Konzeption eines Vierquadrantennetzteiles in Klasse-D Topologie

Abstract

Inhalt dieser Masterarbeit ist der theoretische Entwurf eines Vierquadrantennetzteiles für leitungsgebundene Tests der elektromagnetischen Verträglichkeit angelehnt an MIL-STD-461E (CS101). Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es, ein tragbares System basierend auf einem verlustarmen Schaltwandler mit einem einstellbaren Ausgangsspannung von -2 Volt bis 56 Volt bei einem Ausgangsstrom von -15 Ampere bis 35 Ampere zu entwickeln. Daraus ergibt sich eine maximale Ausgangsleistung von 1960 Watt. Zudem ist eine weitere Anforderung, dass die genannten Spezifikationen in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis einschließlich 100 kHz eingehalten werden müssen. Hierfür werden verschiedene Klasse-D Schalttopologien verglichen und ein Multiphasen-Verstärker mit Phasenstromregelung bestimmt. Alle für den Schaltwandler benötigten Bauelemente werden speziell für diese Anwendung ausgelegt und ausgewählt. Für diese Topologie wird eine Peak-Current Regelung modelliert, anschließend in MATLAB und LTSPICE IV simuliert und gegeneinander verglichen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Auslegung des Schaltwandlers zum Erhalt eines hohen Wirkungsgrades. Basierend auf den berechneten Systemverlusten resultiert ein theoretischer maximaler Wirkungsgrad von 98,14 %. Dieser wird durch den Einsatz von Gallium-Nitrid-Transistoren erreicht, welche in dieser Arbeit mit Silizium-Transistoren verglichen werden. Des Weiteren werden zur Kommunikation und Fernsteuerung dieses Systems diverse digitale Schnittstellen benötigt. Auf Basis dieser Arbeit soll es zukünftig möglich sein, ein kompaktes System zur vollautomatischen Messung nach MIL-STD-461E (CS101) zu realisieren.