TELKOM NIKA , Vol.11, No .1, Janua ry 2013, pp. 167 ~17 2   ISSN: 2302-4 046         167     Re cei v ed Se ptem ber 30, 2012; Revi se d No vem ber  24, 2012; Accepted Decem ber 2, 201 2   The Electromagnetic Interference Mo del Analysis of the  Power Switching Devices      Zhang  Wei  F a cult y   of Ph ysics & Machin e r y  an d Electro n  Engin eeri ng,  Xi' a n Un iversit y  of Arts and S c ienc e,  No. 168 T a iba i  South Ro ad,  Xi ' an  e-mail: zh w e i _ top@ 126.com       A b st r a ct   The sw itching   devic e turn- o n  and t u rn-off p r ocess w ill  pro duce  hi gh-freq uency  el ectro m a g n e tic   interference, based  on the finite  element method  ANSYS software  with  powerful c o mputi ng c a pabilities,   has b een w i d e l y used  in co mp lex e l ectro m a g n e tic fiel calcul atio ns. In this pap er, ANSYS softw are t o   mo de l an d a naly z e th e in sulate d gate  bip o lar tra n si s t or (IGBT )  a nd qu antitativ e distrib u tio n  of   electro m agn eti c  interference ( E MI),  and for the staff and scientists doi ng r e searc h  in ele c troma g n e tic field   ana lysis prov id es an effective  referenc e pro g r am.      Key w ords : I G BT, electro m agnetic inte rfere n ce, finite elem ent m e thod, power switchi ng de vi ce    Copyrig h ©  2013  Univer sitas Ahmad  Dahlan. All rights res e rv ed.       1. Introduc tion  The tren ds  of the swit chin g  powe r  suppl y is small  size, light weig h t, high efficie n cy, high  power d e n s ity. The eme r g ence of the p o we r devi c e so  that  the switchi ng  p o wer supply cap a city   is in crea sing.  In switchi n g  power  su ppl y use  som e  nonlin ear po wer  switchin devices, which  can in cre a se  the frequen cy of the switching po we r supply, but  sub s e que ntly increa se s the   swit chin g losse s  and el ect r oma gneti c  in terfere n ce  also increa se s,for the switchi ng po wer  su p p ly  itself co nstit u tes a l a rg e so urce of  interf eren ce .Therefo r e, analysi s   of electroma gne tic  interferen ce model of power swit chin g device s  mu st  be taken into account in the desig n of the   power p r oble m . Insulated  gate bipol ar transi s tor IG BT  usually was  use d  in po we r device s [1 -2] .   IGBT as both a powe r  MOSFET hig h -spee d swit chin g perfo rmance and  a bipolar  transi s to r hig h  voltage, la rge  curre n t handli ng cap ability of the new  comp o nents, with t h e   advantag es o f  high curre nt den sity, small drive pow er, in powe r  electronic convert e rs an d powe r   transmissio nthe larg e num ber of ap plications i s  an i nevitable tren d. The high v o ltage an d hi gh  curre n t is the  main  sou r ce  of high -freq u ency el ect r o m agneti c  inte rfere n ce in th e IGBT turn -on  and turn-off  transi ent p r o c e ssi ng. The r efore, the  a nalysi s  of its dynamic  ch ara c teri stics  of  electroma gne tic interferen ce model ha some p r a c tical value.  For IGBT n e e d  to build it simulatio n  m odel s. The IG BT’s mod e l h a s th ree typie s  of that  Behavioral model, Mathem aticalp h ysi c al  model  and 3 - dime nsi onal  solid mod e l. Behavior mo del  based on th e equivalent  circuit, the  simple mo de l, the simulation results are not accu rate   enou gh.The  mathemati c al  model base d  on the ph ysical stru cture and mecha n ism of the IGBT  as its ba se, usin g the ma thematical e q uation s   to describe the p h y sical  cha r a c teristics of the   device, su ch  model s can b e  preci s ely d e scrib ed t he physi cal ch aracteri stics of the IGBT, but  the   dynamic el ectromag netic fi eld dist ri butio n of the IGBT can not refle c t. The soli d model is b a sed  on the phy sical stru ctu r e a nd me cha n ism of the  IGBT, and in the  approp riate l o catio n  usi n g  the  same si ze an d the corre sp ondin g  filling  material,  ma de of the hig h  preci s io n of the  IGBT solid  model. Such model s to overcome the  shortcom in gs  of the above-ment ione d two model s, the  simulatio n  accuracy, and can refle c t the  the IGBT  surroundi ng ele c troma gneti c  field distrib u tio n This paper, using ANSYS  software based on the fi ni te element m e thod for IGB T  3D modeling,  and an alysi s  of the surrou nding el ectro m agneti c  field distrib u tion  [3-5].          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
168         ISSN:  2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013: 167 – 1 7 2   2. Structu r e, w o r k ing prin ciple and ch arac teris t ics  of the IG BT   2.1 Struc t ure  of the IG BT   IGBT is a three-te rminal  d e vicem,it wa s of  a gate G,  the colle cto r   C and th e e m itter E.  Figure 1  sho w a sch e ma tic blo ck  diag ram of a n  N- cha nnel IGB T , it is a field  controlle r pa rts,  the gate and the emitter of the voltage be tween t he UG E is positive and greate r  than the turn -on  voltage the  UGE (th), the IGBT is  turned; UGE  Equal 0 or less, the IGBT off. Which  is  config ure d  as sho w n in Fig u re 1.     2.2 Working  principle of the IGBT   The switchi n g action of the IGBT by t he addition  of a positive  gate voltage form a  cha nnel so  that the IGBT is turne d  on to provi de ba se current to the PNP tran sist or.  Conve r sely,  plus reve rse gate voltage to elimi nate  cha nnel flowi ng throug h the reverse b a se   current of the IGBT is turned off. The driving me thod of the IGBT a nd the MOSF ET are basically  the same, th e only control input pole  of N-ch ann el MOSFET, has a high  input imped a n ce   c h arac teris t ic[6].   Whe n  the the  MOSFET ch annel formin g, from P + base i s  inje cte d  into the N-l a yer of  the hole  (mi n ority ca rri er), the co ndu ctivity modulation  of the N laye r,  to re du ce t he resi stan ce  of  the N layer of  the IGBT at  high voltage,  and al so ha a low on -stat e  voltage.          Figure 1.  Basic  stru ct ure of IGBT and symbol       2.3 Char acte r istics of  the  IGBT   I G B T  cha r a c t e rist i cs in clu d e  st at ic an d d y namic two types, he re focuse s on the d y namic  operating ch ara c teri stics.  IGBT chara c teri stic s incl ude stati c  a nd dynami c  two types, h e re  focu se s on th e dynami c  o p e rating  ch ara c teri stics.IG BT in the o peni ng p r o c ess,  most of the ti me  is to ru n as  a MOSFET, the drai n-sou r ce volta ge  Ud s do wn la ter in the p r oce s s, the PNP   transi s to r enl arge d area t o  satu ration,  but also  i n crease the time delay. td (on) turn-on d e lay  time, tri curre nt rise time. The pra c tical applicati on by the drai n current of  given openin g  time ton  is TD (on )  and of Tri. The  decli ne of drain-sou r ce voltage the time  by tfe1  and tfe2 comp ositi on.   As sho w n in  Figure 2.      ri t ) on ( D t ) t ( D i D I t ) of f ( D t ) t ( D i re t 2 fe t 1 e f t t en t MOSFETcur r curre n t R T G          (a) IGBT turn-on  c u rrent      (b)  IGBT  turn-off  c u rrent    Figure 2. IGBT turn-on current and turn -off current wa veform         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     169   The Elect r om agneti c  Interferen ce M odel  Analysi s of the Powe r Swi t ching  De vice s (Zh ang  Wei )   3. IGBT Modeling and Simulation  3.1 Solid mo deling  For the ba si c stru cture of  Figure 1, to cre a te  the correspon ding  solid finite e l ement  model of the IGBT sho w n i n  Figure 3. The IGBT  internal stru ctu r more  compl e x, using ANS YS  softwa r e to b u ild 3 D  soli d  modelin g, the com b inatio n of layers can be  used  according to  the   layers of seg m ents  of different fu nctio n s, ea ch  correspon ding  p a rt is set ba sed  on  different  material s ap p r op riate rel a tive magnetic   perm eability and re si stivity rate [11].          Figure 3. Solid model of IG BT      Figure 4.  Example of load  division       3.2 Finite Element Simulation[7 - 1 1  ANSYS software simul a tion of the switchin g device IGBT adopt transi ent loadi ng mode,   the load ap pli ed to the cu rrent den sity. 3D tran sient a nalysi s , boun dary conditio n s an d load are  applie d to a functio n  of time. Therefo r e required  to loa d  the physica l quantity cha nge s with time   of divided int o  a plu r ality  of peri o d s , and  were a n a lyzed fo r e a ch tim e  se gment a nd t hen   grad ually. There are thre e ways of loading st e p , ramp and aut omatic time step, here th e   sele ction ram p  load. Dep e nding on the  spe ed of t he load cu rrent trend, is divid ed into different  time intervals, the the IG BT actual op ened off the curre n t wave form simul a tion clo s e to the  actual  wavefo rm of the loa d  form.The tu rn-on  and tu rn -off wavefo rm  painting tog e t her, as  sh own   in Figure 4 of the IGBT spe c ific current wa veform is a p p lied in the switchi ng process.  It should b e  n o ted that the t i me su bste sele ct  ap pro p r iate, load  not  pitch, is divid ed into   different sub-step a c cordin g to the cha nge s of  the current load, d i vidi ng time sub-step  shoul carefully wei gh its advant age s and di sadvantag es . The  sub s tep   excessive, slo w   co mputi n g   spe ed, high  pre c isi on cal c ulatio ns, the  incre a sed d e mand fo r memory spa c e .  Substep is  too   small, the calcul ation sp eed, accu ra cy, and ma ke  useful information is lo st and ca n not  acc u rately reflec t the true res u lt s .  The IGBT  internal each laye r be of different the curre n den sity, Acco rding to ea ch  layer se ction  cal c ulat e d  loa d  amount for  each part of the are a  before   the load, after solvi ng an d post-processi ng.  Thro ugh the  gene ral po stpro c e s sor ob servatio IGBT simulatio n  results. Fig u re 5 (a and (b) a r a persp ective  view of the IGBT of  the magneti c  fiel d stre ngth a nd the ma gn etic  indu ction inte nsity of the simulation re sults. As  can  be see n  from  the results i n  the pin at the   magneti c  fiel d strength  a nd the m agn etic ind u ctio n   intensity i s   stron g e r , and  from  whi c h i t  is  clea r that the distributio n of t he magn etic field, different colo rs  rep r e s ent different na mepl ate  size of the magneti c  field strength in Fig u re 5.       4. Analy s is o f  simulation  results   From th e IGB T  model  equ a l  distan ce, b u t  orientation  o f  the different  node s of  sim u lation   data sho w n i n  Tabl e 1  sh own  by the t i me cour se  o f  post-pro c e s sor Statistics. Comp arativ e   multiple sets  of data shows that the IG BT through  a certai n load, the size of the electrom agn etic  field generated around diff erent.In or der to compare t he si ze of the  different ori entations of th e   magneti c  field in a more intuitive manner, the line  chart in Figure  6 in  the figure is a more clear  contrast data  of Table 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
170         ISSN:  2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013: 167 – 1 7 2          (a) Ma gneti c  field stre ngth  conto u rs        (b) Ma gneti c  indu ction   Figure 5. Magnetic field di stributio n view of IGBT       Table 1. Elect r oma gneti c  field data   Node  H(A/m)  B(T*E-6 )   11711  261.374   328  11712  145.621   278.9   11713  163.606   2056   11714  226.828   285  11715  372.397   468  11716  136.16   171.1   11718  348.939   468  7891  7501.32   9426   8132  6978.32   8769   8105  8582.35   10784.9   8062  3212.59   4037   1691  13378.2   16815   1131  12452.6   15651         Figure 6. Co mpari ng ele c t r oma gneti c  d a ta of  IGBT in different direc t ions      Table 2 is ta ken in fro m  the IGBT dist ance gra duall y  increa sin g  part of the si mulation  data of the n ode value s   of the different  orientat io ns.  The comp ari s on re sult s fro m  the data in  the  table can be  clea rly con c lu ded that the  different  nod es, into a non-line a r prop ortional de cre a se  with in cre a si ng di stan ce I G BT dista n ce, and a s  th e dista n ce in cre a ses, the  increa sing  rat e  of  cha nge of the  magnetic fiel d stren g th an the magneti c  indu ction int ensity small.       Table 2. Elect r oma gneti c  fields  simulatio n  results of IGBT at different distan ce     0 20 00 40 00 60 00 80 00 10 00 0 12 00 0 14 00 0 16 00 0 18 00 0 11 71 1 1 1 7 1 2 1 1 7 1 3 11 71 4 1 17 15 1 1 7 1 6 1 1 7 1 8 7 8 9 1 81 32 8 10 5 8 0 6 2 1 6 9 1 11 31 H( A/ m) B( T* E- 6) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     171   The Elect r om agneti c  Interferen ce M odel  Analysi s of the Powe r Swi t ching  De vice s (Zh ang  Wei )   The line ch art in Figure 7 (a) an d (b ) directly  refle c ts the chang e in magneti c  field of  table 1 simplif y the proce ssing,  the trend  of the polyline.         (a) Ma gnetic  field intensity          (b) Ma gneti c  indu ction inte nsity   Figure 7.   Magneti c  field polyline s  com pari s on of IG BT       On the fa ce  of the differe nt node s to  do a  com pari s on, Fi gure 8  (a) and  (b ) i s  take n   arou nd the IGBT pin abo ut 7 mm is a node of t he magnetic fie l d stren g th a nd the magn etic  indu ction inte nsity ch ang e s  with  time, can be   seen t he IGBT a r ou nd tra n si ent  magneti c  fiel dthe  stren g th and t he si ze of the  magnetic in d u ction in lin e with the ch an ge of load.              (a) tran sient magneti c  field intensity       (b) tran sient magneti c  ind u ction inte nsit y   Figure 8.  Tra n sie n t magne tic field cha n g e  of IGBT   5. Conclusio n   Most analyze s swit ching  power ele c tromagn etic  field distrib u tio n  only for q ualitative   analysi s , and  can n o t be  quantitatively the size of  the sp ecifi c  a nalysi s  of the  electromag n e tic   field of a poi nt. In  this paper, the IGBT model  in ANSYS environment Quanti t ative analysis of  the electro m agneti c  field  distrib u tion, with the t heoretical calcul ation of  the  data is con s i s tent.  Usi ng ANSY S softwa r e to  analyze swit chin g po we sup p ly ele c tromagn etic fie l d distri bution  law  is an effe ctive method fo r accurate mo deling of  the  swit ching  po wer  su pply d i fficulties. By a   seri es of articles on the swi t ching po we r sup p ly comp onent s and switchi ng po wer sup p ly typical   circuit analy s i s  and exp e ri mental re sult verify the correctn ess of the analysi s .       Ackn o w l e dg ments     The author  is highly thankful for the  financial su pport of xi’an city scien ce and  techn o logy project  CXY11 34WL12.       Referen ces   [1]    Z hang W e i, W ang Y i n.  Analyse  the F i e l d- circuit Co up lin g Mod e l of th e S w itch ing P o w e r S upp l y ,   Journ a l of Ce ntral South U n iv er sity of Scienc e and T e ch no l ogy , 2 0 11  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
172         ISSN:  2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013: 167 – 1 7 2   [2]    W e i Z hang, Sh ouzh i  Li, F eng Gao.  T he Modelin And Sim u lati ons of  T he Circuit Eleme n t Based On   F i nite Eleme n t Methods, 200 5.  IEEE Internation a l Confer ence on Veh i c u larEl e ctron i cs  and Safety Xi ’a n, Chin a, 2 005; 25 7-2 6 0   [3]    Che nbi n T ao.  S w itc h i ng po w e r suppl y com m on mode EM I suppressio n  techn o lo g y  r e s earch.  Journ a l   of T i anji n  Univ ersity , 2008   [4]    Bai F u -sh eng.  Rese arch o n  t he El ectromag netic  Interfere n c e of the S e rie s -paral le l Res o nant Invert er,   Xi' a n Un iversit y  of T e chnolo g y  master' s  thes is,200 9   [5]    GAO Yan-xi a. GUO Shui-ba o .  CHEN Bo-shi , Mat hematical -ph y sic a l Simu l a tion Mo del  of IGBT  and its  Par ameter Identification,  Power Electronics , 200 6; 40(5): 13 5-13 7.   [6]   http:// w w w . elecfans.com  [7]    Gao feng,  Li s hou-z h i,  Z han w e i. F i nite E l ement  An al ysis  for Near-F iel d  Char acteristics  of Converte r   circuits,  System Si mu lati on , 200 6; 8(7): 176 6-17 68   [8]    W e i Z hang. An Improved H - Conv erter Cir cuit  Electroma gnetic Interfer ence An al ysis,  Advance d   Materials R e se arch, 201 2. 52 5-52 8   [9]    W e i Z han g, Quantitative A nal ysis f o r N ear-F iel d  C har acteristics of  Conv erter Cir cuits,  Ap p lied  Mechanics and Materials , 20 1 1 ; 01: 589- 594   [10]    M Youssef, J Roud et, Y   Marech a. Nea r-field  char act e rizati on of p o w e r el ectron i cs circuits for  radi ation pr ed i c tion.  PESC97 :  1529- 15 34    [11]    Yan Zhao- w e n ,  ANSYS10.0 eng ine e ri ng  el ectromag netic ana l y sis  techn o lo g y  and e x pl ain  e x ampl es ,   Chin a Water Pow e r Press , Novemb er 20 06  the first edition  of the first printed.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.