Analysis and verification of the push-pull forward converter with current doubler rectifier

Abstract

Schaltnetzteile zur Versorgung von Satelliten-Subsystemen benötigen meist mehrere Ausgansspannungen welche galvanisch getrennt sein müssen. Üblicherweise weist der Transformator mehrere Ausgangswicklungen auf, wobei jeder Ausgangsspannung eine eigene Glättungsinduktivität zugeordnet ist. Da diese Drosseln jedoch für Weltraum-Anwendungen sehr aufwändig und teuer herzustellen sind, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit eine Schaltungsstruktur untersucht, mit welcher (neben anderen Vorteilen) der Glättungsaufwand minimiert werden kann.<br />Die Arbeit besteht aus der Analyse des Betriebsverhaltens eines Push-Pull Forward Konverters mit Current-Doubler-Gleichrichtung in Dual-Transformer-Konfiguration basierend auf Simulationen in PSPICE.<br />Weiters wird der Entwurf, Realisierung und Test eines Labor-Prototyps beschrieben. Die Arbeit gliedert sich in eine kurze Einführung in die spezifischen Anforderungen von Weltraum-Elektronik mit nachfolgender Spezifizierung des aufzubauenden Schaltnetzteils. Im nächsten Kapitel werden die Vor- und Nachteile verschiedener Schaltnetzteil-Topologien beschrieben und erläutert, warum zur Realisierung die Push-Pull Forward-Topologie eingesetzt wurde. Dieses Schaltungskonzept wird nachfolgend im Detail analysiert, gefolgt vom Entwurf von Leistungsteil und Regelung. Abschließend demonstrieren Messungen am realisierten Prototyp die gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Analyse bzw.<br />Simulation.<br />

A switch mode power supply of satellite subsystems has to provide several output voltages, galvanically isolated from each other.<br />To realize such a power supply the use of a transformer is indispensable to get multiple output stages. A lot of secondary filter inductors are needed, which are expensive for space applications. The use of a current doubler with dual transformer principle and integrated output inductors offers the possibility to reduce the number of magnetic components.<br />This diploma thesis includes the analysis of the working principles of the push-pull forward converter with current doubler rectifier in the dual transformer principle supported by PSPICE simulations, the designing process of a prototype with focus on the transformer, the control circuit and the rectifier, as well as the building of the prototype and an analysis of experiments.<br />In the first chapter a short introduction into space electronics as well as the specification of the push-pull forward converter which will be designed in this thesis are given. The following chapter describes alternative converter topologies, lists advantages and disadvantages of each topology and shows why the push-pull forward topology is interesting for this application. The analysis of the push-pull forward topology also in dual transformer principle is shown in the next chapters. Subsequently, the power converter and controller design is given. Finally, measurements are presented that reveal that the push-pull forward converter works as shown in the analysis.