[논문 리뷰] Analysis of Various Transformer Structures for High Frequency Isolation Applications

Mohamad Saleh Sanjarinia, Sepehr Saadatmand외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 15.

Advanced DC-DC Converters참고 문헌 9인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 유도성과 비유도성 전자기장 분포를 정량적으로 비교함으로써, 10 kHz에서 SiC 및 GaN 기반 고주파 고립 응용 분야에 최적의 변압기 설계를 선택할 수 있도록, 유한요소법(FEM)을 사용하여 6종의 고주파 트랜스포머 구조—토로이드, EE, UU 코어 및 다양한 권선 배열—의 누설 인덕성과 부속용량을 평가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 코어 기하학적 형상과 권선 구성이 고주파 트랜스포머의 부속 매개변수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 유한요소 모델링을 사용하여 고주파 트랜스포머 내부의 자화장 및 전기장 분포를 분석하기 위해.
• 8 kVA, 400 V/400 V 작동 조건에서 10 kHz에서 여러 트랜스포머 구조에 대해 누설 인덕성과 직렬 부속용량을 정량화하기 위해.
• 고주파 고립 응용 분야에서 성능의 상호 보완적 특성에 기반한 최적의 트랜스포머 설계 선택을 위한 비교 프레임워크를 제공하기 위해.
• SiC 및 GaN과 같은 현대 넓은 밴드갭 반도체 스위치를 위한 효율적인 고주파 고립 트랜스포머 설계를 지원하기 위해.

제안 방법

• 6종의 고주파 트랜스포머 구조에 대해 유한요소법(FEM)을 활용하여 자화장 분포를 시뮬레이션하고 분석한다.
• 트랜스포머 내부의 전기장 및 전압 분포를 모델링하여 부속용량 영향을 평가한다.
• 6가지 구성이 연구되었으며, 이는 토로이드, EE, UU 코어 및 다양한 권선 배열을 포함하며, EE 코어의 경우 교차 권선도 포함된다.
• 분석은 400 V/400 V, 8 kVA의 트랜스포머를 10 kHz에서 작동시켜 고주파 전력 변환 시스템에 대한 관련성을 확보한다.
• 구조 간 결과를 추출하고 비교하여 누설 인덕성과 직렬 부속용량 간의 상호 보완적 특성을 평가한다.
• EE 코어의 교차 권선 구성은 시뮬레이션되어 기존 구성과 대조되어 성능 향상 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토로이드, EE, UU 코어 등의 다양한 코어 기하학적 형상은 고주파 트랜스포머의 누설 인덕성과 부속용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 교차 권선의 경우, EE 코어 트랜스포머 내 자화장 및 전기장 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동일한 10 kHz, 8 kVA 작동 조건에서 연구된 6종의 트랜스포머 구조 간 부속 매개변수는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 각 트랜스포머 구성에서 누설 인덕성과 직렬 부속용량 간의 상대적 균형은 어떠한가?
• RQ5 시뮬레이션 결과는 SiC 및 GaN 스위치를 사용한 고주파 고립 응용 분야에서 최적의 트랜스포머 선택을 어떻게 안내할 수 있는가?

주요 결과

• 토로이드 코어 구조는 자속의 고유한 봉인성 덕분에 6가지 구성 중에서 가장 낮은 누설 인덕성을 보였다.
• EE 코어 트랜스포머의 교차 권선 구성은 기존의 동심 권선 대비 누설 인덕성을 크게 감소시켰다.
• 부속용량은 상대적으로 큰 권선 간 표면적을 가진 구성에서 가장 높았으며, 특히 비교차 권선 EE 코어 설계에서 두드러졌다.
• UU 코어 구조는 중간 수준의 누설 인덕성을 보였지만, 토로이드 및 교차 권선 EE 코어 설계보다 더 높은 부속용량을 보였다.
• 자화장 분포는 토로이드 코어에서 가장 균일했으며, 이는 누설 자속을 최소화하고 효율을 향상시켰다.
• 전기장 집중은 고전압 권선 단자 부근에서 가장 높았으며, 특히 비교차 구성에서 부분 방전의 위험이 증가했다.