TY - THES T1 - Beitrag zur Optimierung einphasiger Leistungsfaktorkorrekturschaltungen A1 - Kübrich,Johann Baptist Daniel Y1 - 2012/04/27 N2 - Die Steigerung der Energieeffizienz von Elektrogeräten ist eine wichtige Maßnahme, um den zukünftigen Energiebedarf zu begrenzen. Die Vielzahl elektronischer Geräte wird von einem Schaltnetzteil mit den nötigen Gleichspannungen versorgt, das weltweit betrieben wird. Es soll sich für das Versorgungsnetz wie eine ohmsche Last verhalten. Typischerweise werden zwei in Serie geschaltete Konverter, eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) und ein Gleichspannungsumsetzer (DC-DC), eingesetzt. In derzeitigen Initiativen werden Forderungen nach hoher Effizienz über einem weiten Lastbereich gestellt, wobei der Betrieb bei Teillast an Bedeutung gewinnt. Der Wirkungsgrad aller Konverter geht in die Effizienz des Systems ein. Es müssen alle Konverter optimiert werden. Diese Arbeit beschreibt die Optimierung der Leistungsfaktorkorrekturstufe im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad. Die Leistungsfaktorkorrekturstufe ist das Bindeglied zwischen Versorgungsnetz und Zwischenkreiskondensator, aus dessen Spannung die DC-DC Stufe versorgt wird. Diese Stufe muss den Anforderungen für Geräte am Versorgungsnetz, insbesondere der Forderung nach Leistungsfaktor, Netzharmonischen und leitungsgebundenen Störungen, genügen. Gleichzeitig soll sie eine möglichst konstante Zwischenkreisspannung erzeugen. Die Summe der Anforderungen an die Leistungsfaktorkorrekturstufe wird zunächst zusammengestellt und Lösungen mit lediglich passiven Elementen sowie hochfrequent taktende Tief- und Hochsetzsteller im Hinblick auf mögliches Optimierungspotential untersucht. Demnach ist die größte Effizienz durch die Verwendung des Hochsetzstellers erreichbar. Die Hochsetzsteller werden nach ihren Betriebsarten unterschieden. Für große Leistungen werden sie oftmals mit fester Schaltfrequenz und kontinuierlichem Spulenstrom betrieben. Für kleinere Leistungen wird der Konverter sehr häufig mit variabler Schaltfrequenz betrieben, so dass der Spulenstrom gerade nicht kontinuierlich fließt. Dieser Grenzbetrieb bietet insbesondere im Teillastfall Vorteile aufgrund geringerer Schaltverluste und steht im Zentrum dieser Untersuchung. Es zeigt sich, dass die Schaltvorgänge und weitere parasitärer Elemente Einfluss auf die Zeitverläufe, insbesondere die sich einstellende Schaltfrequenz, haben. Die Ermittlung der entstehenden Verluste aufgrund der Annahme linearer Anstiege von Strömen und abschnittsweise konstanter Spannungen stellt eine grobe Vereinfachung dar. Die Simulation dieser Betriebsart erfordert somit angepasste Modelle der verwendeten Bauteile - der Diode, der Induktivität, der Kapazitäten, sowie allen voran des MOSFETs - zum einem für die Berechnung der transienten Vorgänge und zum anderen zur Ermittlung der entstehenden Verluste. Es werden Modelle vorgeschlagen, die das Klemmenverhalten der Bauteile im auftretenden Arbeitsbereich mit hoher Genauigkeit wiedergeben. Die Modelle sind aufgrund der Datenblattangaben oder eigenen Messungen bestimmbar. Ein Vergleich der erzeugten Modelle auf Basis des Datenblatts, eigener Messungen oder basierend auf einem vorhandenen Modell des Halbleiterherstellers für einen Zeitbereichssimulator ist ausgeführt. Basierend auf diesen Modellen wird eine Simulationsroutine für den Hochsetzsteller entwickelt. Diese stellt die Verläufe des Spulenstroms und der Spannung über dem MOSFET bereit, wie sie für die Systemauslegung und deren Optimierung benötigt werden. Die so gewonnene auf Rechenzeit optimierte Routine wird um eine äußere Regelschleife ergänzt, um den Leistungsfaktorkorrekturbetrieb in der Simulation abzubilden. Der Nachweis der durch Simulation erhaltenen Gesamtverluste sowie der Verluste im MOSFET und in der Diode gelingt. Es wird somit nachgewiesen, dass mit der dargestellten Simulationsmethode eine akkurate Vorhersage der auftretenden Verluste und mit dieser eine Optimierung des Konverters möglich ist. Exemplarisch ist für ein gefordertes Lastprofil die Optimierung der Induktivität durchgeführt. Die Optimierung beinhaltet die Verluste in der Schaltzelle, weitere auftretende statische Verluste sowie die Verluste im Eingangsfilter. Für den gefundenen Induktivitätswert wird eine magnetische Komponente entworfen und deren Verluste in der Simulation ergänzt. Am Testaufbau konnte der vorhergesagte mittlere Wirkungsgrad von 97.52 % durch den aus Messungen resultierenden von 97.4 % bestätigt werden. Die vorgestellte Methodik zur exakten Analyse von Konvertern erweist sich als sinnvoll und ausgesprochen hilfreich. Die Verwendung angepasster Modelle resultiert einerseits in einer extrem schnellen Berechnung benötigter Kurvenformen und ermöglicht andererseits eine detaillierte und akkurate Beschreibung der Verlustmechanismen. Die hohe Rechengeschwindigkeit erlaubt die Anwendung der Methode auf Leistungsfaktorkorrekturschaltungen. KW - Leistungsfaktor KW - Leistungselektronik KW - Aktive Schaltung CY - Erlangen PB - Universitätsbibliothek der Universität Erlangen-Nürnberg AD - Universitätsstraße. 4, 91054 Erlangen L2 - http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2012/3248 ER -