Reduction of conducted EMI of inverter with SiC power device

This thesis discusses the electromagnetic interferences in the power electronic devices, and more in particular it discusses the repression of conducted common mode electromagnetic interference in an inverter with Silicon Carbide JFETs attached on top of the insulated metal substrate. It is so referred also, to the evolution of silicon carbide (SiC) in the field of power electronics; This innovation is especially interesting in a scenario like the contemporary one, where energy efficiency is increasingly a decisive and fundamental part in the design of new “structures” and in the modernization of existing ones. In fact, between the properties of this “almost” new material, there is the higher breakdown electrical field, which is the characteristic that allows to operate at higher voltages and lower leakage currents and, the high mobility and speed of electronic saturation that instead, make possible the operation at the high frequencies; This added to greater thermal conductivity, which is translated with greater capacity to lead heat and thus greater efficiency in environments at higher temperatures, make the silicon carbide (SiC) the new challenge of the moment. This because if it is true that it has the highest thermal conductivity (so that it is able to operate better at higher power densities than silicon or gallium nitride, for example), it is also true that has some disadvantages when inserted in system counting other factors. It will be saw in fact, a case in which the EMC performances of the system will dramatically decreases under the influence of parasitic couplings formed between the SiC JFET and the substrate base plate of the cool system IMS. It is found that, even if in other similar cases, a simple common mode filter is enough for suppress such electromagnetic interferences, in our case it will be not enough. And is not enough especially talking about the high frequency range, in which normal common filter doesn’t even suppress a bit. To deal with this problem so, different kind of filters are needed; but first a system common mode equivalent circuit model with extracted parasitic parameters is proposed. Such model will be able to evaluate the filter insertion losses over a broad conducted EMI frequency band, which is essential to achieve an optimized filter design balanced between performance and cost. But before making that choice, the characteristics of the filters will be compared between each other through simulations and, after that, will be compared each single result with the European standard, for see actually which one effectively suppress electromagnetic interferences, to comply with the standard prescribed by IEC61800-3 C2: Qp. The first part of the thesis work introduces the electromagnetic interferences (EMI), where with fundamental notions it will be understood and analyzed the causes of their generation, including common mode emissions and differential mode emissions. A comparison between European standard normative and Chinese standards normative will also be done. Successively we’ll analyze the principals EMI reduction techniques, focusing so on the most interesting for what regard our specific case; In the second part of the thesis we focus on SiC and its applications; In fact, wide band gap power devices will be considered. Here will be done a comparison also between GaN and Sic, and between wide band gap power devices in Silicon (material previously uses) and in Silicon Carbide. Finally, will be analyzed our study case in detail. And as told before, to deal with the problem of such increment of EMI, given by the large amount of stray capacitance formed between the circuit copper foil and the metal base plate due to the very thiny dielectric layer of the IMS inverter, a system common mode equivalent circuit model with extracted parasitic parameters will be proposed. Such equivalent circuit will be take out from a practical configuration of the system made by the IMS inverter with SiC JFET attached on it, inserted in an EMC testing system composed from a dc power source of 550 V, a LISN, a 2.2 kW induction motor at 50 Hz of modulation frequency and a spectrum analyzer set for 9kHz resolution bandwidth. The first test will show with a measured EMI spectrum how a common capacitive EMI filter inserted at the input of the system doesn’t affect at all the range of high frequency. From such bad result we will successively try using different filters (LC, LCL, LCLC), selecting first the required filter insertion loss obtained from the differences between European standards and noise baseline, and successively inserting filters made of inductors and capacitors of values selected following the references of the actual “electromagnetic filtering components values” from European commercial market. The model will be able to evaluate the filter insertion losses over a broad conducted EMI frequency band, which is essential to achieve an optimized filter design balanced between performance and cost. But before making that choice, the characteristics of the filters will be compared between each other through simulations inserting one by one each kind, and, after that, will be compared each single result with the European standard, for see actually which one effectively suppress electromagnetic interferences. Results of the simulations will show how practically is the LCL (with L1 = 250 μH, C1 = 400 nF, L2 = 200 μH) filter that best comply with European standard. In fact, through it we obtain an insertion loss result which has the two spikes (at medium and high frequency) normally very high with normal common filters, substantially reduced. Which means that with the utilization of IMS inverter and SiC jfet a third order filter is the best solution.

Questo lavoro di tesi riguarda le interferenze elettromagnetiche nei dispositivi di elettronica di potenza e più in particolare tratta la soppressione di tali interferenze nel caso di un inverter con JFETs al Carburo di Silicio attaccati sulla superfice di un Insulate Metal Substrate. Tratta inoltre anche l’evoluzione del SiC nell’ambito dell’elettronica di potenza. Tale componente è particolarmente interessante ed importante nello scenario attuale dove l’efficienza energetica è sempre più una decisiva e fondamentale parte del design di nuove strutture e della modernizzazione di quelle già esistenti. Infatti, tra le proprietà di questo nuovo materiale (SiC) troviamo un più alto punto di rottura del campo elettrico, caratteristica che da la possibilità di operare a tensioni più elevate con più basse correnti di leakege; mentre l’alta mobilita e l’alta velocita della saturazione elettronica permettono di operare a frequenze notevolmente più alte. Questo, aggiunto ad una maggiore conduttività termica, tradotta in una maggior capacità di gestire il surriscaldamento e lavorare ad efficienze maggiori in ambienti ad alte temperature, fa sì che il carburo di silicio sia la nuova sfida del momento. Questo perché se è vero che ha un’alta conduttività termica (e che ha perciò la capacità di lavorare a più alte densità di potenza comparato con il normale silicio o il GaN), è anche vero che porta degli svantaggi quando inserito in sistemi più “complessi”. Vedremo infatti, un caso in cui le prestazioni elettromagnetiche del sistema decresceranno in maniera critica sotto l’influenza di capacita parassite formate tra il JFET al carburo di silicio e la superficie del sistema di raffreddamento dell’IMS. È stato trovato che anche se in casi simili, un normale filtro di modo comune è sufficiente per sopprimere le interferenze elettromagnetiche, in questo specifico caso non è abbastanza né tanto meno sufficiente. Infatti, osserveremo come, per quanto riguarda i range di alta frequenza, tale filtro può essere considerato addirittura inulte in un sistema simile. Per ovviare a tal problema perciò, differenti tipi di filtri sono necessari. Ma prima un modello del circuito equivalente del sistema di modo comune con l’estrazione degli elementi parassiti sarà proposto. Tale modello sarà capace di valutare le inserzioni di perdita del filtro su una gamma di frequenza EMI, che è essenziale per raggiungere un’ottimizzazione del design del filtro bilanciando le prestazioni ed i costi. Prima di fare questa scelta le caratteristiche dei filtri verranno comparati gli uni e gli altri attraverso simulazioni e, dopo di ciò, sarà comparato ogni singolo risultato con gli standard europei (IEC61800-3 C2: Qp) per vedere e verificare quale filtro effettivamente sopprime le interferenze elettromagnetiche. La prima parte di questo lavoro di tesi introduce le interferenze elettromagnetiche, dove attraverso nozioni fondamentali verranno capite ed analizzate le cause che le generano, incluse le emissioni di modo comune e le emissioni di modo differenziale. Un paragone tra gli standard europei e cinesi e le loro differenti normative verrà anche affrontato in questa prima parte. Successivamente saranno analizzate le principali tecniche di riduzione delle EMI, concentrando l’attenzione più in particolare nelle tecniche utilizzate nel nostro caso. Nella seconda parte di questa tesi ci focalizzeremo sul carburo di silicio e le sue applicazioni. Qui verrà anche fatto un confronto tra GaN e SiC, e tra normale silicio e carburo di silicio. In fine analizzeremo il nostro caso studio in dettaglio. E come precedentemente accennato, per ovviare al problema delle EMI date dalla generazione di capacita parassite formatosi tra il circuito di rame del jfet e la base metallica (per via del sottile dielettrico dell’IMS), un circuito del sistema equivalente di modo comune con parametri parassiti estratti verrà proposto. Tale circuito equivalente sarà ricavato da una configurazione pratica del sistema costituita da un inverter IMS con carburo di silicio attaccato su di esso, inserito in un sistema di prova composto da una sorgente dc di 550 V, un LISN, un motore induttivo a 2.2 kW (50HZ) e uno spettro analizzatore settato per 9 kHz di risoluzione bandwidth. La prima prova dimostrerà come un normale filtro EMI inserito all’ingresso del sistema non avrà alcun effetto sulla riduzione delle EMI degli alti range di frequenza. Da tale risultato useremo successivamente differenti filtri (LC, LCL, LCLC nello specifico), selezionando prima le giuste IL ottenute dalla differenza tra gli standard europei e le emissioni di rumore basiche. Il modello sarà capace di valutare le IL oltre una certa gamma di frequenza, il che è importantissimo per poter arrivare ad una conclusione ed ottenere un filtro che non soltanto riduca le EMI ma che anche sia in un giusto equilibrio tra costi e prestazioni. Prima di arrivare a tale conclusione, verranno messi a paragone i risultati ricavati dall’inserimento dei diversi tipi di filtri, prima gli uni e gli altri e poi con gli standard europei, per vedere in fine quale effettivamente sopprime le interferenze. I risultati ci mostreranno come praticamente è il filtro LCL quello che più abbassa i valori di EMI al di sotto degli standard. Infatti, attraverso di esso otteniamo uno spettro di IL che contiene soltanto due picchi (alle medie e alte frequenze), normalmente molto più alti con normali filtri. Il che significa che avendo un Sistema composto da un inverter con IMS e JFET al carburo di silicio, un filtro del terzo ordine è la miglior soluzione per abbassare le interferenze elettromagnetiche prodotte dal sistema stesso.