[论文解读] 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 11

一句话总结

本文使用有限元法（FEM）分析了六种高频变压器结构——环形、EE 和 UU 铁芯，且绕组排列方式各异——在 10 kHz 条件下评估漏感和寄生电容。研究提供了电磁场与电场分布的定量比较，使基于漏感与寄生电容之间权衡的 SiC 和 GaN 基高频隔离应用的变压器设计选择实现最优化。

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.

研究动机与目标

• 评估不同铁芯几何形状与绕组配置对高频变压器寄生参数的影响。
• 利用有限元建模分析高频变压器内部的磁场与电场分布。
• 量化在 10 kHz、8 kVA、400 V/400 V 运行条件下，多种变压器结构的漏感与串联寄生电容。
• 提供一种比较框架，基于高频隔离应用中性能权衡选择最优变压器设计。
• 支持为现代宽禁带半导体开关（如 SiC 和 GaN）设计高效高频隔离变压器。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）对六种不同高频变压器结构的磁场分布进行仿真与分析。
• 对变压器内部的电场与电压分布进行建模，以评估寄生电容的影响。
• 研究了六种配置：环形、EE 和 UU 铁芯，且绕组排列方式各异，包括 EE 铁芯的 interleaved（交错）绕组。
• 分析聚焦于 400 V/400 V、8 kVA、10 kHz 运行的变压器，以确保与高频电力转换系统的相关性。
• 从各结构中提取并比较结果，以评估漏感与串联寄生电容之间的权衡。
• 对 EE 铁芯的交错绕组配置进行仿真，并与标准绕组排列对比，以评估性能提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同铁芯几何形状（环形、EE、UU）如何影响高频变压器的漏感与寄生电容？
• RQ2 绕组排列方式，特别是交错绕组，对 EE 铁芯变压器中磁场与电场分布有何影响？
• RQ3 在相同的 10 kHz、8 kVA 运行条件下，六种研究变压器结构的寄生参数如何变化？
• RQ4 每种变压器配置中，漏感与串联寄生电容的相对平衡关系如何？
• RQ5 仿真结果如何指导基于 SiC 和 GaN 开关的高频隔离应用中变压器的最优选择？

主要发现

• 由于其固有的磁通约束特性，环形铁芯结构在六种配置中表现出最低的漏感。
• 与传统的同心绕组相比，EE 铁芯变压器中的交错绕组显著降低了漏感。
• 寄生电容在绕组间表面积较大的配置中最高，特别是在非交错绕组的 EE 铁芯设计中。
• UU 铁芯结构表现出中等水平的漏感，但其寄生电容高于环形和交错绕组 EE 铁芯设计。
• 环形铁芯的磁场分布最均匀，可最大限度减少漏磁通，从而提高效率。
• 电场集中度最高出现在高压绕组端子附近，尤其是在非交错配置中，增加了局部放电的风险。