GaN-based, High-frequency Converter for Use in Auxiliary Power Supplies for MVDC Converters

Abstract

De siste årene har galliumnitrid (GaN) teknologien hatt betydelig fremskritt og etablert seg som en viktig brikke i utviklingen av høyfrekvens omformere. GaNs overlegne elektronmobilitet og evne til høy gjennomslagsspenning muliggjør mer effektive og kompakte kraftsystemer. Disse egenskapene gjør GaN spesielt gunstig for høyfrekvensapplikasjoner ved å tilby reduserte energitap og forbedret termisk egenskaper.

Denne masteroppgaven undersøker designet av en hjelpestrømforsyning for MVDC-omformere, og baseres på tidligere arbeid. MVDC-omformere som bruker SiC MOSFETer trenger typisk 10 W ved 20 til 25 V og må leveres gjennom en galvanisk isolert kilde av hensyn til sikkerheten. Dette arbeidet presenterer et nytt vekselretter design ved bruk av GaN HEMT-er og et optimalisert oppsett. I tillegg ble designen av isolasjonstransformatoren realisert ved å bruke keramiske materiale i stedet for FR4, som da fungerer som både kretskort base og isolasjonsmateriale. Prototyper av vekselretteren og transformator ble designet, bygget og testet før de ble implementert og testet i det fullstendige omformeroppsettet. Til dette formålet ble det laget en tilpasningsdyktig testrigg.

Den keramiske transformator viste god evne for varmespredning, noe som forbedret systemets termiske ytelse ved å redusere spolemotstanden og øke termisk ledningsevne sammenlignet med tidligere transformatorer. Imidlertid oppsto parasittisk kapasitiv kobling mellom transformatorspolene som en potensiell utfordring. Påvirkningen av ulike isolasjonstykkelser og plassering av EMI skjold ble derfor også testet.

Vekselretter prototypen fungerte som forventet under lave belastninger. Imidlertid oppsto det et problem med kortslutning ved høyere belastninger på grunn av utfordringer med systemets resonanstank. Optimaliserte verdier for resonanstanken ble ikke funnet, noe som resulterte i en ustabil utgangseffekt. Til tross for dette viste omformeren lovende resultater under lavere belastninger, med en toppvirkningsgrad på 88 %, noe som indikerer potensial for et effektivt system.

Denne studien demonstrerer at overgangen til keramisk materiale for transformatoren kan redusere tidligere observerte termiske problemer. Imidlertid må optimaliseringen av resonanstanke gjennomføres for å undersøke det fulle potensialet til omformeren.

In recent years, gallium nitride (GaN) technology has advanced significantly, establishing itself as a key material in the development of high-frequency converters. GaN’s superior electron mobility and high breakdown voltage capability enable more efficient and compact power systems. These properties make GaN particularly advantageous for high-frequency applications, offering reduced energy losses and improved thermal management.

This master thesis investigates the design of an auxiliary power supply for MVDC converters, building on previous work. MVDC converters using SiC MOSFETs typically require 10 W at 20 to 25 V and must be supplied through a galvanically isolated source for safety. This work presents a new inverter design using discrete GaN HEMTs and an optimized layout. Additionally, the isolation transformer design was realized by using ceramic carriers instead of FR4, serving as both the PCB and insulation material. Prototypes of the inverter and transformer were designed, built, and tested before being implemented and tested in the full converter setup. For this purpose, an adaptable test stand was created.

The ceramic transformer demonstrated good thermal dissipation, improving the system's thermal performance by lowering the coil resistance and increasing the thermal conductivity compared to previous transformer designs. This while maintaining strong magnetic coupling. However, parasitic capacitance coupling between the transformer coils emerged as a potential challenge with this design. The impact of different insulation thicknesses and shield placement was therefore also tested.

The inverter prototype operated as expected under lower loads. However, a shoot-through problem arose at higher loads due to challenging tuning of the system resonance tank, resulting in an unstable output. Despite this, the converter showed promising results at lower loads, achieving a peak efficiency of 88%, indicating potential for an efficient system.

It is demonstrated through this work changing to the ceramic substrate for the transformer and discrete devices can mitigate previously observed thermal issues. However, a tuning of the resonant tank needs to be conducted to investigate the full potential of the optimized converter.