A High-Frequency Transformer(HFT) design for a Dual Active Bridge(DAB) converter

Technische Samenvatting: Een Ontwerp van een Hoogfrequente Transformator (HFT) voor een Dual Active Bridge (DAB) Converter

Probleemstelling
De Dual Active Bridge (DAB) converter is een cruciale topologie voor toepassingen met een hoge vermogensdichtheid, zoals elektrische voertuigen en hernieuwbare energiesystemen, en biedt bidirectionele vermogensstroom, galvanische isolatie en soft-switching mogelijkheden. De prestaties van DAB-converters zijn echter sterk afhankelijk van het ontwerp van de hoogfrequente transformator (HFT). In tegenstelling tot conventionele transformatoren, waarbij lekinductie wordt geminimaliseerd, vertrouwt de DAB-werking op specifieke lekinductiewaarden om vermistoverdracht te faciliteren en soft-switching te bereiken. Het ontwerpen van een HFT voor DAB-toepassingen brengt unieke uitdagingen met zich mee, waaronder het beheer van kern- en koperverliezen bij hoge schakelfrequenties (bijv. 100 kHz), de optimalisatie van de lekinductie voor variërende belastingscondities, en het beperken van huid- en nabijheidseffecten (skin en proximity effects) in de wikkelingen. Bovendien moet het ontwerp een balans vinden tussen thermische stabiliteit, efficiëntie en vermogensdichtheid zonder de operationele limieten van de converter in gevaar te brengen.

Methodologie
Het artikel beschrijft een systematische ontwerpmethode voor een 1 kW HFT die werkt op een schakelfrequentie van 100 kHz met een 400 V/48 V conversieverhouding. Het proces bestaat uit vier primaire fasen:

1. Specificatie en Kernselectie: Het ontwerp streeft naar een maximale lekinductie van 200 µH en beperkt de magnetiserende stroom tot 2–5% van de nominale stroom. Verschillende magnetische materialen (ferriet, nanocristallijn, amorf, Si-ijzer, permalloy, poederijzer) werden geëvalueerd op basis van kernverlies, permeabiliteit en Curie-temperatuur. Ferriet (Epcos N87) werd geselecteerd vanwege het lage kernverlies (684 mW/cm³) en de geschiktheid voor hoogfrequente werking. Drie kerngeometrieën (ETD, UI en toroidaal) werden vergeleken om de optimale vorm te bepalen op basis van de vensterruimtefactor ($W_x \leq 0,3$) en de maximale fluxdichtheid ($B_m \leq 0,2$ T).
2. Wikkelontwerp: Om huid- en nabijheidseffecten bij 100 kHz aan te pakken, werd meervoudig strengdraad (Litz-draad, AWG 33) gekozen. De individuele draadstraal werd onder de berekende huiddiepte (~0,2 mm) gehouden. Het ontwerp maakte gebruik van 40 strengen voor de primaire wikkeling en 200 strengen voor de secundaire wikkeling om stroomdichtheden van 4 A/mm² te bereiken, wat resulteerde in dwarsdoorsneden van respectievelijk 1 mm² en 5 mm².
3. Controle van Lekinductie: De lekinductie werd behandeld als een kritieke ontwerpparameter in plaats van een parasitair element dat geminimaliseerd moet worden. Verschillende wikkelarrangementen werden geëvalueerd om de doelinductie te bereiken.
4. Simulatie en Validatie: Het ontwerp werd gemodelleerd en geanalyseerd met behulp van ANSYS Maxwell (PEmag) voor 2D Finite Element Analysis (FEA) om inductie, verliezen en de verdeling van het magnetisch veld te bepalen. Validatie op circuitniveau werd uitgevoerd met LTspice om de DAB-converter te simuleren onder Single-Phase Shift (SPS) modulatie.

Belangrijkste Bijdragen

• Geoptimaliseerde Kern- en Wikkelselectie: De studie identificeert de ETD 39/20/13 kern met N87 ferrietmateriaal als de optimale keuze, waarbij een balans wordt gevonden tussen laag kernverlies en thermische stabiliteit. Het toont de effectiviteit van meervoudig strengdraad (Litz-draad) aan bij het beperken van hoogfrequente verliezen.
• Beheer van Lekinductie: Het artikel presenteert een ontwerpbenadering waarbij de lekinductie nauwkeurig wordt gecontroleerd (gericht op ~131,92 µH gerefereerd naar de HV-zijde) om stabiele bidirectionele vermistoverdracht te garanderen zonder de noodzaak voor complexe externe inductoren of dynamische aanpassingsmechanismen die in andere studies worden gevonden.
• Uitgebreide Verliesanalyse: Het werk biedt een gedetailleerde uitsplitsing van de verliezen, waarbij het totale koperverlies van 2,17 W en het gemiddelde kernverlies van 1,8 W voor de ETD-configuratie wordt berekend, wat resulteert in een totaal transformatorverlies van ongeveer 3,97 W.
• Validatie van de Ontwerpmethodologie: De research valideert het voorgestelde ontwerp door een combinatie van FEA en circuitsimulatie, waarmee wordt bevestigd dat de transformator veilig binnen de verzadigingslimieten werkt en een efficiënte koppeling behoudt.

Resultaten

• Inductiewaarden: De FEA-analyse leverde een equivalente lekinductie op van 2,06 µH (gerefereerd naar de LV-zijde) en 131,92 µH (gerefereerd naar de HV-zijde). De primaire en secundaire zelfinducties werden berekend op respectievelijk 22,42 mH en 350,36 µH.
• Verlies en Efficiëntie: Het totale transformatorverlies werd vastgesteld op 3,97 W. Het koperverlies bedroeg 2,17 W en het kernverlies 1,8 W.
• Magnetische Prestaties: De maximale fluxdichtheid werd waargenomen als ongeveer 0,18–0,19 T, ruim binnen de ontwerprestrictie van 0,2 T om verzadiging te voorkomen. De maximale fluxdichtheid in de kern was 33.008 µT.
• Stroomdichtheid: Het gebruik van Litz-draad resulteerde in een veilige stroomdichtheid van $8,746 \times 10^6$ A/m², waardoor huid- en nabijheidseffecten effectief werden geëlimineerd.
• Circuitsimulatie: LTspice-simulaties bevestigden dat de ontworpen transformator een stabiele vermistoverdracht mogelijk maakt onder SPS-modulatie, waarbij de waveforms effectieve faseverschuivende werking en een stroomverloop laten zien dat consistent is met de theoretische verwachtingen.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat dit artikel een betrouwbare, gemakkelijk voorspelbare en praktische ontwerpmethode biedt voor HFT's in DAB-converters. In tegen tegenstelling tot andere benaderingen die vertrouwen op volledig geïntegreerde ontwerpen met complexe dynamische aanpassingen of configuraties met een brede ingangsstroom, laat deze studie zien dat een standaard ETD 39/20/13 kern met geoptimaliseerde wikkelarrangementen een hoge prestatie kan leveren. Het ontwerp adresseert veelvoorkomende problemen zoals uitdagingen bij hoogspanningsisolatie en mechanische vermoeidheid geassocieerd met bewegende delen in andere ontwerpen. Door de magnetische fluxdichtheid onder de verzadigingslimieten te houden en meervoudig strengdraad (Litz-draad) te gebruiken, garandeert de voorgestelde transformator thermische stabiliteit en een hoge efficiëntie. De auteurs stellen dat dit werk een solide fundament biedt voor ingenieurs en onderzoekers die hoogwaardige vermogensdichte converterarchitecturen ontwikkelen, met name voor toepassingen die robuuste en efficiënte galvanische isolatie vereisen.