Titelaufnahme
Titelaufnahme
- TitelIntegration of electrostatic simulation in FEM Magnetics Toolbox for capacitance optimization in magnetic components / Othman Abujazar ; First examiner: Dr.-Ing. Frank Schafmeister, Second examiner: Prof. Dr. Jens Förstner ; Supervisor: Nikolas Förster, Till Piepenbrock
- Autor
- Gutachter
- BeteiligtFörster, Nikolas [Sonstige] ; Piepenbrock, Till [Sonstige]
- Erschienen
- Umfang1 Online-Ressource (iii, 77 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
- HochschulschriftUniversität Paderborn, Masterarbeit, 2025
- AnmerkungTag der Abgabe: 28.04.2025
- Datum der Abgabe28.4.2025
- SpracheEnglisch
- DokumenttypMasterarbeit
- Schlagwörter (GND)
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Zusammenfassung
Induktivitäten und Transformatoren sind grundlegende Komponenten in leistungselektronischen Wandlern und übernehmen wichtige Aufgaben bei der Energiespeicherung und Leistungsübertragung. Parasitische Kapazitäten stellen jedoch einen unvermeidbaren und häufig unerwünschten Effekt in diesen Komponenten dar und können deren Verhalten erheblich beeinflussen. Dies gilt insbesondere für schnell schaltende Anwendungen, bei denen hohe Spannungsanstiegsraten (dv/dt), verursacht durch moderne Halbleiterbauelemente wie GaN und SiC, zu erheblichen kapazitiven Strömen führen können. Parasitische Kapazitäten entstehen durch kapazitive Kopplungen zwischen Windungsabschnitten, Wicklungslagen und dem Kern. Sie können Resonanzeffekte, Überspannungen und eine Verringerung der Effizienz verursachen. Daher ist eine genaue Modellierung und Optimierung parasitärer Kapazitäten bereits während der Entwurfsphase erforderlich.Diese Arbeit befasst sich mit der Integration elektrostatischer Simulationsmöglichkeiten in die FEM Magnetics Toolbox (FEMMT), ein Open-Source-Werkzeug, das am Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) der Universität Paderborn entwickelt wird. Durch die Erweiterung von FEMMT um elektrostatische Simulationen wird eine umfassendere Analyse magnetischer und kapazitiver Effekte in Induktivitäten und Transformatoren ermöglicht.Nach der Implementierung der elektrostatischen Simulation in FEMMT liegt der weitere Schwerpunkt der Arbeit auf der Extraktion parasitärer Kapazitäten für kapazitive Ersatzschaltbilder von Induktivitäten und Transformatoren. Anschließend wird eine Optimierungsstudie durchgeführt, mit dem Ziel, die parasitären Kapazitäten in Induktivitäten zu minimieren.
Abstract
Inductors and transformers are fundamental components in power electronic converters, playing critical roles in energy storage and power conversion. However, parasitic capacitance, an inherent and often undesirable effect in these components, can significantly impact their performance, especially in fast-switching applications, where the high voltage slew rates (dv/dt) generated by modern semiconductor devices such as GaN and SiC lead to substantial capacitive currents. Parasitic capacitance arises from the capacitive coupling between winding turns, layers, and the core, leading to resonant behavior, overvoltage, and reduced efficiency. Addressing this challenge requires accurate modeling and optimization of parasitic capacitance during the design phase.This thesis focuses on integrating electrostatic simulation capabilities into the FEM Magnetics Toolbox (FEMMT), an open-source tool developed by the Department of Power Electronics and Electrical Drives (LEA) at Paderborn University. By extending FEMMT to include electrostatic simulation, this work enables a comprehensive analysis of both magnetic and capacitive effects in inductors and transformers.After implementing the electrostatic simulation into the FEM Magnetics Toolbox (FEMMT), the thesis further focuses on the extraction of parasitic capacitances for the capacitive equivalent circuits of inductors and transformers, followed by an optimization study aimed at minimizing the parasitic capacitances in inductors.
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