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11 Trend Guide Leistungshalbleiter 2022 www markttechnik de Spannung Dieser Zweig muss bei sehr hohen Frequenzen etwa 100 kHz schalten Hohe Leistungen mit höheren Frequenzen zu schalten stellt eine größere thermische und elektrische Belastung für die Schalter dar Aus diesem Grund sind WBG-Bauelemente wie SiC-MOSFETs oder GaN-HEMTs erforderlich damit der Wandler zuverlässig und effizient arbeitet Im Vergleich zu Interleaved-Boost-Wandlern ist diese Topologie im Allgemeinen leistungsfähiger Allerdings machen die zusätzlichen aktiven Schalter die Ansteuerungsschaltung komplexer Dieses Problem lässt sich häufig durch die Implementierung von integrierten Totem-Pole-Controllern entschärfen Um den Wirkungsgrad der brückenlosen Totem-Pole-PFC zu verbessern lassen sich zusätzliche Hochfrequenzzweige hinzufügen um eine verschachtelte Totem-Pole-PFC zu bilden Bild 3 Zusätzliche Zweige reduzieren die Welligkeit der Ausgangsspannung des Wandlers und verteilen die Leistungsanforderungen des Wandlers gleichmäßig auf alle Zweige Dadurch lassen sich sowohl die Baugröße als auch die Gesamtkosten minimieren Kenngrößen festlegen Um Topologien in verschiedenen Situationen zu vergleichen wurde eine Reihe von Simulationsmodellen für zwei Leistungsstufen entwickelt Um die Ergebnisse besser vergleichen zu können kamen die gleichen Systemspezifikationen zur Anwendung Tabelle 1 Für den Vergleich der verschiedenen Topologien wurden Schlüsselparameter festgelegt Diese Kenngrößen werden nun beschrieben Welligkeit des Eingangsstroms ΔI IN ΔI IN gibt an wie stark der Eingangsstrom schwankt und ist die Differenz zwischen dem Maximalund dem Minimalwert des Eingangsstroms während einer einzelnen Schaltperiode Harm onische Gesamtverzerrung des Stroms THD I THD Iist ein Maß für die Verzerrungen des Stroms am Eingang ohne dass ein Filter vorhanden ist Indizes der induktiven Energie IEI und der kapazitiven Energie CEI Diese Indizes informieren über die benötigte Induktivität und Kapazität des Umrichters pro Leistungseinheit Diese Parameter sind eng mit der endgültigen Größe und den Kosten der Komponenten verbunden Index der gesamten Schaltleistung TSP Der TSP vergleicht die Belastung der Halbleiterbauelemente des Wandlers hinsichtlich Spannung und Strom pro Leistung ähnlich einer Siliziumäquivalentfläche Der TSP steht in engem Zusammenhang mit den Endkosten der Siliziumbauteile im Wandler Wirkungsgrad η Der Wirkungsgrad gibt an wie viel Leistung durch die PFC-Stufe verloren geht Er ist der Quotient aus Ausgangszu Eingangsleistung Im ersten Test wurden alle drei Topologien – Interleaved-Boost-PFC Bridgeless-Totem-Pole-PFC und Interleaved-Totem-Pole-PFC – für eine 300-W-Anwendung simuliert Dieser Leistungspegel ist häufig bei Computer-Netzteilen zu finden Der zweite Test erfolgte mit 3 kW einer viel höheren Leistung die häufig bei Anwendungen wie dem Laden von Elektrofahrzeugen verwendet wird Vergleiche zwischen Topologien können allgemeine Schlussfolgerungen zu jeder Topologie liefern Allerdings hängt die Leistungsfähigkeit dieser Designs weitgehend von den ausgewählten Komponenten und den Betriebsparametern ab Daher müssen Entwickler sorgfältig abwägen welches Design sie implementieren wollen und es mit großer Sorgfalt für ihre Anwendung optimieren Um dies zu veranschaulichen wurden die Verlustleistungen analysiert wobei nur die Verluste in den Bauelementen berücksichtigt wurden in allen Topologien wurden ähnliche Bauelemente verwendet Simulationen für 300 Wund 3 kW Vergleicht man die Topologien so ist der erste wichtige Aspekt dass die Totem-Pole-PFC keine Gleichrichterbrücke enthält was die Anzahl der schaltenden Komponenten reduziert Die Diodenbrücke im Hochsetzsteller ist immer leitend sodass die Leitverluste den Wirkungsgrad stark beeinflussen Bei niedriger Leistung sind die Ströme im Wandler relativ klein sodass der größte Teil der Verluste beim Schalten entsteht Aus diesem Grund liegen die Wirkungsgrade bei 300-W-Anwendungen sowohl bei der Boostals auch der Totem-Pole-PFC-Topologie im selben Bereich Bild 4 Der Einfachheit halber vergleichen wir den Wirkungsgrad zwischen dem verschachtelten Aufwärtswandler und dem Totem-Pole-Wandler da der Unterschied bei den Verlusten zwischen dem traditionellen und dem verschachtelten Totem-Pole-Design gering ist Bei einer Leistung von 3 kW ist der Strom in der Schaltung deutlich höher Dadurch steigen aufgrund des hohen Ersatzwiderstands in den Gleichrichterdioden die Durchlassverluste in der Boost-Topologie erheblich an Aus diesem Grund arbeitet die Totem-Pole-PFC bei Anwendungen mit hoher Leistung wesentlich effizienter Bild 5 Bild 3 Schaltplan einer Interleaved-Totem-Pole-PFC Parameter Wert Eingangsspannung U IN 220 V Ausgangsspannung U OUT 400 V Welligkeit der Ausgangs spannung ΔU OUT 5 % Schaltfrequenz f SW 100 kHz Tabelle 1 Systemspezifikationen Bild 4 Verlustleistung der PFC-Stufe in Watt in 300-W-Netzteilen blau Leitverluste orange Schaltverluste