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High power LLC resonant converter optimized for high efficiency and industrial use
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2016
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 21.10.2016
ger: Der öffentliche Netzstrom muss zur Nutzbarkeit in informationstechnischen Anlagen umgeformt und transformiert werden. Der in dieser Arbeit betrachtete LLC Resonanzkonverter besitzt das Potential, durch hohe Leistungsdichte und Effizienz die Investitions- und Betriebskosten solcher Anlagen deutlich zu reduzieren. Die Schwierigkeiten für den industriellen Einsatz des LLC Konverters liegen in der im Vergleich zu pulsbreitenmodulierten Konvertern ungünstigeren Steuerbarkeit und den komplexeren Zusammenhängen bei der Auslegung des Konverters. In dieser Arbeit werden die Modellierungsmethoden für Resonanzkonverter beschrieben und die Methode der Zeitbereichsmodellierung um einen resistiven Anteil erweitert. Die Modellierung der dynamischen Eigenschaften des LLC Konverters wird mittels der Methode der erweiterten Beschreibungsfunktionen durchgeführt und die große Variation der Streckencharakteristik in Abhängigkeit der Stellgröße Schaltfrequenz diskutiert. Das problematische Kurzschlussverhalten des LLC Konverters wird in einem weiteren Teil der Arbeit adressiert und eine schaltungstechnische Erweiterung vorgeschlagen. Diese Arbeit legt grundsätzliche Zielkonflikte bei der Auslegung des LLC Konverters für die Applikation in einer industriellen Stromversorgung dar und schlägt zur Durchführung einer optimalen Auslegung den Einsatz eines numerischen Optimierers vor. Basierend auf den wesentlichen Verlustanteilen resultiert aus der automatischen Optimierung ein Spitzenwirkungsgrad von 99,2%. Die synchron getaktete Parallelschaltung zweier LLC Konverter ist besonders geeignet für niedrige Ausgangsspannungen und hieraus resultierenden hohen Ausgangsströmen. Die sich bei der Parallelschaltung auftuende Problematik der Leistungsimbalance durch Bauelementtoleranzen wird in dieser Arbeit basierend auf einem Zeitbereichsmodell des Konverters analysiert.
eng: In order to feed IT infrastructure out of the national power grids, the electricity needs to be converted by power supplies. The LLC resonant converter analyzed in this thesis potentially enables a distinct reduction of invest and operational costs based on its superior power density and conversion efficiency. The main obstacles for the adoption of the LLC resonant converter within industrial power supplies are the more disadvantageous control of the power transfer compared to its pulse-width controlled counterparts and the more complex design. This thesis outlines the modeling methods for resonant converters and proposes the extension of the time domain analysis model by a lumped resistive circuit element. The dynamic modeling of the LLC resonant converter is performed utilizing the extended describing functions method, thereby discussing the large variations of the plant characteristic in the dependence on the control variable switching frequency. In addition the problematic short-circuit behavior of the LLC resonant converter is analyzed and a circuit extension proposed. Furthermore this thesis states fundamental design trade-offs within the LLC converter design for industrial power supplies and proposes the usage of numerical optimization with respect to an optimal converter design. Based on the substantial loss contributors, the numerical optimization yields a peak efficiency of 99.2%. As a further aspect the synchronized paralleling of two LLC resonant converters is especially beneficial in case of low output voltages and resulting high output currents. The problematic issue of power imbalance between both converters caused by slightly unequal resonant circuit element values is analyzed in this thesis utilizing the time domain modeling approach.