Analysis and Reduction of Conducted EMI in Power Electronic Modules

The phenomena causing the production and spreading of unwanted electromagnetic emissions arising from electrical or electronic devices, apparatuses and systems have been widely investigated over the last decades and reported in the relevant scientific literature. As a consequence of this, nowadays, the electromagnetic compatibility techniques, which limit the undesirable effects of these emissions, are very popular and of ever-increasing importance both in environmental and industrial contexts. The present thesis focuses on conducted electromagnetic emissions generated by power electronic modules making use of active devices operating with high switching frequency, which today are commonly utilized in a lot of sectors: aerospace, commercial, industrial, residential, telecommunication, transportation, utility systems. The onerous operating conditions of such modules, caused by high values of voltages and electric currents and very short switching times of active devices, make essential, in order to reach an efficient and economic use of materials and components, as well as a reliable and durable use of devices themselves, to carry out an accurate preliminary analysis of the mechanisms resulting in unwanted electromagnetic couplings between the various module components. Indeed, due to the unavoidable presence of parasitic inductances and capacitances and of extremely steep waveforms, electrical signals frequently originate inside the modules with high peak values and exasperated temporal dynamics, which strongly restrict the field of application of the modules themselves. For the sake of concreteness, the analysis of above described phenomena has been worked out on a power electronic module prototype made kindly available by STMicroelectronics, one of the world-leading companies in such field. After a first phase during of which have been individuated and computed the values of the most critical parasitic elements, by means of a theoretical investigation supported by suitable software tools, attention has been paid to how to reduce such values and improve the overall performance of the module. In this connection, some useful techniques to reduce significantly the undesirable emissions have been individuate and successfully applied to the prototype, so obtaining an optimized module from the electromagnetic emission point of view.

I fenomeni che causano la produzione e la diffusione di emissioni elettromagnetiche indesiderate prodotte da dispositivi, apparati e sistemi elettrici o elettronici sono stati ampiamente studiati nel corso degli ultimi decenni e riportati nella letteratura scientifica. In conseguenza di ciò, oggi giorno le tecniche di compatibilità elettromagnetiche, che limitano gli effetti indesiderati di tali emissioni, sono molto diffuse e di importanza sempre crescente sia nel contesto ambientale sia in quello industriale. La presente tesi riguarda le emissioni elettromagnetiche condotte generate dai moduli elettronici di potenza che fanno uso di dispositivi attivi operanti con frequenze di commutazione elevate, oggi utilizzate in molteplici settori: aerospaziale, commerciale, industriale, residenziale, delle telecomunicazioni e del trasporto. Le condizioni di funzionamento gravose di tali moduli, dovute ai valori elevati di tensione e di corrente elettrica e ai tempi di commutazione estremamente brevi dei dispositivi attivi adoperati, rendono indispensabile, ai fini di un uso efficiente ed economico dei materiali, nonché di un affidabile e duraturo loro utilizzo, effettuare un accurata analisi preliminare dei meccanismi che danno origine ad accoppiamenti elettromagnetici indesiderati tra i vari componenti del modulo. Infatti, a causa della inevitabile presenza di induttanze e capacità parassite e di forme d onda aventi fronti estremamente ripidi, si originano frequentemente all interno del modulo segnali elettrici caratterizzati da elevati valori di picco e una notevole dinamica temporale, condizioni che limitano fortemente l impiego di tali moduli. L analisi dei fenomeni sopra descritti è stata condotta su un prototipo di un modulo di potenza fornito da STMicroelectronics, una delle aziende leader del settore. Dopo una prima fase durante la quale sono stati individuati e calcolati i valori degli elementi parassiti più critici, mediante un indagine teorica supportata da strumenti software, l attenzione è stata rivolta alla riduzione di tali valori e al miglioramento delle prestazioni complessive del modulo. A tale riguardo, sono state individuate alcune utili tecniche per ridurre in maniera significativa le emissioni indesiderate, ottenendo in tal modo un modulo ottimizzato.