Loading…
Modeling of stray magnetic couplings in power electronic devices
Masuzawa, Takashi
Nowadays, a demand for a higher efficiency and power density of power electronic devices is growing rapidly, and therefore there is a strong tendency to apply high switching frequency and high-density integration technologies to the power electronic devices. However, as a trade-off, those technologies can cause an increase of Electromagnetic Interference (EMI), thus simultaneously satisfying a conversion performance and an EMI performance defined by Electromagnetic compatibility (EMC) standards have become an extremely difficult task in a product design process.
EMC filters with passive components are used to attenuate the EMI and playing a key role to comply with the EMC standards. And hence a design of EMC filters is an important part of the product design process. On the other hand, apart from an effect of EMI attenuation, an EMC filter can lead to additional space requirements and costs, and thus it must be optimally designed: the smallest size and the lowest cost have to be realized.
To realize an optimal design of an EMC filter, stray components, especially stray magnetic couplings in power electronic devices which have a significant effect on a filter performance, should be taken into account properly. Although the stray magnetic couplings are strongly affected by a layout of PCB tracks and bus bars, and a placement and geometry of the components, they have been determined in a product design process mostly based on product designer’s experience in the past.
To solve this issue, some modeling methods of stray magnetic couplings have been investigated, and some simulation technologies utilizing those modeling methods have been reported. Nevertheless, there is no investigation applying the simulations to an actual product, because it is not practical to consider the huge number of stray magnetic couplings existing in power electronic devices. Thus, so far, a practical and efficient modeling method of stray magnetic couplings has been strongly needed.
This doctoral dissertation presents a remarkably efficient modeling method of stray magnetic couplings in a power electronic device that focuses on a dominant magnetic field. The dominant magnetic field is derived from a fundamental circuit and electromagnetic theory, and the influence of stray magnetic couplings caused by the dominant magnetic field is theoretically clarified. And then, it is shown that the proposed method is superior to conventional methods with respect to complexity of the modeling by using several EMC filters with different configurations.
Moreover, the proposed modeling method is applied to an actual product, to verify its effectiveness for an EMI filter design in a product design process.
Hohe Schaltfrequenzen sind in der Leistungselektronik das wirksamste Mittel, um die Leistungsdichte von Schaltungen zu steigern und die Anwendung von Integrationstechnologien jenseits der bestückten Leiterplatte zu ermöglichen. Die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wird dabei aber schwieriger, da einerseits mit höheren Schaltfrequenzen die Wirkung parasitärer Effekte stärker wird, andererseits mit einer höheren Integration die Interaktionen zwischen Schaltungsteilen zunehmen. Damit wird die Einhaltung der jeweiligen Produktanforderungen im Entwicklungsprozess sehr schwierig.
EMV Filter mit passiven Bauteilen werden für die Reduktion der Störungen verwendet und sind der Schlüssel für die Einhaltung der EMV Normen. Der Entwurf der Filter ist ein wichtiger Teil des Entwurfsprozesses, dessen optimales Ergebnis wesentlich über das benötigte Volumen und Kosten entscheidet.
Für die Filterwirkung sind in der Leistungselektronik parasitäre elektromagnetische Effekte von entscheidender Bedeutung, neben den offensichtlicheren kapazitiven Kopplungen sind das vor allem die magnetischen Kopplungen zwischen Bauteilen und Leiterbahnen. Durch das erhebliche Volumen der passiven Bauteile zeigen diese neben der Leiterbahnführung einen dominanten Einfluss, der nur sehr erfahrenen Entwicklern gegenwärtig ist.
Um diese Fragestellung zu lösen, werden in dieser Arbeit Methoden zu ihrer Modellierung und Simulation erforscht. Sie basieren auf Vorarbeiten und erweitern diese, um sie auf praxisrelevante Problemstellungen mit ihrer hohen Komplexität anwendbar zu machen. Das geschieht, indem die hohe Zahl der magnetischen Kopplungen auf die dominant Wirksamen zurückführt. Dafür werden aus einer kombinierten Anwendung der Schaltungs- und Feldtheorie die entscheidenden Einflüsse abgeleitet und die Komplexität der Aufgabenstellung stark reduziert. Es wird anhand von verschiedenen Filtern in unterschiedlichen Konfigurationen gezeigt, dass die entwickelte Methode den bisher gezeigten in Bezug auf Lösungsaufwand klar überlegen ist und die gemachten Vereinfachungen zulässig sind.
