Hocheffizienter DC/DC-Wandler auf Basis von GaN-Leistungsschaltern für Hochleistungs-Leuchtdioden im Kraftfahrzeug

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten zur Maximierung der Effizienz von stromregelnden DC/DC-Wandlern für den Betrieb von Hochleistungs-LEDs in PKW-und Motorrad-Beleuchtungseinrichtungen untersucht, mit dem Ziel, das Gewicht und den Energieverbrauch der Steuergeräte zu reduzieren und so zu dem stetigen Bestreben der Minimierung der Gesamtfahrzeugemissionen beizutragen. Dafür werden verschiedene, teils sequenziell aufbauende Maßnahmen in Topologie, Bauelementen, Dimensionierung und Betriebsart betrachtet. Eine grundlegende Herausforderung für die Auslegung der Schaltung stellt dabei deren universelle Verwendbarkeit als Gleichteil in einem großen Bereich an Ausgangsstrom und -spannung in den individuellen Scheinwerfersystemen der verschiedenen Fahrzeugderivate dar. Die Grundlage für die Verringerung der Verlustleistung bildet die Vereinfachung der Schaltreglertopologie hinsichtlich des Bauteilaufwands. Dies wird durch die Versorgung der Schaltung aus dem 48 V-Energiebordnetz und die Verwendung der Topologie des Tiefsetzstellers erreicht. Elementarer Anteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wirksamkeit des Einsatzes neuartiger Galliumnitrid-Leistungsschalter (GaN-HEMTs) anstelle der konventionellen Silizium-MOSFETs, was zunächst an Hand von Berechnungen und schaltungstechnischen, parasitärbehafteten und zeitvarianten Simulationen durchgeführt wird. Bereits bei herkömmlichen Schaltfrequenzen und hartgeschaltetem Betrieb können signifikante Verbesserungen des Wirkungsgrades erreicht werden. Weitergehend wird der Nutzen der durch die GaN-Transistoren ermöglichten höheren Schaltfrequenzen eruiert. Die um bis zu Faktor 20 erhöhte Schaltfrequenz macht den Einsatz einer resonanten Betriebsart (Zero-Voltage-Switching) und einer Luftspule als Hauptinduktivität notwendig. Auf Steuergeräteebene kann somit die Verlustleistung auf unter ein Drittel reduziert werden, was zudem ein deutlich einfacheres und kompakteres Gehäuse ermöglicht, wodurch das Gesamtgewicht etwa halbiert werden kann. Abschließend wird die Schaltung in einem Prototypen praktisch umgesetzt und die Funktionsfähigkeit im ZVS-Betrieb bei Schaltfrequenzen von bis zu 10 MHz verifiziert.This thesis deals with the research of possibilities for maximising efficiency of current-regulating DC/DC-Converters for driving high-power-LEDs in passenger-car- and motorcycle-lighting-devices. The ambition is to reduce weight and energy-consumption of the electronic-control-units, to contribute to reach the continuously decreasing target-values for vehicle-emissions. Therefor different approaches in topology, components, design and operating mode are considered. A key-challenge for the circuit-design is the common-part-strategy for usage in many individual vehicle-headlamp-systems with a wide range of output-current and LED-string-voltages. Basis for the reduction of power-losses is the simplification of the converters topology in terms of quantity of components. This is achieved by using the 48 V -vehicle-electrical-system as voltage-supply and a step-down-topology. Mainpart of this research is about the potential benefits of applying novel Galliumnitride High-electron-mobility-transistors (GaN-HEMTs) instead of silicon MOS-FETs. Initially this is done by calculations and parasitic-afflicted, timevariant circuit-simulations. Already in hardswitching operation under conventional switching-frequencies significant improvements in converter-efficiency can be achieved. Furthermore the advantages of higher switching-frequencies, offered by the GaN-transistors, are investigated. Up to 20 times higher switching-frequencies necessitate a resonant operating mode of the circuit (Zero-voltage-switching) and the use of an aircoil as main-inductor. On ECU-level power-losses can be reduced down to less than one third, which enables a more simplified and compact housing-concept, so that the overall weight can drop to about the half. Finally the designed circuit is build up in a prototype and the functional capability is verified in ZVS-mode with up to 10 MHz switching-frequency