Optimierung des DC/DC-Wandler-Designs

Maximaler Wirkungsgrad für elektrisches Fliegen

15. November 2022, 10:02 Uhr | Von Henri Huillet, CEO von Gaia Converter

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Betrieb und detaillierte Design-Entscheidungen

Die beiden Spulen Lr und Lm auf der Primärseite bilden zusammen mit dem Kondensator Cr und den Schaltungsparasitäten in der LLC-Schaltung einen »Tank« mit zwei Resonanzen, der als Verstärkungsdiagramm dargestellt werden kann (Bild 2). Die Verstärkung des Resonanztanks variiert mit der Frequenz, sodass die Amplitude der Ausgangsspannung des Transformators durch Variieren der Erregungsfrequenz verändert werden kann, wodurch eine Regelung durch Rückkopplung erreicht wird. Die Güte (Q) der kombinierten Resonanzen wirkt sich entscheidend auf die Kurvenform und die Übertragungsfunktion aus. Die korrekte Gestaltung der Kurve mit einem bestimmten Q-Wert ist ein wichtiger Faktor, um die angegebene maximale Frequenzvariation von ±15 Prozent zu erreichen; eine stärkere Neigung der Verstärkungskurve bedeutet eine geringere Frequenzvariation bei einer bestimmten Verstärkungsänderung. Q ist ohne Last niedrig und erreicht den höchsten Wert bei voller Last, sodass die Kurven die Verstärkung bei Laständerungen effektiv darstellen.

Oberhalb der Resonanz wirkt eine abgestimmte Schaltung induktiv, unterhalb kapazitiv. Dies ist in Bild 2 in den orangefarbenen bzw. weißen Bereichen dargestellt und wirkt sich auf das Verhältnis zwischen Treiberspannung und Strom aus. Im induktiven Bereich, aber oberhalb von fres1, wird ein verlustarmes Schalten im Nulldurchgang der Spannung (ZVS) erreicht. Unterhalb von fres1, aber oberhalb von fres2 wird ebenfalls ZVS erreicht, zusammen mit dem stromlosen Schalten (ZCS) der Ausgangsgleichrichter, solange der kapazitive Bereich vermieden wird, erkennbar an einer negativen inkrementellen Steigung der Verstärkungskurve. Optimal ist es, unter Normalbedingungen bei fres1 zu arbeiten, um den besten Wirkungsgrad zu erzielen, wobei primär ZVS, sekundär ZCS und ein Ausgangsstrom ohne Totzeit erreicht werden. Folglich ist der Effektivwert minimal und die Leitungsverluste sind gering. Unter allen Bedingungen, einschließlich Transienten und Störungen, muss darauf geachtet werden, dass die Schaltung nicht in den kapazitiven Bereich eintritt, da die Verluste sofort schädliche Grenzwerte überschreiten können. Die vollständige Analyse eines LLC-Wandlers ist sehr komplex, sodass typischerweise Näherungswerte und Annahmen getroffen werden. Die wichtigste ist, dass der Strom im Resonanztank sinusförmig ist und nur wenige Oberschwingungen enthält: die sogenannte »First Harmonic Approximation« (FHA). Andere Entwurfsentscheidungen sind die Festlegung des Parameters »m«, also des Verhältnisses von Magnetisierungs- zu Resonanzinduktivität, das die Steigung der Verstärkungskurve beeinflusst, und des Q-Werts der Schaltung, der durch den Lastwiderstand beeinflusst wird, der über das Transformatorwindungsverhältnis n zurück in den Resonanztank reflektiert wird.

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Überblick über die Versuchsergebnisse
© Gaia Converter

GAIA Converter und die Universidad Politécnica de Madrid entwickelten einen komplexen, interaktiven Entwurfsalgorithmus, um optimale Ergebnisse zu erzielen, wie in Bild 3 zusammengefasst. Das endgültige Design wurde mit fres1 bei 830 kHz, n = 4, Lr = 2,4 µH, Lm = 3 µH und Cr = 15,6 nF festgelegt, und auf der APEC 2022 wurde ein Papier mit den vollständigen Berechnungsdetails vorgestellt. Um die technischen Spezifikationen des Wandlers zu erfüllen, müssen Lr und Lm ähnliche Werte haben. Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass Lr nicht aus der absichtlich eingebrachten Streuinduktivität des Transformators gebildet werden kann, da dies die Verluste erhöhen und die Kopplung in unzulässiger Weise verringern würde. Daher wurde ein separates diskretes Bauteil entwickelt. Auf der Primärseite wurden GaN-HEMT-Transistoren für die Schalter gewählt, da sie einen niedrigen Einschaltwiderstand, hohe Geschwindigkeit, niedrige Bauelementekapazitäten und eine niedrige Gate-Treiberleistung benötigen. Der Resonanzkondensator Cr wurde als Parallelkombination aus dielektrischen C0G-Keramiktypen gewählt, um Genauigkeit und Stabilität bei Spannung und Temperatur zu gewährleisten.

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Bild 3: Flussdiagramm des Algorithmus für den optimalen LLC-Wandlerentwurf
© Gaia Converter

Matrix-Transformator

Das Design des Transformators in einem hocheffizienten LLC-Wandler ist von entscheidender Bedeutung, sodass ein Matrix-Typ für die beste Leistung ausgewählt wurde. Dabei handelt es sich effektiv um verteilte Transformatoren, bei denen die Primärwicklung in Reihe, die einzelnen Sekundärwicklungen jedoch extern parallel geschaltet sind. Matrixtransformatoren haben eine sehr geringen Leckstrom für einen hohen Wirkungsgrad und ein niedriges Profil, das sich für die Anwendung eignet. Und sie können in einer planaren Anordnung für einen guten Gehäusefaktor und eine effiziente Wärmeableitung hergestellt werden.

Der Transformator wurde weiter optimiert, indem die beiden Push-Pull-Sekundärwicklungen mit nur einer Windung mit der Primärwicklung verschachtelt wurden, die Proximity-Verluste durch eine Verringerung des H-Feldes im Wicklungsfenster reduziert wurden und die Magnetkerngeometrie angepasst wurde.

Experimentelle Ergebnisse

Zusammen mit dem entwickelten Entwurfsalgorithmus wurden Schaltungs-, Wärme- und EMI-Simulationen durchgeführt, die vielversprechende Ergebnisse lieferten. Es wurde ein Prototyp gebaut, der zeigte, dass der Wandler in das angegebene Volumen passt, und es wurden elektrische und thermische Tests durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Temperaturanstieg des Transformators 30 K nicht übersteigt und die Zielwerte für den Wirkungsgrad ­erreicht wurden. Die kritische Spezifikation für die Frequenzschwankung von maximal ±15 Prozent wurde eingehalten und eine endgültige Leistungsdichte von 32 kW/dm3 erreicht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengefasst.


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