Zvyšování účinnosti a optimalizace výkonových pulzních měničů
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Práce se zabývá problematikou DC/DC měničů s transformátorem (spínaných zdrojů) velkého výkonu, s důrazem na zvyšování účinnosti a jejich optimalizaci. Hlavní zaměření práce je pak na použití měniče s blokující topologií pro oblast velkých výkonů, přestože bylo v oboru výkonové elektroniky doposud tradováno, že tato topologie pro velké výkony vhodná není. Tento typ měniče byl vybrán z důvodu potenciálně lepších dosažitelných parametrů, zejména účinnosti, v porovnání s propustným měničem – u blokujícího měniče vznikají ztráty pouze na jednom magnetickém prvku (transformátoru) oproti dvěma (transformátor a tlumivka) u propustného měniče. Oproti rezonančním a kvazirezonančním měničům je blokující měnič snadno regulovatelný v plném rozsahu výstupních veličin. Aby byl tento typ měniče výhodný i pro velké výkony, byly provedeny určité inovativní obvodové modifikace a použity moderní polovodičové i pasivní součástky. Teoretická část práce je věnována optimalizaci účinnosti blokujícího měniče, založené na analytickém řešení. Provozní parametry měniče - spínací frekvence a parametry transformátoru (sycení, počty závitů) jsou obvykle voleny odhadem nebo na základě zkušenosti. Účelem této části práce však je matematicky přesné určení těchto parametrů tak, aby pro dané vstupní parametry byly dosaženy nejnižší možné celkové ztráty měniče. V určitém případě bylo možné získat výsledné explicitní vztahy čistě analyticky, v ostatních případech bylo voleno řešení posledního kroku výpočtu pomocí software. Pro ověření navrhovaných řešení a postupů byl zkonstruován funkční vzorek spínaného zdroje s blokujícím měničem o výkonu 12 kW. Zastavěný prostor bez síťového filtru je pouze přibližně 33x33x16 cm. Jsou použity polovodiče (tranzistory MOS-FET a diody) na bázi karbidu křemíku. Po oživení bylo dosaženo účinnosti DC/DC měniče 96,8 % pro plný výkon. Pro velký rozsah výstupních veličin bylo dosaženo vysoké účinnosti. V práci je zahnuto i jisté porovnání s propustným měničem stejných parametrů. Nejen z hlediska účinnosti se blokující varianta jeví jako velmi perspektivní.
This thesis focuses on optimization and increasing the efficiency of high-power DC/DC switching converters with transformer (switching power supplies). The work focuses mainly on using converters with flyback topology for high power, even though it is a common belief that this type of converter is not suitable for high power. This topology was selected because of potentially better achievable parameters, especially the efficiency, in comparison to a commonly used forward converter – in a flyback converter, losses are produced only in one magnetic component (transformer) in contrast to two components (transformer and inductor) in the forward converter. Compared to resonant and quasi-resonant converters, the flyback converter is easily controllable in the whole output voltage and current range. To make the flyback converter favorable for a high-power use, some innovative circuit modifications were made and modern semiconductor and passive components were used. Theoretical part of the work deals with efficiency optimization of the flyback converter, based on analytical solution. Operating parameters of the converter – switching frequency and parameters of the transformer (flux density and numbers of turns) are commonly only guessed or chosen from experience. The objective of this part is a mathematically exact determination of these parameters to achieve lowest total losses of the converter for given input parameters. In a certain case, it was possible to obtain the final solution analytically, in other cases the final solution step had to be done with a help of software. A prototype of a 12-kW switching power supply with a flyback converter was constructed to validate the proposed solutions and methods. The power supply fits into a space of only 33x33x16 cm. Modern semiconductors based on the silicon-carbide (SiC) technology (MOS-FET transistors and diodes) were used. After bringing the converter to a full-power operation, an efficiency of 96.8 % of the DC/DC converter was measured. High efficiency was obtained for a wide range of output parameters. A certain comparison with a forward converter with the same output parameters is done in the work. Not only from an efficiency point of view, the flyback converter seems very perspective.
This thesis focuses on optimization and increasing the efficiency of high-power DC/DC switching converters with transformer (switching power supplies). The work focuses mainly on using converters with flyback topology for high power, even though it is a common belief that this type of converter is not suitable for high power. This topology was selected because of potentially better achievable parameters, especially the efficiency, in comparison to a commonly used forward converter – in a flyback converter, losses are produced only in one magnetic component (transformer) in contrast to two components (transformer and inductor) in the forward converter. Compared to resonant and quasi-resonant converters, the flyback converter is easily controllable in the whole output voltage and current range. To make the flyback converter favorable for a high-power use, some innovative circuit modifications were made and modern semiconductor and passive components were used. Theoretical part of the work deals with efficiency optimization of the flyback converter, based on analytical solution. Operating parameters of the converter – switching frequency and parameters of the transformer (flux density and numbers of turns) are commonly only guessed or chosen from experience. The objective of this part is a mathematically exact determination of these parameters to achieve lowest total losses of the converter for given input parameters. In a certain case, it was possible to obtain the final solution analytically, in other cases the final solution step had to be done with a help of software. A prototype of a 12-kW switching power supply with a flyback converter was constructed to validate the proposed solutions and methods. The power supply fits into a space of only 33x33x16 cm. Modern semiconductors based on the silicon-carbide (SiC) technology (MOS-FET transistors and diodes) were used. After bringing the converter to a full-power operation, an efficiency of 96.8 % of the DC/DC converter was measured. High efficiency was obtained for a wide range of output parameters. A certain comparison with a forward converter with the same output parameters is done in the work. Not only from an efficiency point of view, the flyback converter seems very perspective.
Description
Citation
MARTIŠ, J. Zvyšování účinnosti a optimalizace výkonových pulzních měničů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika
Comittee
prof. RNDr. Vladimír Aubrecht, CSc. (předseda)
doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Wolf (člen)
prof. Ing. Jaroslav Dudrik, CSc. - oponent (člen)
prof. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - oponent (člen)
Date of acceptance
2018-12-17
Defence
Téma disertace je velmi aktuální, oba oponenti hodnotí disertační práci pozitivně. Ing. Martiš prokázal rozsáhlé teoretické vědomosti v dané oblasti výzkumu a vývoje a značnou erudici při experimentální práci. Disertační práce obsahuje původní výsledky, stanovené cíle byly splněny. Jádro práce bylo dostatečně publikováno. Získané poznatky mohou být využity v další spolupráci s průmyslem při návrhu výkonových měničů. Jednotlivé dotazy oponentů a členů komise byly během obhajoby zodpovězeny. Komise konstatuje, že ing. Martiš má předpoklady potřebné ke získání titulu Ph.D.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení