- GND
- 1156329272
- GND
- 143248340
- SCOPUS
- 6701719850
- Sonstiges
- der Hochschule zugeordnet
- GND
- 1089304420
- ORCID
-
0000-0002-6000-7402
- GND
- 2125187-3
Abstract in Deutsch:
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Auswirkungen von Schaltungskonzepten, Topologien und Parametern auf die Magnetbauelemente, wobei deren Verlustleistungsentwicklung und Baugröße im Fokus steht. Die prinzipielle Herangehensweise basiert zum einen auf dem ganz konkreten Dimensionieren und Optimieren von Magnetbauteilen mit Hilfe eines Software-Tools unter praxisnahen Bedingungen, ohne dabei jede Anordnung experimentell zu verifizieren. Zum anderen basiert sie auf eher theoretischen Betrachtungen, unterstützt durch numerisch ermittelte Daten. Ein reales Stromversorgungssystem dient als Referenz. Dieses wurde intensiv messtechnisch untersucht. Es handelt sich um ein Batterieladegerät mit einer Nennleistung von ca. 1kW. Mit diesem System wurde auch der Nachweis der Korrektheit der Berechnungen der Kern- und Wicklungsverlustleistungen der Magnetbauelemente anhand der Temperaturerhöhungen geführt. Die prinzipiellen Leistungsdaten dieses Batterieladegeräts bleiben die Basis für die weiterführenden Untersuchungen und Dimensionierungen und wurden nur für den jeweiligen Untersuchungsgegenstand variiert, z.B. der Spannungsbereich oder die Schaltfrequenz. Das allgemeine Vorgehen bei der Optimierung von Magnetbauelementen sowie die Optimierungskriterien Verlustleistung und Baugröße und deren Zusammenhang werden beschrieben. Zur Wahrung der Praxisrelevanz und der Vergleichbarkeit der Ergebnisse werden verbindliche Dimensionierungsregeln formuliert. Der erste Hauptkomplex widmet sich der Untersuchung der Auswirkung von Spannungsbereichen oder Spannungsreserven. Es wird eine Fallunterscheidung durchgeführt, bei der basierend auf verschiedenen Schaltungskonzepten unterschiedliche Aussteuergrade und Belastungsprofile der Magnetbauteile auftreten. Konkretere Analysen werden durchgeführt für einen zunehmend größeren stationären Spannungsbereich, wie dies in einem Universal-Ladegerät auftreten könnte sowie für eine berücksichtigte Spannungsreserve für den Kurzzeitbetrieb (Netzausfallüberbrückung). Die Untersuchungen werden für zwei Wandler-Topologien durchgeführt. Dies sind der Eintakt-Flusswandler und der sogenannte "Phase Shift"-Wandler. Es werden jeweils der Haupttransformator und die Speicherdrossel betrachtet. Vereinfacht formuliert zeigt sich eine moderate Erhöhung der Baugröße und Verlustleistung des Transformators mit steigendem Spannungsbereich oder steigender Spannungsreserve beim Eintakt-Flusswandler, aber eine drastische Erhöhung beim Transformator des "Phase Shift"-Wandlers. Die Auswirkung eines erhöhten stationären Spannungsbereichs auf die Speicherdrosseln ist für beide Topologien sehr ungünstig. Der zweite Hauptkomplex thematisiert die Untersuchung der Auswirkung der Schaltfrequenz auf die Magnetbauelemente. Hier wird noch konsequenter zwischen den Optimierungskriterien Verlustleistung und Baugröße differenziert. Bei den praxisnahen Dimensionierungen wird nur die Topologie "Eintakt-Flusswandler" berücksichtigt, untersucht werden deren Haupttransformator und Speicherdrossel, wobei letztere sowohl ferritbasiert als auch als pulverkernbasiert (Ringkern) ausgeführt werden soll. Es werden nur aktuell am Markt verfügbare Magnetmaterialien angenommen und zwar für jede Dimensionierungsaufgabe und Frequenzstufe das jeweils optimale. Es wird ein Verfahren zur frequenzbestimmten Auswahl der Magnetwerkstoffe vorgestellt. Vereinfacht lassen sich die Ergebnisse derart beschreiben, dass bezogen auf Transformatoren sowohl bei Optimierung auf Verlustleistung als auch bei Optimierung auf Volumen kaum weiteres Optimierungspotential bei Frequenzen oberhalb 100kHz besteht. Bei kleineren Frequenzen ist ein gutes Potential vorhanden, der "Gewinn" ist bei Optimierung auf Verlustleistung stärker ausgeprägt als bei Optimierung auf Volumen. Bei Speicherdrosseln ist auch bei größeren Frequenzen noch eine effektive Verlustleistungs- und Volumenreduktion möglich. Hierbei besteht eine Abhängigkeit von der Stromwelligkeit. Allgemein lässt sich feststellen, dass das Potential zur Optimierung mittels Frequenzerhöhung mit steigendem AC-Anteil (bezüglich Strom und magnetischem Fluss) abnimmt.
Abstract in Englisch:
Following general technology trends, power supplies constantly have to become more efficient and smaller in size. Because of their impact on the efficiency and power density, magnetic components are key parts of a power supply system. Unlike other components, magnetics is widely free to be configured by the designer. There are a lot of interactions between the magnetics and their related electrical circuits, that’s why the system optimization is an iterative process. Of course, the magnetics’ electrical characteristics have influence on the circuit behavior. But the power supply concept, e.g. the number of power stages and the converter topologies as well as circuit parameters like switching frequency are affecting the design and characteristics of the magnetics, thus their size and thermal characteristics. Main topic of this thesis is the investigation of the impact of circuit parameters on the magnetic parts in popular forward converter topologies. The general approach is on the one hand the computer-assisted design of a bunch of precise transformers and inductors for real application boundary conditions. The key is the optimization by a precise calculation of core and winding losses. On the other hand, a more theoretic analysis using numeric data is accomplished. The investigations are split in two main parts. One deals with the influence of voltage ranges and duty cycle reserves on the transformer and output inductor for two comparative converter topologies. The basis is a distinction of cases, derived from different power supply concepts. A strict differentiation between varying static voltage ranges and a voltage reserve for short-term action is done. The other part is an elaboration of the magnetics’ size and power loss dependence on the switching frequency. Considering the application of state-of-the-art power magnetic materials, the today’s potential and limits in magnetics optimization by adjusting the frequency is shown. Additionally, general principles are explored and an analytic method for a better prediction of the frequency dependence is introduced. Intention of the thesis is to provide important background knowledge especially for designers of SMPS circuits and magnetics. It is not intended to displace a proper magnetics design software tool, but to allow a more target-oriented work with it.