Design and optimization of high voltage transformers for LLC converter

Abstract

Rezonans dönüştürücülerin özel bir uygulaması, yüksek gerilim DC-DC uygulamalarıdır. Yüksek gerilim DC-DC dönüştürücüleri, transformatörün yüksek dönüş oranı nedeniyle parazitik kapasitanslar gibi ideal olmayan elemanların yüksek değerlerine sahip bir yüksek gerilim transformatörü içerir. Parazitik kapasitanslarının yüksek değeri, rezonans topolojisinin seçimini etki etmektedir. LLC rezonans dönüştürücü, transformatörün parazitik kapasitanslarına karşı çok yüksek hassasiyet içerir. Bu nedenle, yüksek gerilim uygulamalarında LLC rezonans dönüştürücü kullanımı sınırlıdır. Yüksek gerilim uygulamalarında bir LLC rezonans dönüştürücü kullanımı ancak ana parazitik elemanların etkilerini ve değerlerini azaltmakla mümkündür. Bu tez, sargı düzenlemesi ile çok sargılı bir transformatör kullanarak yüksek gerilim transformatörlerindeki parazitik kapasitansları azaltmayı, düzenlemenin sargı kayıpları üzerindeki etkisini en aza indirmeyi ve önerilen bir sargı düzenlemesini LLC rezonans dönüştürücü ile yüksek gerilim uygulamasında kullanmayı önermektedir. Önerilen çok sargılı transformatör ve aynı geometride tasarlanan çok katmanlı transformatör için karşılaştırmalı deneysel analizler yapılmıştır. Ölçümün sonucu, önerilen çok sargılı trafo tarafından trafo parazitik kapasitansının önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Deneysel analizler, LLC rezonans dönüştürücüde entegre bir doğrultucu ile önerilen çok sargılı transformatör kullanılarak deneysel analizler gerçekleştirilir. Deneysel sonuçlar, LLC rezonans dönüştürücünün, yüksek gerilim transformatörünün güvenilirliğini artıran azaltılmış parazit kapasitansları nedeniyle yüksek gerilim uygulamaları için uygun olduğunu göstermektedir. Deneysel sonuçlar, çıkış gerilim regülasyonunun her türlü yük koşulunda sağlandığını, LLC rezonans dönüştürücünün yüksek gerilim uygulmasında FHA'ya uygun olarak çalıştığı görülmektedir.A particular application of resonant converters is high-voltage DC-DC applications. The high-voltage DC-DC converters include a high-voltage transformer with high values of non-ideal elements, such as parasitic capacitances, due to the high turn ratio of the transformer. The high value of winding capacitances affects the selection of the resonant topology. LLC resonant converter contains very high sensitivity to transformer parasitic capacitances. Therefore, the LLC resonant converter is limited to high-voltage applications. Using an LLC resonant converter in high-voltage applications is possible by reducing the effects and values of the main parasitic element. This thesis proposes to decrease parasitic capacitance on high-voltage transformers using a multi-winding transformer with a winding arrangement, minimise the arrangement's influence on winding losses and test a proposed winding arrangement with an LLC resonant converter. The comparative experimental analyses are performed for the proposed multi-winding transformer and the multi-layer transformer designed in the same geometry. The result of the measurement shows that the transfomer parasitic capacitance is significantly reduced by proposed multi-winding transformer. The experimental analyses are performed using the proposed multi-winding transformer with an integrated rectifier in the LLC resonant converter. The experimental results indicate that the LLC resonant converter is suitable for high-voltage applications due to the minimized parasitic capacitances of the high-voltage transformer, which enhances its reliability. The experimental results indicate that the output voltage regulation is provided under any load conditions in a wide operating range, and the LLC resonant converter works in accordance with FHA in high-voltage application.