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MA – LLCC-Konverter mit zusätzlicher Sekundärwicklung

Simulation und Aufbau eines LLCC-Konverters mit zusätzlicher Sekundärwicklung

Kurzzusammenfassung

Das Ziel dieser Masterarbeit ist, ausgehend von bekannten multiresonanten Konvertertopologien, den neuartigen LLCC-Konverter mit zusätzlicher Sekundärwicklung durch Simulationen zu optimieren und ihn durch einen Aufbau zu verifizieren. Zunächst wird der neuartige LLCC-Konverter für verschiedene Ausgangsspannungen bei der angestrebten Ausgangsleistung von 11 kW simuliert, um sein Betriebsverhalten über ein realistisches Frequenzspektrum zu untersuchen. Bezogen auf die Ergebnisse dieser Untersuchung ist festzustellen, dass der neue LLCC-Konverter im Gegensatz zu den bekannten Resonanzkonvertern (z. B. dem LLC-Konverter) wesentlich kleinere Blindströme aufweist. Vor allem im kapazitiven Bereich sind seine Primärresonanzströme quasi unabhängig von der Ausgangspannung. Somit können die Leitverluste gegenüber dem Stand der Technik klein gehalten werden bzw. bietet sich die Möglichkeit mehr Leistung im gleichen Bauraum zu übertragen als beim Standard-Resonanzkonverter. Aus diesem Grund soll der neuartige LLCC-Konverter im kapazitiven Bereich näher untersucht werden. Dazu wird eine analytische Beschreibung des Konverters versucht (First Harmonic Approximation), die auf Grund der aufwendigen zeitvarianten Schaltungsstruktur des Konverters diesen nicht präzise beschreiben kann. Deshalb wird der LLCC-Konverter unterhalb der Resonanzfrequenz des Primärresonanzkreises per Spice-Simulation auf minimale Resonanzströme optimiert. Im Rahmen dieser Simulation wird auf Grund der hohen Anzahl an Freiheitsgraden der Optimierungsparameter eine Simulationsroutine erstellt, die automatisch ungeeignete Arbeitspunkte aussortiert. Diese Simulation führte zu einer Auslegung mit einem maximalen effektiven Resonanzstrom von 35 A. Anschließend wurden die Simulationsergebnisse durch einen Aufbau verifiziert. Dafür erfolgt eine Modellierung und eine Verlustoptimierung der induktiven Komponenten und der Resonanzkondensatoren. Die Vermessung des Aufbaus zeigt den erwarteten Vorteil der niedrigeren Bildströme sehr deutlich, und konnte in einem Ausgangspannungsbereich von 220 V bis 480 V eine maximale Leistung von ca. 8,5 kW liefern.

Abstract

The aim of this master thesis is to optimize the novel LLCC converter with an additional secondary winding based on known multi-resonant converter topologies and to verify it through a practical setup. First of all, the novel LLCC converter is simulated for different output voltages at the desired output power of 11 kW in order to investigate its operating behavior over a realistic frequency spectrum. The results of this investigation show that the new LLCC converter – in contrast to the known resonance converters (e.g. the LLC converter) – has significantly smaller reactive currents. Especially in the capacitive region, its primary reactive currents are independent of the output voltage. Thus, the conducting losses can be kept smaller than state of the art or there is the possibility to transmit more power in the same installation space than with the standard resonance converter. For this reason, the new LLCC converter should be examined in the capacitive region in more detail. For this purpose, an analytical description of the converter is done using the first harmonic approximation. Due to the complex time dependent circuit structure of the converter it cannot describe the behavior precisely. Therefore, the LLCC converter below the resonance frequency of the primary resonant circuit is optimized for minimal resonance currents by spice simulations. To deal with the high number of degrees of freedom an optimization routine is created, which automatically sorts out unsuitable operating points. This simulation resulted in a design with a maximum effective resonance current of 35 A. Then the simulation results were verified by a practical setup. For this, modeling and loss optimization of the inductive components and the resonance capacitors are carried out. The measurement of the electrical structure shows the expected advantage of the lower reactive currents very clearly. The converter was able to deliver a maximum output of approx. 8.5 kW at an output voltage of 220 to 480 V.

Bearbeiter: Yoan Kemayou

Betreuer: Moritz Wild (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761602; Email: Moritz.Wild@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März