Modellierung flächenhafter Verbindungsstrukturen für leistungselektronische Anwendungen mittels der Methode der partiellen Elemente

Abstract:
Immer schnellere Transienten und hohe Schaltfrequenzen in leistungselektronischen Schaltungen erfordern sowohl für das Design als auch für die EMV-Analyse die Berücksichtigung der elektromagnetischen Eigenschaften der Verbindungs- und Aufbaustrukturen. Mit der Methode der partiellen Elemente (Partial Element Equivalent Circuit, PEEC) lassen sich Leiterstrukturen als lineare passive Netzwerke modellieren und zusammen mit der umgebenden Schaltung auf Netzwerksimulatoren behandeln. Gewöhnlich werden beliebig im Raum angeordnete Leiter eindimensional diskretisiert. Der Einfluss metallischer Flächen in der Nähe von Leitern wird dabei im Allgemeinen mit dem Spiegelungsprinzip behandelt, sodass eine zweidimensionale Diskretisierung dieser Flächen nicht erforderlich ist. Dem Spiegelungsprinzip liegt aber das Modell einer idealen, unendlich ausgedehnten Ebene zugrunde. Die Wirkung einer ideal leitenden Ebene auf die Eigenschaften der Leiterstruktur (partielle Induktivitäten, Potentialkoeffizienten) wurde in "Kochetov, S. V.; Wollenberg, G.; Winkler, T.; Döbbelin, R.; Mecke, H.: Anwendung der Methode der partiellen Elemente zur Berücksichtigung von Verbindungsstrukturen und Koppelpfaden bei der Simulation leistungselektronischer Schaltungen" gezeigt. Einerseits können Leiterstrukturen selbst flächenhafte Ausdehnungen haben (Montageflächen, Lötflächen). Andererseits dürfen in der Nähe von Leitern befindliche Metallflächen im Allgemeinen. nicht als unendlich groß angenommen werden (z. B. Kühlkörperflächen, Leiter in der Nähe eines Randes). Daher wird eine zweidimensionale Diskretisierung leitender Strukturen erforderlich. Um die flächenhaften Leitungsverbindungen behandeln zu können, ist durch zweidimensionale Diskretisierung ein PEEC-Modell entwickelt worden. Dieses Modell ermöglicht die Berücksichtigung aller induktiven und kapazitiven Kopplungen zu anderen Elementen und Strukturen über die partiellen Gegeninduktivitäten und Potentialkoeffizienten.