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

Abstract

This work serves as a contribution to improve the EMI performance of electrical drive systems in vehicles; the focus is on the power semiconductor module for automotive application. For a better and deeper understanding of the conducted EMI source, the conducted EMI mechanisms and effects in the drive system are investigated through simulations as well as measurements with special consideration of power modules: The influence of the diode recovery effects on the EMI performance is quantitatively analyzed with different load currents, as well as with different types of diodes, e.g. SiC Schottky barrier diode. Through the simulation, the influence coming from the power module to the system is clarified; the importance of different factors inside and outside of the power module regarding EMI performance are therefore evaluated. To validate the simulation results, the setup and test bench for a conventional EMI measurement for the typical automotive application are presented. Through the measurement results it is proven that the simulation models are usable under certain boundary conditions for future power module designs with regard to the EMI prediction. Based on the understanding and the conclusions from the simulation and measurement results, concrete EMI optimization concepts for an inherently low-interference power module are developed and realized. The EMI performance as well as the feasibility of the sample modules are compared and evaluated under different criteria from the power module manufacturer’s point of view. Besides, the dynamic and short-circuit performances of the sample modules, regarding to the current distribution on the semiconductor chips, are characterized. A novel test procedure is introduced in this work, by which it is possible to estimate the conducted EMI performance of power modules without building the whole test setup like in a conventional EMI measurement. This characterization can subsequently be used in the phase of converter development to select a suitable device and evaluate the expected effort to comply with EMI standards.

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.