Impact of increased switching frequency on the power density of an on-board charger DC–DC converter : wide-bandgap semiconductor evaluation and high-frequency transformer design
Stenbäck, Juhani (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260620100620
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260620100620
Tiivistelmä
The rapid electrification of both passenger and heavy-duty vehicles entails growing demands on the efficiency and power density of power conversion technologies. The utilization of wide-bandgap (WBG) semiconductor technology, namely gallium nitride and silicon carbide devices, offers a promising way to address these demands.
A widely accepted principle in power electronics is that higher operating frequencies enable a reduction in the size of passive components, especially magnetic components. Compared to conventional silicon-based semiconductors, WBG devices offer superior switching performance and therefore enable higher converter switching frequencies without a significant impact on the switching losses. Consequently, WBG devices hold significant potential for improving converter efficiency and power density, which is particularly relevant for electric vehicle on-board chargers (OBCs), the DC–DC converter stages of which employ isolation transformers that typically represent the largest single component of the device.
This thesis assesses the practical viability of employing WBG switching devices in an OBC application dual active-bridge DC–DC converter to increase switching frequency and improve power density. The applicability of commercially available WBG devices is evaluated, and the relationship between switching frequency, semiconductor limitations, thermal feasibility, transformer design, and achievable transformer power density is investigated through converter simulations, transformer design, and experimental prototype validation. Sekä henkilöautojen että raskaiden työkoneiden nopea sähköistyminen asettaa yhä suurempia vaatimuksia tehoelektroniikan tehomuunnosratkaisujen hyötysuhteille ja tehotiheyksille. Laajakaistaiset puolijohteet (Wide Bandgap, WBG), erityisesti galliumnitridi- ja piikarbidikomponentit, tarjoavat lupaavan keinon vastata näihin vaatimuksiin.
Tehoelektroniikassa yleisesti tunnetun periaatteen mukaan korkeampi kytkentätaajuus mahdollistaa passiivikomponenttien, erityisesti magneettikomponenttien, koon pienentämisen. Perinteisiin piipohjaisiin puolijohteisiin verrattuna WBG-komponentit tarjoavat pienemmät kytkentähäviöt ja mahdollistavat siten huomattavasti korkeammat kytkentätaajuudet ilman hyötysuhteen heikkenemistä. Tämän vuoksi WBG-komponenteilla on merkittävästi potentiaalia tehomuuntimien tehotiheyksien ja hyötysuhteiden kasvattamiseen. Tämä on erityisen merkityksellistä sähköisten ajoneuvojen sisäisissä latureissa, joissa DC–DC-konvertterin korkeataajuusmuuntaja on tyypillisesti koko laturin suurin yksittäinen komponentti ja merkittävin kokoon ja painoon vaikuttava tekijä.
Tässä opinnäytetyössä arvioidaan WBG-puolijohteiden hyödyntämisen käytännön toteutuskelpoisuutta ajoneuvon sisäisessä laturisovelluksessa käytettävässä DC–DC-konvertterissa kytkentätaajuuden ja tehotiheyden kasvattamiseksi. Työssä tarkastellaan kaupallisesti saatavilla olevien WBG-komponenttien soveltuvuutta sekä tutkitaan kytkentätaajuuden, puolijohteiden rajoitteiden, korkeataajuusmuuntajan toteutuksen ja saavutettavan tehotiheyden välistä riippuvuutta simulaatioiden, muuntajasuunnittelun ja kokeellisen validoinnin kautta.
A widely accepted principle in power electronics is that higher operating frequencies enable a reduction in the size of passive components, especially magnetic components. Compared to conventional silicon-based semiconductors, WBG devices offer superior switching performance and therefore enable higher converter switching frequencies without a significant impact on the switching losses. Consequently, WBG devices hold significant potential for improving converter efficiency and power density, which is particularly relevant for electric vehicle on-board chargers (OBCs), the DC–DC converter stages of which employ isolation transformers that typically represent the largest single component of the device.
This thesis assesses the practical viability of employing WBG switching devices in an OBC application dual active-bridge DC–DC converter to increase switching frequency and improve power density. The applicability of commercially available WBG devices is evaluated, and the relationship between switching frequency, semiconductor limitations, thermal feasibility, transformer design, and achievable transformer power density is investigated through converter simulations, transformer design, and experimental prototype validation.
Tehoelektroniikassa yleisesti tunnetun periaatteen mukaan korkeampi kytkentätaajuus mahdollistaa passiivikomponenttien, erityisesti magneettikomponenttien, koon pienentämisen. Perinteisiin piipohjaisiin puolijohteisiin verrattuna WBG-komponentit tarjoavat pienemmät kytkentähäviöt ja mahdollistavat siten huomattavasti korkeammat kytkentätaajuudet ilman hyötysuhteen heikkenemistä. Tämän vuoksi WBG-komponenteilla on merkittävästi potentiaalia tehomuuntimien tehotiheyksien ja hyötysuhteiden kasvattamiseen. Tämä on erityisen merkityksellistä sähköisten ajoneuvojen sisäisissä latureissa, joissa DC–DC-konvertterin korkeataajuusmuuntaja on tyypillisesti koko laturin suurin yksittäinen komponentti ja merkittävin kokoon ja painoon vaikuttava tekijä.
Tässä opinnäytetyössä arvioidaan WBG-puolijohteiden hyödyntämisen käytännön toteutuskelpoisuutta ajoneuvon sisäisessä laturisovelluksessa käytettävässä DC–DC-konvertterissa kytkentätaajuuden ja tehotiheyden kasvattamiseksi. Työssä tarkastellaan kaupallisesti saatavilla olevien WBG-komponenttien soveltuvuutta sekä tutkitaan kytkentätaajuuden, puolijohteiden rajoitteiden, korkeataajuusmuuntajan toteutuksen ja saavutettavan tehotiheyden välistä riippuvuutta simulaatioiden, muuntajasuunnittelun ja kokeellisen validoinnin kautta.