The Dual-winding Three-Phase Common-Mode inductor: Modeling and Experimental Validation = 이중 권선 3상 공통 모드 인덕터: 모델링 및 실험적 검증

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Three-phase common mode (CM) inductors are widely used in motor drives to limit ground currents, axial voltages, and EMI emissions. With the help of high-performance switching devices such as SiC MOSFETs, the switching frequency of power converters is increasing, and the role of common mode inductors is becoming more and more critical. This paper considers four levels for modelling three-phase inductors: common mode inductance, core losses, winding losses, and parasitic capacitance. Moreover, the leakage inductance of the three common mode inductors is described in detail from the solution path to the solution method. Regarding the saturation problem of inductors, a simple estimation can be made by the leakage inductance, which can avoid the saturation problem of the iron core. Because the parasitic capacitance greatly influences the inductance, the winding of the inductor is a double winding, and the centre tap is used, which can increase the coupling coefficient and reduce the leakage inductance. Three-phase common-mode parasitic capacitance has a turn-to-turn capacitance, turn-core capacitance and winding capacitance, which can be equated to turn-turn capacitance and turn-core capacitance into C_a, turn-core capacitance and winding capacitance can be equated to C_N when the common-mode signal through the common-mode inductors there will not be a signal flowing through the parasitic capacitance of the two windings, so the Cn can be not to be taken into account. The parasitic capacitance is only C_a. In order to eliminate the parasitic capacitance, the centre tap of the inductor is connected to an external capacitor that is about four times larger than the parasitic capacitance and the resonant frequency of the impedance is made more significant by comparing the insertion voltage gain using the PSM1735; by using the double-winding common-mode inductors to build the EMI filter, the results prove that, although a relatively large capacitance is introduced, the parasitic capacitance of the inductors themselves is It is proved that the parasitic capacitance of the inductor itself is significantly eliminated. Moreover, the filter constructed by the dual-winding common-mode inductor is placed in the three-phase inverter circuit, and the filtering effect is better than that of the traditional three-phase common-mode inductor. Thus, the proposed dual-winding three-phase common-mode inductor can reduce the effect of capacitance on the inductor through the particular winding method.

국문 초록 (Abstract)

3상 공통 모드(CM) 인덕터는 지면 전류, 축전압 및 EMI 방출을 제한하기 위해 모터 드라이브에서 널리 사용됩니다. SiC MOSFET와 같은 고성능 스위칭 장치의 도움으로 전력 변환기의 스위칭 주파수가 증가하면서 공통 모드 인덕터의 역할은 더욱 중요해지고 있습니다. 본 논문에서는 3상 인덕터 모델링을 위해 고려되는 네 가지 수준을 고려합니다: 공통 모드 인덕턴스, 코어 손실, 감손 손실 및 기생용량. 또한, 세 개의 공통 모드 인덕터의 누설 인덕턴스가 해결 경로에서 해결 방법까지 자세히 설명됩니다. 인덕터의 포화 문제에 대해서는 누설 인덕턴스를 사용하여 간단한 추정이 가능하며, 이는 철자의 포화 문제를 피할 수 있습니다. 기생용량이 인덕턴스에 큰 영향을 미치기 때문에 인덕터의 감은 두 배 감으로 되어 있으며 중앙 탭이 사용되어 결합 계수를 증가시키고 누설 인덕턴스를 감소시킬 수 있습니다. 3상 공통 모드 기생용량은 턴 투 턴용량, 턴 코어용량 및 와인딩용량이 있으며, 턴 투 턴용량과 턴 코어용량을C_a로 간주할 수 있습니다. 턴 코어용량과 와인딩용량은으로 간주할 수 있습니다. 공통 모드 신호가 공통 모드 인덕터를 통과할 때 두 와인딩의 기생용량을 통과하는 신호는 없으므로C_N은 고려하지 않아도 됩니다. 기생용량은 단지C_a입니다. 기생용량을 제거하기 위해 인덕터의 중앙 탭은 기생용량보다 약 네 배 큰 외부 캐패시터에 연결되며, 삽입 전압 이득을 PSM1735를 사용하여 비교함으로써 임피던스의 공진 주파수를 더욱 유의미하게 만듭니다. 또한, 이중 와인딩 공통 모드 인덕터를 사용하여 EMI 필터를 구성하면 상대적으로 큰 캐패시터가 도입되지만, 인덕터 자체의 기생용량이 크게 제거된 것을 입증합니다. 또한, 이중 와인딩 3상 공통 모드 인덕터로 구성된 필터를 3상 인버터 회로에 배치하면 전통적인 3상 공통 모드 인덕터보다 더 나은 필터링 효과를 얻을 수 있습니다. 따라서 제안된 이중 와인딩 3상 공통 모드 인덕터는 특별한 감속 방법을 통해 인덕터의 용량에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables iii
• List of Figures iv
• ABSTRACT vi
• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1.Background 1
• 1.2.Chapter description 3
• Ⅱ. Three-Phase common mode inductor introduction 4
• Ⅲ. Analytical model of a dual-winding three-phase common-mode inductor 11
• 3.1. CM inductor 12
• 3.2. Losses and associated resistance 14
• 3.3. Parasitic shunt capacitance 17
• 3.4. Leakage and saturation issues 23
• Ⅳ. Inductor winding capacitance elimination for EMI suppression 25
• 4.1. Common mode inductor equivalent circuit 27
• 4.2. Elimination of parasitic capacitance 28
• V. Model and experimental verification and analysis 32
• 5.1. Inductive impedance verification 32
• 5.2. Winding leakage and core saturation verification 39
• 5.3. Common mode inductor wirewound capacitance elimination designs42
• 5.4. Applications to EMI filters 48
• 5.5. Filter verification 50
• Ⅵ. Summary of the paper 54
• References 58
• Appendix 63
• Abstract (in Korean) 65