Hocheffizienz-Gleichrichtersysteme mit 99,2% Wirkungsgrad

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ABM Asset and Business Management AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Eine Gleichrichterstruktur ohne Eingangsdiodenbrücke

Nachfolgend werden kurz Kernergebnisse dieses Berichtes am Beispiel eines Höchsteffizienz-Gleichrichtersystems zusammengefasst, welche einerseits die heute de facto bestehende Grenze der Verlustverringerung und andererseits die dabei noch erreichbare Leistungsdichte deutlich machen. Die Nennleistung des Systems wurde mit Blick auf Anwendungen im Bereich IT-Stromversorgung und der zunehmend an Bedeutung gewinnenden Batterieladung von E-Fahrzeugen mit P=3,3 kW definiert. Die Leistungsdichte sollte jedenfalls p>1kW/dm³ betragen.

Bei Forderung nach extremer Effizienz liegt der Einsatz einer Gleichrichterstruktur ohne Eingangsdiodenbrücke nahe, d.h. eines als Bridgeless- oder Double-Boost-PFC-Gleichrichter bezeichneten Konzeptes. Im konkreten Fall wurden, um einen hohen Teillastwirkungsgrad sicherzustellen, zwei phasenversetzt getaktete Teilsysteme mit SiC-Superjunction-MOSFTEs (CoolMOS C6) und SiC-Freilaufdioden angeordnet und im Continuous Conduction Mode (CCM) betrieben.

Die für das Bridgeless-Konzept charakteristische Common-Mode-Komponente der Ausgangsspannung wurde im Wesentlichen durch interne kapazitive Anbindung der Ausgangsklemmen an die AC-Seite und Einfügen einer Gleichtaktinduktivität in diese innere Schleife unterdrückt. Mit Rücksicht auf die Effizienz wurde weiter eine relativ tiefe Schaltfrequenz von f=33 kHz gewählt und zur Verbreiterung und Absenkung des EMV-Störspektrums eine doppelt netzfrequente Schaltfrequenzmodulation mit 6 kHz Hub implementiert.

Der so bei Nennspannung erreichte Nennlast-Wirkungsgrad beträgt 99,1% (inklusive aller Hilfsversorgungen). Durch Erhöhung der Zahl paralleler MOSFETs und Dioden würde zwar eine Reduktion der Leitverluste resultieren, gleichzeitig würden sich damit allerdings auch die kapazitiven Schaltverluste erhöhen (der oben genannte Wirkungsgradwert gilt für die optimale Komponentenzahl). Sollten die kapazitiven Schaltverluste trotz höherer Komponentenzahl unverändert bleiben, müsste die Schaltfrequenz abgesenkt werden, was jedoch zu einem höheren Bauvolumen der Boost-Induktivitäten und damit zu einer Verringerung der ohnehin bereits geringen Leistungsdichte von 1,1 kW/dm³ führt.

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