True Bridgeless PFC Converter with Galvanic Isolation

Ein Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) hat sich zur Einhaltung der geforderten Normen längst etabliert. Eine kompakte und effiziente Lösung kann durch den Einsatz der sogenannten „True Bridgeless Single Stage PFC“ Topologie erreicht werden. Durch die Eliminierung des Eingangsgleichrichters werden Effizienz, Leistungsdichte und Kosten erheblich verbessert. Zusätzlich kann mit einem einzigen aktiven Schalter ebenfalls eine galvanische Trennung der Ausgangsspannung realisiert werden.

Typischerweise wird dabei ein Boost PFC eingesetzt, um die Normen zu erfüllen. Dieser bietet eine gute Effizienz neben einem begrenzten Schaltungsaufwand. Oft ist eine galvanische Trennung der Ausgangspannung notwendig, welche eine mehrstufige Lösung zur Folge hat: Ein Boost PFC Konverter am Eingang und eine zweite galvanisch getrennte DC-DC Stufe. Bei dieser Lösung werden bis zu zwölf Schalter und vier magnetische Komponenten benötigt, welche zusätzliche Verluste erzeugen. Dabei wird eine Effizienz von über 90% nur schwer erreicht. Dr. Slobodan Cuk publizierte im Jahr 2010 einen sogenannten „True Bridgeless Single Stage PFC“ Konverter mit zusätzlicher galvanischer Trennung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen, verwendet diese Topologie keinen Eingangsbrückengleichrichter, was die Effizienz erheblich verbessert.

In dieser Arbeit wurde ein Bridgeless-PFC Konverter analysiert, dimensioniert und durch Messungen charakterisiert. Durch die Bestimmung, der in den Bauteilen, auftretenden Ströme und Spannungen kann das Konverter-Design hinsichtlich Effizienz, Leistungsdichte und Kosten optimiert werden. Zusätzlich wird durch das berechnete Kleinsignalverhalten die Regler-Dimensionierung erleichtert, um ein schnelles und stabiles System zu gewährleisten. Eine der Hauptherausforderung ist die Begrenzung der auftretenden Schalterspannung. Konventionelle Ansätze sind zu verlustbehaftet und daher nicht geeignet. Mit einer nahezu verlustlosen Lösung konnte schlussendlich die Spannung auf den gewünschten Wert begrenzt werden. Messungen haben gezeigt, dass dieser Konverter eine hohe Effizienz bei gleichzeitiger kompakter Bauweise ermöglicht. Der 500W Prototyp erreicht eine Effizienz von über 95%, wobei diese über große Bereiche der Eingangsspannung und unter Lastvariation nahezu konstant bleibt. Der gemessene THD und Leistungsfaktor kann mit 1% und 0.999 angegeben werden. Die analytischen Berechnungen stimmen sehr gut mit den gemessenen Werten überein.

Weitere Informationen

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