Entwurf und Implementierung eines 1kW DC/DC-LLC-Resonanzkonverters

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf und den Aufbau eines ungeregelten jedoch galvanisch getrennten DC/DC-Resonanzkonverters mit einer Ausgangsleistung bis zu 1kW. Durch die Ausnützung des Resonanzprinzips unter Einbindung der parasitären Trafo-Streu- bzw. Hauptinduktivität können die Schaltverluste der Leistungshalbleiter erheblich reduziert werden. Dies geschieht durch soft switching d.h., spannungsloses Schalten („zero voltage switching“, ZVS) der primärseitigen MOS- FETs sowie durch stromloses Schalten („zero current switching“) der sekundärseitigen Gleichrichterdioden. Daraus folgen eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades und/oder eine Möglichkeit zur Steigerung der Schaltfrequenz, resultierend in einer Verkleinerung des Transformators. Damit bietet das hier behandelte Konzept deutliche Vorteile gegenüber anderen Schaltungstopologien in dieser Leistungsklasse wie, z.B. dem konventionellen Gegentaktwandler. Beim betrachteten Wandler bildet der primärseitige Resonanzkondensator gemeinsam mit der Trafo-Haupt- bzw. Streuinduktivität einen multiresonanten Schwingkreis, die Schaltung wird deshalb als LLC-Wandler bezeichnet. Im unterresonanten Betriebsmodus (d.h., die Frequenz der von den MOSFETs generierten Primärspannung liegt unter der Serien-Resonanzfrequenz des Schwingkreises) weist der Konverter eine idealerweise fix mit der DC-Eingangsspannung verbundene, stromunabhängige DC-Ausgangsspannung auf. Im Vergleich zum überresonanten Betrieb geht damit jedoch die Möglichkeit der Regelung der Ausgangsspannung über die Frequenz verloren. Dies ist aber oft kein essentieller Nachteil, da in vielen Applikationen ohnedies eine Vor- oder Nachregelung (z.B. ein vorgeschalteter PFC oder eine nachgeschaltete Motorregelung) gegeben ist. Zur Minimierung der Leitverluste ist beim entwickelten Wandler der sekundärseitige Gleichrichter in Mittelpunktschaltung ausgeführt, und diese als aktive Gleichrichtung mittels gesteuerter MOSFETs („Synchrongleichrichter“) ausgeführt ist. In der Arbeit erfolgt eine grundlagenorientierte theoretische Analyse des Konzepts, die Dimensionierung und Auswahl der Bauelemente sowie die Beschreibung des gewählten Layouts und des Aufbaus. Abschließend wird die Funktion anhand von detaillierten Messungen verifiziert.

The presented thesis reports the design and implementation of a non-controlled but galvanically isolated DC/DC resonance converter with an output power up to 1kW. By exploiting the resonance principle involving the parasitic transformer leakage or main inductance, the switching losses of the power semiconductors can be significantly reduced. This is done by "soft switching", that is, zero voltage switching (ZVS) of the primary side MOSFETs as well as zero current switching of the secondary side rectifier diodes. This results in a significant increase in the efficiency and/or a way to increase the switching frequency, resulting in a reduction of the transformer size. Thus, the concept discussed here offers distinct advantages over other circuit topologies in this performance class, such as, e.g. the conventional push-pull converter. In the case of the considered topology, the primary-side resonant capacitor together with the transformer's main or leakage inductance forms a multiresonant circuit; the circuit therefore is referred to as an LLC converter. In the sub-resonant mode of operation (i.e., the frequency of the primary voltage generated by the MOSFETs is below the series resonant frequency of the resonant circuit), the converter has a current-independent DC output voltage ideally fixed to the DC input voltage level. Compared to over-resonant operation, however, the possibility of controlling the output voltage via the frequency is thereby lost. However, this is often not an essential disadvantage since in many applications there is already a pre- or post-regulation (for example, upstream PFC or downstream motor controller). In order to minimize the power losses, the rectifier stage on the secondary side of the developed converter is designed as a mid-point circuit using an active rectification by means of controlled MOSFETs ("synchronous rectifier"). In the thesis a basic theoretical analysis of the concept, the dimensioning and selection of the components as well as the description of the selected layout and the structure is done. Finally, the function is verified by detailed measurements.