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

技术摘要：用于双主动全桥（DAB）变换器的变频变压器（HFT）设计

问题陈述
双主动全桥（DAB）变换器是电动汽车和可再生能源系统等高功率密度应用中的关键拓扑结构，具有双向功率流、电气隔离和软开关特性。然而，DAB 变换器的性能高度依赖于高频变压器（HFT）的设计。与旨在最小化漏感性的传统变压器不同，DAB 的运行依赖于特定的漏感值来实现功率传输并实现软开关。为 DAB 应用设计 HFT 面临独特的挑战，包括管理高开关频率（例如 100 kHz）下的铁损和铜损、优化不同负载条件下的漏感性，以及减轻绕组中的趋肤效应和邻近效应。此外，设计必须在不损害变换器运行极限的情况下，平衡热稳定性、效率和功率密度。

方法论
本文概述了一种针对 1 kW、工作频率为 100 kHz、电压转换比为 400 V/48 V 的 HFT 的系统化设计方法。该过程包含四个主要阶段：

1. 规格确定与磁芯选择： 设计目标为最大漏感 200 µH，并将励磁电流限制在额定电流的 2–5%。研究评估了多种磁性材料（铁氧体、纳米晶、非晶合金、硅铁、坡莫合金、铁粉）的特性，包括铁损、磁导率和居里温度。最终选择了铁氧体（Epcos N87），因其具有低铁损（684 mW/cm³）且适用于高频运行。通过对比三种磁芯几何形状（ETD、UI 和 Toroidal）来确定最优形状，考虑因素包括窗口填充系数（$W_x \leq 0.3$）和最大磁通密度（$B_m \leq 0.2$ T）。
2. 绕组设计： 为了应对 100 kHz 下的趋肤效应和邻近效应，选择了多股利兹线（AWG 33）。单个股线的半径保持在计算出的趋肤深度（约 0.2 mm）以下。设计中原边绕组使用 40 股，副边使用 200 股，以实现 4 A/mm² 的电流密度，从而分别获得 1 mm² 和 5 mm² 的横截面积。
3. 漏感控制： 漏感性被视为一个关键设计参数，而非需要被最小化的寄生参数。通过评估各种绕组排列方式来实现目标电感。
4. 仿真与验证： 使用 ANSYS Maxwell (PEmag) 进行二维有限元分析（FEA），以确定电感、损耗和磁场分布。电路级验证则使用 LTspice 在单相移（SPS）调制模式下对 DAB 变换器进行仿真。

核心贡献

• 优化的磁芯与绕组选择： 研究确定了 ETD 3 9/20/13 磁芯配合 N87 铁氧体材料是最佳选择，平衡了低铁损和热稳定性。研究证明了多股利兹线在减轻高频损耗方面的有效性。
• 漏感管理： 本文提出了一种精确控制漏感性的设计方法（目标为折算至高压侧的 ~131.92 µH），以确保稳定的双向功率传输，无需使用其他研究中常见的复杂外部电感或动态调节机制。
• 全面的损耗分析： 本研究提供了详细的损耗分解，计算出在 ETD 配置下总铜损为 2.17 W，平均铁损为 1.8 W，导致总变压器损耗约为 3.97 W。
• 设计方法的验证： 通过结合有限元分析（FEA）和电路仿真，验证了所提出的设计，确认了变压器在饱和限制内安全运行并保持高效耦合。

结果

• 电感值： FEA 分析得出等效漏感性为 2.06 µH（折算至低压侧）和 131.92 µH（折算至高压侧）。原边和副边的自感值分别为 22.42 mH 和 350.36 µH。
• 损耗与效率： 总变压器损耗确定为 3.97 W。其中铜损为 2.17 W，铁损为 1.8 W。
• 磁性能： 最大磁通密度观察到约为 0.18–0.19 T，远低于 0.2 T 的设计约束，以防止饱和。磁芯中的最大磁通密度为 33,008 µT。
• 电流密度： 使用利兹线实现了 $8.746 \times 10^6$ A/m² 的安全电流密度，有效消除了趋肤效应和邻近效应。
• 电路仿真： LTspice 仿真证实，所设计的变压器能够在 SPS 调制下实现稳定的功率传输，波形显示出有效的移相操作，且电流流动符合理论预期。

意义与主张
作者声称，本文为 DAB 变换器中的 HFT 提供了一种可靠、易于预测且实用的设计方法。与其他依赖于复杂动态调整或宽输入电流馈电的集成设计不同，本研究表明，采用优化的绕组排列配合标准的 ETD 39/20/13 磁芯即可实现高性能。该设计解决了诸如高压绝缘挑战以及其他设计中可能存在的机械疲劳问题。通过将磁通密度维持在饱和限制以下并利用多股利兹线，所提议的变压器确保了热稳定性和高效率。作者断言，这项工作为开发高功率密度变换器架构（特别是对于需要稳健且高效的电气隔离的应用）的工程师和研究人员提供了坚实的基础。