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

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.

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.