High power density, high power, electronic DC converters (EMVT 02206)

Titel
Supercompacte DC/DC vermogensomzetter (EMVT 02206)

Het volume van vermogensomzetters is een struikelblok voor de toepassing in voertuigen op land en ter zee. De Technische Universiteit Delft werkt met succes aan een supercompacte DC/DC omzetter van 50 kW.

Treinen en trams krijgen hun voeding uit de bovenleiding op een spanningsniveau dat hoger ligt dan voor de meeste toepassingen aan boord nodig is. Datzelfde geldt voor schepen die aan de wal liggen. De externe spanning moet daarom eerst tot een lagere spanning worden geconverteerd. Vermogensomzetters zijn echter groot en zwaar. Vanuit de industrie is daarom grote behoefte aan compacte en efficiënte vermogensomzetters. De TU Delft heeft een prototype 50 kW DC/DC omzetter met hoge vermogensdichtheid ontwikkeld die een factor tien kleiner is dan met conventionele technieken haalbaar zou zijn.

Innovatieve topologie
Het realiseren van hoge vermogensdichtheid concentreert zich op de beperking van verliezen, kleinere passieve componenten en een geavanceerd thermisch management. Promovendus Martin Pavlovsky is onder leiding van prof.dr. J. Ferreira en ir. S. de Haan begonnen met het ontwerp van een nieuwe topologie. Schakelverliezen zijn het belangrijkste item bij topologieën die werken bij hoge frequenties. De grootste verliezen treden op bij halfgeleiders, met name tijdens het in- en uitschakelen. Tot nu toe moest een keuze gemaakt worden tussen Zero Voltage Switching (ZVS) en Zero Current Switching (ZCS). Bij de eerste topologie blijven de schakelverliezen bij inschakelen tot een minimum beperkt. Bij Zero Current Switching worden de verliezen bij het uitschakelen geminimaliseerd ten gunste van schakelverliezen. De onderzoekers zijn erin geslaagd deze twee topologieën te combineren tot een ZVS, Quasi ZCS omzetter. Door sturing op minimale schakelverliezen en efficiënte energieoverdracht treden bijna geen verliezen op. Alles heeft zijn prijs.

Bij dit principe fluctueert de spanning aan de uitgang bij veranderende belasting. Dit bezwaar is overkomelijk door de DC/DC omzetter tussen twee AC/DC omzetters te plaatsen die de spanning regelen.

De nieuwe topologie maakt hoogfrequente schakeling mogelijk zonder de bijbehorende hoge schakelverliezen. Hierdoor kunnen de afmetingen van passieve componenten als transformatoren en condensatoren gereduceerd worden.

Compacte transformator
Naast een nieuwe topologie heeft Pavlovsky het elektromagnetisch en thermisch ontwerp van de omzetter integraal benaderd. De transformator heeft een kern van amorf metaal omwille van een hogere elektrische weerstand, minder wervelstroomverliezen en betere thermische geleidbaarheid. Hierdoor kan de transformator compacter worden. Daarnaast is gekozen voor wikkelingen van folie vanwege hun goede thermische eigenschappen bij hoge stromen. Voor het wikkelen is de nieuwe methode ‘partial interleaving’ toegepast. Daarbij worden primaire wikkelingen gedeeltelijk overlapt door secundaire wikkelingen. Dit reduceert de verliezen. Een ander aspect is de vergroting en beheersbaarheid van de lekinductantie van de transformator. Hiertoe is een magnetische polymeer tussen de wikkelingen aangebracht. Dit polymeer neemt minder ruimte in beslag dan bijvoorbeeld keramische materialen.

Thermisch management
De thermische huishouding is bij alle elektronica een probleem en bij vermogenselektronica in het bijzonder door de ongunstige verhouding tussen oppervlak en volume. Grote koelers zijn noodzakelijk om de warmte af te voeren. De Delftse onderzoekers hebben de thermische huishouding verbeterd door ‘heatpipes’ tussen de windingen aan te brengen die de warmte afvoeren naar de koelers. Verder is gekozen voor een kernmateriaal dat de warmte goed geleidt. De warmte uit de kern wordt afgevoerd door een directe koppeling aan die koelers.

Verlies door polymeer
Om de functionaliteit te testen is een eerste prototype ontwikkeld,een bak met een inhoud van zo’n 36 liter (1.4 kW/l). Een onverwachte tegenvaller was het energieverlies door extra wervelstromen aan de rand van de wikkelingen als gevolg van het magnetische polymeer. Hierdoor raken de wikkelingen oververhit bij een vermogen van meer dan 30 kW. Een oplossing is waarschijnlijk om het polymeer iets buiten de wikkelingen te laten uitsteken. Deze oplossing wordt in het tweede prototype onderzocht. In dit tweede prototype worden alle componenten ruimtelijk geïntegreerd in een volume van 7.5 l bij een vermogen van 50 kW (13 kW/l).

Waardevol
‘Met een combinatie van innovatieve concepten zijn we erin geslaagd een supercompacte 50 kW DC/DC omzetter te ontwikkelen met een zeer hoge vermogensdichtheid en hoge efficiency’, concludeert Ferreira. ‘Zo’n omzetter is overal van waarde waar volume en gewicht beperkende factoren zijn. Bovendien scheelt een compacte bouw in materiaalkosten.’ De industrie is zeer geïnteresseerd in het onderzoek. Zo neemt de TU Delft deel aan projecten van de Nederlandse en Duitse industrie teneinde de kennis over DC/DC omzetters te commercialiseren. Dankzij dit en andere projecten participeert de TU Delft bovendien in het European Center for Power Electronics, een topinstituut met tien instellingen dat productieprocessen van vermogensomzetters wil verbeteren.

Uitvoerders
Technische Universiteit Delft, faculteit Informatie Technologie en Systemen, vakgroep Energietechniek / EPP
prof.dr. J.A. Ferreira
ir. S.W.H. de Haan
ir. M. Pavlovsky

Onderzoeksperiode
Mei 2002 – mei 2006.