Design of dual active bridge transformer for high frequency switching applications

Abstract

The wide bandgap semiconductors provide a possibility to use higher switching frequencies in converters. Higher operation frequency allows Dual Active Bridge converters to achieve higher power density and smaller magnetic components, but it also increases its transformer's core and winding losses. Thus, a careful transformer design is essential to mitigate the high-frequency effects and achieve high efficiency.

In this thesis, a high-efficiency Dual Active Bridge transformer is optimised for the 1 MHz switching frequency. In the literature survey high frequency effects on transformers are examined. The optimisation is based on the area product method, which aims to minimise the losses.

Two transformers having different core sizes were then simulated to validate the design, and then prototypes were constructed. The results showed that the one transformer with a smaller core and fewer turns performed efficiently. The other transformer, which had a lower resonance frequency due to higher inductance and parasitic capacitances, proved to be unstable and unsuitable for the intended application. Another core material should be selected in the future optimisation to achieve lower losses and more stable performance.

Leveän välivyön puolijohteiden käyttö mahdollistaa korkeampien kytkentätaajuuksien hyödyntämisen konverttereissa. Korkeamman käyttötaajuuden ansioista Dual Active Bridge -konvertteri voi saavuttaa suuremman tehotiheyden ja pienentää tarvittavia magneettikomponentteja, mutta se myös lisää sen muuntajan rauta- ja kuparihäviöitä. Muuntajan huolellinen suunnittelu on välttämätöntä, jotta korkean kytkentätaajuuden aiheuttamat haittavaikutukset voidaan minimoida ja järjestelmässä saavutetaan mahdollisimman korkea hyötysuhde.

Tässä työssä optimoidaan korkean hyötysuhteen Dual Active Bridge -muuntaja 1 MHz kytkentätaajuudelle. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan korkean taajuuden vaikutuksia muuntajaan. Optimointi perustuu area product -menetelmään, jonka tavoitteena on minimoida häviöt.

Suunnittelun validointia varten mallinnettiin kaksi erikokoisella sydämellä varustettua muuntajaa, joista myöhemmin rakennettiin prototyypit. Tulokset osoittivat, että pienemmällä sydämellä ja vähemmillä kierroksilla varustettu muuntaja toimi tehokkaasti. Toinen muuntaja, jonka resonanssitaajuus oli alhaisempi korkeamman induktanssin ja loiskapasitanssien vuoksi osoittautui epävakaaksi ja epäsopivaksi käyttösovellukseen. Tulevissa optimoinneissa tulisi käyttää toista sydänmateriaalia, jotta voidaan saavuttaa pienemmät häviöt ja vakaampi suorituskyky.