Modelling and Optimisation of Power Electronics using Fast Switching Devices and Compact Passive Filters

Het aantal vermogenelektronica toepassingen is de afgelopen jaren toegenomen en tegelijkertijd zijn ook de eisen aan bestaande toepassingen, zoals omvang en rendement, strenger geworden. Nu DC-microgrids ontwikkeld en gebruikt worden in woningen en voertuigen, kunnen typische AC-omzettingsstappen worden weggelaten en is er zo meer ruimte voor optimalisatie van omvormers. Samen met deze toegenomen belangstelling heeft het onderzoek naar nieuwe vermogenelektronische schakelcomponenten geleid tot de productie van Si superjunction MOSFET's, SiC MOSFET's en GaN HEMT's, die het mogelijk maken omvormers te ontwerpen met een kleiner volume en/of een hoger rendement. Terwijl het toepassingsgebied voor klassieke vermogencomponenten, zoals Si IGBT's en Si MOSFET's, relatief duidelijk is, is dit nog niet het geval voor deze nieuwe componenten. Een ander belangrijk onderdeel van een typische omvormer zijn de passieve filtercomponenten. Er zijn vele topologieën en magnetische materialen beschikbaar, maar het blijft een uitdaging om de mogelijke voordelen van een bepaalde ontwerpkeuze voor een toepassing te kwantificeren.

In dit werk wordt de optimalisatie van het passieve filter van een DC-DC omvormer onderzocht, waarbij drie spoelen samen geïntegreerd worden. In deze topologie kan de grootte van de omvormer gereduceerd worden door het koppelen van de magnetische opslag van parallelle halve bruggen. De uitdaging hierbij ligt in het kwantificeren van de winst die kan worden behaald omwille van deze topologie. Daartoe wordt een uitgebreid magnetisch en elektrisch model opgebouwd om het magnetisch veld en de stroomverdeling, in de kern en de wikkelingen van de inductieve component, te simuleren. Het model wordt gebruikt in een geautomatiseerd optimalisatie algoritme dat, aan de hand van meerdere pcriteria, de beste ontwerpen zoekt. Dit is nodig in de meeste praktische toepassingen waar typische afwegingen gemaakt moeten worden met betrekking tot kosten, gewicht, efficiëntie, volume, ... . De specifieke simulatiemethode in dit werk is nauwkeuriger en ruimer toepasbaar, vergeleken met bestaande benaderende simulatiemethoden, terwijl de simulatietijd nog steeds ordegroottes korter is dan die van traditioneel gebruikte eindige elementen methoden.

Optimalisatie van vermogenelektronische omvormers kan ook worden bereikt door integratie van de nieuwe vermogenelektronische schakelcomponenten die werking met minder verliezen of bij hogere schakelfrequenties mogelijk maken. Dat laatste laat ook het gebruik van kleinere passieve filters toe. Daarom wordt in dit werk een methode uitgewerkt om snel de verschillen te kunnen kwantificeren bij gebruik van de nieuwe schakelcomponenten in specifieke toepassingen voor omvormers die gebaseerd zijn op hard schakelende halve brug topologieën. Bij de afleiding van de methode wordt aangetoond hoe enkele belangrijke eigenschappen ontbreken in typische datasheets. Bovendien biedt de methode ook een middel om de kwaliteit van bestaande simulatiemodellen te evalueren.

In een volgende stap wordt een methode voorgesteld voor het genereren van een veel gedetailleerder simulatiemodel voor deze vermogenelektronische schakelcomponenten. Het model kan worden gebruikt in SPICE-simulatoren en is gericht op het gedetailleerde ontwerp van een omvormer. Dergelijke modellen zijn van cruciaal belang voor de ontwikkeling van vermogenelektronische omvormers, maar ze worden niet altijd door de fabrikanten van de nieuwe componenten geleverd of de nauwkeurigheid is niet voldoende. In dit werk wordt de nauwkeurigheid verbeterd, terwijl ook besproken wordt welke invloed de verschillen tussen model en werkelijkheid kunnen hebben op het gedrag van de component in een echte omvormer. Het gebruik van het simulatiemodel bij de evaluatie van een omvormer wordt gedemonstreerd aan de hand van een prototype DC-DC converter met SiC MOSFET's. Hier wordt de identificatie van modelparameters, die niet in de datasheet van de component te vinden zijn, uitgevoerd, terwijl het effect van modelleringsfouten op het gesimuleerde gedrag wordt aangetoond. De geautomatiseerde aanmaak van SPICE-modellen is een belangrijke stap in het vinden van de juiste toepassingsgebieden voor deze nieuwe schakelcomponenten.