Untersuchung des Potenzials zur Erhöhung des Wirkungsgrades einfacher Schaltnetzteiltopologien und Ableitung von Designrichtlinien

Blum, Andre

This scientific work is intended for those developers of switched mode power supplies, semiconductors and passive components, who are interested in building simple and though most efficient power supplies by understanding the interrelations lying beneath the sum of all components.First of all, the properties of common SMPS topologies are introduced and compared to each other. The both least complex topologies – Forward- and Flyback-Converters – are selected and analysed in detail. Possible starting points for optimizations are shown. Herefore the properties of active (power semiconductors, diodes) and passive components (electrolytic capacitors, transformers) dominating the losses of these topologies are explicated. Based on simulations and practical tests is shown, how the efficiency can be increased by optimization of the transformer and the semiconductors.The practicability of the theoretical and simulative results for developing engineers is proved on practical test setups and with measurements. Additionally different parameters of inductive components and semiconductors are varied in simulations and the resulting influence onto the whole circuit's behaviour is shown. This new approach of synthesizing semiconductors gives important information to developers of SMPS and semiconductors about the design of efficiency-optimized power supplies and the needed key properties of the components. A detailed description of the used simulation models and results is included.In order to guarantee an as comprehensive research of practical applications as possible, PFC circuits are also examined. Recommendations for efficiency-optimized PFC stages and for improved SMPS are made.At the end of each chapter for the researched topologies, the reader gets concrete recommendations and design-rules for building up power supplies with optimized efficiency.

Die vorliegende Arbeit richtet sich vor allem an Entwickler von Schaltnetzteilen, Halbleitern und passiven Komponenten, die durch eine Schärfung des Verständnisses für die Gesamttopologie und die dahinterliegenden Zusammenhänge in ihrer täglichen Arbeit möglichst nahe an das optimale und gleichzeitig einfache Schaltnetzteil herankommen möchten.Zu Beginn der Arbeit werden zunächst die Eigenschaften gängiger Schaltnetzteil-topologien vorgestellt und miteinander verglichen. Die beiden Schaltungsarten mit dem geringsten Komplexitätsgrad – Flyback- und Forward-Converter – werden im Anschluss im Detail theoretisch analysiert und Ansatzpunkte für Optimierungen aufgezeigt. Hierzu werden sowohl die verlustbestimmenden Eigenschaften aktiver Bauteile (Leistungs-halbleiter, Dioden) als auch die passiver Bauelemente (Elektrolytkondensatoren, Trans-formatoren) erläutert. Basierend auf Simulationen und praktischen Versuchen wird gezeigt, wie der Wirkungsgrad speziell durch die Optimierung von Transformatoren und Halbleitern gesteigert werden kann. An praktischen Aufbauten und und Messungen wird die Anwendbarkeit der erzielten Ergebnisse für Entwickler von Schaltnetzteilen verifiziert. In den durchgeführten Simulationen werden darüber hinaus verschiedene Parameter der induktiven Bauelemente und vor allem der Halbleiter variiert und die resultierenden Einflüsse auf das Verhalten der Schaltung aufgezeigt. Dieser neue Ansatz des Synthetisierens von Halbleitern gibt sowohl den Entwicklern von Schaltnetzteilen als auch den Herstellern von Halbleitern wichtige Informationen für das Design optimal arbeitender DC/DC-Wandler und der dazu benötigten Eigenschaften auf Komponentenebene. Die hierfür verwendeten Simulations-modelle sowie -ergebnisse sind vollständig mit entsprechender Beschreibung enthalten.Um eine möglichst umfassende Betrachtung praktischer Anwendungsfälle für Schalt-netzteile zu garantieren, werden PFC-Stufen ebenfalls in die Wirkungsgradunter-suchungen einbezogen und Empfehlungen für die Auslegung eines wirkungsgradoptimier-ten Schaltnetzteil-Gesamtkonzepts getroffen.Am Ende jedes Abschnitts für die untersuchten Topologien erhält der Leser konkrete Hilfestellung und Designregeln für den Aufbau eines Schaltnetzteils mit optimiertem Wirkungsgrad.

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Blum, Andre: Untersuchung des Potenzials zur Erhöhung des Wirkungsgrades einfacher Schaltnetzteiltopologien und Ableitung von Designrichtlinien. 2008.

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