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Title
Entwurf und Aufbau eines geregelten Schaltverstärkers mit parallelen phasenversetzten SiC-Halbbrücken / von Lukas Brock
Additional Titles
Design and Implementation of a Closed-Loop Class-D Amplifier with paralleled phase-shifted SiC Half-Bridges
AuthorBrock, Lukas
CensorErtl, Johann
PublishedWien, 2018
DescriptionVII, 83 Blätter : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Diplomarbeit, 2018
Annotation
Zusammenfassung in englischer Sprache
Annotation
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageGerman
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Schaltverstärker / D-Verstärker
Keywords (EN)switch-mode amplifier / class-D amplifier
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-106996 Persistent Identifier (URN)
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Entwurf und Aufbau eines geregelten Schaltverstärkers mit parallelen phasenversetzten SiC-Halbbrücken [3.57 mb]
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Abstract (German)

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit dem Entwurf und Aufbau eines geregelten Schaltverstärkers. Durch die Parallelschaltung von zwei phasenversetzt angesteuerten Halbbrücken über eine Saugdrossel werden eine 3-Level-Charakteristik und eine Verdopplung der effektiven Schaltfrequenz erreicht, womit der Ausgangsspannungsrippel signifikant reduziert wird. Ein einstufiges LC-Filter dient der Unterdrückung der schaltfrequenten Harmonischen. Als Halbleiterventile kommen SiC-MOSFETs zum Einsatz, resultierend in geringen Schalt- wie auch Leitverlusten. Alle Leistungskomponenten werden sorgfältig hinsichtlich Strom-/Spannungsbelastungen und Verlusten dimensioniert. Ohne spezielle Maßnahmen würde der Frequenzgang des Verstärkers infolge der Resonanz des LC-Filters eine ausgeprägte Resonanzüberhöhung zeigen bzw. diese die Stabilität der Ausgangsspannungsregelung beeinträchtigen. Aus diesem Grund wird eine Methode der aktiven Dämpfung des LC-Filters mittels Kondensatorstrom-Rückführung implementiert. Der Ausgangsspannungsregelkreis des Verstärkers wird so entworfen, dass die Dynamik einem Butterworth-Filter 2-ter Ordnung entspricht. Zusätzlich wird ein Regler zur Symmetrierung der Saugdrosselströme entwickelt, welcher die gleichmäßige Belastung der beiden Halbbrücken gewährleistet und die Sättigung der Saugdrossel verhindert. Abschließend wird die Funktionalität und gute Qualität des entworfenen und aufgebauten Schaltverstärkers durch Messungen demonstriert.

Abstract (English)

This diploma thesis is focused on the analysis, design and implementation of a closed-loop Class-D switch-mode amplifier. By parallel connection of two half-bridges operated in interleaved PWM mode via an interphase transformer a 3-level characteristic and a doubling of the effective switching frequency are achieved which significantly reduces the amplifiers output voltage ripple. A single-stage LC filter is used to reject the switching frequency components of the PWM stage. As semiconductor switches SiC-MOSFETs are utilized resulting in low switching and on-state losses. The power circuit components are dimensioned carefully considering current and voltage stress and appearing losses. Without specific precautions the frequency response of the amplifier would show excessive peaking originating from the LC-filters resonance and the stability of the output voltage control may be impaired in a severe manner. Therefore, an active damping method based on filter capacitor current feed-back is implemented. The output voltage control loop is designed such that the amplifiers dynamic response shows a second order Butterworth characteristic. Furthermore, a current balancing controller for the interphase transformer is developed guaranteeing load sharing of the two half bridge stages and preventing core saturation. Finally, measurements on the designed and implemented Class-D amplifier are presented demonstrating the functionality and good output voltage performance of the system.

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