Sensitivitätsanalyse mittels adjungierter Verfahren für äquivalente Ersatzschaltbilder extrahiert aus 3D Feldmodellen

Schuhmacher, Sebastian Alfred (2018)
Sensitivitätsanalyse mittels adjungierter Verfahren für äquivalente Ersatzschaltbilder extrahiert aus 3D Feldmodellen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7386

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das spezifizierte Verhalten eines elektrischen Gerätes wird durch das Modell eines rein funktionellen Ersatzschaltbildes beschrieben. Die durch elektromagnetische Felder vermittelten Verkopplungen zwischen Bauteilen und Geometriebereichen sind in der Lage, ein dazu abweichendes Verhalten zu verursachen. Um diese Ursachen verhindern zu können müssen jedoch diese parasitären Effekte identifiziert und ihre Koppelpfade verstanden werden. In der ursprünglichen Modellbeschreibung sind diese parasitären Effekte, in Form von parasitären Ersatzschaltbildelementen, nicht enthalten und müssen in dem funktionellen Modell ergänzt werden. Durch das Auswerten von Feldmodellen in verschiedenen Näherungen der Maxwellgleichungen lassen sich Ersatzschaltbildelemente und deren Größen bestimmen, die diese Effekte auf Netzwerkebene abbilden können. Ein Gleichsetzen der Größen ermöglicht eine Extraktion von parasitären Kapazitäten, Induktivitäten und Widerständen aus der 3D Geometrie.

Das extrahierte Ersatzschaltbild ist eine Funktion der Geometrie und der Materialparameter. Dadurch ist es möglich parasitäre Verkopplungen zu reduzieren und das Verhalten von Zielgrößen, den sog. „Quantities of Interest“ (QoIs), zu verbessern. Die dafür benötigte Identifikation von sensitiven Geometriebereichen und die zur Optimierung notwendigen Sensitivitäten (Gradienten), werden durch Sensitivitätsanalysen auf Geometrie- und auf Netzwerkebene erreicht. Die Berechnungen auf Geometrieebene werden mit dem adjungierten Verfahren durchgeführt, wodurch sich die Möglichkeit bietet, die Sensitivitäten bzgl. einer großen Anzahl von Geometrieparametern effizient zu berechnen. Dies ebnet den Weg für eine Freiformoptimierung.

Um eine derartige Sensitivitätsanalyse für das Extraktionsverfahren zu erhalten wird in dieser Arbeit eine Sensitivitätsanalyse auf Netzwerkebene, eine geometrische Sensitivitätsanalyse und die Sensitivitätsanalyse der QoIs etabliert. Die dabei entwickelten Methoden werden an analytisch überprüfbaren Beispielen getestet. Das Verfahren wird dann genutzt um eine Realisierung eines electromagnetic interference (EMI)-Filters durch den Effekt der Inductance Cancellation bzgl. seiner Gegentaktdämpfung zu optimieren und zu untersuchen.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2018

Autor(en):

Schuhmacher, Sebastian Alfred

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Sensitivitätsanalyse mittels adjungierter Verfahren für äquivalente Ersatzschaltbilder extrahiert aus 3D Feldmodellen

Sprache:

Deutsch

Referenten:

De Gersem, Prof. Dr. Herbert ; Schöps, Prof. Dr. Sebastian

Publikationsjahr:

April 2018

Ort:

Darmstadt

Datum der mündlichen Prüfung:

12 März 2018

URL / URN:

http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7386

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The specified behavior of an electronic device is described by a purely functional electrical network. The electromagnetic field couplings between components and parts of the 3D model geometry can cause a divergent behavior. In order to prevent the cause, however, these parasitic effects have to be identified and its coupling paths have to be understood. In the original model description these parasitic effects are not included and must be added to the functional model. By evaluating field models in different approximations to Maxwell’s equations the network elements and its quantities can be determined, which can describe these effects on the network level. Equating the quantities allows an extraction of parasitic capacitances, inductances and resistances from the 3D Geometry.

The extracted electrical network is a function of the geometry and the material parameters. As a consquence it is possible to reduce parasitic couplings and to improve the behavior of the so called „Quantities of Interests“ (QoIs). The required identification of sensitive geometry areas and the necessary sensitivities (gradients) is achieved by sensitivity analysis on geometry- and network level. The calculations on the geometry level are accomplished by using the adjoint technique, which offers the possibility to calculate the sensitivities of a large number of geometry parameters. This paves the way for a non-parametric optimization.

To obtain such a sensitivity analysis for the extraction method a sensitivity analysis on network level, a geometric sensitivity analysis and a sensitivity analysis of the QoIs is developed. The developed methods are tested on analytic, verifiable examples. The methodology is finally applied to investigate and optimize a realization of an electromagnetic interference (EMI) filter with respect to its differential mode attenuation, utilizing the inductance cancellation effect.

Englisch

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-73862

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Theorie Elektromagnetischer Felder (ab 01.01.2019 umbenannt in Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder)

Hinterlegungsdatum:

13 Mai 2018 19:55

Letzte Änderung:

13 Mai 2018 19:55

PPN: