Resonanter Hochspannungsgenerator für beschleunigte Lebensdauer- und Teilentladungs-Untersuchungen an Isolationsfolien

Abstract

Due to their high switching speeds, the wide bandgap semiconductors now available are key components of future power electronic converters. However, their application also requires inductive components, such as smoothing inductors and transformer or motor windings, which can withstand much higher dv/dt values in the long term. Therefore, this paper presents a simple and cost-effective concept of a test voltage generator for lifetime tests of insulation foils, with which test voltages in the range of typ. 8kVpp in the frequency range of up to approx. 1 MHz can be generated with minimum effort. The proposed generator is based on a self-oscillating resonant circuit excited by a low-voltage MOSFET half bridge and does not require a high-voltage supply or high-voltage semiconductors. The paper includes the dimensioning and design of the prototype, presents measurement results, and demonstrates the possible increase in the operating frequency when replacing Si-MOSFETs with GaN devices. In addition, soft-switching circuit and control variants are presented to further increase the operating frequency and/or the degree of efficiency.

Die nun verfügbaren Wide-Bandgap-Halbleiter sind durch ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten Schlüsselbauelemente zukünftiger leistungselektronischer Konverter. Ihre Anwendung setzt allerdings auch induktive Bauelemente wie Glättungsinduktivitäten und Trafo- bzw. Motorwicklungen voraus, die wesentlich höheren du/dt-Werten längerfristig standhalten. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags wird deshalb ein einfaches und kostengünstiges Konzept eines Prüfspannungsgenerators für Lebensdauertests bei Isolationsfolien vorgestellt, mit welchem Prüfspannungen im Bereich von typ. 8 kVss im Frequenzbereich bis ca. 1 MHz aufwandsminimal erzeugt werden können. Der Generator basiert auf einem selbstschwingenden Resonanzkreis angeregt von einer Niederspannungs-MOSFET-Halbbrücke und benötigt auch keine Hochspannungs-Versorgung. Der Beitrag beinhaltet die Dimensionierung und das Design des Prototyps, präsentiert Messergebnisse, demonstriert die mögliche Erhöhung der Betriebsfrequenz durch den Übergang von Si-MOSFETs zu GaN-Bauelementen und zeigt Schaltungs- bzw. Steuerungsvarianten zur weiteren Steigerung der Betriebsfrequenz und/oder des Wirkungsgrades mittels Soft Switching.