Design of high switching frequency PFC totem-pole converter
Kolho, Väinö (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023052447460
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023052447460
Tiivistelmä
With tightening regulations and demand for high electrical efficiency power converter designers are continuously looking for ways to improve efficiency. Another point of great interest in power converter design is high power density. Traditionally diode rectified converters have been the most proven topology. With advancements in semiconductor technology, new topologies have emerged. Currently totem-pole topology is attracting high interest.
In this work the main choke is designed and tested for a totem-pole converter. The background of the work is the need to test feasibility of XMC1400 microcontroller for high switching frequency operation, up to 1 MHz. The choke is designed for an existing prototype single phase totem-pole converter with 210 W 400 V output.
Several different chokes were built in the range of 26 to 52 μH. Initially, the 26 μH was taken for closer inspection, as it allowed for testing the highest switching frequency up to 1 MHz. The microcontroller proved to be too slow, however. A second choke with 99 μH was built for up to 300 kHz in 100 % load. With proper control the microcontroller was able to operate in such frequency. Due to time constraints further testing, such as efficiency and PF of the converter, were not measured in this work, which are they key performance parameters of any PFC converter. Energiahyötysuhteen tiukentuvien vaatimuksien takia tehoelektroniikkasuunnittelijat etsivät jatkuvasti keinoja parantaa hyötysuhdetta. Hyötysuhteen lisäksi tehotiheys on usein suuren kiinnostuksen alla teholähteiden suunnittelussa. Dioditasasuunnatut teholähteet ovat pitkään olleet suosituin topologia AC/DC teholähteille, mutta puolijohdeteknologian kehityksen myötä uusia topologioita on noussut esiin. Toteemipaalu topologia herättää nykyisellään paljon kiinnostusta.
Tämän työn tarkoituksena on suunnitella ja testata kuristin toteemipaalu-teholähteelle. Työn taustana on tarve testata XMC1400 mikrokontrollerin toimintaa korkeilla kytkentätaajuuksilla, aina 1 MHz saakka. Kuristin suunniteltiin olemassa olevalla yksivaiheiselle prototyyppi toteemipaalu teholähteelle, jonka lähdössä on 210 W ja 400 V DC.
Muutama erilainen kuristin suunniteltiin ja rakennettiin välillä 26-52 μH. 26 μH otettiin aluksi lähempään tarkasteluun, koska sillä oli mahdollista testata korkeita kytkentätaajuuksia aina 1 MHz asti. Testauksessa tuli kuitenkin ilmi, että mikrokontrolleri oli yksinkertaisesti liian hidas. Uusi 99 μH kuristin suunniteltiin, jolla saavutettiin noin 300 kHz kytkentätaajuus täydellä kuormalla. Oikealla ohjauksella mikrokontrolleri pystyi operoimaan kyseisellä taajuudella. Aikarajoitteiden takia teholähteen hyötysuhdetta ja tehokerrointa ei ehditty mitata tässä työssä, jotka normaalisi ovat tehokerroinkorjatun teholähteen tärkeimpiä arviointiperusteita.
In this work the main choke is designed and tested for a totem-pole converter. The background of the work is the need to test feasibility of XMC1400 microcontroller for high switching frequency operation, up to 1 MHz. The choke is designed for an existing prototype single phase totem-pole converter with 210 W 400 V output.
Several different chokes were built in the range of 26 to 52 μH. Initially, the 26 μH was taken for closer inspection, as it allowed for testing the highest switching frequency up to 1 MHz. The microcontroller proved to be too slow, however. A second choke with 99 μH was built for up to 300 kHz in 100 % load. With proper control the microcontroller was able to operate in such frequency. Due to time constraints further testing, such as efficiency and PF of the converter, were not measured in this work, which are they key performance parameters of any PFC converter.
Tämän työn tarkoituksena on suunnitella ja testata kuristin toteemipaalu-teholähteelle. Työn taustana on tarve testata XMC1400 mikrokontrollerin toimintaa korkeilla kytkentätaajuuksilla, aina 1 MHz saakka. Kuristin suunniteltiin olemassa olevalla yksivaiheiselle prototyyppi toteemipaalu teholähteelle, jonka lähdössä on 210 W ja 400 V DC.
Muutama erilainen kuristin suunniteltiin ja rakennettiin välillä 26-52 μH. 26 μH otettiin aluksi lähempään tarkasteluun, koska sillä oli mahdollista testata korkeita kytkentätaajuuksia aina 1 MHz asti. Testauksessa tuli kuitenkin ilmi, että mikrokontrolleri oli yksinkertaisesti liian hidas. Uusi 99 μH kuristin suunniteltiin, jolla saavutettiin noin 300 kHz kytkentätaajuus täydellä kuormalla. Oikealla ohjauksella mikrokontrolleri pystyi operoimaan kyseisellä taajuudella. Aikarajoitteiden takia teholähteen hyötysuhdetta ja tehokerrointa ei ehditty mitata tässä työssä, jotka normaalisi ovat tehokerroinkorjatun teholähteen tärkeimpiä arviointiperusteita.