Transiente Effekte in leistungselektronischen Schaltungen mit schnellschaltenden Leistungshalbleitern unter besonderer Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit

Das Schalten von neuen Leistungshalbleitern innerhalb von wenigen ns stellt hohe Ansprüche an ein korrespondierendes Schaltungslayout sowie an das Design passiver Komponenten im Bezug auf minimierte parasitäre Elemente. Dies ist unter anderem für die elektromagnetische Verträglichkeit von Bedeutung. Diese Arbeit analysiert und bewertet transiente Effekte von schnellschaltenden Leistungshalbleitern mit speziellem Fokus auf die elektromagnetische Verträglichkeit und schlägt Maßnahmen zur Verbesserung vor. Das erhöhte Störpotential von Schaltungen mitWide Bandgap-Transistoren gegenüber Schaltungen mit konventionellen Si-IGBTs wird im Detail untersucht. Anhand eines beispielhaften DC/DC-Wandlers werden allgemeingültige Designrichtlinien für passive Komponenten sowie für das Schaltungslayout entwickelt. Hierbei werden sowohl die intra-EMV als auch geleitete und gestrahlte Störungen anhand von Messergebnissen analysiert und bewertet. Untersuchungen zum Einfluss von Halbleiterparametern zeigen deutlich, dass schaltbedingte Oszillationen im Resonanzkreis der Kommutierungszelle entstehen und parasitäre Antennenstrukturen anregen. Dadurch wird das Störspektrum oberhalb von 30MHz maßgeblich vergrößert. Die zur selektiven Analyse des Schaltverhaltens im Frequenzbereich entwickelte Methode ermöglicht es, zwischen den Einflüssen des Ein- und Ausschaltverhaltens auf das Störspektrum zu unterscheiden. Anhand von experimentellen Parametervariationen werden so vereinfachte Modelle für die Ein- und Ausschaltoszillation extrahiert. Auf deren Basis können analytische Ausdrücke unter der Beachtung der Anfangswerte aufgestellt werden. Diese vermitteln ein grundlegendes Verständnis konkreter Ursachen der Anregung der Oszillationen. Darauf aufbauend wird in dieser Arbeit eine Optimierungsstrategie entwickelt, um Schaltoszillationen zu vermeiden. Hiermit werden die Oszillationen durch genau eingestelltes Schalten minimiert. Somit ist es möglich, mit einer mittleren Schaltgeschwindigkeit zeitgleich Schaltverluste zu reduzieren und EMV-kritische Oszillationen zu eliminieren. Für das Einschalten bedeutet dies das korrekte Einstellen der Überstromspitze. Dass dies über die Gate-Ansteuerung umsetzbar ist, wird anhand von Simulationen sowie Versuchen gezeigt. Als einfachster Ansatz stellt ein RC-Glied im Gate-Kreis das Schaltverhalten bei definierter Stromsteilheit variabel ein und führt so zu einer Eliminierung der Einschaltoszillation. Bestätigt wird dies an einem Doppelpulsversuchsstand mit CoolMOS MOSFET und SiC Schottky Diode. Eine Alternative sind aktive Treiber. Simulationsergebnisse zeigen, dass bereits ein zusätzlicher Transistor im Gate-Kreis zur Minimierung von Oszillationen im Lastkreis beitragen kann. Der Einsatz eines integrierten aktiven Treibers mit einstellbarem Gate-Profil in einem Brückenzweig mit GaN HEMTs bestätigt die Validität der entwickelten Strategie. Sowohl eine effiziente Vorgehensweise zur Erstellung eines optimierenden Gate-Profiles als auch validierende EMV-Messungen der gestrahlten Störungen werden vorgestellt. Somit zeigen sowohl Simulations- als auch Messergebnisse die Anwendbarkeit der Optimierungsstrategie und deren positiven Einfluss auf das EMV-Verhalten für unterschiedliche Schaltungen und Leistungshalbleiter

Beitrag zur Störlichtbogendetektion in Photovoltaikanlagen

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Thematik der Störlichtbogendetektion in Photovoltaikanlagen. Vorrangiges Ziel ist die Erforschung und Entwicklung eines zuverlässigen und sicheren – zu den bereits bestehenden frequenzbasierten Lösungsansätzen alternativen – Störlichtbogen-Detektionskriteriums im Zeitbereich. Hierzu wurde das gleichstromseitige, elektrische Klemmenverhalten von Single-String-Photovoltaikanlagen bei dynamischer Anregung in Form eines seriellen Lichtbogens eingehend untersucht. Die experimentell sowie simulativ erarbeiteten Ergebnisse belegen eindeutig dass die lichtbogenbedingte, genauer gesagt die durch die Spannungsflanke der Anoden-Kathoden-Fallspannung im Zündmoment des Lichtbogens verursachte, Veränderung im zeitlichen Signalverlauf der an den String-Anschlussklemmen des Wechselrichters gemessene String-Spannung im besonderen Maße zur Detektion serieller Störlichtbögen in Photovoltaikanlagen geeignet ist.The thesis in hand deals with the topic of arc fault detection in photovoltaic systems. In this context the primary objective is to originate a new detection criterion for series arc faults which operates in the time domain. The very central idea is to develop a safe and reliable as well as alternative solution to the already existing arc fault detection methods which are all based on the use of different frequency ranges. For this purpose the terminal behavior of real mono-string photovoltaic plants on the DC side under dynamic excitation in the form of a series arc has been analyzed in-depth. This work clearly demonstrate that the drop within the temporal signal course of the string-voltage UString, ¬measured directly in front of the inverter on the DC side of the solar plant and caused by the edge of the anode-cathode voltage UAK at the ignition moment of an arc fault, is ideally suited for the detection of serial arc faults, based on a time-domain algorithm, in photovoltaic systems. Therefore an innovative and solid time-domain based detection criteri-on could be presented. Its basic suitability, the main influencing factors as well as its valid scope of application have been critically tested, determined and defined in theory as well as in practice. The results are primarily based on the measurement data evaluation of numerous fieldworks and many detailed laboratory trials in consideration of all important experimental parameters and influencing factors. In order to achieve conclusive and comparable results concerning the research emphasis under safe conditions during ongoing operation of the photovoltaic sys-tem, a convenient measurement procedure and test setup was self-developed, designed and constructed. In this context, in particular because of the execution of comprehensive experi-mental studies on real photovoltaic systems concerning the arc fault behavior under those specific conditions, the presented scientific work differs substantially from other publications written on this subject. Furthermore, with regard to an extensive investigation of serial arc faults on the DC-side of photovoltaic systems, a convenient simulation model was developed and implemented in two different, appropriate software environment. In addition to the main components of photo-voltaic systems (solar generator, DC wiring and inverter) it includes the implementation of a serial arc fault event in general. It enables the simulative description of the drop within the temporal signal course of the string-voltage UString which is caused by the edge of the anode-cathode voltage UAK at the ignition moment of an arc fault. Due to the fact, there is nothing comparable in the literature researched at the present time, the elaborated complete model itself is also an innovation in this field. It serves principally the purpose of the successful verification of the experimentally determined data as well as the knowledge-enhancement relating to the central tasks of this thesis and thereby contributes to a better understanding of the topic of arc fault detection in photovoltaic systems.Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Thematik der Störlichtbogendetektion in Photovoltaikanlagen. Vorrangiges Ziel ist die Erforschung und Entwicklung eines zuverlässigen und sicheren - zu den bereits bestehenden frequenzbasierten Lösungsansätzen alternativen - Störlichtbogen-Detektionskriteriums im Zeitbereich. Hierzu wurde das gleichstromseitige, elektrische Klemmenverhalten von Single-String-Photovoltaikanlagen bei dynamischer Anregung in Form eines seriellen Lichtbogens eingehend analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen eindeutig dass die, durch die Spannungsflanke der Anoden-Kathoden-Fallspannung UAK im Zündmoment des Lichtbogens verursachte, Änderung im zeitlichen Signalverlauf der an den String-Anschlussklemmen des Wechselrichters gemessene String-Spannung UString im besonderen Maße zur Detektion serieller Störlichtbögen in Photovoltaikanlagen geeignet ist. Folglich konnte ein neuartiges und verlässliches Detektionskriterium im Zeitbereich für serielle Störlichtbögen in Single-String-Photovoltaikanlagen vorgestellt werden, dessen prinzipielle Eignung, Haupteinflussgrößen und gültige Anwendungsbereich sowohl in Theorie und als auch in Praxis eingehend überprüft, ermittelt und bestimmt wurden. Die erarbeiteten Resultate und Erkenntnisse gehen in erster Linie aus der Analyse der, im Rahmen umfangreicher Feld- und Laborversuche, unter Berücksichtigung aller wesentlichen Versuchs- und Einflussparameter, gewonnenen Messdaten hervor. Mit der Absicht belast- und vor allem vergleichbare Messergebnisse hinsichtlich des konkreten Forschungsschwerpunktes unter sicheren Bedingungen während des laufenden Betriebs in Photovoltaik zu generieren wurde ein geeignetes Messequipment und -verfahren entwickelt, ausgelegt und konstruiert. In diesem Kontext unterscheidet sich die vorliegende Arbeit - vor allem aufgrund der Durchführung und Vorstellung ausführlicher, experimenteller Studien an realen Photovoltaikanlagen zur Erforschung des dortigen Störlichtbogenverhaltens - deutlich von anderen zu diesem Thema bereits veröffentlichten Literaturstellen. Darüber hinaus wurde ein mathematisch-physikalisches Simulationsmodell entwickelt, welches alle für die Betrachtungen notwendigen Elemente (Photovoltaikgenerator, Wechselrichter, Gleichstromverkabelung und serieller Lichtbogen) in detaillierter Form inkludiert und die lichtbogenbedingten Ausgleichsvorgänge im zeitlichen Signalverlauf der, an den String-Anschlussklemmen gemessenen String-Spannung UString realgetreu nachbildet. Das in dieser Form ausgearbeitete Gesamtmodell stellt seinerseits, da in der gängigen Literatur nicht vorhanden, eine Neuheit dar. Neben dem Zweck der Verifikation der experimentell ermittelten Ergebnisse dient es vor allem der Erweiterung des Erkenntnishorizontes hinsichtlich der konkreten Aufgabenstellung dieser Dissertation und trägt infolgedessen wesentlich zum besseren Verständnis der Thematik von Störlichtbogen in Photovoltaikanlagen bei