Full bridge LLC resonant converter design

The aim of this thesis is to investigate and design LLC resonant converter to provide a high voltage of 2000V for the operation of Radiofrequency Ion Thruster with high conversion efficiency and low losses. Radiofrequency Ion Thruster uses high frequency electromagnetic field for ionizing the xenon gas atoms which consists of free light electrons and heavy positive ions. An electric field is applied to accelerate the charged noble gas particles. It generates a thrust used to stabilize or move a satellite in orbit. In this research work, LLC resonant converter has been designed and simulated with a high range of frequency and best conversion efficiency. During normal operation it works at resonance to provide maximum efficiency. When the output voltage varies, resonant tank gain is used to regulate it using above resonance or below resonance operation depending upon the variation in the voltage. Switching losses play a major role in the efficiency of converter. Soft switching technology is implemented to eliminate the turn on losses of switch. Also the soft switching is not load dependent and even at light load the LLC can maintain the soft switching that gives high efficiency at light load regions. Voltage regulation has been achieved by controlling the gain of resonant tank with the help of switching frequency. Transformer provides the main part of the gain and isolated DC to DC conversion as well. There is not proper way to choose the resonant tank components’ size. Therefore, a MATLAB GUI interface has been designed to choose the best operating point and components’ size, considering the required output voltage and power for higher efficiency. Which also provides the required frequency modulation range for regulating the output. Transformer design is also implemented considering high efficiency and minimum skin effect losses. Core design is also very critical design step avoiding the saturation of core at high frequency when a variable frequency control is implemented.

Lo scopo di questa tesi è studiare e progettare un convertitore risonante LLC per fornire un'alta tensione di 2000 V per il funzionamento di Radiofrequency Ion Thruster con alta efficienza di conversione e basse perdite. Il propulsore ionico a radiofrequenza utilizza un campo elettromagnetico ad alta frequenza per ionizzare gli atomi di gas xeno che sono costituiti da elettroni leggeri liberi e ioni positivi pesanti. Viene applicato un campo elettrico per accelerare le particelle di gas nobile cariche. Genera una spinta utilizzata per stabilizzare o spostare un satellite in orbita. In questo lavoro di ricerca, il convertitore risonante LLC è stato progettato e simulato con un'ampia gamma di frequenza e la migliore efficienza di conversione. Durante il normale funzionamento lavora a risonanza per fornire la massima efficienza. Quando la tensione di uscita varia, viene utilizzato il guadagno del serbatoio risonante per regolarla utilizzando il funzionamento sopra o sotto la risonanza a seconda della variazione della tensione. Le perdite di commutazione giocano un ruolo importante nell'efficienza del convertitore. La tecnologia di commutazione morbida è implementata per eliminare le perdite di accensione dell'interruttore. Anche la commutazione graduale non è dipendente dal carico e anche a basso carico l'LLC può mantenere la commutazione graduale che offre un'elevata efficienza nelle regioni a basso carico. La regolazione della tensione è stata ottenuta controllando il guadagno del serbatoio risonante con l'aiuto della frequenza di commutazione. Il trasformatore fornisce la parte principale del guadagno e anche la conversione da CC a CC isolata. Non esiste un modo corretto per scegliere la dimensione dei componenti del serbatoio risonante. Pertanto, è stata progettata un'interfaccia GUI MATLAB per scegliere il miglior punto operativo e le dimensioni dei componenti, considerando la tensione e la potenza di uscita richieste per una maggiore efficienza. Che fornisce anche l'intervallo di modulazione di frequenza richiesto per regolare l'uscita. Anche la progettazione del trasformatore viene implementata tenendo conto dell'elevata efficienza e delle minime perdite per effetto pelle. Anche la progettazione del nucleo è una fase di progettazione molto critica che evita la saturazione del nucleo ad alta frequenza quando viene implementato un controllo a frequenza variabile.