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.
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
(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)
(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, 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
(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
(Bild: Markus Woldt, Teammitglied, TH-Köln)