CAREER: A Multi-dimensional Study of Electromagnetic Interference in Wide Bandgap Power Electronics: Modeling, Estimation, and Mitigation

职业:宽带隙电力电子中电磁干扰的多维研究:建模、估计和缓解

基本信息

  • 批准号:
    2236846
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-04-15 至 2028-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

In the advancing domain of wide bandgap (WBG) semiconductor technology, electromagnetic interference (EMI) is one of the major concerns, resolving which needs significant research focus. The objective of this research is to perform multi-physics modeling and characterization of EMI and develop new active EMI mitigation methodologies to facilitate noise immune and high-density WBG power conversion. The novel filtering solutions as a product of this research are applicable to a broad family of power converter topologies with a variety of applications including motor drive, avionics, military, space, and data centers. Multi-physics EMI modeling and solutions developed in our research can be extended to application specific integrated circuit (ASIC)-level and power management IC-level high-speed micro-electronics. The research components of this project integrate electrical science, computer science, and mathematical optimization to advance the realization of next-generation WBG power electronics with physics-informed EMI models. The highly interdisciplinary nature of the project will benefit next-generation students with systems engineering, electrical, and electronics engineering backgrounds who will gain scientific knowledge and acquire engineering skills to develop noise-immune power electronic circuits. Overall, the long-term goals are to (a) employ the advanced EMI modeling theories into next-generation power electronics applications, and (b) train the diverse group of engineers to make them aware of the major design challenges in the power electronics field and well-prepared for addressing the future energy needs of the United States. In this research, we propose new methodologies for analytical modeling of the EMI sources, propagation paths, and the coupling dynamics of parasitic noises by identifying the resonating circuit paths in a high-frequency power converter, and thereby synthesize new active-hybrid filtering compensation schemes. The fundamental breakthroughs proposed are: (a) development of mathematical model equivalents for common mode (CM) noise sources followed by estimation of parasitic components in high-frequency power converters, (b) studying the coupling effect of EMI on the control loop stability and dynamic performance in high-frequency power conversion, (c) formulation of a unified methodology for multi-constraint volumetric optimization-based EMI filter design for high-density power conversion, and (d) coupled topological integration of CM and differential mode (DM) filter networks for volumetric optimization and component count reduction. It is estimated that the topologically integrated active-hybrid EMI filters can achieve a power density of 50 kW/L, with a shrinkage of 70% volume compared to state-of-the-art fully passive solutions, while maintaining an efficiency of 99.8% and superior power quality (1 degree phase displacement) and improved CM performance.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在宽带隙 (WBG) 半导体技术的发展领域,电磁干扰 (EMI) 是主要问题之一,解决这一问题需要重点研究。本研究的目的是执行 EMI 的多物理场建模和表征,并开发新的有源 EMI 缓解方法,以促进噪声免疫和高密度 WBG 功率转换。作为本研究成果的新型滤波解决方案适用于广泛的电源转换器拓扑系列,具有各种应用,包括电机驱动、航空电子设备、军事、航天和数据中心。我们研究中开发的多物理场 EMI 建模和解决方案可以扩展到专用集成电路 (ASIC) 级和电源管理 IC 级高速微电子领域。该项目的研究部分整合了电气科学、计算机科学和数学优化,以推进具有物理信息 EMI 模型的下一代 WBG 电力电子技术的实现。该项目的高度跨学科性质将使具有系统工程、电气和电子工程背景的下一代学生受益,他们将获得科学知识并获得开发抗噪声电力电子电路的工程技能。总体而言,长期目标是(a)将先进的 EMI 建模理论应用于下一代电力电子应用,以及(b)培训不同的工程师群体,使他们了解电力电子领域的主要设计挑战并为满足美国未来的能源需求做好充分准备。在这项研究中,我们通过识别高频功率转换器中的谐振电路路径,提出了对 EMI 源、传播路径和寄生噪声耦合动态进行分析建模的新方法,从而综合了新的有源混合滤波补偿方案。提出的根本性突破是:(a) 开发共模 (CM) 噪声源的等效数学模型,然后估计高频功率转换器中的寄生分量,(b) 研究 EMI 对控制环路稳定性的耦合效应以及高频功率转换的动态性能,(c) 制定用于高密度功率转换的基于多约束体积优化的 EMI 滤波器设计的统一方法,以及 (d) CM 和差模 (DM) 的耦合拓扑集成体积过滤网络优化和减少元件数量。据估计,拓扑集成的有源混合 EMI 滤波器可实现 50 kW/L 的功率密度,与最先进的全无源解决方案相比,体积缩小 70%,同时保持 99.8% 的效率卓越的电能质量(1 度相移)和改进的 CM 性能。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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