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Consideration of Electromagnetic Noise During Design of Inverter for Transportation Applications

Drozhzhin, Danil (2020)
Consideration of Electromagnetic Noise During Design of Inverter for Transportation Applications.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00012789
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

One of the main goals in modern power electronics lies in the increase of power density. This trend is mostly provoked by the electrification in the transportation (electric/hybrid vehicles and aircraft). The increase of power density should be resolved keeping the other parameters of power converters such as cost and degree of complexity on the adequate level. Moreover, all environmental conditions should be also fulfilled regarding the application. The power converters were improved from the topology and control point of view since the invention of silicon (Si) insulated gate bipolar transistors (IGBT) at the beginning of the '80s. However, the development and appearance on the market of the new power switches took the most attention of engineers in the last decade. Such semiconductor materials as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) introduce a new class of power switches with reduced switching and conduction losses. At the first view, it seems that it is possible to improve the existing power converters only by the replacement of the conventional Si power switches. It is often assumed that such a simple approach reduces the size of the cooling system and/or the size of the passive components due to the increased switching frequency. However, low switching losses are also associated with short commutation times (rise/fall times of voltages and currents) and with high voltage slew rate (du/dt). The increased switching frequency and high values of du/dt introduces new limitations in the design of power converters, which were underestimated or neglected in the power electronics based on the semiconductors with low commutation speed.

Several problems of high-speed commutation can be indicated in the literature: high overvoltages and oscillations during the commutation due to the presence of stray inductance, influence on the isolation, the increased bearing currents in the electrical drives and additional problems of electromagnetic interference (EMI). The last problem can be crucial for the application of the new power switches because it can require the installation of additional filters. The additional EMI filters can lead to the decrease of the power density of the whole system including power converter itself and all passive components. This thesis discusses the problem of EMI generated by the inverter of an electrical drive in the transportation systems. The work considers the aerospace application, where power density plays the most important role, but the requirements for the EMI are very strict. The nature of the conducted noise in the AC drives is considered in the details. The thesis presents also the various methods applied for the reduction of emissions generated by the power converter. The research work considers the application of conventional EMI filters and different inverter design techniques (topology, modulation techniques and hardware).

This research was carried out to build an approach for including the high-frequency EMI effects in the design stage of the inverter utilizing the appropriate simulation. Whereas the most existing research works are concentrated on the EMI filter design and its optimization, this work presents a new frequency domain model, which is capable to consider different noise reduction techniques in the AC drive including the EMI filters and the inverter design methods. Moreover, the most existing models do not take coupling between common mode and differential mode into account. However, it is shown theoretically and experimentally, that the mixed-mode (MM) noise can be observed in the system where EMI is measured according to the aerospace standards. The proposed frequency domain models can be used to analyse the MM noise. The model keeps the simple frequency domain behaviour with low computational effort that makes it suitable for the application in the optimization procedure.

The prototype of an inverter based on SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFET) was built within the research work to implement the AC drive system for the EMI measurements. It is used to conduct the experimental investigation of different noise reduction techniques as well as to validate the developed model. The results show that the EMI in the AC drives has a very complex nature. The particular noise reduction techniques are efficient only under the certain conditions. The proposed model can be used to analyse these conditions.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2020
Autor(en): Drozhzhin, Danil
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Consideration of Electromagnetic Noise During Design of Inverter for Transportation Applications
Sprache: Englisch
Referenten: Griepentrog, Prof. Dr. Gerd ; Frei, Prof. Dr. Stephan
Publikationsjahr: 21 Juli 2020
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 29 April 2020
DOI: 10.25534/tuprints-00012789
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/12789
Kurzbeschreibung (Abstract):

One of the main goals in modern power electronics lies in the increase of power density. This trend is mostly provoked by the electrification in the transportation (electric/hybrid vehicles and aircraft). The increase of power density should be resolved keeping the other parameters of power converters such as cost and degree of complexity on the adequate level. Moreover, all environmental conditions should be also fulfilled regarding the application. The power converters were improved from the topology and control point of view since the invention of silicon (Si) insulated gate bipolar transistors (IGBT) at the beginning of the '80s. However, the development and appearance on the market of the new power switches took the most attention of engineers in the last decade. Such semiconductor materials as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) introduce a new class of power switches with reduced switching and conduction losses. At the first view, it seems that it is possible to improve the existing power converters only by the replacement of the conventional Si power switches. It is often assumed that such a simple approach reduces the size of the cooling system and/or the size of the passive components due to the increased switching frequency. However, low switching losses are also associated with short commutation times (rise/fall times of voltages and currents) and with high voltage slew rate (du/dt). The increased switching frequency and high values of du/dt introduces new limitations in the design of power converters, which were underestimated or neglected in the power electronics based on the semiconductors with low commutation speed.

Several problems of high-speed commutation can be indicated in the literature: high overvoltages and oscillations during the commutation due to the presence of stray inductance, influence on the isolation, the increased bearing currents in the electrical drives and additional problems of electromagnetic interference (EMI). The last problem can be crucial for the application of the new power switches because it can require the installation of additional filters. The additional EMI filters can lead to the decrease of the power density of the whole system including power converter itself and all passive components. This thesis discusses the problem of EMI generated by the inverter of an electrical drive in the transportation systems. The work considers the aerospace application, where power density plays the most important role, but the requirements for the EMI are very strict. The nature of the conducted noise in the AC drives is considered in the details. The thesis presents also the various methods applied for the reduction of emissions generated by the power converter. The research work considers the application of conventional EMI filters and different inverter design techniques (topology, modulation techniques and hardware).

This research was carried out to build an approach for including the high-frequency EMI effects in the design stage of the inverter utilizing the appropriate simulation. Whereas the most existing research works are concentrated on the EMI filter design and its optimization, this work presents a new frequency domain model, which is capable to consider different noise reduction techniques in the AC drive including the EMI filters and the inverter design methods. Moreover, the most existing models do not take coupling between common mode and differential mode into account. However, it is shown theoretically and experimentally, that the mixed-mode (MM) noise can be observed in the system where EMI is measured according to the aerospace standards. The proposed frequency domain models can be used to analyse the MM noise. The model keeps the simple frequency domain behaviour with low computational effort that makes it suitable for the application in the optimization procedure.

The prototype of an inverter based on SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFET) was built within the research work to implement the AC drive system for the EMI measurements. It is used to conduct the experimental investigation of different noise reduction techniques as well as to validate the developed model. The results show that the EMI in the AC drives has a very complex nature. The particular noise reduction techniques are efficient only under the certain conditions. The proposed model can be used to analyse these conditions.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Eines der Hauptziele der modernen Leistungselektronik ist die Erhöhung der Leistungsdichte. Dieser Trend wird vor allem durch die Elektrifizierung im Verkehr (Elektro- / Hybridfahrzeuge und Flugzeuge) ausgelöst. Die Erhöhung der Leistungsdichte sollte die anderen Parameter der Leistungswandler sowie Kosten und Komplexitätsgrad auf einem angemessenen Niveau anhalten. Darüber hinaus sollten alle Umgebungsbedingungen hinsichtlich der Anwendung erfüllt sein. Die Wandler wurden seit der Erfindung der IGBTs bezüglich der Topologie und Steuerung verbessert. Die Entwicklung und die Lieferung der neuen Leistungsschalter an den Markt haben jedoch in den letzten zehn Jahren die größte Aufmerksamkeit der Ingenieure auf sich gezogen. Solche Halbleitermaterialien sowie SiC und GaN haben eine neue Klasse von Leistungsschaltern mit reduzierten Schalt- und Durchlassverlusten gegründet. Auf den ersten Blick scheint es möglich zu sein, die vorhandenen Stromrichter durch die Ersetzung der konventionellen Si-Leistungsschalter zu verbessern. Es wird oft angenommen, dass solcher Ansatz die Maße des Kühlsystems und/oder die Maße der passiven Komponenten verringert. Geringe Schaltverluste sind jedoch auch mit kurzen Kommutierungszeiten (Anstiegs- und Abfallzeiten von Spannungen und Strömen) und mit einer hohen Spannungsanstiegsrate (du/dt) verknüpft. Die erhöhte Schaltfrequenz und die hohen Werte von du/dt führen zu neuen Einschränkungen bei der Konstruktion von Stromrichtern, die in der Leistungselektronik auf der Basis von Halbleitern mit niedriger Kommutierungsgeschwindigkeit unterschätzt oder vernachlässigt wurden.

In der Literatur wurden mehrere Probleme der Hochgeschwindigkeitskommutierung aufgezeigt: hohe Überspannungen und Schwingungen während der Kommutierung wegen der Streuinduktivität, Einfluss auf die Isolation, Lagerströme und Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Das letzte Problem kann für die Anwendung der neuen Leistungshalbleiter die entscheidende Bedeutung sein, weil die zusätzlichen Filter installiert werden sollen. Die EMV-Filter können dazu führen, dass die Leistungsdichte des gesamten Systems sich einschließlich des Stromrichters und aller passiven Komponenten verringert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der elektromagnetischen Störungen, die durch den Wechselrichterbetrieb eines elektrischen Antriebs in Transportsystemen erzeugt werden. Die Arbeit berücksichtigt die Luftfahrtanwendung. Bei dieser Anwendung spielt die Leistungsdichte die wichtigste Rolle. Aber die EMV-Anforderungen sind sehr streng. Die Art des Rauschens ist detailliert berücksichtigt. In der Arbeit werden auch die verschiedenen Methoden zur Reduzierung der Emissionen vorgestellt. Die Forschungsarbeit befasst sich sowohl mit der Anwendung konventioneller EMV-Filter als auch mit verschiedenen Techniken, die auf das Design des Inverters bezogen (Topologien, Modulationsarten und Hardware).

Das Ziel der Forschungsarbeit ist die Entwicklung der Methoden für die Berücksichtigung der hochfrequenten EMV-Effekte während der Entwurfsphase des Wechselrichters. Dafür sollte die entsprechende Simulation erstellt werden. Die aktuellen Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Modelle für das EMV-Filterdesign und dessen Optimierung. Im Gegensatz stellt diese Arbeit ein neues Frequenzbereichsmodell, das die verschiedenen Entstörungsmethoden einschließlich der EMV-Filter und der Wechselrichterdesignmethoden berücksichtigt. Darüber hinaus betrachten die meisten vorhandenen Modelle keine Umwandlung zwischen Gleichtakt und Gegentakt. Es wird jedoch theoretisch und experimentell festgestellt, dass die Umwandlung in dem System beobachtet werden kann. Das entwickelte Frequenzbereichsmodell kann verwendet werden, um diese Umwandlung zu analysieren. Das Modell behält das einfache Frequenzbereichsverhalten mit geringem Rechenaufwand bei, sodass es für die Anwendung im Optimierungsverfahren geeignet ist.

Der Prototyp eines Wechselrichters auf Basis von SiC-MOSFET wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten entwickelt, um den elektrischen Antrieb für die EMV-Messungen zu implementieren. Es dient zur experimentellen Untersuchung verschiedener Entstörungsmethoden sowie zur Validierung des entwickelten Modells. Die Ergebnisse zeigen, dass die EMV in den Frequenzumrichtern sehr komplex ist. Die speziellen Entstörungsmethoden sind nur unter bestimmten Bedingungen wirksam. Das vorgeschlagene Modell kann verwendet werden, um die Bedingungen zu analysieren.

Deutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-127893
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
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 Stromrichtertechnik und Antriebsregelung
Hinterlegungsdatum: 06 Aug 2020 12:07
Letzte Änderung: 11 Aug 2020 12:43
PPN:
Referenten: Griepentrog, Prof. Dr. Gerd ; Frei, Prof. Dr. Stephan
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 29 April 2020
Export:
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