Thermische Modellierung einer GaN-Halbbrücke mit nichtlinearer Regler- und Beobachterstruktur

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der thermischen Modellierung einer GaNHalbbrücke mit nichtlinearer Regler- und Beobachterstruktur zu Ermittlung und Regelung der Sperrschichttemperatur. Zu Beginn wird der gesamte Versuchsaufbau und die Eigenschaften sowie Charakteristiken von GaN-Transistoren erläutert. Für eine Verifizierung der entwickelten mathematischen Modelle wird eine NTC-Thermistorschaltung zur Bestimmung der Oberflächentemperaturen entworfen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt in der mathematischen Modellierung des Kühlsystems sowie der Generierung der thermischen Verluste in den GaN-Transistoren der Halbbrücke. Dafür wird das Kühlsystem mit einem konzentrierten parametrischen Wärmeübertragungsproblem formuliert. Die thermischen Ersatzschaltbilder nach Cauer betrachten das statische sowie dynamische Verhalten des Kühlsystems, mit der Lüfterspannung als Stellgröße und die thermischen Verluste als Eingänge. Zur Regelung der Sperrschichttemperatur bei einem Last- oder Arbeitspunktwechsel wird eine nichtlineare Regler- und Beobachterstruktur mit Trajektorienplanung erstellt. Die Simulations- und Messergebnisse zeigen, dass die Entworfene Regler- und Beobachterstruktur mit Trajektorienplanung auch bei ungenügender Bekanntheit der identifizierten Parametern eine stabile Vorgabe der Sperrschichttemperatur ermöglicht.

The presented diploma thesis is focussed on the thermal modelling of a GaN bridge leg using a non-linear controller and observer structure for determination and control of the transistor junction temperature. The thesis starts with a description of the characteristics and basic properties of GaN transistors. Subsequently a test set-up is developed based on a USB-connected PC-AD interface which allows the determination of multiple surface temperatures of the bridge leg sensed by NTC thermistors. The main part of the thesis is the mathematical modelling of the colling system as well as the calculation of the losses generated by the GaN transistors of the bridge leg. For this purpose, the cooling system is formulated as a concentrated parametric heat transfer problem. The Cauer-type thermal equivalent circuit diagrams consider the static and dynamic behaviour of the cooling system, based on the thermal losses as input variables and the van supply voltage representing the control quantity. To control the transistor's junction temperature in case of load and working point variations, a non-linear controller and observer structure with trajectory planning is developed. The simulation and measurement results demonstrate that the developed model in connection with the proposed controller and observer structure achieves a stable and well-damped determination of the junction temperature, even in case the identified system parameters are known merely with uncertainties as being typical for practical converter systems.