Silicon-carbide-based closed-loop class-D power amplifier

Abstract

Elektrische Laboratorien und Prüfanstalten benötigen vielfach Spannungsquellen für höhere Leistungen um Spannungen im Bereich der Netzspannung mit verschiedensten Signalverläufen bereitstellen zu können. In dieser Diplomarbeit wird der gesamte Entwicklungsprozess einer derartigen Leistungsquelle (Leistungsverstärker) beginnend beim grundsätzlichen Design bis hin zum Aufbau und den verschiedensten Testläufen dargestellt. Die Grundstruktur des Verstärkers basiert auf der des bekannten Klasse-D-Prinzips (Schaltverstärker) mit Reaktanz-Ausgangsfilter zur Unterdrückung der schaltfrequenten Signalkomponenten. Es können Eingangssignale bis zu einer Frequenz von 1kHz auf Ausgangsspannungen von ± 400V und einem Ausgangsstrom von ± 10A verstärkt werden, wobei das Gesamtsystem ein Volumen von ca. 2,5dm aufweist. In der Arbeit wird eingangs die momentan in der Industrie etablierte Silizium Technologie für Halbleiterschalter der neuen, immer mehr konkurrenzfähiger werdenden Siliziumkarbid-Technologie (SiC) gegenübergestellt und die wichtigsten Unterschiede - die im konkreten Fall zum Einsatz von SiC-MOSFETs führen - aufbereitet dargestellt. Das notwendige Ausgangsfilter besteht ausschließlich aus Induktivitäten und Kapazitäten und stellt ein somit grenzstabiles ungedämpftes System dar. Da die Dämpfung des Filters nicht über die Last erfolgt, ist es notwendig eine Regelung zu implementieren, die das Gesamtsystem stabilisiert und das gewünschte dynamische Verhalten (Transfer-Charakteristik) garantiert. Die Regelung wird optimiert auf schnelle Anstiegs- und Einschwingzeiten, auf minimales Überschwingen, geringen Spannungsabfall bei einem Lastsprung, einer hohen Unterdrückung der prinzipbedingten schaltfrequenten Harmonischen sowie der Begrenzung von Stromspitzen bei hohen Rechtecks-Ausgangspannungen zur Vermeidung von Überströmen in den Halbleiterschaltern. Es werden verschiedene Regelungskonzepte erarbeitet und auf ihre Praxistauglichkeit untersucht, zuerst theoretisch, anschließend unter Zuhilfenahme von gebräuchlichen Schaltungs-Simulatoren. Das aus diesen Untersuchungen hervorgehende optimale Konzept - mit Bessel-ähnlicher Sprungantwort - wird für die Realisierung verwendet. Alle notwendigen Schaltungsteile des Aufbaus sind im Detail beschrieben, insbesondere auch die Dimensionierung einer speziellen 100-H-Glättungsinduktivität für die erste Filterstufe. Diese wurde mit Hilfe der Simulationssoftware FEMM hinsichtlich möglichst geringer Verluste in Bezug auf die auftretenden Spannungs- und Stromverläufe (100kHz/10A) optimiert. Weiters wurde eine neue Gate-Treiberstufe entwickelt, welche die SiC-MOSFETs unter Verwendung eines IC-Bausteins mit HF-Signalen potentialfrei ansteuert, anstatt der üblicherweise dafür verwendeten Optokoppler. Besonderes Augenmerk wurde auf eine möglichst niederinduktive Kontaktierung der Zwischenkreiskondensatoren mit den Halbleiterschaltern gelegt, um Schaltüberspannungen am Ausgang des Halbbrückenzweiges zu vermeiden. Der entwickelte Verstärker wurde umfangreichen Tests unterzogen. Die praktischen Messungen stimmen sehr gut mit den simulierten Ergebnissen überein. Die Arbeit beinhaltet die Mess-resultate (Oszilloskop-Messungen), ebenso erfolgt eine Diskussion der bei der Realisierung aufgetretenen Problembereiche. Zur Vermeidung dieser wird eine Verstärkerstruktur vorgeschlagen, die aus zwei Halbbrücken-Stufen besteht. Damit ließen sich praktisch alle wesentlichen Nachteile der realisierten Schaltung beheben. Der realisierte Leistungsverstärker stellt eine gutfunktionierende Spannungsquelle dar und bietet eine vielversprechende Grundlage für weitere Forschungen und Entwicklungen auf diesem Gebiet.

In many laboratories and electric testing centres there is a need for stable and predictive power sources providing power signals of arbitrary shape. This work presents the process of developing and realising a linear power amplifier - based on a class-D amplifier topology - applying the upcoming silicon carbide semiconductor technology. This technology is of special interest for the realisation of power sources due to its structural advantage of providing lower power losses. The developed system supports amplification of any signal sequence - coming from an arbitrary waveform generator - up to 1kHz with a maximum output voltage range of ± 400V and a maximum current of ± 10A - resulting in up to 4kW output power - at an overall physical size of approximately 2.5 litres. The requirement for a high efficient amplifier unit demands a switching (Class-D) topology with a loss-less output filter consisting of power inductors and capacitors. The state of the art silicon-based semiconductor technology is compared to the upcoming silicon-carbide (SiC) technology and the most important differences - that lead to the usage of the latter in the presented amplifier - are pointed out. The chosen output filter configuration originally represents an only marginally stable system. This characteristic therefore necessitates the introduction of a feedback control structure in order to create a required overall transfer function of proper dynamic behavior. The design requirements are fast rise and settling times, no remarkable overshoot in case of a step response, low voltage drop in case of a load step, high attenuation of the structural switching harmonics and limited current peaks in case of a square wave to avoid damaging on the semiconductor switches. Therefore, different controller concepts are developed and analyzed theoretically. Based on the results, possible configurations are designed and verified by the use of common circuit simulation software. The most promising configuration - a system with a Bessel-like step response - is selected for realization. The realization of the amplifier unit is described in detail. In particular, a specific unique design of the 100-H main filter power inductor is shown, which is optimized to have low core and copper losses even in case of 100kHz 10A peak ripple current. FE-simulations gained by the simulation program FEMM support the design process. A novel gate driver - based on an RF transceiver and receiver isolation concept instead of using optocouplers - is developed in order to benefit from low conduction losses and fast switching times of the SiC-MOSFETs. A PCB-layout which minimizes the parasitic inductances in the connection paths between the DC link capacitors, the semiconductor switches and the gate drivers, guarantees a nearly ideal rectangular-shaped output voltage of the MOSFET half-bridge leg supporting very fast switching speed. The overall circuit is tested on a broad range of the defined requirements and use cases. The results of the real system corresponds well to the theoretic/simulated ones, proved by oscilloscope measurements which are included in this work. Appearing problems in the test procedures are mentioned and possible improvements are discussed. Especially a full bridge converter topology, consisting of two identic half-bridge amplifier stages, is suggested. This structure would eliminate nearly all disadvantages observed in the test procedures. In addition, it will provide benefits such as an output voltage range being twice as high as the supply voltage range. The presented amplifier demonstrates a well-working power source and forms a development basis for further researches on this topic, e.g. covering the full bridge converter consideration.