Single Switch Three Phase Boost PFC

Heutzutage wird ein Leistungskorrekturfilter (PFC) immer mehr gefordert. Für Leistungen im mittleren kW Bereich werden meist PFCs im dreiphasigen Netz mit einer Boost-Topologie aufgebaut. Eine kostengünstige Version ist dabei eine sogenannte „single switch Topologie“. Durch eine spezielle Regeltechnik, kann der THD klein gehalten werden bei einer zugleich hohen Effizienz.  

Zur Einhaltung der geforderten Normen und Spezifikationen werden immer mehr Leistungskorrekturfilter (PFC) in den verschiedensten Produkten ab einer gewissen Leistung vorgeschrieben bzw. eingesetzt. Um die geforderten Grenzen einzuhalten, werden heutzutage vielfach geschaltete Konverter eingesetzt, da diese die Oberwellen im Netz begrenzen und einen hohen Leistungfaktor (PF) erreichen. Dabei gibt es verschiedenste Konverter-Topologien welche dazu verwendet werden können, abhängig von der benötigten Leistung, Schaltungskomplexität bzw. den Anforderungen an das Gerät. Typischerweise werden für 3-phasige Anwendungen zwei unterschiedliche Boost Topologien verwendet. Eine Vollbrücke mit jeweils zwei Schalter pro Netzphase bzw. ein PFC mit einem einzigen aktiven Schalter. Abhängig von den Anforderungen haben beide Lösungsvarianten ihre Vor- bzw. Nachteile. Für kleine Leistungen (P<5kW) kann die einfachere Schaltungsvariante mit einem aktiven Schalter bevorzugt werden, da diese durch die Einfachheit der Regelung, geringe Kostenbelastung und dennoch guten Wirkungsgrad überzeugen kann.

Ziel der Arbeit war es, diese Konverter-Topologie mathematisch zu analysieren und ein algebraisches Designtool für die gegebenen Anforderungen zu entwickeln. Dabei konnte gut erkannt werden, dass abhängig von den Ein- bzw. Ausgangsbedingungen, der THD bzw. PF dieser Topologie recht bescheiden ist. Durch eine einfache Regelungsmethode kann dies merklich verbessert werden. Mit dem berechneten Kleinsignalmodel konnte der Regler optimiert werden. Schlussendlich wurde die theoretische Analyse an einem aufgebauten Prototyp verifiziert.

Weitere Informationen

Datum 06.09.2016
Studiengang MSE Industrial Technologies
Institut IES
Typ Masterarbeit
Studierende Simon Nigsch
Dozenten Prof. Kurt Schenk, PhD
Partner University Of California, Irvine