A New Optimization Method for Gapped and Distributed Core Magnetics in LLC Converter

Abstract

La optimización del diseño del convertidor LLC sigue siendo una tarea desafiante para cargas variables, como en los cargadores de baterías. Existen numerosas combinaciones L-L-C para elegir entre un espacio de diseño que puede satisfacer las ganancias de voltaje requeridas de la aplicación. Un modelo magnético preciso es esencial para dimensionar de manera óptima los componentes pasivos de acuerdo con las necesidades de la aplicación. Este documento proporciona una nueva herramienta de diseño para el núcleo magnético con huecos para optimizar el transformador y el inductor resonante en los convertidores LLC. A diferencia de los algoritmos de diseño convencionales, el algoritmo propuesto considera múltiples núcleos distribuidos y selecciona la densidad de flujo magnético óptima minimizando una función de penalización que incluye la pérdida de potencia, el costo y el volumen de los componentes magnéticos utilizando el algoritmo Big-Bang Big-Crunch. Las ecuaciones de diseño del transformador de núcleo hueco y del inductor se han verificado en el entorno de simulación conjunta de Ansys Maxwell y Simplorer para un LLC de 3700W 48V y la pérdida de potencia calculada se ha comparado con los resultados experimentales. Para el par L m y L r dado de 37.52 μH y 9.38 μH, el modelo magnético propuesto diseñó un transformador con dos núcleos distribuidos, cada uno con una inductancia de magnetización de 17.73 μH y una inductancia de fuga de 0.7 μH en un EE422120 con material 3F36. La pérdida total de potencia de los transformadores se mide en 12,44 W en un prototipo de 3700 W conmutado a 350 kHz.L'optimisation de la conception du convertisseur LLC reste une tâche difficile pour diverses charges, comme dans les chargeurs de batterie. Il existe de nombreuses combinaisons L-L-C à choisir dans un espace de conception qui peut satisfaire les gains de tension requis de l'application. Un modèle magnétique précis est essentiel pour dimensionner de manière optimale les composants passifs en fonction des besoins de l'application. Cet article fournit un nouvel outil de conception pour les aimants à noyau espacé afin d'optimiser le transformateur et l'inducteur résonant dans les convertisseurs LLC. Contrairement aux algorithmes de conception conventionnels, l'algorithme proposé considère plusieurs noyaux distribués et sélectionne la densité de flux magnétique optimale en minimisant une fonction de pénalité qui comprend la perte de puissance, le coût et le volume des composants magnétiques à l'aide de l'algorithme Big-Bang Big-Crunch. Les équations de conception du transformateur à noyau lacunaire et de l'inducteur ont été vérifiées dans l'environnement de co-simulation Ansys Maxwell et Simplorer pour une LLC de 3 700 W 48 V et la perte de puissance calculée a été comparée aux résultats expérimentaux. Pour la paire L m et L r donnée de 37,52 μH et 9,38 μH, le modèle magnétique proposé a conçu un transformateur à deux noyaux distribués, chacun présentant une inductance magnétisante de 17,73 μH et une inductance de fuite de 0,7 μH sur un EE422120 avec un matériau 3F36. La perte de puissance totale des transformateurs est mesurée à 12,44 W sur un prototype de 3700 W commuté à 350 kHz.LLC converter design optimization remains a challenging task for varying loads such as in battery chargers. There are numerous L-L-C combinations to choose from a design space that can satisfy the required voltage gains of the application. An accurate magnetic model is essential to optimally size the passive components according to the application needs. This paper provides a new design tool for gapped core magnetics to optimize the transformer and resonant inductor in LLC converters. Unlike conventional design algorithms, the proposed algorithm considers multiple distributed cores and selects the optimal magnetic flux density by minimizing a penalty function that includes power loss, cost and volume of the magnetic components using Big-Bang Big-Crunch Algorithm. The gapped core transformer and inductor design equations have been verified in Ansys Maxwell and Simplorer co-simulation environment for a 3700W 48V LLC and calculated power loss have been compared with experimental results. For the given L m and L r pair of 37.52 μH and 9.38 μH, the proposed magnetic model designed a transformer with two-distributed cores, each one exhibiting a magnetizing inductance of 17.73 μH and leakage inductance of 0.7 μH on a EE422120 with 3F36 material. The total power loss of the transformers are measured as 12.44 W on a 3700 W prototype switched at 350 kHz.يظل تحسين تصميم محول شركة ذات مسؤولية محدودة مهمة صعبة للأحمال المختلفة كما هو الحال في شواحن البطاريات. هناك العديد من مجموعات L - L - C للاختيار من بينها مساحة التصميم التي يمكن أن تلبي مكاسب الجهد المطلوبة للتطبيق. يعد النموذج المغناطيسي الدقيق ضروريًا لتحديد الحجم الأمثل للمكونات السلبية وفقًا لاحتياجات التطبيق. توفر هذه الورقة أداة تصميم جديدة للمغناطيسية الأساسية ذات الفجوات لتحسين المحول ومحث الرنين في محولات شركة ذات مسؤولية محدودة. على عكس خوارزميات التصميم التقليدية، تأخذ الخوارزمية المقترحة في الاعتبار العديد من النوى الموزعة وتختار كثافة التدفق المغناطيسي المثلى من خلال تقليل وظيفة الجزاء التي تتضمن فقدان الطاقة وتكلفة وحجم المكونات المغناطيسية باستخدام خوارزمية Big - Bang Big - Crunch. تم التحقق من معادلات المحولات الأساسية وتصميم المحث في بيئة المحاكاة المشتركة بين أنسيس ماكسويل وبسيط لشركة ذات مسؤولية محدودة بقدرة 3700 واط 48 فولت وتمت مقارنة فقدان الطاقة المحسوب بالنتائج التجريبية. بالنسبة للزوجين Lm و Lr اللذين يبلغان 37.52 μH و 9.38 μH، صمم النموذج المغناطيسي المقترح محولًا ذا قلبين موزعين، يظهر كل منهما محاثة ممغنطة تبلغ 17.73 μH ومحاثة تسرب تبلغ 0.7 μH على EE422120 بمادة 3F36. يتم قياس إجمالي فقد الطاقة للمحولات على أنه 12.44 واط على نموذج أولي 3700 واط تم تبديله عند 350 كيلو هرتز.