Analysis and system modeling of a DC-DC converter with medium-frequency transformer

One of the key components of dual active bridge (DAB) are novel Medium Frequency Transformer (MFT) operating at frequencies above 1 kHz to obtain higher power densities, efficiency and lower costs than state-of-the-art 50 Hz transformer. Within the scope of this project the main goal is the system modeling of the three-phase DAB converter with single- or three-phase MFT by electrical/magnetic equivalent circuits and voltage-controlled current-sources of coupled field-circuit method. A transformer power density increases in high frequency (HF), hence the accuracy core loss and winding loss calculations have great importance for a proper cooling system. Since DAB waveforms are non-sinusoidal, the Steinmetz expression does not give exact core losses. Therefore, the MSE is used for a rectangular voltage excitation, and these two calculation methods are compared. The MSE for a rectangular voltage excitation core loss is 6.5% higher than Steinmetz core loss. The total winding losses are computed by using finite element method (FEM) solver. Since a minimum leakage inductance is needed at the minimum required phase shift between the DAB bridge voltages in order to transfer the desired output power, the accuracy of leakage inductance calculation method has great importance as well. It is observed that accuracy of geometry dependent leakage inductance calculation is considerable in MFT, so leakage inductance is calculated by using a FEM solver. Moreover, an optimized leakage inductance is calculated for input voltage operating range Δu_in≤±10% and output voltage operating range Δu_out≤±10% for three-phase dual active bridge (DAB3) working at 1 kHz and delivering 200 kW. Coupled field-circuit of MFT is modeled in order to find equivalent circuit parameters. Solid, stranded and foil conductor models were used for foil winding in frequency domain coupled field-circuit solver. In foil and stranded conductor models, high accuracy of current density distributions are obtained. Finally, a time transient coupled field-circuit is modeled for DAB3, and obtained DAB current waveforms are compared.

Uno dei componenti chiave del DAB (Dual Active Bridge) è il nuovo trasformatore a media frequenza (MFT) che funziona a frequenze superiori a 1 kHz per ottenere densità di potenza, efficienza e costi inferiori rispetto al trasformatore a 50 Hz di ultima generazione. Nell'ambito di questo progetto l'obiettivo principale è la modellazione del sistema del convertitore DAB trifase con MFT monofase o trifase mediante circuiti elettrici / magnetici equivalenti e sorgenti di corrente a controllo di tensione del metodo del circuito di campo accoppiato. Una densità di potenza del trasformatore aumenta in alta frequenza (HF), quindi i calcoli della perdita del core di precisione e della perdita di carica hanno grande importanza per un sistema di raffreddamento adeguato. Dal momento che le forme d'onda DAB non sono sinusoidali, l'espressione Steinmetz non fornisce le perdite di nucleo esatte. Pertanto, l'MSE viene utilizzato per un'eccitazione di tensione rettangolare e questi due metodi di calcolo vengono confrontati. Il MSE per una perdita di nucleo di eccitazione di tensione rettangolare è del 6,5% superiore alla perdita di nucleo di Steinmetz. Le perdite totali di avvolgimento sono calcolate utilizzando il risolutore metodo ad elementi finiti (FEM). Poiché è richiesta un'induttanza di dispersione minima allo sfasamento minimo richiesto tra le tensioni del ponte DAB per trasferire la potenza di uscita desiderata, anche l'accuratezza del metodo di calcolo dell'induttanza di dispersione ha grande importanza. Si osserva che la precisione del calcolo dell'induttanza di dispersione dipendente dalla geometria è considerevole in MFT, quindi l'induttanza di dispersione viene calcolata utilizzando un risolutore FEM. Inoltre, viene calcolata un'induttanza di dispersione ottimizzata per il campo di funzionamento della tensione di ingresso Δu_in≤ ± 10% e il range operativo della tensione di uscita Δu_out≤ ± 10% per il ponte trifase attivo doppio (DAB3) funzionante a 1 kHz e 200 kW. Il circuito di campo accoppiato di MFT è modellato per trovare parametri di circuito equivalenti. I modelli con conduttori solidi, a trefoli e in lamina sono stati utilizzati per l'avvolgimento di lamine in un risolutore di circuito di campo accoppiato con dominio di frequenza. Nei modelli con conduttori a foglio e a trefolo, si ottengono elevate accuratezze delle distribuzioni di densità di corrente. Infine, un circuito di campo accoppiato transitorio nel tempo è modellato per DAB3 e le forme d'onda di corrente DAB ottenute sono confrontate.