Spínané zdroje
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
Tato práce se zabývá problematikou spínaných zdrojů na rezonančním principu spolu s dosažením vysoké účinnosti. V rámci práce je popsáno několik způsobů optimalizace spínaného zdroje pro dosažení vysoké účinnosti. Především to jsou spínací prvky nové generace založené na materiálu SiC a rezonanční topologie k dosažení významné minimalizace spínacích ztrát. Vybraná topologie sériového rezonančního měniče je dále detailně simulována a poté i prakticky realizována se zaměřením na vysokou účinnost. Hlavní náplň práce spočívá v návrhu a realizaci zdroje spolu s vybranými řídicími algoritmy a jejich srovnáním. Při návrhu a realizaci zdroje jsou řešeny problémy spojené s použitím nové generace SiC MOSFET tranzistorů v TO-247-4L pouzdře. Pro vyřešení této problematiky byl vyvinut budič speciálně pro SiC MOSFET 3. generace od firmy Cree, který je schopen pracovat se spínací frekvencí v řádech stovek kHz a odolávat přitom velmi vysokým strmostem napětí na ovládaných tranzistorech. Další důležitou součástí vyvinutého budiče je nastavitelná velmi rychlá nadproudová ochrana. Tato ochrana reaguje velmi rychle ve stovkách nanosekund a je schopná ochránit spínaný zdroj i v případě tvrdého zkratu ve větvi. V rámci práce byl postaven a oživen funkční vzorek sériového rezonančního měniče. Tento spínaný zdroj je založen na třetí generaci SiC MOSFET tranzistorů od Cree v moderním pouzdře TO-247-4L, které výrazně překonává klasické pouzdro TO-247-3. Pro tento měnič bylo nutné vyvinout jak regulační schéma, tak sledování rezonanční frekvence pro využití rezonančního principu měniče na maximální možnou míru. Výsledkem práce je 3 kW měnič s regulovatelným výstupním napětím při zachování vysoké účinnosti 96%.
This thesis deals with switched mode power supplies based on resonant principle to achieve high efficiency. Several ways of switched mode power supplies optimalisation are described as part of the work to achieve better efficiency. Priparily, the new generation of switching elements based on SiC and resonant topology are used to achieve significant switching loss minimization. The selected resonant topology is simualted in detail and then built with focus on high efficiency. The main content of the work consists in the design and realization of the switched mode power supply with selected control algorithms and their comparison. The problems associated with usage of new SiC MOSFET generation in TO-247-4L package are being solved within the design and implementation of the power source. To solve the main problems, new 3rd SiC MOSFET gate driver was developer for working with switching frequencies in hundreds of kHz and resisting very high voltage stress on the controlled transistor. The next part of the gate driver is the overcurrent protection. The overcurrent limit can be set easily by changing one component. This protection reacts very quickly in hundreds of nanoseconds, so it is capable of saving the converter even in branch failure and going to hard short circuit. The functional sample of the series resonant converter was built and revated in the work. The converter based on 3. Generation of SiC MOSFET transistors from Cree in a modern case TO-247-4L was built. For this inverter, it was also necessary to develop both the control scheme and the resonance frequency tracking to achieve accurate switching and thus achieve the use of the resonant principle of the converter to the maximum extent possible. The result of this work is up to 3 kW converter with adjustable output voltage while maintaining high efficiency up to 96%.
This thesis deals with switched mode power supplies based on resonant principle to achieve high efficiency. Several ways of switched mode power supplies optimalisation are described as part of the work to achieve better efficiency. Priparily, the new generation of switching elements based on SiC and resonant topology are used to achieve significant switching loss minimization. The selected resonant topology is simualted in detail and then built with focus on high efficiency. The main content of the work consists in the design and realization of the switched mode power supply with selected control algorithms and their comparison. The problems associated with usage of new SiC MOSFET generation in TO-247-4L package are being solved within the design and implementation of the power source. To solve the main problems, new 3rd SiC MOSFET gate driver was developer for working with switching frequencies in hundreds of kHz and resisting very high voltage stress on the controlled transistor. The next part of the gate driver is the overcurrent protection. The overcurrent limit can be set easily by changing one component. This protection reacts very quickly in hundreds of nanoseconds, so it is capable of saving the converter even in branch failure and going to hard short circuit. The functional sample of the series resonant converter was built and revated in the work. The converter based on 3. Generation of SiC MOSFET transistors from Cree in a modern case TO-247-4L was built. For this inverter, it was also necessary to develop both the control scheme and the resonance frequency tracking to achieve accurate switching and thus achieve the use of the resonant principle of the converter to the maximum extent possible. The result of this work is up to 3 kW converter with adjustable output voltage while maintaining high efficiency up to 96%.
Description
Keywords
Rezonance, rezonanční měnič, sériová rezonance, spínaný zdroj, vysoká účinnost, SiC MOSFET, TO-247-4L, sériový rezonanční měnič, spínání v nule proudu, 3. generace SiC, Resonance, resonance converter, series resonance, switched mode power supply, high efficiency, SiC MOSFET, TO-247-4L, series resonant converter, zero voltage switching, 3rd generation SiC
Citation
ŠPANĚL, P. Spínané zdroje [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2020.
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. Petr Toman, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Josef Kadlec, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Lettl, CSc. - oponent (člen)
Ing. Petr Kadaník, Ph.D. - oponent (člen)
Date of acceptance
2020-09-10
Defence
Ve své prezentaci doktorand seznámil komisi s výsledky své disertační práce, včetně vlastních přínosů. Prezentace byla srozumitelná s logickým uspořádáním jednotlivých částí. Následně školitel seznámil přítomné se svým hodnocením celého průběhu studia. Poté proběhla diskuse k dotazům a připomínkám oponentů. Ve veřejné diskusi vystoupili s dotazy/připomínkami k disertační práci prof. Lettl, prof. Aubrecht, doc. Toman.
Záznam dotazů je přílohou protokolu. Všechny dotazy oponentů i v rámci veřejné diskuse byly doktorandem správně vypořádány. V neveřejné diskusi a po tajném hlasování komise konstatovala, že doktorand splnil podmínky par. 47 odst. 4 Zákona o vysokých školách č. 111/98 a lze mu tedy udělit titul doktor - Ph.D.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení