Digital geregelter quasiresonanter ZVS Aufwärtswandler mit Luftspule

Abstract

In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Steigerung des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte eines constant voltage (CV) quasiresonanten (QR) zero voltage switching (ZVS) Aufwärtswandlers untersucht. Dieser Wandler ist für den Betrieb an einem 12 V-Bordnetz eines PKWs konzipiert und bildet die erste Stufe eines zweistufigen Wandlerkonzepts. Er dient zur Bereitstellung der Zwischenkreisspannung in einem Lichtsteuergerät eines LED-Scheinwerfers.Zunächst werden die theoretischen Grundlagen der Topologie des QR-ZVS Aufwärtswandlers erläutert. Im Speziellen wird auf die Berechnung der Verlustleistung in den einzelnen Komponenten der Schaltung näher eingegangen. Anschließend werden die Bauelemente der Schaltung unter Berücksichtigung der Anforderungen des Automotive-Bereichs dimensioniert. Diese Dimensionierung wird durch Simulationen überprüft und Optimierungsmaßnahmen werden beleuchtet. Die Regelung der Schaltung erfolgt digital mithilfe eines Mikrocontrollers. Hierzu wird ein Proportional-Integral-Differential (PID)-Regler in Assembler implementiert, um eine schnelle Berechnung der Reglerausgangswerte zu gewährleisten. Die Steigerung der Leistungsdichte wird durch die Erhöhung der Schaltfrequenz erreicht, weil mit steigender Schaltfrequenz die Größe und Anzahl der passiven Bauelemente reduziert werden kann. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Galliumnitrid-Feldeffekttransistors (GaN-FET) aufgrund seiner kompakten Bauweise und seines schnellen Schaltverhaltens der Leistungsdichte und dem Wirkungsgrad zuträglich. Eine weitere Maßnahme zur Steigerung des Wirkungsgrades ist die Verwendung einer Luftspule als Resonanzspule, da hierdurch die Kernverluste im Vergleich zu einer Spule mit Ferritkern vermieden werden. Als nächster Schritt wird die Luftspule durch eine in der Leiterplatte integrierte Toroidspule ersetzt, um die Kosten für die Luftspule einzusparen. Zusätzlich wird eine in Software realisierte adaptiveSperrzeitanpassung des Pulsweitenmodulations (PWM)-Signals entworfen, welche den Wirkungsgrad im unteren Lastbereich optimiert. Abschließend wird die Schaltung in einem Prototypen realisiert und der Betrieb bei einer Schaltfrequenz von bis zu 1.83 MHz verifiziert. Des Weiteren werden die Maßnahmen zur Steigerung des Wirkungsgrades implementiert und vermessen, sowie bezüglich ihrer Effektivität und Umsetzbarkeit bewertet.

In this thesis, possibilities to increase the efficiency and power density of a constant voltage (CV) quasiresonant (QR) zero voltage switching (ZVS) boost converter are investigated. This converter is designed for the operation on a 12 V on-board power supply of a car and forms the first stage of a two-stage converter concept. It is used to provide the DC link voltage in a light control unit of an LED headlight.Initially, the theoretical principles of the topology of the QR-ZVS boost converter are explained. In particular, the calculation of the power loss in the individual components of the circuit is discussed in more detail. Afterwards, the components of the circuit are dimensioned taking into account the requirements of the automotive sector. This dimensioning is verified by simulations and optimization measures are highlighted.The circuit is controlled digitally using a microcontroller. For this purpose, a proportional-integral-differential (PID)-controller is implemented in assembler to ensure fast calculation of the controller output values.The increase in power density is achieved by increasing the switching frequency, since the size and number of passive components can be reduced as the switching frequency increases. In addition, the use of a gallium nitride field-effect transistor (GaN-FET) is beneficial to power density and efficiency due to its compact design and fast switching behavior. Another measure to increase efficiency is the use of an air-core coil as a resonant coil, as this avoids core losses compared to a coil with a ferrite core. The next step is to replace the air-core coil with a toroidal coil integrated into the circuit board in order to save the cost of the air-core coil. In addition, an adaptive off -time adjustment of the PWM-signal is implemented in software, which optimizes the efficiency in the lower load range.Finally, the circuit is realised in a prototype and the operation at a switching frequency of up to 1.83 MHz is verifi ed. Furthermore, the measures to increase efficiency are implemented and measured, and their effectiveness and feasibility are evaluated.