A 1 kW PFC converter with GaN-transistors and planar magnetics
Master thesis

View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2592]
Abstract
Auka krafttettleik, kostnadsreduksjon, auka effektivitet og auka driftssikkerheit er fire avdei viktigaste målsetjingane i halvleiarindustrien i dag. Ved bruk av GaN-halvleiarar erfleire av desse målsetjingane innan rekkevidde, ikkje berre på komponentbasis men ogsåpå større system som omformarar og sjølv kraftsystemet.Dei overlegne materialeigenskapane til GaN banar veg for høgfrekvente og høgeffektivekraftomformarar. Låge svitsjetap åpnar opp for høge svitsjefrekvensar som igjen åpnaropp moglegheiter for nye omformartopologiar og betre utnytting av konvensjonelle omformarar.Den auka svitsjefrekvensen mogleggjer også reduksjon i fysisk storleik på magnetiskekomponentar. Innovative design av magnetiske komponentar som tidlegare harblitt gløymt kan igjen bli realistisk ved utnytting av eigenskapane til GaN, og dette er viktigfor Eltek. Denne masteroppgåva undersøkjer fordelane til einingar med bredt bandgap(WBG), for det meste GaN, opp mot det meir tradisjonelt brukte silisium. Oppgåva hargitt resultat som viser at fordelane til GaN-einingar forplantar seg gjennom omformaren,særskild i å redusere magnetiske komponentar.For spolar i omformarar er induktanskravet generelt synkande for aukande svitsjefrekvensar.For transformatorar er den same trenden til stades, nemlig at kravet til tverrsnitt,og dermed volum på kjerna synkjer for aukande frekvens. Ein planarspole vart designa ogoptimert for bruk i ein Eltek 1 kW klassisk PFC boost omformar med GaN-transistorar,noko som gav ein svitsjefrekvens på 600 kHz. To optimeringsmetoder vart nytta, og beggepeika mot same optimal løysing. Fordelte luftgap, halde koparen langt frå luftgapa, og årette inn koparen parallell, og ikkje ortogonal på det magnetiske spredefeltet er tre konkreteeksempel på designreglar ein kan konkludere med i denne oppgåva. Å plassere koparenparallell til spredefeltet, eller meir presist, å plassere luftgapet slik dette skjer, er ikkje eintypisk måte kjernar vert produserte. Fordelte luftgap med magnetisk spredefelt parallelt tilden breie sida av koparen viste total tapsreduksjon på omlag 21% i visse tilfeller. Increased power density, cost reduction, increased efficiency and increased reliabilityare four of the most important targets in the semiconductor and converter industry today.With GaN-transistors, multiple of these targets are achievable. The four important targetscan be achieved in larger systems such as converters and even on the power system basis,not only in specific components.Supreme characteristics of GaN-devices paves the way for high frequency and highefficiency converters. The low switching losses allow a high switching frequency whichopens new possibilities regarding new converter topologies and better utilization of conventionalconverters. The increased switching frequency also opens possibilities of a reductionin physical sizes of magnetic components. Innovative designs of magnetic componentswhich previously have been neglected can become more of a reality with theadvantages of GaN-devices, and have become important for Eltek. This master thesis examinesthe advantages of wide bandgap (WBG) devices, mostly GaN-devices, comparedto the traditional silicon devices. The thesis found that the advantages of GaN-devicespropagates throughout a converter, especially in reducing magnetic components.For inductors in converters, the inductance requirement tends to drop with increasingfrequency, and for transformers, the core volume decreases with increasing frequency. Aplanar inductor was designed and optimized for use in an Eltek 1 kW classic PFC boostconverter with GaN-transistors, giving a switching frequency of 600 kHz. Both the parametricsweeps performed, and the optimization process pointed towards optimal results.Distributing air gaps, keeping conductors far from the air gaps, and aligning conductorsparallel, not orthogonal to the fringing flux are three specific examples of design ruleswhich can be concluded from this thesis. Placing the conductors parallel to the fringingflux, or rather placing air gaps such that this occurs, goes against the typical manufacturingthese types of cores. Distributed air gaps with fringing fields parallel to the wide side ofthe planar conductors showed total loss reduction of about 21% in some specific cases.