Efficiency optimization of totem pole PFC with Gallium Nitride semiconductors

• Autorzy: Šír Michal , Feňo Ivan

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2021.06.07

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja wydajności przekształtnika PFC z półprzewodnikami z azotku galu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Novel Gallium Nitride wide bandgap semiconductor devices are capable of improving efficiency of power converters. This article presents a practical optimisation of GaN converter application in the totem-pole power factor conversion converter. As the bottom side cooled devices are used, the article shows integration of switching device and gate driver on a single insulated metal substrate board, attractive for high power density power supply solutions. Measured efficiency data together with analysis of losses distribution and optimization at specific operating conditions are included. Design files of printed circuit board, created in free tool KiCad, used for evaluated prototype are part of this publication.

PL

Nowatorskie urządzenia półprzewodnikowe z azotkiem galu o szerokiej przerwie energetycznej są w stanie poprawić wydajność przekształtników mocy. W artykule przedstawiono praktyczną optymalizację zastosowania konwertera GaN w przekształtniku konwersji współczynnika mocy. Ponieważ stosowane są urządzenia chłodzone od spodu, artykuł przedstawia integrację urządzenia przełączającego i sterownika bramki na pojedynczej izolowanej płycie z metalowym podłożem, co jest atrakcyjne dla rozwiązań zasilających o dużej gęstości mocy. Uwzględniono dane dotyczące zmierzonej sprawności wraz z analizą rozkładu strat i optymalizacją w określonych warunkach pracy.

Słowa kluczowe

EN

power electronic; GaN; GaN totem pole; GaN efficiency optimization; GaN cooling; GaN on insulated metal substrate IMS

PL

przekształtnik; azotek galu; warunki chłodzenia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 97, nr 6
• Strony: 39--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Šír Michal

• Brno University of Technology, Department of power electrical and electronic engineering, Kolejní 2, 8561 Brno

autor

Feňo Ivan

• Bel power solutions and protection GmbH, Ackerstrasse 56, 8610 Uster

Bibliografia

• [1] D. S. Gautam, F. Musavi, D. Wager, and M. Edington, “A comparison of thermal vias patterns used for thermal management in power converter”, 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, pp. 2214-2218, 2013.
• [2] C. Negrea, P. Svasta, G. Chindris, and D. Pitica, “Modeling of thermal via heat transfer performance for power electronics cooling”, 2011 IEEE 17th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME), pp. 107-110, 2011.
• [3] J. L. Lu, R. Hou, D. Chen, and D. Pitica, “Opportunities and design considerations of GaN HEMTs in ZVS applications”, 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 880-885, 2018.
• [4] P. Skarolek, J. Lettl, G. Chindris, and D. Pitica, “GaN Transistors Cooling Options Comparison”, 2011 IEEE 17th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME), pp. 323-326, 2019.
• [5] C. Sørensen et al., "Conduction, reverse conduction and switching characteristics of GaN E-HEMT," 2015 IEEE 6th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Aachen, 2015, pp. 1-7, doi: 10.1109/PEDG.2015.7223051.
• [6] F. Xue, R. Yu, S. Guo, W. Yu and A. Q. Huang, "Loss analysis of GaN devices in an isolated bidirectional DC-DC converter," 2015 IEEE 3rd Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Blacksburg, VA, 2015, pp. 201-205, doi: 10.1109/WiPDA.2015.7369261.
• [7] R. Hou, Y. Shen, H. Zhao, H. Hu, J. Lu and T. Long, "Power Loss Characterization and Modeling for GaN-Based Hard-Switching Half-Bridges Considering Dynamic on-State Resistance," in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 6, no. 2, pp. 540-553, June 2020, doi: 10.1109/TTE.2020.2989036.
• [8] R. Hou, J. Xu and D. Chen, "A multivariable turn-on/turn-off switching loss scaling approach for high-voltage GaN HEMTs in a hard-switching half-bridge configuration," 2017 IEEE 5th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Albuquerque, NM, 2017, pp. 171-176, doi: 10.1109/WiPDA.2017.8170542.
• [9] M. Šír and I. Feňo, “Cooling of minimized surface-mount packages in power electronics applications”, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, vol. 2020, no. 11, pp. 155-160, 2020.
• [10] M. Sir and I. Feno, “Measurement Method for the Dynamic On State Resistance of GaN Semiconductors”, 2018 2nd European Conference on Electrical Engineering and Computer Science (EECS), pp. 543-546, 2018.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).