Трехфазный резонансный преобразователь WBG, интегрированный с трансформатором обмотки печатной платы

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня. В данной статье был проведен эксперимент по оценке производительности трехфазного двунаправленного резонансного преобразователя CLLC, предназначенного для внешнего зарядного устройства мощностью 12,5 кВт.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Оценка системы

Ⅱ. Оптимизация потерь в трансформаторе за счет интегрированной магнитной конструкции

Ⅲ. Результаты, полученные после эксперимента

Ⅳ. Заключение

В современной силовой электронике трехфазные резонансные преобразователи постоянного тока стали решением для мощных приложений, предлагая меньшие нагрузки на компоненты по сравнению с их однофазными аналогами той же номинальной мощности. Эта технология включает в себя различные конфигурации, наиболее распространенной из которых является простое параллельное соединение, хотя и страдает от текущих проблем совместного использования, возникающих из-за допусков компонентов. Альтернативным подходом является Y-образное соединение, обеспечивающее автоматический баланс тока, но создающее постоянное смещение постоянного тока на резонансных конденсаторах, что усложняет процедуры плавного запуска.

Рис. 1 Резонансный резервуар с Δ-соединением

Была предложена концепция трехфазного интегрированного трансформатора, использующая подавление потока для уменьшения объема сердечника. Однако это нововведение по-прежнему основано на громоздких резонансных индукторах, что ограничивает общую плотность мощности и требует создания сложных конструкций на основе литцевого провода, склонных к паразитным проблемам. Устройства WBG, такие как SiC и GaN, позволили преобразователям силовой электроники работать на гораздо более высоких частотах переключения, уменьшая необходимое количество вольт-секунд на трансформаторах и упрощая интеграцию обмоток трансформатора за счет использования печатных плат. Кроме того, резонансный преобразователь CLLC с его симметричным резонансным резервуаром, как показано на рис. 1, обеспечивает двунаправленную работу, что делает его особенно подходящим для высокочастотных операций с превосходными возможностями повышения и снижения усиления в обоих направлениях.

Ⅰ. Оценка системы

Предлагаемый трехфазный резонансный преобразователь CLLC, изображенный на рис. 2, работает с входным напряжением 800 В и выдает выходное напряжение 400 В. Для первичной стороны используются высокопроизводительные устройства SiC на 1,2 кВ, а для вторичной стороны выбраны устройства GaN на 650 В. Полумостовая конфигурация на первичной стороне требует коэффициента трансформации 1:1 для каждой фазы трансформатора. Три различных устройства SiC оцениваются на предмет их характеристик выключения в различных условиях. Экспериментально было обнаружено, что обычные SiC-устройства TO-247-3L демонстрируют значительный звон сигнала затвора во время сильноточного выключения, главным образом из-за общей индуктивной связи источника между силовым и управляющим контурами. Этот звон поднимает напряжение затвора выше порогового напряжения, что делает эти устройства непригодными для работы на высоких частотах. Напротив, устройства третьего поколения с усовершенствованными корпусами с 4 выводами демонстрируют улучшенную производительность, минимальные звонки и меньшие потери при выключении. Среди кандидатов в качестве первичной стороны выбрано устройство Gen. 3 1 кВ SiC.

Рис. 2. Трехфазный резонансный преобразователь CLLC.

На вторичной стороне выбрано устройство GaN GS66516T на 650 В от GaN Systems, чтобы минимизировать потери проводимости. Этот комплексный процесс оценки и выбора компонентов обеспечивает эффективную и надежную работу трехфазного резонансного преобразователя CLLC, отвечающего конкретным требованиям к напряжению и производительности для конкретного применения.

Ⅱ. Оптимизация потерь в трансформаторе за счет интегрированной магнитной конструкции

A. Магнитная конструкция однофазной интегрированной обмотки печатной платы. Для бортового зарядного устройства с частотой 500 кГц и мощностью 6,6 кВт предлагается новая 6-слойная структура трансформатора на основе обмотки печатной платы, как показано на рис. 3. Две из этих ячеек трансформатора соединены последовательно. на первичной стороне, в результате чего общее соотношение витков трансформатора составляет 12:6:6. Переставляя первичную и вторичную обмотки на внешних опорах и вводя дополнительную центральную опору, можно увеличить индуктивность рассеяния трансформатора, выступая в качестве резонансных индукторов с обеих сторон. Такая чередующаяся структура обмотки сводит к минимуму потери в обмотке переменного тока и позволяет точно контролировать индуктивность рассеяния путем регулировки длины воздушного зазора центральной стойки. Кроме того, весь поток рассеяния удерживается внутри центрального штыря, что позволяет избежать взаимодействия с соседними компонентами.

Рис. 3. Однофазный трансформатор с 6-слойной обмоткой печатной платы и встроенным резонансным дросселем.

B. Трехфазная интегрированная магнитная конструкция обмотки печатной платы. Для достижения более высокого уровня мощности 12,5 кВт используются три однофазных трансформатора, как показано на рис. 4, которые образуют сердечник с девятью опорами. Объединив верхнюю и нижнюю пластины, эти три трансформатора становятся единым трехфазным трансформатором. Однако эта сложная структура ядра имеет девять полюсов, и при исследовании потока ядра сдвиг фазы на 120 ° между фазами приводит к сдвигу фазы на 120 ° потока внутри трех центральных столбов, эффективно компенсируя общий поток. Это аннулирование подтверждается трехмерным моделированием методом конечных элементов (FEA), демонстрирующим незначительный поток в центральных стойках. Следовательно, структуру трансформатора можно упростить, исключив эти три центральных стойки.

Рис. 4. Трансформатор с 6-слойной обмоткой печатной платы и встроенными резонансными индукторами.

C. Модель потерь и оптимизация трехфазного трансформатора. Чтобы минимизировать потери в трансформаторе, строится модель и применяется процесс оптимизации. Размеры трансформатора, показанные на рис. 5, включают круглый стержень для уменьшения длины обмотки и фиксированное расстояние 2 мм между обмотками. Следовательно, существует всего три конструктивных параметра: ширина стержня (a), длина (b) и ширина намотки (c).

Рис. 5. Предлагаемая конструкция трехфазного трансформатора со встроенными резонансными индукторами.

Ⅲ. Результаты, полученные после эксперимента

С использованием выбранного устройства и спроектированного трехфазного интегрального трансформатора разработан прототип аппаратуры мощностью 12,5 кВт с частотой коммутации 500 кГц. Плотность мощности, включая радиатор, достигла впечатляющих 155 Вт/дюйм³, что значительно превышает аналогичный показатель однофазной версии благодаря интеграции трехфазного трансформатора.

Рис. 6. Форма рабочего сигнала при выходном напряжении 400 В и 8 А.

Рис. 7. Форма рабочего сигнала при выходном напряжении 400 В и токе 31 А.

Исследуя формы сигналов при выходном напряжении 400 В и выходном токе 8 А (нагрузка 25 %) на рис. 6 и при 400 В и 31 А (полная нагрузка) на рис. 7, мы наблюдаем превосходное распределение тока и переключение при нулевом напряжении (ZVS) благодаря к первичному подключению.

Ⅳ. Заключение

Был проведен эксперимент по оценке работоспособности трехфазного двунаправленного резонансного преобразователя CLLC, предназначенного для внешнего зарядного устройства мощностью 12,5 кВт. Соединение на первичной стороне было использовано для обеспечения превосходного распределения тока и возможностей быстрого запуска. Кроме того, с использованием концепции подавления потока был предложен 6-слойный трансформатор обмотки печатной платы, объединяющий все резонансные индукторы и трехфазные трансформаторы.

Аппаратный прототип этого преобразователя продемонстрировал впечатляющую плотность мощности 155 Вт/дюйм³, а обширные испытания показали пиковую эффективность примерно 97,3%. Это подчеркивает жизнеспособность и эффективность этой инновационной конструкции преобразователя, подчеркивая его потенциал для мощных внешних зарядных устройств.