Contribution to improve the EMI performance of electrical drive systems in vehicles with special consideration of power semiconductor modules

Abstract

Diese Arbeit dient als Beitrag zur Verbesserung des EMV-Verhaltens elektrischer Antriebssysteme in Fahrzeugen, wobei der Fokus auf dem Leistungshalbleitermodul für die Automobilanwendung liegt. Für ein besseres und tieferes Verständnis der Quelle von leitungsgebundenen Störungen werden die EMV-Mechanismen und -Effekte im Zusammenhang mit dem Leistungsmodul im Antriebssystem durch Simulationen und Messungen untersucht. Der Einfluss der Diode Reverse Recovery Effekte auf das EMV-Verhalten wird quantitativ mit verschiedenen Lastströmen sowie mit verschiedenen Diodentypen, wie z.B. SiC-Schottky-Dioden, analysiert. Durch Simulationen wird der Einfluss des Leistungsmoduls auf das System untersucht; auf dieser Basis wird die Bedeutung verschiedener Faktoren innerhalb und außerhalb des Leistungsmoduls für das EMV-Verhalten bewertet. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird der Messaufbau für eine konventionelle EMV-Messung für die Automobilanwendung vorgestellt. Die Messergebnisse belegen, dass die Simulationsmodelle unter bestimmten Randbedingungen für zukünftige Leistungsmodulkonstruktionen zur EMV-Vorhersage verwendbar sind. Basierend auf dem Verständnis, wie es aus den Simulationen und Messergebnissen hergeleitet wurde, werden konkrete Optimierungskonzepte für ein inhärent störungsarmes Leistungsmodul entwickelt und realisiert. Dessen EMV-Verhalten sowie der Aufwand des Musterbaus aus Sicht des Leistungsmodulherstellers werden anhand verschiedenen Kriterien verglichen und bewertet. Außerdem wird das dynamische und Kurzschlussverhalten der Prototypen einschließlich der Stromverteilung zwischen den Halbleiterchips charakterisiert. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Testverfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, das leitungsgebundene EMV-Verhalten von Leistungsmodulen abzuschätzen, ohne den gesamten Testaufbau wie bei einer konventionellen EMV-Messung zu erstellen. Diese Charakterisierung kann anschließend in der Phase der Inverterentwicklung verwendet werden, um ein geeignetes Modul auszuwählen und den erwarteten Aufwand zur Einhaltung der EMV Standards zu bewerten.