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Projektleiter

Prof. Dr. Christian Dick

Prof. Dr. Christian Dick

Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Institut für Automatisierungstechnik (IA)

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    50679 Köln
  • Raum HW1-30
  • Telefon+49 221-8275-2262

Forschungsprojekt IFEC 2017: “High-Efficiency High-Density Isolated DC-DC Converter“

Ein Studententeam der TH-Köln nimmt zum achten Mal in Folge am Internationalen Studentenwettbewerb „International Future Energy Challenge (IFEC)“ teil. Die diesjährige Aufgabe ist die Darstellung eines 750W hochfrequenten, galvanisch trennenden DC-DC Wandlers mit hoher Leistungsdichte. Die Zielvorgabe der Leistungsdichte ist >15W/cm³ und der Effizienz >96% @ 100% Last.

Es soll eine variable Eingangsspannung von 360V bis 400V in eine konstante Ausgangsspannung von 12V transformiert werden. Die Ausgangsspannung darf einen maximalen Spannungsrippel von 100mVpp aufweisen.

Die gewählte Topologie, der aktuelle Arbeitsstand und die nächsten Arbeitsschritte werden im März 2017 im Rahmen der APEC Conference in Tampa, Florida vor einem internationalen Publikum und dem Komitee vorgetragen.

Auf einen Blick

Kategorie Beschreibung
Forschungsprojekt High-Efficiency High-Density Isolated DC-DC Converter 
Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian Dick 
Fakultät Fakultät für Informations- Medien und Elektrotechnik 
Institut Institut für Automatisierungstechnik 
Beteiligte Christian Dick, Nico Inden, Tobias Hirche, Anil Bayzat, David Khoshoei, Markus Woldt 
Fördermittelgeber PSMA, IEEE, TH Köln 
Laufzeit 10/2016 bis 07/2017 
Website

Die gewählte Topologie ist ein LLC-Resonanzwandler bestehend aus einer Galliumnitrid (GaN) Halbbrücke, dem Resonanzkreis inklusive Hochfrequenztransformator mit Mittelpunktanzapfung und der sekundärseitigen synchronen Gleichrichtung.

Topologie des IFEC 2017
Topologie des IFEC 2017 (Bild: C. Dick, TH-Köln)

Die GaN-Halbbrücke wird mit einem konstanten Tastgrad von 50% getaktet, bei einer Zielfrequenz von 1MHz, um die Elemente des Resonanzkreises möglichst klein zu halten und somit eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Im Resonanzkreis wird die Eingangsspannung durch Frequenzmodulation ggf. verstärkt, über einen mittelpunktangezapften Transformator galvanisch getrennt und anschließend auf die Sekundärseite übertragen.  Auf der Sekundärseite wird die übertragene Spannung mittels zwei Si-MOSFET’s synchron gleichgerichtet und über den Ausgangskondensator geglättet.

Im ersten Schritt wurde die GaN-Halbbrücke bei verschiedenen Frequenzen, bis zu 1 MHz, an einer LC-Last getestet um das Schaltverhalten zu untersuchen und das „weiche“ Schalten sicher zu stellen. Die Ansteuerung der GaN-HEMT’s wurde dabei über ein „Field Programmable Gate Array“ (FPGA) realisiert.

Messungen der GaN-Halbbrücke an einer LC-Last bei 800 kHz und U_in=400V (Lila)
Messungen der GaN-Halbbrücke an einer LC-Last bei 800 kHz und U_in=400V (Lila) (Bild: Tobias Hirche, Teammitglied, TH-Köln)

​Im weiteren Projektverlauf wurde die Halbbrücke an den LLC-Resonanzkreis und die sekundärseitige synchrone Gleichrichtung angeschlossen, um den LLC-Wandler in den verschiedenen Betriebsmoden zu testen.

Testaufbau des ersten Prototyps
Testaufbau des ersten Prototyps, GaN-Halbbrücke und Resonanzkondensator (links), Hochfrequenztransformator mit Mittelpunktanzapfung und synchroner Gleichrichtung (rechts) (Bild: David Khoshoei, Teammitglied, TH-Köln)

Messungen des ersten LLC-Prototyps im unterresonanten Betrieb bei einer Schaltfrequenz von 200 kHz
Messungen des ersten LLC-Prototyps im unterresonanten Betrieb bei einer Schaltfrequenz von 200 kHz (Bild: David Khoshoei, Teammitglied, TH-Köln)

​Die zweite Version der synchronen Gleichrichtung ist als vierlagige Platine ausgeführt. Um die Verluste der MOSFET’s klein zu halten werden drei MOSFET’s für die jeweilige Halbwelle parallel geschaltet, so dass sich der Strom aufteilt und eine übermäßige Erwärmung vermieden wird.

Platinen Layout der zweiten Version der synchronen Gleichrichtung
Platinen Layout der zweiten Version der synchronen Gleichrichtung (Bild: Markus Woldt, Teammitglied, TH-Köln)

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