Untersuchungen zu isolierenden verlustarmen kompakten Ansteuerschaltungen mit integrierter Regelung des Laststromes

Research into Insulating Low-Loss Compact Driver Circuits with an Integrated Control Unit for Regulating the Load Current

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-26075
  • In dieser Arbeit werden Untersuchungen zu isolierenden, verlustarmen und zugleich kompakten Ansteuerschaltungen mit integrierter Regelung des Laststromes vorgestellt. Im Fokus steht insbesondere die Anwendung von Ansteuerschaltungen in mehrphasigen DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte. Zur Reduzierung der Ansteuerverluste werden zwei neue Möglichkeiten vorgeschlagen. Das erste vorgestellte Verfahren zum Betrieb einer resonanten verlustarmen Ansteuerschaltung unterscheidet sich von den aus der Literatur bekannten Verfahren dadurch, dass zunächst die zur Umladung der Gatekapazität erforderliche Energie vollständig in einer Spule gespeichert wird. Unter Zugrundelegung einigerIn dieser Arbeit werden Untersuchungen zu isolierenden, verlustarmen und zugleich kompakten Ansteuerschaltungen mit integrierter Regelung des Laststromes vorgestellt. Im Fokus steht insbesondere die Anwendung von Ansteuerschaltungen in mehrphasigen DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte. Zur Reduzierung der Ansteuerverluste werden zwei neue Möglichkeiten vorgeschlagen. Das erste vorgestellte Verfahren zum Betrieb einer resonanten verlustarmen Ansteuerschaltung unterscheidet sich von den aus der Literatur bekannten Verfahren dadurch, dass zunächst die zur Umladung der Gatekapazität erforderliche Energie vollständig in einer Spule gespeichert wird. Unter Zugrundelegung einiger vereinfachender Annahmen wird es erleichtert, die bei der Umladung einer äquivalenten Gatekapazität entstehenden Ansteuerverluste zu berechnen. Durch die Herleitung einer geeigneten physikalischen Definition wird es möglich, den Wirkungsgrad der resonanten Ansteuerschaltung zu bestimmen. Danach entspricht der Wirkungsgrad einer verlustarmen Ansteuerschaltung dem Verhältnis von prozessierter Leistung zur Summe der prozessierten Leistung plus der hierbei entstehenden Verluste, wobei sich im Ergebnis für eine konventionelle spannungsgesteuerte Ansteuerschaltung ein Wirkungsgrad von 50 % ergibt. Das andere neuartige Verfahren zeichnet sich durch eine stufenweise Gateansteuerung aus. Hierfür zeigen die Berechnungen, dass der Wirkungsgrad dem Verhältnis von Stufenanzahl zu Stufenanzahl plus eins entspricht. Eine dreistufige Ansteuerung hat demnach einen Wirkungsgrad von bereits 75 %. Die Untersuchungen zu isolierenden Koppelelementen beginnen mit einer Betrachtung zum Stand der Technik. Um die hervorragenden Isolationseigenschaften von Standardleiterplattenmaterialien zu nutzen, wird hier ein neuer Ansatz zur galvanisch isolierten Übertragung der Ansteuersignale sowie der zur Umladung benötigten Ansteuerenergie vorgestellt. Dieser basiert auf der Verwendung von leiterplattenintegrierten Kondensatoren und Übertragern. Im direkten Vergleich von induktiven und kapazitiven leiterplattenintegrierten Koppelelementen erwies sich als vorteilhaft, aufgrund seines sehr viel geringeren Flächenbedarfs das induktive Koppelelement zur Übertragung der notwendigen Ansteuerleistung zu nutzen. Das kapazitive Koppelelement hingegen weist Vorteile bei der Übertragung der Ansteuersignale auf. Zum einen erfordert es prinzipbedingt eine deutlich geringere Stromaufnahme. Zum anderen zeigt es deutlich geringere Wechselwirkungen mit den unvermeidbaren parasitären Zuleitungsinduktivitäten, was besonders bei der Übertragung sehr hochfrequenter Signale von Bedeutung ist. Zur störsicheren Übertragung wird die in der Nachrichtentechnik bekannte Manchester Leitungskodierung vorgeschlagen. Zur Umgehung der Trägerrückgewinnung wird in der Arbeit stattdessen ein Verfahren mit separater Übertragung des Trägersignals empfohlen. Bei Betrachtung der verschiedenen dem Stand der Technik entsprechenden Lösungen zur Regelung des Laststroms sowie der dabei verwendeten Verfahren zur Strommessung, kommt die Frage auf, welche Bandbreite für eine galvanisch isolierte Stromerfassung benötigt wird. Anhand des direkten Vergleichs einer Mittelwert-Stromregelung mit einer Spitzenwert-Stromregelung zeigt sich, dass die Spitzenwert-Stromregelung keine den Stromverlauf exakt abbildende Phasenstromerfassung benötigt. Unter der Annahme, dass der Stromsensor ein Tiefpassverhalten erster Ordnung aufweist, ist für diesen in der Anwendung einer Spitzenwert-Stromregelung eine 3-dB-Bandbreite in der Höhe eines Viertels der Schaltfrequenz des zu regelnden DC/DC-Wandlers ausreichend. Hiermit kann ein günstigeres dynamisches Strom-Führungsverhalten erzielt werden, als mit einem Stromsensor vierfacher Bandbreite in der Anwendung einer Mittelwert-Stromregelung. Hierzu bedarf es allerdings einer Korrektur des Stromsollvorgabewertes. Aufgrund der geringen notwendigen Bandbreite wird in dieser Arbeit die Bezeichnung „Low Bandwidth Current Mode Control“ für das modifizierte Stromregelungsverfahren eingeführt. In Kombination mit einer Stromerfassung, welche auf der Auswertung des parasitären Spulenwiderstands beruht, führt das modifizierte Stromregelungsverfahren zu sehr kompakten Lösungen für das Stromsymmetrierungsproblem bei mehrphasigen Hoch-Tiefsetzstellern. Basierend auf den Ergebnissen der vorangegangenen theoretischen Untersuchungen wurde im Rahmen der Arbeit eine isolierende, verlustarme, kompakte Ansteuerschaltung für eine Halbbrückentopologie mit integrierter Regelung des Laststroms entwickelt und realisiert.show moreshow less
  • In this thesis studies on insulating low-loss compact driver circuits with an integrated control unit for regulating the load current are presented. The main focus is laid on driver circuits for high power density multiphase DC/DC converters. Two new possibilities of designing driver circuits which reduce gate drive losses are examined. The first solution, a low-loss resonant driver circuit, differs from that one known in literature by the fact that the energy required to reload the gate capacity is stored entirely in a coil first. By using some simplifications it is possible to calculate the losses when charging an equivalent gate capacity. By deriving a suitable physical definition it isIn this thesis studies on insulating low-loss compact driver circuits with an integrated control unit for regulating the load current are presented. The main focus is laid on driver circuits for high power density multiphase DC/DC converters. Two new possibilities of designing driver circuits which reduce gate drive losses are examined. The first solution, a low-loss resonant driver circuit, differs from that one known in literature by the fact that the energy required to reload the gate capacity is stored entirely in a coil first. By using some simplifications it is possible to calculate the losses when charging an equivalent gate capacity. By deriving a suitable physical definition it is possible to determine the efficiency of the resonant driver circuit. Using this definition, the efficiency of a low-loss driver circuit corresponds to the ratio of the power processed to the sum of the power processed and the losses occurring through out the process. This results in an efficiency of 50 % for a conventional voltage controlled driver circuit. For the other new solution with a stepwise gate control the calculations show that the efficiency corresponds to the relation of step numbers to the sum of step numbers plus one. Consequently, a three-stage control has an efficiency of already 75 %. The research on insulating coupling elements begins with the consideration of the state of the art technology. To use the outstanding isolation qualities of standard printed circuit board materials a new approach is presented for the galvanically insulated transmission of the gate control signals as well as for the energy required to reload the gate capacity, which is based on the use of printed circuit board integrated capacitors and transformers. A comparison of inductive and capacitive printed circuit board integrated coupling elements showed that it is of advantage to use the inductive coupling element for the transmission of the necessary gate drive energy because of its reduced amount of circuit board area. However, the capacitive coupling element has advantages when transmitting the gate control signals. On the one hand it has a much lower current consumption. On the other hand it shows much less interaction with the unavoidable parasitic leakage inductances, which is particularly important during the transmission of very high frequency signals. It is suggested to use the Manchester coding, which is well-known in communications engineering, for a fail-safe transmission of the gate drive signals. To avoid the need to reconstruct the carrier signal, it is suggested to transmit the carrier signal separately. Considering state of the art solutions to control the current of buck-boost converters the question raises how to find the necessary current measurement bandwidth particularly if a galvanically isolated current measurement unit is used. Comparing the average current mode control with the peak current mode control shows that the peak current mode control does not need an exact current measurement signal. Under the assumption that the current measurement unit shows the behavior of a first-order low-pass filter, a 3-dB-bandwidth in the range of one fourth of the switching frequency is sufficient for it when used for peak current mode control. With this kind of current measurement unit the behavior of the modified current control is better than that of an average current mode control even if it uses a measurement unit which is four times faster. However, this requires a correction of the desired current value. Due to the low 3-dB-bandwidth which is necessary, it is suggested to use the term “low bandwidth current mode control” for the modified current mode control scheme. If combined with a current measurement which is based on the evaluation of the parasitic coil resistance, the modified current mode control scheme leads to very compact solutions for balancing the currents in multiphase buck-boost converters. Based on the results of the theoretical analysis, an insulating, low-loss, compact gate drive circuit for a half bridge with integrated control of the load current was developed and realized.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Zeltner
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-26075
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2011/01/14
Release Date:2011/06/14
Tag:Current Control; Driver Circuit; Electrical Insulation; Power Semiconductor
SWD-Keyword:Leistungshalbleiter; Treiberschaltung; Stromregelung; Elektrische Isolierung
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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