PCB winding-based planar magnetics have been widely used in high power-density power supplies with their advantages of flat structure, strong parameter repeatibility, low cost, good heat dissipation characteristics, and easy integration, and have become the focus of current research. In view of the serious EMI and winding loss problems faced by high power-density power supplies, how to optimize the design of their planar magnetics to make the power supplies with lower EMI and higher efficiency has become an urgent problem to be solved. In this paper, the EMI coupling mechanism is studied for the FB LLC circuit based on matrix PT. For the conducted EMI of PT in LLC, a new PCB winding design method for EMI noise cancellation has been proposed. Considering the loss reduction of PCB winding, a new SPSPS fully interleaved winding structure is designed to achieve low EMI noise and low winding loss simultaneously. This paper analyzes the conduction EMI propagation mechanism of the FB LLC resonant converter, and establishes the CM noise model of this FB LLC circuit based on the lumped parameter circuit model of the matrix PT. Through the detailed analysis of the distributed EMI noise current of the matrix PT PCB winding, a novel PCB winding design method based on the principle of symmetric offset of EMI noise is proposed. On this basis, the relationship between the proximity effect and winding loss of the PCB winding is analyzed, and a new SPSPS fully interleaved PCB winding transformer structure based on symmetrical offset is proposed. In order to further verify the effectiveness and practicality of the proposed tehnique, several simulations and experimental verifications are completed in this paper. First, for the new matrix PT winding design method with low EMI noise, simulation analysis of LLC circuit in Ltspice and finite element simulation analysis of PCB winding loss in Maxwell 3D have been conducted respectively, which verify that the proposed technique can greatly suppress conducted EMI while reducing winding loss. Then, this paper builds an LLC experimental prototype and develops different PTs for comparative experiments to further verify the effectiveness of the novel technique. EMI test, short-circuit test and prototype loss test experiments have been conducted for the novel SPSPS fully interleaved matrix PT based on symmetric offset to verify its the low EMI noise and low loss. The experimental results show that the FB LLC circuit based on matrix PT CM noise suppression up to 23 dB, and PCB winding loss reduction up to around 20%. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Wenjie Chen and Xu Yang at Xi’an Jiaotong University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between XJTU and PoliMi.
I magneti planari basati su avvolgimenti per circuiti stampati sono stati ampiamente utilizzati negli alimentatori ad alta densità di potenza grazie ai loro vantaggi di struttura piatta, forte ripetibilità dei parametri, basso costo, buone caratteristiche di dissipazione del calore e facile integrazione, e sono diventati il fulcro della ricerca attuale. Alla luce dei gravi problemi di EMI e di perdita di avvolgimento che gli alimentatori ad alta densità di potenza devono affrontare, è diventato urgente risolvere il problema di come ottimizzare il design dei magneti planari per ottenere alimentatori con EMI ridotte e maggiore efficienza. In questo lavoro viene studiato il meccanismo di accoppiamento EMI per il circuito FB LLC basato sulla matrice PT. Per le EMI condotte da PT in LLC, è stato proposto un nuovo metodo di progettazione dell'avvolgimento PCB per la cancellazione del rumore EMI. Considerando la riduzione della perdita dell'avvolgimento PCB, è stata progettata una nuova struttura di avvolgimento SPSPS completamente interlacciata per ottenere contemporaneamente un basso rumore EMI e una bassa perdita di avvolgimento. Il presente documento analizza il meccanismo di propagazione delle EMI di conduzione del convertitore risonante FB LLC e stabilisce il modello di rumore CM di questo circuito FB LLC basato sul modello di circuito a parametri forfettari della matrice PT. Attraverso l'analisi dettagliata della corrente di rumore EMI distribuita dell'avvolgimento PCB del PT a matrice, viene proposto un nuovo metodo di progettazione dell'avvolgimento PCB basato sul principio della compensazione simmetrica del rumore EMI. Su questa base, viene analizzata la relazione tra l'effetto di prossimità e la perdita di avvolgimento dell'avvolgimento PCB e viene proposta una nuova struttura di trasformatore SPSPS ad avvolgimento PCB completamente interleaved basata sulla compensazione simmetrica. Per verificare ulteriormente l'efficacia e la praticità della tecnica proposta, nel presente lavoro sono state portate a termine diverse simulazioni e verifiche sperimentali. In primo luogo, per il nuovo metodo di progettazione degli avvolgimenti PT a matrice con basso rumore EMI, sono state condotte rispettivamente un'analisi di simulazione del circuito LLC in Ltspice e un'analisi di simulazione agli elementi finiti della perdita dell'avvolgimento PCB in Maxwell 3D, che hanno verificato che la tecnica proposta può sopprimere notevolmente le EMI condotte riducendo al contempo la perdita dell'avvolgimento. In seguito, il presente documento costruisce un prototipo sperimentale LLC e sviluppa diversi PT per esperimenti comparativi, al fine di verificare ulteriormente l'efficacia della nuova tecnica. Sono stati condotti esperimenti di test EMI, test di cortocircuito e test di perdita per il nuovo PT a matrice SPSPS completamente interleaved basato sull'offset simmetrico per verificarne il basso rumore EMI e la bassa perdita. I risultati sperimentali mostrano che il circuito FB LLC basato sulla matrice PT sopprime il rumore EMI fino a 23 dB e riduce la perdita di avvolgimento del PCB fino a circa il 20%. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione di Wenjie Chen e Xu Yang presso la Xi'an Jiaotong University nell'ambito del doppio corso di laurea magistrale in Ingegneria Elettrica tra XJTU e PoliMi.
Research on low common-mode noise of high power-density power supplies based on PCB planar magnetics
CAO, YUE
2021/2022
Abstract
PCB winding-based planar magnetics have been widely used in high power-density power supplies with their advantages of flat structure, strong parameter repeatibility, low cost, good heat dissipation characteristics, and easy integration, and have become the focus of current research. In view of the serious EMI and winding loss problems faced by high power-density power supplies, how to optimize the design of their planar magnetics to make the power supplies with lower EMI and higher efficiency has become an urgent problem to be solved. In this paper, the EMI coupling mechanism is studied for the FB LLC circuit based on matrix PT. For the conducted EMI of PT in LLC, a new PCB winding design method for EMI noise cancellation has been proposed. Considering the loss reduction of PCB winding, a new SPSPS fully interleaved winding structure is designed to achieve low EMI noise and low winding loss simultaneously. This paper analyzes the conduction EMI propagation mechanism of the FB LLC resonant converter, and establishes the CM noise model of this FB LLC circuit based on the lumped parameter circuit model of the matrix PT. Through the detailed analysis of the distributed EMI noise current of the matrix PT PCB winding, a novel PCB winding design method based on the principle of symmetric offset of EMI noise is proposed. On this basis, the relationship between the proximity effect and winding loss of the PCB winding is analyzed, and a new SPSPS fully interleaved PCB winding transformer structure based on symmetrical offset is proposed. In order to further verify the effectiveness and practicality of the proposed tehnique, several simulations and experimental verifications are completed in this paper. First, for the new matrix PT winding design method with low EMI noise, simulation analysis of LLC circuit in Ltspice and finite element simulation analysis of PCB winding loss in Maxwell 3D have been conducted respectively, which verify that the proposed technique can greatly suppress conducted EMI while reducing winding loss. Then, this paper builds an LLC experimental prototype and develops different PTs for comparative experiments to further verify the effectiveness of the novel technique. EMI test, short-circuit test and prototype loss test experiments have been conducted for the novel SPSPS fully interleaved matrix PT based on symmetric offset to verify its the low EMI noise and low loss. The experimental results show that the FB LLC circuit based on matrix PT CM noise suppression up to 23 dB, and PCB winding loss reduction up to around 20%. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Wenjie Chen and Xu Yang at Xi’an Jiaotong University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between XJTU and PoliMi.| File | Dimensione | Formato | |
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