Optimierung eines einphasigen PFC-Gleichrichters mit Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern auf Basis domänenübergreifender Modelle

Abstract

Einphasige PFC-Gleichrichter werden in diversen Anwendungen eingesetzt, die hohe Anforderungen an die Leistungsdichte des elektronischen Systems stellen. Die Wahl von Dimensionierungsparametern, wie zum Beispiel der Schaltfrequenz, beeinflusst signifikant die Bauraumanteile der einzelnen Komponenten und das Systemvolumen. Wide-Bandgap-Halbleiter versprechen die realisierbaren Leistungsdichten im Vergleich zu Silizium-Halbleitern zu steigern. Die reduzierten Schaltverlustenergien erlauben höhere Schaltfrequenzen und kleinere passive Bauelemente. Weiterhin erfolgt die Entwicklung von PFC-Gleichrichtern unter den Aspekten der Kühlung und der Konformität bezüglich der Grenzwerte geltender Normen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung einer Optimierungsmethodik, die Einblick in die Systemzusammenhänge erlaubt und volumenoptimierte Dimensionierungsparameter identifiziert. Grundlage dafür ist ein domänenübergreifender Modellierungsansatz, der elektrische, thermische und magnetische Dimensionierungsmethoden vereint. Die Modelle sind analytischer Art, um den Berechnungsaufwand für große Parameterräume zu reduzieren.

In dieser Arbeit wird das Bauraumpotential des Totem-Pole-PFC-Gleichrichters untersucht. Basierend auf den berechneten Halbleiterverlusten werden Modelle zur Kühlkörperdimensionierung vorgestellt. Es werden Kühlkörper für natürliche und erzwungene Konvektion berücksichtigt. Weitere Bestandteile sind eine Filterdimensionierung zur Einhaltung normativer Grenzwerte leitungsgebundener Störungen sowie die Modellierung magnetischer Bauelemente. Jedes der genannten Komponentenmodelle führt für sich zu einer volumenoptimierten Lösung. Durch die Zusammenführung aller Modelle zu einer Optimierungsmethodik kann eine volumenoptimierte Wahl der Dimensionierungsparameter Schaltfrequenz und Stromwelligkeit identifiziert werden. Im Rahmen einer Validierung wird die Zulässigkeit der Modelle geprüft.

Für einen beispielhaften SiC-basierten PFC-Gleichrichter wird für jede Konvektionsart eine eindeutige volumenoptimierte Wahl von Schaltfrequenz und Stromwelligkeit identifiziert. Das Systemvolumen ist sehr sensitiv gegenüber der Schaltfrequenz. Die Konvektionsart hat einen großen Einfluss auf die Schaltfrequenzwahl. Die Stromwelligkeit zeigt in weiten Bereichen der Schaltfrequenz geringe Auswirkungen auf das Systemvolumen. Das bessere Entwärmungsvermögen der erzwungenen Konvektion im Vergleich zur natürlichen Konvektion reduziert das Volumen der optimierten Komponenten Filter, Boost-Drossel und Kühlsystem um 43%.

Zum Vergleich der Ergebnisse mit anderen realisierten Aufbauten wird einer der baukleinsten GaN-Photovoltaik-Wechselrichter der Google Little Box-Challenge herangezogen. Die Leistungsdichte von Filter, Boost-Drossel und Kühlsystem sind vergleichbar mit den Ergebnissen dieser Arbeit, und dies ohne Einsatz von Keramikkondensatoren oder kostenintensiven magnetischen Bauelementen. Daher eignet sich die erarbeitete Optimierungsmethodik zur effizienten Dimensionierung von PFC-Gleichrichtern hoher Leistungsdichte.