Configuration, performance and design aspects of transformers employed in static conversion systems

Novel high-power medium-voltage converter technologies offering galvanic insulation are required to support the development of the emerging medium-voltage direct-current grids and further improve the performance of various other applications such as traction, renewable energy, and e-mobility. With the recent advancements in the power semiconductor industry, resulting in faster and more efficient switches with extended voltage and current capabilities, these converters, often referred to power electronic transformers (PETs), have become increasingly attractive. Besides the power semiconductor modules, the central component of any such converter, having a significant impact on its efficiency and power density, is the medium frequency transformer (MFT) that provides the necessary galvanic insulation and input-output voltage matching. However, the progress of the magnetic components has not been following the same pace as the semiconductor industry. In contrast to traditional line frequency transformers (LFTs), normally operating at low grid frequency with sinusoidal voltage and current excitation, MFTs operate on higher switching frequencies with square voltage and in general non sinusoidal current waveforms, characteristic for the given power electronic converter topology. This has implications on the transformer losses and dielectric withstand requirements. Moreover, the correct design of electric parameters is essential for the proper operation of these converters and therefore imposes strict requirements on the accuracy of the corresponding models. Unlike the traditional LFTs, MFTs have not yet reached technological maturity, leaving many areas open for research. To that end, this thesis focuses on the technical challenges tied to modeling and design optimization and performance analysis of the MFTs for the emerging PETs. The available technologies and materials, suitable for medium frequency operation are identified and classified in respect to different application requirements, thus defining the design space. A detailed analysis and modelling of all the relevant phenomena governing the MFT electrical behavior as well as limiting the operation and design range is performed. A synthesis of all these models is done in form of a design optimization algorithm capable of generating the set of all feasible transformer designs. Moreover, design filters are developed allowing to interactively search for the most preferable design alternatives in terms of hot-spot temperatures, weight, volume, and efficiency. As a proof of concept, a 100kW, 10kHz MFT prototype has been realized according to the optimal specifications resulting from the proposed design optimization tool. The accuracy of the utilized models was confirmed via thorough testing. With the established design methodology and reliable models, a technology coordination and an MFT design sensitivity study has been performed on the SST level. A 0.5MW, 10kV input-series output-parallel series resonant converter-based topology has been selected for the case study, considering different available semiconductor ratings and the resulting converter modularity. This study has shown that, considering the available technologies and materials, the expected MFT power density reaches its apex at around 10 − 20kHz. While modern wide-band-gap semiconductors will for sure increase the efficiency and power density of the converter stage, this result indicates that further size reduction of the magnetic components above these frequencies will only be possible through improvements in the materials - providing core and winding materials with better high frequency loss characteristic.

Sono necessarie nuove tecnologie di convertitori di media tensione ad alta potenza che offrano isolamento galvanico sostenere lo sviluppo delle reti emergenti in corrente continua di media tensione e migliorare ulteriormente il prestazioni di varie altre applicazioni come trazione, energia rinnovabile e mobilità elettrica. Con il recenti progressi nel settore dei semiconduttori di potenza, che hanno portato a interruttori più veloci ed efficienti Con capacità estese di tensione e corrente, questi convertitori si riferivano spesso all'elettronica di potenza trasformatori (PET), sono diventati sempre più attraenti. Oltre ai moduli semiconduttori di potenza, il componente centrale di qualsiasi convertitore di questo tipo, ha una significativa impatto sulla sua efficienza e densità di potenza, è il trasformatore a media frequenza (MFT) che fornisce il isolamento galvanico e adattamento della tensione di ingresso-uscita richiesta. Tuttavia, il progresso del magnetico i componenti non hanno seguito lo stesso ritmo dell'industria dei semiconduttori. In contrasto con il tradizionale trasformatori di frequenza di rete (LFT), normalmente funzionanti a bassa frequenza di rete con tensione sinusoidale e eccitazione di corrente, gli MFT operano su frequenze di commutazione più elevate con tensione quadrata e forme d'onda di corrente generalmente non sinusoidali, caratteristiche per la topologia del convertitore di potenza elettronico data. Questo ha implicazioni sulle perdite del trasformatore e requisiti di tenuta dielettrica. Inoltre, la corretta progettazione di I parametri elettrici sono essenziali per il corretto funzionamento di questi convertitori e quindi impongono severi requisiti sulla precisione dei modelli corrispondenti. A differenza delle LFT tradizionali, le MFT non hanno ancora raggiunto la maturità tecnologica, lasciando molte aree aperte alla ricerca. A tal fine, questa tesi si concentra sulle sfide tecniche legate alla modellazione e all'ottimizzazione del design e analisi delle prestazioni delle MFT per le PET emergenti. Le tecnologie e materiali disponibili, adeguati per il funzionamento a media frequenza sono identificati e classificati in base alle diverse esigenze applicative, definendo così lo spazio progettuale. Un'analisi dettagliata e modellazione di tutti i fenomeni rilevanti che governano viene eseguito il comportamento elettrico della MFT oltre a limitare il funzionamento e l'intervallo di progettazione. Una sintesi di tutti questi modelli sono realizzati sotto forma di un algoritmo di ottimizzazione del progetto in grado di generare l'insieme di tutti i fattibili progetti di trasformatori. Inoltre, vengono sviluppati filtri di progettazione che consentono di ricercare in modo interattivo il massimo alternative di progettazione preferibili in termini di temperature del punto caldo, peso, volume ed efficienza. Come prova di concetto, è stato realizzato un prototipo MFT da 100kW, 10kHz secondo le specifiche ottimali risultante dallo strumento di ottimizzazione del progetto proposto. La precisione dei modelli utilizzati è stata confermata tramite test approfonditi. Con la metodologia di progettazione consolidata e modelli affidabili, un coordinamento tecnologico e un design MFT lo studio di sensibilità è stato eseguito a livello di SST. Una serie in ingresso da 0,5 MW, 10kV in parallelo in uscita Per il caso di studio è stata selezionata la topologia basata su convertitori risonanti, considerando diverse disponibili i valori nominali dei semiconduttori e la conseguente modularità del convertitore. Questo studio ha dimostrato che, considerando il tecnologie e materiali disponibili, la densità di potenza MFT prevista raggiunge il suo apice intorno ai 10 - 20 kHz. Mentre i moderni semiconduttori a banda larga aumenteranno sicuramente l'efficienza e la densità di potenza del stadio convertitore, questo risultato indica un'ulteriore riduzione dimensionale dei componenti magnetici al di sopra di questi le frequenze saranno possibili solo migliorando i materiali, fornendo nucleo e avvolgimento materiali con una migliore caratteristica di perdita ad alta frequenza.