Impact of Power Density Maximization on Efficiency of DC–DC Converter Systems

The  demand  for  decreasing  costs  and  volume  leadsto  a  constantly  increasing  power  density  of  industrial  convertersystems.  In  order  to  improve  the  power  density,  further  different  aspects,  like  thermal  management  and  electromagnetic  effects,must  be  considered  in  conjunction  with  the  electrical  design.  Therefore,  a  comprehensive  optimization  procedure  based  on  analyticalmodels  for  minimizing  volume  of  dc–dc  converter  systems  has  beendeveloped  at  the  Power  Electronic  Systems  Laboratory  of  the  SwissFederal  Institute  of  Technology  (ETH  Zurich).  Based  on  this  procedure,  three  converter  topologies—a  phase-shift  converter  withcurrent  doubler  and  with  capacitive  output  filter  and  a  series–parallel  resonant  converter—are  optimized  with  respect  to  powerdensity  for  a  telecom  supply  (400  V/48  V).  There,  the  characteristic  of  the  power  density,  the  efficiency,  and  the  volume  distributionbetween  the  components  as  functions  of  frequency  are  discussed.For  the  operating  points  with  maximal  power  density,  the  lossdistribution  is  also  presented.  Furthermore,  the  sensitivity  of  theoptimum  with  respect  to  junction  temperature,  cooling,  and  corematerial  is  investigated.  The  highest  power  density  is  achieved  bythe  series–parallel  resonant  converter.  For  a  5-kW  supply,  a  density  of  approximately  12  kW/L  and  a  switching  frequency  of  ca.130  kHz  are  obtained.