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BA – Untersuchungen zu Transformatoren für LLC-Resonanzwandler

Untersuchungen zu Transformatoren für LLC-Resonanzwandler mit Hilfe eines gekoppelten Simulationsansatzes

Kurzzusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten einer Resonanzwandlerstufe für ein mobiles 11 kW-Offboard-Ladegerät untersucht. Der Fokus liegt dabei auf dem elektrischen und magnetischen Design des Transformators innerhalb des LLC-Resonanzwandlers. Aus der Spezifikation des Ladegeräts resultiert die Anforderung nach einer hohen volumetrischen und gravimetrischen Leistungsdichte. Mit der Forderung einer hohen Leistungsdichte geht auch die Auslegung des LLC-Resonanzwandlers mit hohen Schaltfrequenzen einher.

Untersucht werden mehrere Realisierungsmöglichkeiten der Resonanzwandlerstufe in einem vorgegebenen Arbeitspunkt des LLC-Resonanzwandlers. Die Übertragung der Leistung erfolgt je nach Realisierungsmöglichkeit über einen einzelnen Transformator, eine Parallelschaltung oder eine Reihenschaltung aus mehreren Transformatoren. Aufgrund der Spezifikation des mobilen Offboard-Ladegeräts wird zuerst das erforderliche elektrische Verhalten mit Hilfe einer Netzwerksimulation bestimmt. Dabei wird die Ladekurve des Batteriemodells und das Erreichen von Zero-Voltage-Switching in der MOSFET-Vollbrücke des LLC-Resonanzwandlers berücksichtigt. Nach Festlegung der magnetischen Parameter bleiben mehrere Entwurfs-Freiheitsgrade zum Entwurf des Transformators unbestimmt. Dazu zählen Windungszahl, Wickelgut, Kernform und Kernmaterial, welche die Kern- und Wicklungsverluste des Transformators stark beeinflussen. Zur möglichst optimalen Realisierung des Transformators erfolgt eine Simulation der Kern- und Wicklungsverluste verschieden parametrisierter Transformatormodelle mit Hilfe eines gekoppelten Simulationsansatzes. Um den Parameterraum auf sinnvolle Größen zu begrenzen, wird eine Vorauswahl der Entwurfs-Freiheitsgrade getroffen. Aus den Ergebnissen der Simulation gehen die bevorzugte Realisierungsmöglichkeit und die bestmöglichen Parameter zur Realisierung der Transformatoren im vorgegebenen Arbeitspunkt hervor. Im Anschluss erfolgt die Verifikation der Simulationsergebnisse durch Messungen anhand eines auf Grundlage dieser Arbeit gefertigten Transformators.

Abstract

In this thesis, different design options for the resonant converter stage in a mobile 11 kW offboard charger are investigated. The focus is set on the magnetic and electrical design of the transformer in the LLC resonant converter. The specification of the charger demands a high gravimetric and volumetric power density. The demand for a high power density is also accompanied by the design of the LLC resonant converter for high switching frequencies.

Several design options of the resonant converter stage in a given operating point are examined. Depending on the design option, the total power is transmitted by a single transformer, a parallel connection or a series connection of several transformers. Based on the specification of the mobile offboard charger, the required electrical behavior of the transformers is determined. The charging curve of the battery model and the achievement of zero voltage switching in the MOSFET full bridge of the LLC resonant converter are taken into account. After establishing the magnetic parameters, several degrees of freedom of the transformer remain indeterminate. This includes the number of turns, the winding material, the core shape and the core material. All of those parameters have a large influence on the core and winding losses of the transformer. In order to determine the best possible realisation of the transformers, the core and winding losses in the transformers with different parameters are simulated by using a coupled simulation algorithm. To limit the parameter space to rational values, a preselection of the parameters is made. The preferred design option and the best possible parameters for the realisation of the transformers in the given operating point are resulting from the simulation. Subsequently, the simulation results are verified by measurements with a transformer based on this work.

Bearbeiter: Marco Sauer

Betreuer: Stefan Ditze (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761225; Email: Stefan.Ditze@iisb.fraunhofer.de;

Stefan Ehrlich (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761556; Email: Stefan.Ehrlich@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März