Srovnání a optimalizace topologií pro DC/DC konverzi energie s použitím technologie GaN FET pro měniče s vysokou účinností a objemovou hustotou výkonu

Abstract

Táto práca je zameraná na analýzu súčastného stavu GaN polovodičovej techniky vo výkonovej elektronike a jej aplikáciu v DC/DC meničoch, optimalizovaných na účinnosť a vysokú objemovú hustotu výkonu s cielom použitia v serveroch a telekomunikačných zariadeniach. Teoretická časť analyzuje problémy a výzvy spojené s novou technológiou GaN, ako napríklad riadenie hradla pre rôzne vnútorné štruktúry dostupné na trhu, optimalizácia plošných spojov pre chladenie minimalizovaných púzdier pre povrchovú montáž s cielom minimalizovať parazitné prvky. V práci je zahrnutý presný výpočet strát pre aktívny usmerňovač realizovaný pomocou novej technológie GaN. Výsledky a nápady získané teoretickou analýzou rôznych problémov sú aplikované pri návrhu prototypu a overené sériou meraní, ktoré dokazujú výhody novej technológie a jej potenciál ovplyvniť aplikácie výkonovej elektroniky okolo nás. Zahrnutý je podrobný popis merania prúdu s veľkou šírkou pásma, fungovania regulačnej slučky a jej implementácie v digitálnom signálnom procesore.

Focus of this thesis is the analysis of the current state of GaN semiconductor technology in power electronics and its application on DC/DC converter, optimized for high efficiency and high power density with the intention to use it in server and telecom applications. The theoretical part analyzes problems and challenges related to novel GaN technology, such as gate driving for various internal structures, layout optimization for cooling of minimized surface mount packages without constraining parasitic elements affecting switching performance. Precise losses calculation for totem-pole power factor correction converter using novel GaN technology is included. Results and ideas resulting from theoretical analysis of various problems are applied in the design of prototype and verified by series of measurements, proving the benefits of novel technology and its potential to impact power electronics applications around us. Deep description of current measurement technique with high bandwidth, control loop operation and its implementation in digital signal processor is included.