Aufbau eines quasi-resonanten Halbbrücken-Gegentaktwandlers mit Siliziumcarbid MOSFETs

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf und die Realisierung einer Stromversorgungseinheit zur Gleichspannungs-Potentialtrennung für die Speisung von Multizellen-Schaltverstärkern bzw. -Konvertern. Mit dem entwickelten System können die den Zwischenkreis bildenden Bleibatterien der einzelnen Schaltzellen nachgeladen werden bzw. können diese Batterien überhaupt eingespart werden, sofern die Multizellenstufe keine extrem hohen Ausgangsströme zu generieren hat. Die gebaute Stromversorgungseinheit (Potentialtrennstufe) ist für eine Eingangsspannung von 540VDC ausgelegt (also der Ausgangsspannung eines ungesteuerten B6-Gleichrichters am 400V Dreiphasennetz angepasst) und erzeugt vier voneinander bzw. von der Eingangsspannung isolierte Ausgangsspannungen von jeweils 24 V/10A (Gesamtleistung ca. 1kW). Der Konverter basiert auf einer quasiresonanten Schaltungstopologie unter Verwendung von zwei Siliziumcarbid- (SiC-) MOSFETs in Halbbrückenstruktur. Die SiC-Transistoren erzeugen eine 540V Rechteckausgangsspannung mit fixer Frequenz (50 kHz) und konstantem Tastverhältnis (1:1). Diese Spannung speist - nach Abblockung ihrer DC-Komponente - die Primärwicklungen von vier Ferrit-Ringkerntransformatoren. Die Streuinduktivität dieser Trafos wird in Verbindung mit der Kapazität der Abblock-Kondensatoren als Resonanz-Schwingkreis verwendet. Die Gleichrichtung der Trafo-Sekundärspannungen erfolgt mit vier Vollbrücken-Gleichrichtern bestehend aus Schottky-Dioden, welche direkt die Ausgangs-Glättungskondensatoren speisen. Die Stromversorgungseinheit ist durch einen hohen Wirkungsgrad von über 90% im Laststrombereich 15. . .100% gekennzeichnet, mit Maximalwerten von bis zu 93 %., Die Arbeit startet mit einer Übersicht über die Vorteile von SiC-Halbleitern, besonders von SiC-MOSFETs und beinhaltet eine Herleitung der analytischen Beschreibung zur Dimensionierung des Konverters unter Verwendung des uZi-Diagramms. Diese Berechnungen werden anschließend mittels numerischer Simulation (LTspice) verifiziert. Im Anschluss daran werden zwei Versionen einer Realisierung ausgearbeitet und beschrieben: Zuerst eine Version mit nur einem Ausgangsspannungs-Zweig zur Überprüfung des grundsätzlichen Konzepts bzw. der Dimensionierung, nachher eine zweites Labormuster als "Endversion" mit den geplanten vier Ausgangsspannungen. Für beide Varianten erfolgt ein detaillierter Labortest, basierend auf Messungen der Ausgangs-/Last-Charakteristik, der Kreuzkopplung zwischen den Ausgangsspannungen, der Verluste bzw. des Wirkungsgrades. Abschließend erfolgt eine Beschreibung der bei der Realisierung beobachteten Probleme (EMV) sowie eine Diskussion der erreichten Ergebnisse bzw. auch von interessanten Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades.

The subject of this thesis is the design and implementation of a DC-to-DC power isolating unit for providing the supply of a multi-cell switch-mode amplifier/converter. The implemented system allows charging of the individual lead-acid batteries of the amplifier's switching cells or, alternatively, may replace these batteries completely in case the amplifier does not have to provide output signals of very high current rates. The designed power isolating unit shows an input voltage of 540VDC (being the typical output voltage of an uncontrolled diode-bridge rectifier operating on a standard 400V three-phase mains) and provides four isolated 24 V/10A output voltage systems (total power 1kW). The converter is based on a quasi-resonant topology using two Silicon-Carbide (SiC) MOSFETs in half-bridge arrangement. The SiC transistors generate a fixed-frequency (50 kHz) output voltage of 1:1 duty cycle feeding the individual ferrite toroid-core isolation transformers. The leakage inductance of the transformers in connection with the DC blocking capacitors is used as resonant circuit. The rectification of the transformer secondary voltage is provided by a Schottky-diode full-bridge rectifier feeding directly the output smoothing electrolytic capacitor. The unit shows efficiency rates of > 90% for a load current range of 15. . . 100% at peak rates of up to 93 %. The work describes the properties of SiC-semiconductors, especially of SiC-MOSFETs and gives an analytically analysis of the converter based on the uZi-diagram where the calculation results are verified by digital simulation (LTspice). Subsequently, two laboratory test versions of the converter have been realized: A circuit with only a single output to check the basic operation behaviour and the dimensioning; secondly a "final" version including the aimed four output transformers has been built. Both versions are tested by measurements concerning output/load characteristic, cross-coupling of output voltages, losses and efficiency. The results are discussed and finally appealing concepts for further efficiency enhancement are given.