Design of a 28V input 270V output high power density DC-DC converter

With the development of electronics industry and information technology, the application scenarios for DC-DC converters are becoming increasingly complex and the power levels are gradually increasing. The design of power supplies with high reliability, high efficiency and high power density has become a hotspot and a challenge for academia and industry. LLC resonant converters can achieve soft switching over a certain input and all load variation range, thus increasing switching frequency and conversion efficiency, making it easy to achieve integrated magnetic design to reduce converter’s volume and improve power density. However, in applications with large input voltage variations and high demand for heat dissipation, there are still many challenges for the design. To solve these issues, the thesis conducts detailed time-domain analysis, parameter design, loss analysis, planar magnetic simulation, and thermal simulation to develop a kW-level 28V Input 270V Output DC-DC converter. The front stage adopts an LLC circuit to achieve high efficiency voltage conversion. The post stage adopts a Buck circuit to achieve short-circuit current limiting function. The main research contents are as follows: Firstly, using time-domain analysis method, the operation modes and gain characteristics of the LLC resonant converter are studied. The time-domain equations and boundary conditions of LLC in various operation modes are derived. Then the boundary of different resonant modes and the voltage gain curve are solved by an iterative algorithm. A Simulink simulation is conducted to verify the accuracy of this analysis method and algorithm. The time-domain analysis gives a more accurate description of the LLC gain characteristics than the first harmonic approximation (FHA) analysis, thus optimising the selection of the converter’s resonance parameters and the determination of the frequency adjustment range. Secondly, the thesis completes the topology and parameter design of the two-stage converter. By using simulation software, the loss of the switches, the magnetic flux density of the planar magnetic components and the temperature distribution of the power module are solved. The thesis analyses the switching process of the switches and conducts LTspice simulations to calculate accurate switching losses. The PCB winding planar inductor and planar transformer are designed and their losses and magnetic flux density distributions are verified and optimised on ANSYS Maxwell software. The thesis uses copper-filled via to meet heat dissipation requirements. By using thermal simulation software ANSYS Workbench, the thermal resistance and temperature distribution of the power supply module are solved. All these works contribute to the optimization of the power supply system’s efficiency, volume, and reliability. Finally, the thesis develops an experiment prototype with 18V-32V input voltage and 270V output voltage, in which the front stage LLC adopts a pulse frequency modulation and phase shift control, and the post stage Buck adopts a constant power and constant current control strategy. The prototype achieves an efficiency of 95% and a power density of 75W/in3 at rated operating condition. The power supply system’s ability to work efficiently and reliably is verified.

Con lo sviluppo dell’industria elettronica e delle tecnologie informatiche, gli scenari di applicazione degli convertitori DC-DC stanno diventando sempre più complessi e i livelli di potenza stanno gradualmente aumentando. La progettazione di alimentatori con alta affidabilità, alta efficienza e alta densità di potenza è diventata un hotspot e una sfida per il mondo accademico e industriale. I convertitori risonanti LLC possono ottenere una commutazione morbida su un certo ingresso e su tutta la gamma di variazioni del carico, aumentando così la frequenza di commutazione e l'efficienza di conversione, rendendo facile realizzare un design magnetico integrato per ridurre il volume del convertitore e migliorare la densità di potenza. Tuttavia, nelle applicazioni con grandi variazioni di tensione d'ingresso e alta richiesta di dissipazione del calore, ci sono ancora molte sfide per la progettazione. Per risolvere questi problemi, nella tesi sono state condotte analisi dettagliate nel dominio temporale, progettazione dei parametri, analisi delle perdite, simulazione magnetica planare e simulazione termica per sviluppare un convertitore di ingresso 28V e uscita 270V DC-DC a livello di kW. Lo stadio anteriore adotta un circuito LLC per ottenere una conversione di tensione ad alta efficienza. Lo stadio successivo adotta un circuito Buck per ottenere la funzione di limitazione della corrente di cortocircuito. I principali contenuti della ricerca sono i seguenti: In primo luogo, utilizzando il metodo di analisi nel dominio temporale, vengono studiate le modalità operative e le caratteristiche di guadagno del convertitore risonante LLC. Sono derivate le equazioni nel dominio del tempo e le condizioni al contorno del LLC in varie modalità operative. Poi il confine dei diversi modi risonanti e la curva del guadagno di tensione sono calcolati da un algoritmo iterativo. Una simulazione Simulink è condotta per verificare la precisione di questo metodo di analisi e dell'algoritmo. L'analisi nel dominio temporale fornisce una descrizione più accurata delle caratteristiche di guadagno del LLC rispetto all'analisi in prima approssimazione armonica (FHA), ottimizzando così la selezione dei parametri di risonanza del convertitore e la determinazione del campo di variazione della frequenza. In secondo luogo, la tesi completa la topologia e la progettazione dei parametri del convertitore a due stadi. Utilizzando software di simulazione, sono calcolate le perdite degli interruttori, la densità di flusso magnetico dei componenti magnetici planari e la distribuzione della temperatura del modulo di potenza. La tesi analizza il processo di commutazione degli interruttori e conduce simulazioni LTspice per calcolare le perdite di commutazione accurate. L'induttore ad'avvolgimento planare del PCB e il trasformatore planare sono progettati e le loro perdite e distribuzioni di densità di flusso magnetico sono verificate e ottimizzate sul software ANSYS Maxwell. La tesi utilizza via riempite di rame per soddisfare i requisiti di dissipazione del calore. Utilizzando il software di simulazione termica ANSYS Workbench, vengono risolte la resistenza termica e la distribuzione della temperatura del modulo di dissipazione del calore. Tutti questi lavori contribuiscono all'ottimizzazione dell'efficienza, del volume e dell'affidabilità del sistema di alimentazione. Infine, la tesi sviluppa un prototipo sperimentale con tensione di ingresso di 18V-32V e tensione di uscita di 270V, in cui lo stadio anteriore LLC adotta una modulazione di frequenza a impulsi e un controllo a sfasamento, e lo stadio successivo Buck adotta una strategia di controllo a potenza costante e corrente costante. Il prototipo raggiunge un’efficienza del 95% e una densità di potenza del 75W/in3 in condizione operativa normale. Si verifica la capacità del sistema di alimentazione di funzionare in modo efficiente e affidabile.