Post-Regulator IC für einen Push-Pull Wandler

Abstract

Die derzeitige Gegebenheit mit dem Klimawandel erfordert ein rasches und konsequentes Umdenken und Umrüsten in zahlreichen Industriezweigen. Der Automobilsektor durchläuft dadurch aktuell einen temporeichen Paradigmenwechsel. Den elektrischen Antrieben in Elektroautos kommt dabei eine stetig wachsende Bedeutung zu. Hinzu kommen unzählige technologische Fortschritte innerhalb des Themenfeldes der elektrischen Antriebe selbst. Wobei die Transition von Silizium, als wichtigstes Material in den Leistungstransistoren, auf immer günstiger herzustellende wide-bandgap Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid wohl zu einem der wichtigsten gehört. Dieser Übergang führt jedoch zu weiteren Herausforderungen und Kosten. In dieser Arbeit wird die DC/DC-Wandler Topologie des Push-Pull Konverters im praktischen Umfeld als Spannungsversorgung für einen Gatetreiber beleuchtet. Die ersten Kapitel behandeln diesen „double-ended“-Wandler allgemein mit einigen seiner Vor- und Nachteile. Unterschiedliche Varianten des Konverters werden erläutert, ihre Steuergesetze anhand ihrer zu Grunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten mathematisch hergeleitet und mittels Simulationssoftware nachgewiesen. Im Anschluss wird das Thema Gateansteuerung behandelt. Dabei wird auf die wichtigsten Eigenschaften der benannten Transistormaterialien und deren Unterschiede eingegangen. Diese stellen unter anderem die Motivation für das Themengebiet dieser Arbeit dar. Das vierte Kapitel befasst sich, nach den eher theoretisch-idealen Auseinandersetzungen der Anfangskapitel, mit praktischeren Aspekten des Push-Pull Konverters und was es bei seiner Auslegung zu beachten gilt. Abschließend wird das Konzept eines „Postregulators“ für Push-Pull Konverter vorgestellt. Dieser soll später als IC hergestellt werden und nur mittels einem Widerstand pro Spannungspolarität den Wert der Ausgangsspannung einstellen. Dies ermöglicht die Beibehaltung eines schon in Verwendung kommenden Transformators für unterschiedliche Projekte und Materialien der Leistungstransistoren. Beim Übergang von Silizium zu Siliziumcarbid oder Galliumnitrid muss keine neue, eigene Fertigung, inklusive der kostspieligen Isolationstests, des magnetischen Bauteils erfolgen. Dafür wurde zuerst ein Simulationsmodel in LTSpice erstellt, ein Hardware-Evaluation Board erstellt und anschließend getestet. Den Abschluss der Arbeit bilden die Messergebnisse der Hardware-Tests des Postregulator PCBs.

The current climate change situation requires a rapid and consistent rethinking and retooling in numerous industrial sectors. The automotive sector is currently undergoing a rapid paradigm shift. Electric drives in electric cars are becoming increasingly important. In addition, there are countless technological advances within the field of electric drives themselves. The transition from silicon, the most important material in power transistors, to progressively cheaper wide-bandgap materials such as silicon carbide and gallium nitride is probably one of the most important. However, this transition introduces further challenges and costs. In this thesis, the DC/DC converter topology of the push-pull converter is examined in a practical environment as a power supply for a gate driver. The first chapters deal with this double-ended converter in general and some of its advantages and disadvantages. Different variants of the converter are explained, their control laws mathematically derived, based on their underlying physical laws and verified by means of simulation software. Subsequently, the topic of gate control is dealt with. The most important properties of the named transistor materials and their differences are discussed. These are, among other things, the motivation for the topic of this thesis. The fourth chapter deals with more practical aspects of the push-pull converter and what needs to be considered in its design, after the rather theoretical-ideal discussions of the initial chapters. Finally, the concept of a "post regulator" for push-pull converters is presented. This is to be produced later as an IC and only adjust the value of the output voltage by means of one resistor per voltage polarity. This makes it possible to keep a transformer that is already in use for different projects and materials of the power transistors. When switching from silicon to silicon carbide or gallium nitride, there is no need for a new, separate production, including the costly insulation tests of the magnetic component. For this purpose, a simulation model was first created in LTSpice, a hardware evaluation board was created and then tested.The final part of the work is the measurement results of the hardware tests of the post-regulator PCB.