Loss analysis and design of a medium frequency transformer for medium voltage converter applications

Abstract

The present work investigates the behaviour of inductors with an air gap, particularly their losses, because these insights are relevant for use in solid-state transformers. Further development of such transformers requires accurate simulation capabilities to evaluate the quality of a design and thereby achieve higher power densities. Foil windings are a promising option due to their high packing density, which is also addressed in this work. As a first step, a practical setup of an inductor with foil windings was implemented, which also included the design and fabrication of suitable coil formers. This setup was then modelled in two dimensions in FEMM, and the effects of the stray field originating from the air gap were analyzed. Subsequently, 3D simulations were carried out, comparing various levels of accuracy. In the course of this, the need arose to draw winding geometries with less time expenditure, which led to the development of Python routines that allow faster generation of results. Based on the insights gained, a small-scale medium-frequency transformer was constructed. Four identical U-shaped ferrite cores formed the magnetic circuit. Taking thermal aspects and dielectric strength into account, housings, coil formers, and bushings were produced using 3D printing, with the intention of using oil as the insulating medium. Both the primary and secondary windings were made of litz wire. Unfortunately, determining the performance of the MFT in a thermal experiment failed due to a leak in the housing, which revealed that 3D-printed components pose particular challenges when used with liquids and high temperatures. In final simulations, significant discrepancies were observed between the impedances of the simulated foil windings and the measurements. Nevertheless, no substantial advantages of a segmented foil winding were evident in any of the experiments, as radial flux components originating from the air gap cause current crowding at the edges.

Die vorliegende Arbeit untersucht das Verhalten von Induktivitäten mit Luftspalt, insbesondere ihre Verluste, weil diese Erkenntnisse relevant für den Einsatz in Solid State Transformern sind. Die Weiterentwicklung dieser erfordert eine genaue Simulationsmöglichkeit, um die Qualität eines Designs abzuschätzen und so höhere Leistungsdichten zu erzielen. In Hinsicht auf hohe Leistungsdichten sind Folienwicklungen durch ihre hohe Packungsdichte eine vielversprechende Option, worauf in dieser Arbeit auch bezug genommen wird.In einem ersten Schritt wurde deshalb ein praktischer Aufbau einer Induktivität mit Folienwicklungen realisiert, was auch das Design sowie Herstellung von geeigneten Spulenträgern umfasste. Jener Aufbau wurde dann in FEMM 2-dimensional gezeichnet und die Auswirkungen des Streufeldes ausgehend vom Luftspalt untersucht.Im Anschluss folgten Simulationen in 3D, wobei verschiedene Grade an Genauigkeit verglichen wurden. Im Zuge dessen, entstand der Anspruch Geometrien von Wicklungen mit geringerem Zeitaufwand zu zeichnen, weshalb auf Routinen in Python geschrieben wurden, die es erlauben schneller an Ergebnisse zu kommen. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse folgte der Aufbau eines Medium Frequency Transformers in kleinem Format. 4-Stück derselben U-Kerne aus Ferrit bildeten den Magnetkreis. Unter Abwägung der thermischen Aspekte sowie Spannungsfestigkeit entstanden Gehäuse, Spulenträger und Bushings aus dem 3D-Drucker mit der Intention Öl als Isolationsmedium zu verwenden. Sowohl Primär-, als auch Sekundärspule wurden aus Litze gefertigt.Die Feststellung der Leistungsfähigkeit des MFT in einem thermischen Experiment scheiterte leider an einem Leck am Gehäuse, was zur Erkenntnis führte, dass 3D gedruckte Teile in Zusammenhang mit Flüssigkeiten und hohen Temperaturen besondere Anforderungen haben. In abschließenden Simulationen zeigten sich wesentliche Diskrepanzen zwischen Impedanzen der simulierten Folienwicklungen und den Messungen. Dennoch waren in allen Experimenten keine wesentlichen Vorteile einer geteilten Folienwicklung erkennbar, weil radiale Flusskomponenten ausgehend vom Luftspalt für Stromverdrängung in den Randbereichen sorgen.