Diseño y validación de un transformador planar para convertidores DC-DC resonante serie

Abstract

En el presente trabajo de tesis, se describe el diseño un transformador de alta frecuencia (HF) planar para convertidores DC-DC resonante serie con devanados fabricados utilizando láminas de cobre. Los transformadores planares presentan menor dificultad en la predicción de los valores aproximados de los elementos parásitos (resistencia AC, inductancia de fuga, inductancia magnetizante y capacitancia parásita) debido a la repetibilidad de las espiras planas. Por el contrario, los transformadores HF convencionales con pequeñas alteraciones en el proceso de fabricación presentan mayor dificultad en la predicción de los valores de los elementos parásitos. En la metodología del diseño del transformador planar, se establecen los parámetros físicos del núcleo magnético y de los devanados, a partir de las especificaciones determinadas para el transformador planar en el diseño del convertidor DC-DC Dual Active Bridge Resonante Serie (DABRS) de 1 kW de potencia; implementando tres transformadores planares para analizar los elementos parásitos de los transformadores con diferente valor de factor de llenado de la ventana del núcleo magnético, 0.1 y 0.2; y diferente tipo de entrelazado de los devanados, PSSPPSSPPSSP y PPPPPPSSSSSS. La simulación e implementación del transformador planar son utilizadas en el análisis de los elementos parásitos. Por tanto, los valores de los elementos parásitos son determinados a partir del análisis de las gráficas de impedancias del transformador planar en función de la frecuencia de operación, las cuales son obtenidas al realizar las pruebas de circuito cerrado y circuito abierto en el transformador planar. Además, el funcionamiento del transformador planar se evalúa usando una tensión de entrada de forma de onda cuadrada. Finalmente, el transformador planar apto para el convertidor DC-DC DABRS de 1 kW de potencia, presenta el valor de factor de llenado de la ventana de núcleo magnético de 0.2 y el tipo de entrelazado de los devanados PPPPPPSSSSSS, así mismo, la respuesta del transformador planar a una tensión de entrada de forma de onda cuadrada presenta sobretensiones del 30% con una frecuencia de rizado mayor que 4 MHz.

In this thesis work, the design of a planar high frequency (HF) transformer for series resonant DC-DC converters with windings made using copper foil is described. The planar transformer present lesser difficulty to predict the approximate values of the parasitic elements (AC resistance, leakage inductance, magnetizing inductance and parasitic capacitance) due to repeatability of the flat turns. On the contrary, conventional HF transformers with slight alterations in the manufacturing process present higher difficulties in predicting the values of the parasitic elements. In the planar transformer design methodology, the physical parameters of the magnetic core and the windings are established, based on the specifications of the planar transformer determined in the design of the Dual Active Bridge Resonant DC-DC converter (DABRS) of 1kW power; implementing three planar transformers to analyze the parasitic elements of the transformers with different value of fill factor of the magnetic core window, 0.1 and 0.2, and different type of winding interleaving, PSSPPSSPPSSP and PPPPPPSSSSSS. The simulation and implementation of the planar transformer are used in the analysis of parasitic elements. Therefore, the values of the parasitic elements are determined from the analysis of the impedance graphs of the planar transformer as a function of the operating frequency, which are obtained by performing the closed circuit and open circuit test on the planar transformer. In addition, the performance of the planar transformer is evaluated using a square waveform input voltage. Finally, the planar transformer suitable for the DC-DC DABRS converter of 1kW power, presents the value of the fill factor of the magnetic core window of 0.2 and the type of winding interleaving PPPPPPSSSSSS, likewise, the response of the planar transformer at a square wave input voltage presents overshoot of 30% with a ripple frequency greater than 4 MHz