Switched Mode Power Supplies

Tato práce se zabývá problematikou spínaných zdrojů na rezonančním principu spolu s dosažením vysoké účinnosti. V rámci práce je popsáno několik způsobů optimalizace spínaného zdroje pro dosažení vysoké účinnosti. Především to jsou spínací prvky nové generace založené na materiálu SiC a rezonanční topologie k dosažení významné minimalizace spínacích ztrát. Vybraná topologie sériového rezonančního měniče je dále detailně simulována a poté i prakticky realizována se zaměřením na vysokou účinnost. Hlavní náplň práce spočívá v návrhu a realizaci zdroje spolu s vybranými řídicími algoritmy a jejich srovnáním. Při návrhu a realizaci zdroje jsou řešeny problémy spojené s použitím nové generace SiC MOSFET tranzistorů v TO-247-4L pouzdře. Pro vyřešení této problematiky byl vyvinut budič speciálně pro SiC MOSFET 3. generace od firmy Cree, který je schopen pracovat se spínací frekvencí v řádech stovek kHz a odolávat přitom velmi vysokým strmostem napětí na ovládaných tranzistorech. Další důležitou součástí vyvinutého budiče je nastavitelná velmi rychlá nadproudová ochrana. Tato ochrana reaguje velmi rychle ve stovkách nanosekund a je schopná ochránit spínaný zdroj i v případě tvrdého zkratu ve větvi. V rámci práce byl postaven a oživen funkční vzorek sériového rezonančního měniče. Tento spínaný zdroj je založen na třetí generaci SiC MOSFET tranzistorů od Cree v moderním pouzdře TO-247-4L, které výrazně překonává klasické pouzdro TO-247-3. Pro tento měnič bylo nutné vyvinout jak regulační schéma, tak sledování rezonanční frekvence pro využití rezonančního principu měniče na maximální možnou míru. Výsledkem práce je 3 kW měnič s regulovatelným výstupním napětím při zachování vysoké účinnosti 96%.This thesis deals with switched mode power supplies based on resonant principle to achieve high efficiency. Several ways of switched mode power supplies optimalisation are described as part of the work to achieve better efficiency. Priparily, the new generation of switching elements based on SiC and resonant topology are used to achieve significant switching loss minimization. The selected resonant topology is simualted in detail and then built with focus on high efficiency. The main content of the work consists in the design and realization of the switched mode power supply with selected control algorithms and their comparison. The problems associated with usage of new SiC MOSFET generation in TO-247-4L package are being solved within the design and implementation of the power source. To solve the main problems, new 3rd SiC MOSFET gate driver was developer for working with switching frequencies in hundreds of kHz and resisting very high voltage stress on the controlled transistor. The next part of the gate driver is the overcurrent protection. The overcurrent limit can be set easily by changing one component. This protection reacts very quickly in hundreds of nanoseconds, so it is capable of saving the converter even in branch failure and going to hard short circuit. The functional sample of the series resonant converter was built and revated in the work. The converter based on 3. Generation of SiC MOSFET transistors from Cree in a modern case TO-247-4L was built. For this inverter, it was also necessary to develop both the control scheme and the resonance frequency tracking to achieve accurate switching and thus achieve the use of the resonant principle of the converter to the maximum extent possible. The result of this work is up to 3 kW converter with adjustable output voltage while maintaining high efficiency up to 96%.