[論文レビュー] Analysis of Various Transformer Structures for High Frequency Isolation Applications

Mohamad Saleh Sanjarinia, Sepehr Saadatmand+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2019

Advanced DC-DC Converters参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、10 kHzで漏れインダクタンスと寄生容量を評価するために、有限要素法（FEM）を用いて、巻線配置が異なるトロイダル、EE、UUコアを含む6種類の高周波変圧器構造を分析している。電磁界および静電界の分布の定量的比較がなされ、SiCおよびGaNベースの高周波絶縁応用における漏れインダクタンスと寄生容量のトレードオフに基づき、最適な変圧器設計の選定が可能となる。

ABSTRACT

High frequency transformers are an integral part of power electronics devices and their parasitic parameters influence the performance and efficiency of the overall system. In this paper, transformer leakage inductances and parasitic capacitances are analyzed using finite element method (FEM) for different structures and windings arrangements of high frequency transformers. Also, magnetic field, electric field, and voltage distribution within the transformer is simulated and analyzed. Six different high frequency transformers with toroidal, EE, and UU cores with different windings are investigated for a 400(V)/400(V), 8 kVA transformer operating at 10 kHz. Additionally, interleaved windings for EE core are simulated and results compared with previous outcomes. Analysis results will help categorize each structure, based on its balance between leakage inductances and series parasitic capacitance. This information can later be used for optimal selection of transformers as a function of their operating frequency and enable designers to compromise between various parameters in different applications, especially new fast switches such as SiC and GaN.

研究の動機と目的

• 異なるコア形状および巻線配置が高周波変圧器の寄生パラメータに与える影響を評価すること。
• 有限要素モデルを用いて高周波変圧器内の磁界および電界分布を分析すること。
• 8 kVA、400 V/400 V、10 kHzの運転条件下で、複数の変圧器構造における漏れインダクタンスおよび直列寄生容量を定量すること。
• 高周波絶縁応用における性能のトレードオフに基づき、最適な変圧器設計の選定を可能にする比較フレームワークを提供すること。
• SiCおよびGaNなどの現代のワイドバンドギャップ半導体スイッチに適した、効率的で高周波の絶縁変圧器の設計を支援すること。

提案手法

• 6種類の高周波変圧器構造における磁界分布のシミュレーションと分析に、有限要素法（FEM）を用いる。
• 変圧器内部の電界および電圧分布をモデル化し、寄生容量の影響を評価する。
• 6つの構成が検討された：巻線配置が異なるトロイダル、EE、UUコア（EEコアにはインターリーブ巻線を含む）。
• 分析は、400 V/400 V、8 kVA、10 kHzで動作する変圧器に焦点を当て、高周波電力変換システムへの関連性を確保する。
• 構造間での結果抽出と比較を通じて、漏れインダクタンスと直列寄生容量のトレードオフを評価する。
• EEコアのインターリーブ巻線構成をシミュレートし、標準的な配置と対比することで、性能向上の有効性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トロイダル、EE、UUコアといった異なるコア形状は、高周波変圧器の漏れインダクタンスと寄生容量にどのように影響するか？
• RQ2 特にインターリーブ巻線の有無が、EEコア変圧器内の磁界および電界分布に与える影響は何か？
• RQ3 同一の10 kHz、8 kVAの運転条件下で、6つの調査対象変圧器構造における寄生パラメータはどのように変化するか？
• RQ4 各変圧器構成における漏れインダクタンスと直列寄生容量の相対的なバランスはどのようになるか？
• RQ5 シミュレーション結果は、SiCおよびGaNスイッチを用いた高周波絶縁応用における最適な変圧器選定をどのように支援できるか？

主な発見

• トロイダルコア構造は、磁束の内蔵特性に起因し、6つの構成の中で最も低い漏れインダクタンスを示した。
• EEコア変圧器におけるインターリーブ巻線構成は、従来の同心巻線と比較して、漏れインダクタンスを顕著に低減した。
• 寄生容量は、巻線間表面積が大きい構成で最大となり、特にインターリーブがないEEコア設計で顕著に高くなった。
• UUコア構造は、中程度の漏れインダクタンスを示したが、トロイダルおよびインターリーブEEコア設計よりも高い寄生容量を示した。
• 磁界分布は、トロイダルコアで最も均一で、漏れ磁束が最小限に抑えられ、効率が向上した。
• 電界集中は、特にインターリーブがない構成で高電圧巻線端子付近に顕著に現れ、部分放電のリスクが高まった。