welche die Einfügedämpfung des Filters negativ beeinflussen würden. Die Wirksamkeit der entwickelten Methoden für konventionelle Filterschaltungen wird anhand von Messungen nachgewiesen. Mehrstufige Filter mit erweiterten Topologien werden vorgeschlagen. Eine kritische Bewertung der Filterschaltungen erfolgt basierend auf der Leistungsdichte und den Kosten, wodurch erhebliche Vorteile der entwickelten Filterschaltungen deutlich werden. Abschließend wird anhand eines dreiphasigen leistungselektronischen Antriebssystems die verursachte Störaussendung analysiert und die jeweiligen Beiträge von Gleich- und Gegentaktgrößen herausgestellt. Zu diesem Zweck werden verschiedene EMV Filter in Verbindung mit verschiedenen leistungselektronischen Schaltungen systematisch untersucht. Der Einfluss der Variation verschiedener Schaltungsparameter auf das Spektrum wird aus der Sichtweise der Filterschaltung aufgewertet. Es wird herausgestellt, dass alle Schaltungsparameter (außer der Spannungsschwankungen des Gleichspannungszwischenkreises) erheblichen Einfluss auf das erzeugte Spektrum haben. Auf diese Weise wird verdeutlicht, dass das EMV-Verhalten eines leistungselektronischen Systems erheblich durch die Veränderung einzelner Schaltungsparameter beeinflusst werden kann.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Power Electronics and Control of Drives
Date Deposited: 22 Mar 2019 09:42
Last Modified: 22 Mar 2019 09:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85636
Referees: Griepentrog, Prof. Dr. Gerd and Vick, Prof. Dr. Ralf
Refereed: 29 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8563
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