Työn tavoitteena oli löytää boost -topologialle vaihtoehtoinen toteutustapa, jolla saavutet-taisiin parempi hyötysuhde lisäämättä merkittävästi valmistuskustannuksia. Tähän tavoit-teeseen päästiin ja vaihtoehtoisista toteutuksista löydettiin potentiaalisia, vaatimukset täyt-täviä vaihtoehtoja.
Perinteinen diodisiltaa käyttävä boost-topologia on yksinkertainen ja tunnetusti varmatoi-minen topologia. Sen korvaavarmatoi-minen edellyttää siis että saavutettava hyöty on merkittävä.
Analyyttisen tarkastelun sekä simulaatioiden perusteella voidaan todeta että sillattomilla topologioilla saadaan hyötysuhteeseen selvä parannus, erityisesti täydellä kuormituksella.
Paremman hyötysuhteen hintana on kuitenkin monimutkaisempi toteutus. Sillattoman dual boost -topologian heikkoutena on yhteismuotoinen häiriöongelma, jonka ratkaiseminen on mahdollista mutta vaatii monimutkaisempaa tehopiiriä ja lisää sitä kautta valmistuskustan-nuksia. Totem pole -topologiaa puolestaan ei voi käyttää jatkuvalla käämivirralla ja lisäksi käämivirran mittaus on ongelmallista. Hyötysuhteen parannus on kuitenkin siinä määrin merkittävä että haittoja voidaan pitää kohtuullisina saavutettuun hyötyyn nähden.
Totem pole -topologiaan perustuvan prototyypin rakentaminen paljasti itse topologiaan ja toisaalta epäjatkuvaan käämivirtaan liittyviä ongelmia. Näistä suurin osa pystyttiin ratkai-semaan mutta prototyyppiä ei saatu lopulta toimimaan tyydyttävästi värähtelyongelmasta johtuen. Värähtelyongelma ei ilmeisesti ole topologiaan sidonnainen mutta epäjatkuvalla käämivirralla toimiminen altistaa kyseisen topologian värähtelylle. Mikäli värähtely saa-daan eliminoitua jo piirilevyn suunnitteluvaiheessa tai vaimennettua riittävästi kytken-täsuojapiirillä, niin totem pole -topologia on potentiaalinen ehdokas boost -topologian kor-vaajaksi. Säätöperiaate todettiin toimivaksi, vaikka siihen liittyykin heikkouksia, lähinnä käämivirran mittauksen tai sen puutteen osalta. Paras suunta jatkokehittelyyn olisi kytken-täsuojapiirissä, jolla MOSFET:in runkodiodi toimisi virrattomalla kytkeytymisellä. Siten totem pole -topologiaan perustuvaa teholähdettä olisi mahdollista ajaa jatkuvalla käämivir-ralla.
Tulevaisuudessa myös suuritehoisten DC-DC-hakkureiden merkitys tulee voimakkasti kas-vamaan. Aurinko- ja polttokennojen myötä hakkureiden käyttösovellukset ja kysyntä li-sääntyvät 2 kW - 20 kW:n tehoalueella. Sen vuoksi tehokkaimman toteutustavan valinta tälle tehoalueelle on mielenkiintoinen kysymys, jonka selvittäminen on pian ajankohtainen.
LÄHTEET
/1/ Erickson, R. W., Fundamentals of Power Electronics, New York, 1999, Kluwer Academic Publishers, ISBN 0-412-08541-0, 791 s.
/2/ Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P., Power electronics: converters, appli-cations and design, USA, 2003, John Wiley & Sons Inc., ISBN 0-471-22693-9, 802 s.
/3/ Kyyrä, J., Tehokertoimen korjaus, Prosessori/Elektroniikan suunnittelu, Prosessori-lehden erikoisjulkaisu, Maaliskuu 1998. s. 105-108.
/4/ Tuomainen, V., Kyyrä, J., Häviöt kuriin teholähteessä, Prosessori/Elektroniikan suunnittelu, Prosessorilehden erikoisjulkaisu, Marraskuu 2001. s. 51-54.
/5/ Huber, L., Jang,Y., Jovanovic, Milan M., Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers, Applied Power Electronics Conference, APEC 2007 -Twenty Second Annual IEEE, 2007, 165-171
/6/ Salmon, J.C., Circuit topologies for single-phase voltage-doubler boost rectifiers, IEEE Applied Power Electronics Conference APEC 1992, pp. 549-556
/7/ Enjeti, P.N., Martinez, R., A High-Performance Single-phase Rectifier with Input Power Factor Correction, IEEE Transactions On Power Electronics, 1996, Vol. 11, No. 2
/8/ Haoyi Ye, Zhihui Yang, Jingya Dai, Chao Yan, Xiaoni Xin and Jianping Ying, Common Mode Noise Modeling and Analysis of Dual Boost PFC circuit, INTELEC 2004, pp. 575- 582
/9/ Kong, P., Wang, S., Lee, Fred C., Common mode EMI noise suppression in bridge-less boost PFC converter, Applied Power Electronics Conference, APEC 2007, pp.
929- 935
/10/ Bing, Z., Chen, M., Miller, S.K.T., Nishida, Y., Sun, J., Recent Developments in Single-Phase Power Factor Correction, Power Conversion Conference - Nagoya, 2007, Page(s):1520 - 1526
/11/ Ernö, T., Frisch, M., Second generation of PFC solutions, Power Electronics Europe, Issue 7, pp. 33-35, 2004.
/12/ Salmon, J.C., Circuit topologies for PWM boost rectifiers operated from 1-phase and 3-phase ac supplies and using either single or split dc rail voltage outputs, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 1995, pp. 473-479
/13/ Irving, B.T., Jovanovic, M.M., Analysis, design, and performance evaluation of flying-capacitor passive lossless snubber applied to PFC boost converter, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2002, Page(s):503 - 508 vol.1
/14/ Temesi, E., Advantages of SiC Schottky Diodes, Bodo’s Power Magazine, May 2008
/15/ McAtee, C., Moore, D., Performance improvements in a zero voltage switched boost PFC application through the use of SiC power diodes, Telecommunications Energy Conference, INTELEC 2004, Page(s):495 - 498
/16/ Woo-Young Choi, Jung-Min Kwon, Eung-Ho Kim, Jong-Jae Lee, Bong-Hwan Kwon, Bridgeless Boost Rectifier With Low Conduction Losses and Reduced Di-ode Reverse-Recovery Problems, IEEE Transactions On Industrial Electronics, 2007, Vol. 54, No.2
/17/ Wang, C.-M., Zero-current-switching PWM power-factor-correction converter, Electric Power Applications, IEEE Proceedings - Volume 152, Issue 5, 9 Sept.
2005 Page(s):1233 - 1238
/18/ Meyer J.-M., Rufer A.-Ch., A single phase rectifier with reduced current ripple and power factor correction, EPE 97, Trondheim, September 1997
/19/ J.-M. Meyer, A. Rufer, A three channels, low ripple PFC rectifier using a standard power module, PEIMC 99 : Power Electronics and Intelligent Motion Control, March 1999
/20/ Efore Oyj, Bridgeless PFC Specs, 22.11.2007
/21/ Infineon Technologies, Data Sheet: IPP60R299CP, Rev 2.2, 2006 /22/ Infineon Technologies, Data Sheet: IDT10S60C, Rev 2.0, 2006
/23/ Zverev, I., Kapels, H., Rupp, R., Herfurth, M., Silicon Carbide Schottky: Novel Devices Require Novel Design Rules, Infineon Technologies, PCIM 2002 /24/ Infineon Technologies, Data Sheet: SPP04N60C3, Rev 3.0, 2007
/25/ Infineon Technologies, Data Sheet: IPP60R385CP, Rev 2.2, 2007 /26/ Infineon Technologies, Data Sheet: IPP60R099CP, Rev 2.2, 2007 /27/ Infineon Technologies, Data Sheet: SPW47N60C3, Rev 2.5, 2007
/28/ Zhang, J., Shao, J., Xu, P., Lee, F.C., Jovanovic, M.M., Evaluation of input current in the critical mode boost PFC converter for distributed power systems, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2001, Page(s):130 - 136 vol.1
/29/ ST Microelectronics, Data Sheet: STW45NM50FD, Rev 9, 2006 /30/ Fairchilf Semiconductor, Data sheet: FFPF10UP60S, Rev A, 2004 /31/ Ferroxcube, Data Sheet: 3C96 Material specification, 2004
/32/ LEM, Data Sheet: LAH 25-NP, V.7
/33/ TDK, Data Sheet: PQ Series PQ40/40 Cores /34/ TDK, Data Sheet: Ferrite Material Characteristics
/35/ Petrea, C., Lucanu, M., Bridgeless Power Factor Correction Converter Working at High Load Variations, Signals, Circuits and Systems, ISSCS 2007, Volume 2, 13-14 Page(s):1 - 4
/36/ Severns, R., Design Of Snubbers For Power Circuits, (Saatavissa:
www.cde.com/tech/design.pdf, 1.7.2008)
S2
Johtaa koko ajan, joten
π Iavg = 2iˆ ja
2 iˆ Irms =
Diodi DB (boost), diodi D1 (dual boost):
( ) ( )
MOSFET S1 (boost sekä dual boost):
( ) ( )
⎟Liite 2. Johtumishäviöt
Boost-topologian johtumishäviöt:
V_in
[V] P_lähtö
[W] M iˆ[A] Diodi D1 [W] Diodi D4 [W] Diodi DB [W] Mosfet SB [W] Kokonaishäviöt [W]
275 800 1,03 4,11 3,30 3,30 2,94 0,44 9,97 275 640 1,03 3,29 2,53 2,53 2,26 0,28 7,60 275 480 1,03 2,47 1,81 1,81 1,63 0,16 5,42 275 320 1,03 1,65 1,16 1,16 1,04 0,07 3,42 275 160 1,03 0,82 0,55 0,55 0,50 0,02 1,62 230 800 1,23 4,92 4,10 4,10 3,27 1,12 12,59 230 640 1,23 3,94 3,12 3,12 2,51 0,72 9,47 230 480 1,23 2,95 2,23 2,23 1,80 0,40 6,66 230 320 1,23 1,97 1,41 1,41 1,15 0,18 4,14 230 160 1,23 0,98 0,66 0,66 0,55 0,04 1,92 185 800 1,53 6,12 5,39 5,39 3,73 2,49 16,99 185 640 1,53 4,89 4,07 4,07 2,85 1,59 12,59 185 480 1,53 3,67 2,87 2,87 2,04 0,90 8,68 185 320 1,53 2,45 1,80 1,80 1,29 0,40 5,28 185 160 1,53 1,22 0,84 0,84 0,61 0,10 2,39 115 800 2,46 9,84 10,13 10,13 5,01 9,48 34,75 115 640 2,46 7,87 7,49 7,49 3,80 6,06 24,83 115 480 2,46 5,90 5,15 5,15 2,69 3,41 16,40 115 320 2,46 3,94 3,12 3,12 1,69 1,52 9,45 115 160 2,46 1,97 1,41 1,41 0,79 0,38 3,98 86 800 3,29 13,16 15,29 15,29 6,04 19,20 55,83 86 640 3,29 10,52 11,13 11,13 4,55 12,29 39,09 86 480 3,29 7,89 7,52 7,52 3,20 6,91 25,14 86 320 3,29 5,26 4,46 4,46 1,99 3,07 13,97 86 160 3,29 2,63 1,95 1,95 0,92 0,77 5,59
(jatkuu)
(liite 2. jatkoa) Dual boost -topologian johtumishäviöt:
V_in
[V] P_lähtö
[W] M iˆ [A] Diodi DS2
[W] Diodi D1
[W] Mosfet S1
[W] Kokonaishäviöt [W]
Dual boost topologian johtumishäviöt eri MOSFET:eillä:
MOSFET SPW47N60C3 IPP60R099CP IPP60R385CP SPP04N60C3
Hinta [€] 2,91 1,77 0,55 0,32
Häviöt [W]
Diodi (IDT08S60C) 3,44 3,44 3,44 3,44
Mosfet 0,26 0,37 1,44 3,56
Runkodiodi 2,96 3,51 4,17 4,35
Kokonaishäviöt 6,65 7,32 9,05 11,34