Beitrag zur Optimierung einphasiger Leistungsfaktorkorrekturschaltungen

Contribution to the optimisation of single-phase power-factor-correction-circuits

  • Die Steigerung der Energieeffizienz von Elektrogeräten ist eine wichtige Maßnahme, um den zukünftigen Energiebedarf zu begrenzen. Die Vielzahl elektronischer Geräte wird von einem Schaltnetzteil mit den nötigen Gleichspannungen versorgt, das weltweit betrieben wird. Es soll sich für das Versorgungsnetz wie eine ohmsche Last verhalten. Typischerweise werden zwei in Serie geschaltete Konverter, eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) und ein Gleichspannungsumsetzer (DC-DC), eingesetzt. In derzeitigen Initiativen werden Forderungen nach hoher Effizienz über einem weiten Lastbereich gestellt, wobei der Betrieb bei Teillast an Bedeutung gewinnt. Der Wirkungsgrad aller Konverter geht in die EffizDie Steigerung der Energieeffizienz von Elektrogeräten ist eine wichtige Maßnahme, um den zukünftigen Energiebedarf zu begrenzen. Die Vielzahl elektronischer Geräte wird von einem Schaltnetzteil mit den nötigen Gleichspannungen versorgt, das weltweit betrieben wird. Es soll sich für das Versorgungsnetz wie eine ohmsche Last verhalten. Typischerweise werden zwei in Serie geschaltete Konverter, eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) und ein Gleichspannungsumsetzer (DC-DC), eingesetzt. In derzeitigen Initiativen werden Forderungen nach hoher Effizienz über einem weiten Lastbereich gestellt, wobei der Betrieb bei Teillast an Bedeutung gewinnt. Der Wirkungsgrad aller Konverter geht in die Effizienz des Systems ein. Es müssen alle Konverter optimiert werden. Diese Arbeit beschreibt die Optimierung der Leistungsfaktorkorrekturstufe im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad. Die Leistungsfaktorkorrekturstufe ist das Bindeglied zwischen Versorgungsnetz und Zwischenkreiskondensator, aus dessen Spannung die DC-DC Stufe versorgt wird. Diese Stufe muss den Anforderungen für Geräte am Versorgungsnetz, insbesondere der Forderung nach Leistungsfaktor, Netzharmonischen und leitungsgebundenen Störungen, genügen. Gleichzeitig soll sie eine möglichst konstante Zwischenkreisspannung erzeugen. Die Summe der Anforderungen an die Leistungsfaktorkorrekturstufe wird zunächst zusammengestellt und Lösungen mit lediglich passiven Elementen sowie hochfrequent taktende Tief- und Hochsetzsteller im Hinblick auf mögliches Optimierungspotential untersucht. Demnach ist die größte Effizienz durch die Verwendung des Hochsetzstellers erreichbar. Die Hochsetzsteller werden nach ihren Betriebsarten unterschieden. Für große Leistungen werden sie oftmals mit fester Schaltfrequenz und kontinuierlichem Spulenstrom betrieben. Für kleinere Leistungen wird der Konverter sehr häufig mit variabler Schaltfrequenz betrieben, so dass der Spulenstrom gerade nicht kontinuierlich fließt. Dieser Grenzbetrieb bietet insbesondere im Teillastfall Vorteile aufgrund geringerer Schaltverluste und steht im Zentrum dieser Untersuchung. Es zeigt sich, dass die Schaltvorgänge und weitere parasitärer Elemente Einfluss auf die Zeitverläufe, insbesondere die sich einstellende Schaltfrequenz, haben. Die Ermittlung der entstehenden Verluste aufgrund der Annahme linearer Anstiege von Strömen und abschnittsweise konstanter Spannungen stellt eine grobe Vereinfachung dar. Die Simulation dieser Betriebsart erfordert somit angepasste Modelle der verwendeten Bauteile - der Diode, der Induktivität, der Kapazitäten, sowie allen voran des MOSFETs - zum einem für die Berechnung der transienten Vorgänge und zum anderen zur Ermittlung der entstehenden Verluste. Es werden Modelle vorgeschlagen, die das Klemmenverhalten der Bauteile im auftretenden Arbeitsbereich mit hoher Genauigkeit wiedergeben. Die Modelle sind aufgrund der Datenblattangaben oder eigenen Messungen bestimmbar. Ein Vergleich der erzeugten Modelle auf Basis des Datenblatts, eigener Messungen oder basierend auf einem vorhandenen Modell des Halbleiterherstellers für einen Zeitbereichssimulator ist ausgeführt. Basierend auf diesen Modellen wird eine Simulationsroutine für den Hochsetzsteller entwickelt. Diese stellt die Verläufe des Spulenstroms und der Spannung über dem MOSFET bereit, wie sie für die Systemauslegung und deren Optimierung benötigt werden. Die so gewonnene auf Rechenzeit optimierte Routine wird um eine äußere Regelschleife ergänzt, um den Leistungsfaktorkorrekturbetrieb in der Simulation abzubilden. Der Nachweis der durch Simulation erhaltenen Gesamtverluste sowie der Verluste im MOSFET und in der Diode gelingt. Es wird somit nachgewiesen, dass mit der dargestellten Simulationsmethode eine akkurate Vorhersage der auftretenden Verluste und mit dieser eine Optimierung des Konverters möglich ist. Exemplarisch ist für ein gefordertes Lastprofil die Optimierung der Induktivität durchgeführt. Die Optimierung beinhaltet die Verluste in der Schaltzelle, weitere auftretende statische Verluste sowie die Verluste im Eingangsfilter. Für den gefundenen Induktivitätswert wird eine magnetische Komponente entworfen und deren Verluste in der Simulation ergänzt. Am Testaufbau konnte der vorhergesagte mittlere Wirkungsgrad von 97.52 % durch den aus Messungen resultierenden von 97.4 % bestätigt werden. Die vorgestellte Methodik zur exakten Analyse von Konvertern erweist sich als sinnvoll und ausgesprochen hilfreich. Die Verwendung angepasster Modelle resultiert einerseits in einer extrem schnellen Berechnung benötigter Kurvenformen und ermöglicht andererseits eine detaillierte und akkurate Beschreibung der Verlustmechanismen. Die hohe Rechengeschwindigkeit erlaubt die Anwendung der Methode auf Leistungsfaktorkorrekturschaltungen.show moreshow less
  • Energy efficiency is a key issue in terms of limiting future energy demands. Nowadays, systems for information technology are responsible for a great share of the total energy consumption. All such systems are supplied by a switch-mode power supply from the mains. These power supplies contain typically two converter stages connected in series. The first one is responsible for all the regulations to be fulfilled on the grid side while the second one provides the mains isolation and the DC voltage required for the load. Due to regulations, the power supply should behave as an ohmic resistor when operated on the grid. Therefore, limits of the power factor and the mains harmonic currents have toEnergy efficiency is a key issue in terms of limiting future energy demands. Nowadays, systems for information technology are responsible for a great share of the total energy consumption. All such systems are supplied by a switch-mode power supply from the mains. These power supplies contain typically two converter stages connected in series. The first one is responsible for all the regulations to be fulfilled on the grid side while the second one provides the mains isolation and the DC voltage required for the load. Due to regulations, the power supply should behave as an ohmic resistor when operated on the grid. Therefore, limits of the power factor and the mains harmonic currents have to be regarded. The main focus of recent improvement was the efficiency at full load and the current consumption during stand-by operation. In today’s initiatives, more typical operation conditions, especially part load operation, become important. For optimizing the power supply both converters must be considered. Within this work the optimization process of the first stage is discussed in detail. This first converter stage provides a DC link voltage from the mains. The second converter stage, for example a forward converter with an actively clamped reset mechanism, must be optimised with respect to the average DC link voltage and its variation. Passive as well as active means of power factor correction are evaluated with respect to the optimisation potential of the second converter stage. The boost-converter type power factor corrector turned out to be the candidate best suited for this purpose. Basically for these converters there is the option of fixed-frequency operation with either continuous or discontinuous choke current or the operation at the boundary between the two modes, resulting in a frequency variation. The boundary conduction mode provides benefits like reduced turn-on losses and low inductance values. With respect to efficiency this operation mode provides a superior performance. Thus, this operation mode will be investigated in detail. Using only simplified assumptions such as linearly rising currents in the choke or depicting the switching losses by a triangular approximation results in an oversimplification and is therefore not allowed for the purpose intended in this thesis. A description of the converter including the switching transients in the time domain simulation of the choke current and the switch voltage is essential. For this purpose models of the components must be available describing all the aspects necessary. The modelling can be based on the datasheet additionally supported by measurements or purely based on measurements. For both the MOSFET and the diode voltage dependent capacitances and parasitic inductances are required in addition to its static behaviour. To complete the switching cell the choke must be considered. The inductance value is a design parameter used for the optimisation. Combining all these models the steady-state operation of the boost converter including the turn-on, turn-off and the ringing interval is obtained. A limitation of the maximum switching frequency is also implemented. Thus, the converter’s choke current and the voltage across the MOSFET are known, which allow the input filter size to be determined. In order to evaluate the simulation method an experimental prototype has been set up. The measurements show excellent agreement with the predicted total losses and also the losses at the MOSFET and the diode. The latter are determined separately using a calorimetric method well suited for this purpose. It is shown that all relevant aspects of the converter’s operation mode are implemented in the simulation with high accuracy. The optimisation of the converter can therefore be carried out by varying the inductance value. Applying an averaged efficiency criterion the simulations reveal an optimal design for a relative wide inductance range especially if a limitation of the maximum switching-frequency is implemented. For a choke value within the optimal range a design of the magnetic component is made. For this core choice and the corresponding winding configuration the accurate choke losses have been determined by using a magnetic design program. The results in this case do not deviate much from the loss estimation of the component used. With this choke the averaged efficiency of 97.52 % of the prediction can be approved by a measured value of 97.4 %. The described method to simulate converters accurately turned out to be very beneficial for the optimisation process of power electronic systems. The use of models of different levels of abstraction results in a very fast calculation of the required waveforms. Furthermore, a description of the power losses in detail is still possible.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johann Baptist Daniel Kübrich
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-32481
Advisor:Thomas Dürbaum
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/04/27
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/11/25
Release Date:2012/04/27
Tag:Leistungsfaktorkorrekturschaltung
PFC; power-factor-correction
SWD-Keyword:Aktive Schaltung; Leistungselektronik; Leistungsfaktor
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

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