Charakterisierung und Optimierung parasitärer Elemente in Umrichtern mit niedrigen Zwischenkreisspannungen und hohen Betriebsströmen

Mühlfeld, Ole

Parasitäre Elemente sind physikalischer Bestandteil jedes elektrischen Leiters oder Halbleiters. Sie werden heute als Hauptursache für die meist unerwünschten Abweichungen vom idealen Verhalten einer leistungselektronischen Schaltung betrachtet und können unter bestimmten Bedingungen sogar eine Fehlfunktion oder einen Ausfall der Schaltung verursachen. Es ist daher von besonderem Interesse, ihre grundlegenden Ursachen zu verstehen, ihre Größe zu bestimmen und geeignete Optimierungsmaßnahmen zu ergreifen, die ihre negativen Auswirkungen auf ein vertretbares Maß reduzieren oder gar eine nutzbringende Verwendung ihrer Eigenschaften ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Ursachen, die Auswirkungen und die Möglichkeiten zur Bestimmung von parasitären Elementen in der Leistungselektronik untersucht. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Analyse von Umrichtern mit hohen Betriebsströmen und Leistungs-MOSFETs niedriger Spannungsfestigkeit als Halbleitern, da sich in den damit verbundenen Applikationen insbesondere die Auswirkungen von parasitären Induktivitäten gut darstellen lassen. Die Bestimmung von parasitären Elementen erfolgt auf analytische, simulative und messtechnische Weise. Die für Fragestellungen der Leistungselektronik geeigneten Verfahren werden zu Beginn der Arbeit vorgestellt. Die Analyse der Auswirkungen parasitärer Elemente zeigt vielschichtige Abhängigkeiten verschiedener elektrischer, aber auch thermischer und lebensdauerbezogener Parameter von der Größe der parasitären Induktivitäten. Des Weiteren werden die Wechselwirkungen von parasitären Elementen und der Emission leitungsgebundener Störungen untersucht und qualitiative Zusammenhänge herausgearbeitet. Dabei steht die Betrachtung des leistungselektronischen Gesamtsystems im Vordergrund, um systematisch die beeinflussten Parameter aufzuzeigen. Es wird gezeigt, dass im Zuge einer erfolgreichen Systemoptimierung ganzheitliche Ansätze verfolgt werden müssen, bei denen eine kombinierte Optimierung von elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Umrichters anzustreben sind. Diese wirken sich auf das Design der verwendeten Leistungsmodule, der Zwischenkreisverschienung und der Kondensatoranbindung aus. Basierend auf den erzielten Ergebnissen werden Optimierungsansätze und -methoden erarbeitet und auf ihre Anwendbarkeit untersucht. Als praxisrelevantes Beispiel wird darauf aufbauend die Entwicklung und Optimierung eines Antriebsumrichters für niedrige Zwischenkreisspannungen und hohe Betriebsströme gezeigt.

Parasitic elements are an inevitable part of any type of electrical conductors or semiconductors. They are considered to be the main reason for the undesired differences between the idealized (theoretical) and real behaviour of power electronic circuits. Their influence on the circuit can lead to malfunction or even to complete failure in the worst case scenario. Therefore the understanding of the basic principles of parasitic elements, the analysis and estimation of their size, the optimization and prevention of their negative effects or even their conscious usage to achieve desired effects is of particular interest. In the framework of this thesis the basic principles, the resulting effects and the methods for an analysis of the parasitic elements are investigated. The focus is on the analysis of high current applications with low-voltage power MOSFETs as semiconductors, as these applications are very sensitive with regard to the consequences of parasitic inductances. The characterization of parasitic elements is based on analytical, simulative and measurement methods. Different approaches suitable for power electronic applications are given and compared in the first part of the thesis. The analysis of their effects reveals eclectic dependencies not only to electrical, but also to thermal and reliability-related properties. Additionally, the interaction of parasitic elements and conducted electromagnetic interferences is investigated and qualitative coherence is ascertained. The system approach is used to determine and characterize influenced parameters. It is shown that the full system optimization has to include comprehensive approaches with respect to electrical, thermal and mechanical properties, as all these parts have strong interactions and influence the overall performance of the inverter. The optimization methods take into account the design of the power modules used, the shape of the dc link busbar as well as the connection of the dc link capacitors. Based on the results obtained, optimization approaches and methods are developed and tested with regard to their applicability to power electronics. To give a practice-oriented example for the mentioned methods, the development and optimization of the power section of a battery powered inverter for high currents and low dc link voltages is presented.

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Mühlfeld, Ole: Charakterisierung und Optimierung parasitärer Elemente in Umrichtern mit niedrigen Zwischenkreisspannungen und hohen Betriebsströmen. 2013.

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