Design and experimental implementation of 3.6 kW bridgeless Totem-pole PFC converter for welding machines
Author
Huang, Gansheng
Term
4. term
Education
Publication year
2022
Submitted on
2022-05-30
Pages
71
Abstract
Denne afhandling undersøger design og eksperimentel implementering af en 3,6 kW brofri Totem-pæls PFC-konverter til svejseapparater med fokus på høj virkningsgrad og god nettilpasning. Arbejdet bygger på et tidligere PLECS-design, der opfyldte krav til udgangsspænding og effekt, og adresserer tre centrale mål: (1) at etablere en taps- og virkningsgradsmodel i PLECS ved hjælp af MOSFET-databladbaserede opslagstabeller for switching- og ledetab samt termisk modellering, (2) at undersøge årsager til strømspidser omkring nul-gennemgangen (både pligtforholdets variation ved netspændingens nulpunkt og langsom reverse recovery i den langsomme switch i netbenet) og foreslå et afbødningskredsløb valideret i LTspice, og (3) at gennemføre eksperimentel verifikation via opdeling i tre print (strøm-, gatedriver- og kontrolprint) med praktiske hensyn som indløbsstrømsbegrænsning med NTC, valg af halvbro-gatedriver, bootstrap-forsyning, dead-time- og gate-modstandsdimensionering, samt nul-gennemgangs- og polaritetsdetektering. Kontrolsløjfen omkring den analoge ICE1PCS01-controller genindstilles med støtte fra MATLAB, og simuleringer i LTspice anvendes til at forudsige forventede bølgeformer for sammenligning med laboratoriemålinger. Afhandlingen præsenterer en samlet metode fra modelbaseret tabsestimering til kredsløbsdesign og PCB-implementering for en Totem-pæls PFC-front-end til svejseudstyr; de endelige virkningsgrader og eksperimentelle resultater beskrives og sammenholdes med simuleringer, hvor det er relevant i rapportens senere kapitler.
This thesis addresses the design and experimental implementation of a 3.6 kW bridgeless totem‑pole PFC converter for welding machines, targeting high efficiency and compliant grid behavior. Building on a prior PLECS design that met output voltage and power requirements, the work pursues three objectives: (1) developing a PLECS loss and efficiency model using MOSFET datasheet‑based lookup tables for switching and conduction losses with thermal modeling, (2) investigating zero‑crossing current spikes—attributed to duty‑ratio variation around the AC zero crossing and slow reverse recovery in the line‑frequency leg—and proposing a mitigation circuit validated in LTspice, and (3) conducting experimental verification via three dedicated PCBs (power, gate‑driver, and control) with practical measures such as inrush current limiting using an NTC thermistor, half‑bridge gate‑driver selection, bootstrap supply, dead‑time and gate‑resistor tuning, and zero‑crossing and polarity detection. The analog controller ICE1PCS01 control loop is retuned with MATLAB support, and LTspice simulations provide expected waveforms for comparison with laboratory measurements. The thesis outlines an end‑to‑end workflow from model‑based loss estimation to circuit design and PCB implementation for a totem‑pole PFC front end in welding applications; final efficiency outcomes and experimental observations are documented and compared to simulations where available in later chapters.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Documents