Development of a galvanically non-isolated switch-mode power supply circuit with PFC functionality, operating at a constant duty cycle

Abstract

Der Hauptfokus der Arbeit liegt in der Entwicklung des Prototyps eines nichtisolierenden Schaltnetzteils mit sowohl DC-DC als auch AC-DC Funktionalitäten, wobei der Akzent auf der Leistungsfaktorkorrekturfähigkeit (PFC-Fähigkeit) liegt. Diese Topologie sollte ihre Hauptimplementierung bei LED Beleuchtungssystemen finden, die keine galvanische Trennung voraussetzen. Diese Topologie liefert Leistungsfaktorkorrektur mit dem MOSFET, der mit konstantem Tastverhältnis schaltet, im Gegensatz zu komplizierten Regelungsmechanismen, die üblicherweise bei Boost-Typ PFC Topologien eingesetzt werden. Die Schaltungskomponenten sind so dimensioniert, dass der Konverter in DCM im eingeschwungenen Zustand stabil bleibt, sodass die Ströme, die durch die Halbleiterkomponenten fließen, begrenzt werden. Die Haupthalbleiterelemente sind die SiC Diode und GaN MOSFET. Die Elemente, die hochfrequente Stromschleifen führen, sind sorgfältig auf der Leiterplatte (PCB) implementiert, um die EMB (Elektromagnetische Beeinflussung), die wegen der steilen Strom- und Spannungsflanken entsteht, zu minimieren. Die Kupferflächen sind auf der Leiterplatte für die thermische Entlastung der Halbleiterkomponenten vorhanden. Die Schaltung ist analysiert und mithilfe verschiedener Simulationstools entwickelt und schlussendlich im Universitätslabor getestet worden, wobei sie das erwartete Verhalten, einen hohen Leistungsfaktor und eine hohe Effizienz gezeigt hat.

The main focus of this work lies in the development of a prototype of a non-isolated switch mode power supply circuit with both functionalities of a DC-DC and AC-DC converter, with the main accent lying on its AC-DC power factor correction (PFC) functionality. The main implementation should be for non-isolated LED illumination systems. This topology provides power factor correction with the MOSFET switching with a constant duty cycle, as opposed to more complicated control mechanisms that are found in classical boost-type power factor correction circuits. The circuit components are dimensioned in such a way that the converter stays in DCM during steady-state operation, providing the stability of the circuit and the limitation of the current through the semiconductor components - mainly the GaN MOSFET and SiC Diode. The wiring elements that conduct the high-frequency current loops are carefully implemented on the PCB to minimize the EMI of the components due to steep voltage and current gradients. Copper areas are present on the PCB for the thermal relief of semiconductor components. The circuit design was analyzed and designed with different simulation tools and finally tested and measured at the university laboratory, demonstrating the expected behaviour, high power factor, and high efficiency.