Very High Frequency Galvanic Isolated Offline Power Supply

Abstract

I løbet af de sidste årtier er interessen for at øge skifte frekvensen af strømforsyninger til det ”meget høje frekvens” (VHF) område steget markant, VHF frekvensområdet spænder fra 30 MHz til 300 MHz. En øget skiftefrekvens medføre at mindre energi skal lagers i hver periode og derved mindskes værdierne af de passive komponenter. De lavere værdier resulterer i mindre volumen af de passive komponenter. Reduktionen skalerer inverst med frekvensen, hvorved man opnår en reduktion i størrelse hvis frekvensen øges. De passive komponenter består bl.a. af luftspoler. Luftspoler er det foretrukne valg for VHF konvertere, da man undgår kerne tab, ydermere er udvalget af magnetiske materialer der virker ved høje frekvenser meget begrænset. Keramiske kondensatorer er meget velegnet til VHF konvertere, og de er også at fortrække til VHF konvertere, grundet deres høje selvresonans. Med komponenter lavet af nye halvledermaterialer, hvis udvikling stadig er i tidlige stadier, vil forskningen i VHF konvertere kun vokse i den nærmeste fremtid.Ved at øge skifte frekvensen til VHF området øges skiftetabene også, derfor benyttes ”soft switching” teknikker der reducere skiftetabene betydeligt. De anvendte topologier er inspireret af radioforstærkere, som anvendes til at generere et højfrekvent signal til en antenne. I VHF strømforsyninger er antennen erstattet af en ensretter der genererer en DC spænding. Denne type konvertere kan ikke drives med traditionelle gate drivere da gate tabene bliver for store. Derfor benyttes resonante gate drive hvis tab ikke er frekvensafhængige. I denne afhandling præsenteres en ny gate drive løsning til VHF-konvertere, denne løsning blev brugt i alle de implementerede VHF strømforsyninger. Dette gate drive er selvsvingende og består udelukkende af passive komponenter, hvilket sikrer en lav pris. Gate driveret blev igennem denne afhandling brugt i flere invertere, heriblandt en resonant halvbro inverter. Det blev yderligere brugt til at lave en tovejs-konverter med synkron ensretter. Denne konverter opnåede en effektivitet på 80% med en skiftefrekvens på 37 MHz. Dette gate drev blev også implementeret med en koblet luftspole til at drive en halvbro baseret konverter. Denne konverter opnåede en effektivitet på 81% ved en indgangsspænding på 80 V. I afhandlingen er muligheden for udvikle VHF strømforsyninger til lysnettet blevet undersøgt. De fleste VHF topologier har relativt høje spændingsbelastninger på de aktive komponenter, som regel med maks spændinger på flere gange indgangsspændingen. De nødvendige resonante strømme for at opretholde ”soft switching” vil derfor generere store AC tab, hvilket vil resultere i lav effektivitet for lave udgangseffekter. I afhandlingen er en løsning på dette problem er præsenteret, hvor flere invertere har deres indgang forbundet i serie for at opdele den høje indgangsspænding. En strømforsyning bygget til amerikanske AC spændinger præsenteres, den er opbygget af tre invertere og en enkelt ensretter. Strømforsyningen er designet til at levere 9 W til en 60 V LED. Forsyningen opnår en effektivitet på 89,4% og en effekttæthed på 2,14 W3 . VHF konvertere er omfattet af en række standarder inklusiv ”Electromagnetic Compatibility” (EMC) regulativerne og behovet for galvanisk isolation. Galvanisk isolation bliver normalt implementeret med transformatorer, men som tidligere nævnt er der få magnetiske materialer til rådighed det virker i VHF området. I denne afhandling bliver ”Printed Circuit Board” (PCB) transformatorer samt muligheden for at bruge kondensatorer som galvanisk isolation beskrevet. Begge metoder til at skabe galvanisk isolation er også blevet implementeret i forskellige strømforsyninger. For at undersøge VHF konvertere i forhold til EMC kravene er en række konvertere blevet målt med forskellige filter implementeringer. Re-sultaterne viste at der ikke er nogen problemer i ”conducted” målingerne. Men ved m˚aling af den udstrålede støj ses høje peak værdier uden filter. Disse er reduceret til 6 dB under grænseværdierne fra CISPR 22 med filtrering og et EMC-skjold. På grund af de høje frekvenser i VHF konvertere er det vanskeligt at anvende pulsbredde-modulation (PWM) til kontrol, i stedet benyttes burst mode (tænd/sluk) kontrol, som kan implementeres med kommercielt tilgængelige controllere. Et alternativ til dette er er frekvensstyring hvor skiftefrekvensen styres på baggrund af indgangs eller udgangs spændingen. En konverter topologi blev analyseret ved hjælp af ”the first harmonic approach” (FHA) for at få en matematisk model af operationen. Denne matematiske model blev brugt til at lave en frekvensstyringsmetode for at sikre en god power faktor (PF). En prototype blev implementeret for at eftervise denne skiftefrekvens kontrol. Prototypen opnåede en til PF på 0,99, samt en ”Total Harmonic Distortion” (THD) af indgangsstrømmen på 5,68%. Denne strømforsyning har en traditionel skiftefrekvens, men den samme fremgangsmåde kan anvendes til VHF konvertere. Overordnet belyser denne Ph.D. afhandling forskellige områder der skal tages højde for ved design af en VHF konverter forbundet til lysnettet. Gennem projektet er følgende omr˚ader blevet undersøgt: gate driver, synkroniserede ensrettere, PCB transformatorer, burst mode kontrol, frekvenskontrol af en resonantkonverter, galvanisk isolation, EMC, power factor og serieforbundne forsyninger.During the last decades many researchers have turned their attention to raising the operation frequency of power converters to the very high frequency (VHF) range going from 30 MHz to 300 MHz. Increasing the operating frequency of a power converter leads to smaller energy storing components and hence smaller volume. The smaller volume comes from the passive components that scales inversely with frequency, and thereby decrease in value and size as the frequency is increased. Air-core magnetics are the preferred choice for VHF converters as there is no core losses and the selection of magnetic materials are still very limited. Ceramic capacitors are very suitable for VHF converters and with new semiconductor materials, this area will only grow in the near future.Increasing the frequency to the VHF range also increases the switching losses, there-fore soft switching techniques are used to eliminate the switching losses. The topologies used, are inspired by radio frequency amplifiers, which are used to generate high fre-quency current for an antenna. In VHF converters this antenna is replaced by a rectifier to generate a DC voltage. Driving these type of converters can be a challenge as hard gating of traditional silicon MOSFETs generates losses that are frequency depended. Several soft gating solutions have been presented that limit the losses at these fre-quencies. In this thesis, one gate drive solution is described and used for multiple implemented converters. The gate drive is self-oscillating and consists of a few passive components ensuring a low cost. This gate drive is used as both a low side gate driver for an inverter and a synchronous rectifier in a bidirectional converter achieving a peak efficiency of 80% at 37 MHz. This gate drive is also implemented with a coupled induc-tor to drive a half-bridge based converter achieving 81% efficiency at an input voltage of 80 V.The subject of this thesis is off line VHF converters, which means input voltages of several hundred volts. As most VHF topologies have relatively high voltage stresses with peak voltages reaching multiple times the input voltage, the resonant currents needed to achieve soft switching will generate high AC losses. A solution to this problem is presented in this thesis where several inverters have their input connected in series to split the high input voltage. An off-line converter build for the US mains is presented build with three inverters with a single combined rectifier. The converter designed to deliver 9 W to a 60 V LED load and is achieving an efficiency of 89.4% and a power density of 2.14 W3 . The development of this converter proof that offline VHF converter can be implemented with high efficiencies even for low power applications.VHF converters are also subject to EMC regulations and the need for galvanic isolation as well as other standards. Galvanic isolation is usually implemented with transform-ers, however as mentioned earlier there are only limited magnetic materials for the VHF range. In this thesis PCB transformers are described together with the possibility of using capacitors as the power galvanic isolation, both methods of creating galvanic isolation are implemented in converters. Regarding EMC a series of converters with different filter implementations are examined. The results from the conducted mea-surement from 150 kHz to 30 MHz shows no peaks as the switching frequency is above the measured range. However, the radiated measurement shows high peaks with no filter, these peaks are reduced to 6 dB below the limits from EN 55022 with filtering and a EMC shield. The filter component scales with frequency, and therefore the implemented filter were still small compared to a traditional EMC filter.Due to the high frequencies of VHF converters it is difficult to use traditional pulse width modulation (PWM) control, instead the most used are burst mode (on/off) control which can be implemented with commercial available controllers. A new imple-mentation of burst mode together with a self-oscillating gate drive is presented.Another approach is frequency control where the switching frequency is controlled in respect to the output or input. A converter topology is analyzed with the first harmonic approach to evaluate the operation, and to create a new frequency control method to ensure a good power factor (PF). A prototype is implemented with the frequency control method, which achieves a PF of 0.99 and a THD of 5.68%. This is for a converter, switching at traditional frequencies, however the same method can be used for VHF converters.During this Ph.D. thesis, different areas of an offline VHF converters are described, dur-ing the project different areas have been investigated such as, gate drive, synchronous rectifiers, PCB transformers, control of a resonant converter, galvanic isolation, EMC performance, power factor and stacking of converters