dc.contributor.advisor | Nilsen, Roy | |
dc.contributor.advisor | Undeland, Tore M. | |
dc.contributor.advisor | Spro, Ole Christian | |
dc.contributor.author | Engetrøen, Ådne Finnes | |
dc.date.accessioned | 2019-10-31T15:18:31Z | |
dc.date.issued | 2019 | |
dc.identifier | no.ntnu:inspera:40537039:20888573 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11250/2625883 | |
dc.description.abstract | Auka krafttettleik, kostnadsreduksjon, auka effektivitet og auka driftssikkerheit er fire av
dei viktigaste målsetjingane i halvleiarindustrien i dag. Ved bruk av GaN-halvleiarar er
fleire av desse målsetjingane innan rekkevidde, ikkje berre på komponentbasis men også
på større system som omformarar og sjølv kraftsystemet.
Dei overlegne materialeigenskapane til GaN banar veg for høgfrekvente og høgeffektive
kraftomformarar. Låge svitsjetap åpnar opp for høge svitsjefrekvensar som igjen åpnar
opp moglegheiter for nye omformartopologiar og betre utnytting av konvensjonelle omformarar.
Den auka svitsjefrekvensen mogleggjer også reduksjon i fysisk storleik på magnetiske
komponentar. Innovative design av magnetiske komponentar som tidlegare har
blitt gløymt kan igjen bli realistisk ved utnytting av eigenskapane til GaN, og dette er viktig
for Eltek. Denne masteroppgåva undersøkjer fordelane til einingar med bredt bandgap
(WBG), for det meste GaN, opp mot det meir tradisjonelt brukte silisium. Oppgåva har
gitt 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 og
optimert 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 begge
peika mot same optimal løysing. Fordelte luftgap, halde koparen langt frå luftgapa, og å
rette inn koparen parallell, og ikkje ortogonal på det magnetiske spredefeltet er tre konkrete
eksempel på designreglar ein kan konkludere med i denne oppgåva. Å plassere koparen
parallell til spredefeltet, eller meir presist, å plassere luftgapet slik dette skjer, er ikkje ein
typisk måte kjernar vert produserte. Fordelte luftgap med magnetisk spredefelt parallelt til
den breie sida av koparen viste total tapsreduksjon på omlag 21% i visse tilfeller. | |
dc.description.abstract | Increased power density, cost reduction, increased efficiency and increased reliability
are 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 targets
can 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 high
efficiency converters. The low switching losses allow a high switching frequency which
opens new possibilities regarding new converter topologies and better utilization of conventional
converters. The increased switching frequency also opens possibilities of a reduction
in physical sizes of magnetic components. Innovative designs of magnetic components
which previously have been neglected can become more of a reality with the
advantages of GaN-devices, and have become important for Eltek. This master thesis examines
the advantages of wide bandgap (WBG) devices, mostly GaN-devices, compared
to the traditional silicon devices. The thesis found that the advantages of GaN-devices
propagates throughout a converter, especially in reducing magnetic components.
For inductors in converters, the inductance requirement tends to drop with increasing
frequency, and for transformers, the core volume decreases with increasing frequency. A
planar inductor was designed and optimized for use in an Eltek 1 kW classic PFC boost
converter with GaN-transistors, giving a switching frequency of 600 kHz. Both the parametric
sweeps performed, and the optimization process pointed towards optimal results.
Distributing air gaps, keeping conductors far from the air gaps, and aligning conductors
parallel, not orthogonal to the fringing flux are three specific examples of design rules
which can be concluded from this thesis. Placing the conductors parallel to the fringing
flux, or rather placing air gaps such that this occurs, goes against the typical manufacturing
these types of cores. Distributed air gaps with fringing fields parallel to the wide side of
the planar conductors showed total loss reduction of about 21% in some specific cases. | |
dc.language | eng | |
dc.publisher | NTNU | |
dc.title | A 1 kW PFC converter with GaN-transistors and planar magnetics | |
dc.type | Master thesis | |