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Entwurf eines einstufigen Ladewandlers auf Basis eines LLC-Resonanzwandlers / von Lukas Keuck, M.Sc. ; Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Andreas Steimel. Paderborn, 2023
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Vorwort
Zusammenfassung & Abstract
Inhaltsverzeichnis
Motivation & Ziele der Arbeit
1 Einleitung
1.1 Zweistufige Ladewandler
1.2 Einstufige Ladewandler
1.3 Ziele & Gliederung der Arbeit
Schaltungsauslegung
2 Arbeitsbereich
2.1 Eingangsspannungsbereich
2.2 Ausgangsspannungsbereich
2.3 Beschränkung des Stromflusswinkels
2.4 Grundlage der Schaltungsauslegung
3 Auslegung des Resonanzkreises
3.1 Modellierung des Resonanzwandlers im Zeitbereich
3.1.1 Normierung
3.1.2 Schaltzustände
3.1.3 Ausgangsfilter
3.1.4 Betriebsarten
3.1.5 Numerische Lösung
3.1.6 Rechenaufwand
3.1.7 Experimentelle Verifikation
3.2 Analyse der Belastungsgrößen
3.2.1 Effektivwert des Resonanzstromes ILScycle
3.2.2 Effektivwert des Diodenstroms Ioutcycle
3.2.3 Abschaltstrom der Transistoren | iLS0 |
3.2.4 Schaltfrequenzüberhöhung fSmax/f0C
3.2.5 Spitzenspannung des Resonanzkondensators
3.2.6 Kommutierungsladung QC
3.2.7 Magnetische Hysterese-Kernbelastung
3.2.8 Fazit der Belastungsgrößenanalyse
3.3 Verlustmodellierung
3.3.1 Netz- und Ausgangs-Gleichrichter
3.3.2 Wechselrichter
3.3.3 Kondensatorverluste
4 Integrierter Transformator
4.1 Fundamentale Eigenschaften
4.2 Realisierung des Luftspalts
4.3 Wicklungsschema
4.4 Einsatz eines Streupfads
4.5 Reluktanzmatrix
4.6 Luftspaltlängen des Streupfad-Transformators
4.7 Transformatorverluste
4.7.1 Kernverlustmechanismen
4.7.2 Charakterisierung der Ferrit-Permeabilität
4.7.3 Charakterisierung der Ferrit-Permittivität
4.7.4 Wicklungsverluste
4.8 Optimierung des Streupfad-Transformators
4.8.1 Nebenbedingungen des Optimierungsproblems
4.8.2 FEM-gestützte Optimierung des Transformators
4.8.3 Dreidimensionale FEM-Simulation
4.8.4 Prototyp des Streupfad-Transformators
Regelungsentwurf
5 Systemidentifikation
5.1 Stationäre Übertragungskennlinie
5.2 Dynamisches Verhalten
6 PFC-Regelung
6.1 Einschleifige PI-Regelung
6.2 Hysterese-Regelung
6.3 Kaskaden-Regelung und simulative Erprobung
6.4 Erweiterung der Hysterese-Regelung
6.5 Experimentelle Verifikation
6.5.1 Messergebnisse
Labormuster
7 Funktionsmuster
7.1 Bauteilauswahl
7.2 Verlustleistung und Effizienz
8 Prototyp
8.1 Isolationskoordination
8.2 Gehäusekonzept
8.3 Vergleich mit kommerziellen Ladegeräten
Fazit & Ausblick
Literatur
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungen
Formelzeichen
Appendix
A Analytische Lösungen der Resonanzkreisgrößen
A.1 Normierung und Definitionen
A.2 Schaltzustände
A.2.1 Schaltzustand Cpm für leitende Dioden
A.2.2 Schaltzustand B für blockierende Dioden
A.3 Lösung der Betriebsart Cutoff
A.4 Analytische Berechnung der Stressgrößen
A.4.1 Spitzenwerte von jLS, mCS und mLP
A.4.2 Effektivwerte von jLS, mCS und mLP
B Messmittel & Labormuster
B.1 Eingesetzte Messmittel
B.2 Luft- und Kriechstrecken des Laborprototyps
B.3 Weitere Fotos der Labormuster
C Eigene Publikationen
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