Published January 1, 2023
| Version v1
Publication
Open
Optimization and Design Considerations of GaN-Based Multi-Level TP PFC Converters
- 1. Trakya University
- 2. Istanbul Technical University
Description
Latest developments in low voltage wide-bandgap semiconductor technology have increased the popularity of single-phase multi-level (ML) totem pole (TP) power-factor correction (PFC) converters. Phase shifted flying capacitor based power stages offer several advantages, such as higher input current ripple frequency, smaller size inductor and differential mode (DM) filter, and usage of low voltage Gallium Nitride (GaN) devices with better figure-of-merit. Even though it has been proven that ML TP PFC converters have good power density and efficiency, the determination of optimal voltage levels and switching frequency requires a system-level optimization. This paper proposes an optimization framework for ML TP PFC converters, taking the power stage, thermal, DM filter, and magnetic designs, as well as practical design considerations, into account to determine the voltage-levels and switching frequency that minimize the power losses, cost and volume of the total system. To process output power of 3700W, the optimization tool suggests using a 4-Level GaN TP PFC topology switched at 45 kHz. The outcome of the tool has been compared with other fixed inductor current ripple designs, as well as optimized designs for 3-Level and 5-Level TP PFC converters in terms of cost, volume, and power losses. In accordance with the optimization results, a prototype of a 4L TP PFC rated at 3700 W is designed, which achieves a peak efficiency of 99.6% at 1 kW and> 99.1% efficiency under the full power range.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
أدت أحدث التطورات في تكنولوجيا أشباه الموصلات ذات النطاق الترددي الواسع ذات الجهد المنخفض إلى زيادة شعبية محولات تصحيح عامل القدرة (PFC) ذات القطب الطوطمي أحادي الطور متعدد المستويات. توفر مراحل الطاقة القائمة على مكثف الطيران المتغير الطور العديد من المزايا، مثل تردد تموج تيار الدخل العالي، ومرشح الحث والوضع التفاضلي الأصغر حجمًا (DM)، واستخدام أجهزة نيتريد الغاليوم ذات الجهد المنخفض (GaN) ذات شكل أفضل من حيث الجدارة. على الرغم من أنه قد ثبت أن محولات ML TP PFC تتمتع بكثافة وكفاءة طاقة جيدة، إلا أن تحديد مستويات الجهد الأمثل وتردد التبديل يتطلب تحسينًا على مستوى النظام. تقترح هذه الورقة إطارًا مثاليًا لمحولات ML TP PFC، مع أخذ مرحلة الطاقة والحرارية ومرشح DM والتصاميم المغناطيسية، بالإضافة إلى اعتبارات التصميم العملية، في الاعتبار لتحديد مستويات الجهد وتردد التبديل التي تقلل من خسائر الطاقة والتكلفة وحجم النظام الإجمالي. لمعالجة طاقة الخرج البالغة 3700 واط، تقترح أداة التحسين استخدام طوبولوجيا GaN TP PFC رباعية المستويات عند 45 كيلو هرتز. تمت مقارنة نتيجة الأداة مع تصميمات تموج التيار المحث الثابت الأخرى، بالإضافة إلى التصميمات المحسنة لمحولات TP PFC ثلاثية المستويات وخماسية المستويات من حيث التكلفة والحجم وفقدان الطاقة. وفقًا لنتائج التحسين، تم تصميم نموذج أولي من 4L TP PFC مصنفة عند 3700 واط، والتي تحقق أعلى كفاءة بنسبة 99.6 ٪ عند 1 كيلو واط و> 99.1 ٪ كفاءة تحت نطاق الطاقة الكامل.Translated Description (French)
Les derniers développements dans la technologie des semi-conducteurs à large bande interdite à basse tension ont accru la popularité des convertisseurs de correction de facteur de puissance (PFC) monophasés multi-niveaux (ML) à pôle totem (TP). Les étages de puissance basés sur des condensateurs volants déphasés offrent plusieurs avantages, tels qu'une fréquence d'ondulation de courant d'entrée plus élevée, une inductance de plus petite taille et un filtre à mode différentiel (DM), et l'utilisation de dispositifs au nitrure de gallium (GaN) basse tension avec une meilleure figure de mérite. Même s'il a été prouvé que les convertisseurs ML TP PFC ont une bonne densité de puissance et un bon rendement, la détermination des niveaux de tension optimaux et de la fréquence de commutation nécessite une optimisation au niveau du système. Cet article propose un cadre d'optimisation pour les convertisseurs ML TP PFC, en prenant en compte les conceptions de l'étage de puissance, thermique, du filtre DM et magnétique, ainsi que des considérations pratiques de conception, pour déterminer les niveaux de tension et la fréquence de commutation qui minimisent les pertes de puissance, le coût et le volume du système total. Pour traiter une puissance de sortie de 3700W, l'outil d'optimisation suggère d'utiliser une topologie PFC GaN TP à 4 niveaux commutée à 45 kHz. Le résultat de l'outil a été comparé à d'autres conceptions d'ondulation de courant d'inductance fixe, ainsi qu'à des conceptions optimisées pour les convertisseurs TP PFC à 3 et 5 niveaux en termes de coût, de volume et de pertes de puissance. Conformément aux résultats d'optimisation, un prototype d'un PFC 4L TP évalué à 3700 W est conçu, qui atteint un rendement de crête de 99,6 % à 1 kW et un rendement > 99,1 % dans toute la gamme de puissance.Translated Description (Spanish)
Los últimos desarrollos en la tecnología de semiconductores de banda ancha de bajo voltaje han aumentado la popularidad de los convertidores de corrección de factor de potencia (PFC) de polo tótem (TP) de múltiples niveles (ML) monofásicos. Las etapas de potencia basadas en condensadores voladores con desplazamiento de fase ofrecen varias ventajas, como una mayor frecuencia de ondulación de la corriente de entrada, un inductor de menor tamaño y un filtro de modo diferencial (DM), y el uso de dispositivos de nitruro de galio (Gan) de bajo voltaje con una mejor figura de mérito. A pesar de que se ha demostrado que los convertidores ML TP PFC tienen una buena densidad de potencia y eficiencia, la determinación de los niveles óptimos de voltaje y la frecuencia de conmutación requiere una optimización a nivel del sistema. Este documento propone un marco de optimización para los convertidores ML TP PFC, teniendo en cuenta los diseños de etapa de potencia, térmico, filtro DM y magnético, así como consideraciones prácticas de diseño, para determinar los niveles de voltaje y la frecuencia de conmutación que minimizan las pérdidas de potencia, el costo y el volumen del sistema total. Para procesar una potencia de salida de 3700 W, la herramienta de optimización sugiere utilizar una topología de PFC GaN TP de 4 niveles conmutada a 45 kHz. El resultado de la herramienta se ha comparado con otros diseños de ondulación de corriente de inductor fijo, así como con diseños optimizados para convertidores TP PFC de 3 y 5 niveles en términos de pérdidas de costo, volumen y potencia. De acuerdo con los resultados de optimización, se diseña un prototipo de un PFC 4L TP con una potencia nominal de 3700 W, que logra una eficiencia máxima del 99,6% a 1 kW y una eficiencia > 99,1% en el rango de potencia total.Files
10123383.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:30fc54dc97e37986f9b2c810f3d165a0
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- اعتبارات التحسين والتصميم لمحولات TP PFC متعددة المستويات القائمة على GaN
- Translated title (French)
- Considérations relatives à l'optimisation et à la conception des convertisseurs TP PFC multiniveaux à base de GaN
- Translated title (Spanish)
- Consideraciones de optimización y diseño de convertidores PFC TP multinivel basados en GaN
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4376480414
- DOI
- 10.1109/access.2023.3275751
References
- https://openalex.org/W2075891646
- https://openalex.org/W2100260207
- https://openalex.org/W2158089363
- https://openalex.org/W2160880181
- https://openalex.org/W2344741576
- https://openalex.org/W2402508918
- https://openalex.org/W2568718119
- https://openalex.org/W2614964527
- https://openalex.org/W2888636274
- https://openalex.org/W2907202235
- https://openalex.org/W2907616637
- https://openalex.org/W2947243018
- https://openalex.org/W2976239044
- https://openalex.org/W2989735089
- https://openalex.org/W2990029268
- https://openalex.org/W3037627648
- https://openalex.org/W3092159877
- https://openalex.org/W3096651264
- https://openalex.org/W3119486531
- https://openalex.org/W3120525743
- https://openalex.org/W3185253891
- https://openalex.org/W3208150205
- https://openalex.org/W4280545234
- https://openalex.org/W4293150295
- https://openalex.org/W4309160732
- https://openalex.org/W4309965729
- https://openalex.org/W4324125437