Modellierung von Mittelfrequenztransformatoren für Halbleitertransformator-Konstruktionen

Wichtigste Erkenntnisse

• Leckinduktivität, Kernverhalten und Wicklungskapazität legen die Grenzen einer isolierten Stufe fest; daher müssen sie bereits in der ersten Untersuchung in das Modell einbezogen werden.
• Die Modelldetails sollten der Entwurfsfrage entsprechen, wobei Sättigungs-, Kapazitäts- und Verlustkarten nur dort hinzugefügt werden sollten, wo ein Ergebnis davon abhängt.
• Tests Wenn der Regler vor der Bestellung der Magnetkomponenten anhand eines realistischen Transformatormodells getestet wird, werden aus den Transformatorspezifikationen eine Reihe geprüfter Grenzwerte.

Ein Mittelfrequenz-Transformator-Modell beweist seinen Nutzen, wenn es Streuverluste, Kernverluste und Sättigungsgrenzen vorhersagt, bevor Sie sich für die Wicklung eines Kerns entscheiden.

Halbleitertransformatoren ersetzen einen schweren Netzfrequenzkern durch Leistungselektronik und einen wesentlich kleineren Transformator, der mit Kilohertz-Frequenzen arbeitet. Das Interesse daran steigt weiter, da herkömmliche Geräte nur schwer zu beschaffen sind und das NREL schätzt, dass die Kapazität der Verteiltransformatoren in den Vereinigten Staaten bis 2050 im Vergleich zum Niveau von 2021 um 160 % bis 260 % erhöht werden muss. Jedes dieser Designs ist auf ein magnetisches Bauteil angewiesen, das niemand aus einem Katalog kaufen kann.

Im Schaltplan wird dieser Teil als zwei gekoppelte Spulen und ein Windungsverhältnis dargestellt. Die Grenzen, an die Sie im Labor stoßen werden, liegen jedoch woanders: bei der Streuinduktivität, dem Kernverhalten und der Kapazität zwischen den Wicklungen. Behandeln Sie diese drei Faktoren als wichtige Modellparameter, testen Sie sie im geschlossenen Regelkreis mit Ihrem Regler, und die isolierte Stufe ist nicht mehr der risikoreichste Bestandteil des Entwurfs. Lassen Sie sie außer Acht, und der erste Prototyp wird zu Ihrem Modell.

Was ein Mittelfrequenztransformator im Inneren eines Halbleitertransformators bewirkt

Ein Mittelfrequenztransformator sorgt innerhalb eines Halbleitertransformators für galvanische Trennung und Spannungsskalierung bei Betriebsfrequenzen von etwa 1 kHz bis zu einigen zehn Kilohertz. Bei gleicher Spannung nimmt die Kernfläche mit steigender Frequenz ab, weshalb das Bauteil so viel kleiner ist als ein 60-Hz-Bauteil mit gleicher Nennleistung.

Stellen Sie sich eine Wicklung vor, die mit einer 800-V-Rechteckwelle gespeist wird. Bei 20 Windungen und einem Kernquerschnitt von 10 cm² beträgt die Spitzenflussdichte bei 20 kHz etwa 0,5 T. Würde man dieselbe Wicklung mit 60 Hz betreiben, bräuchte der Kern eine hundertmal größere Fläche, um nicht in die Sättigung zu geraten.

Die Einsparung hat ihren Preis. Eine höhere Frequenz erhöht den Kernverlust pro Kilogramm, drängt den Strom an die Oberfläche jedes Leiters und verringert die für die Kühlung verfügbare Oberfläche. Auch die Mittelspannungsisolierung muss in einen weitaus kleineren Raum passen. Ihr Modell muss all diese Effekte berücksichtigen, da sich jeder einzelne davon ändert, wenn Sie die Frequenz anpassen.

Warum die Streuinduktivität die Leistungsgrenze einer isolierten Stufe bestimmt

Die Streuinduktivität bestimmt die Leistungsgrenze, da sie das Element ist, das tatsächlich Energie zwischen den beiden Brücken überträgt. Ist sie zu hoch, begrenzt sie die lieferbare Leistung und verringert den Arbeitszyklus. Ist sie zu gering, bleibt keine gespeicherte Energie für das Soft-Switching übrig, und der Strom steigt schneller an, als es der Regelkreis bewältigen kann.

„Die Streuinduktivität bestimmt die Leistungsgrenze, da sie das Element ist, das tatsächlich Energie zwischen den beiden Brücken überträgt.“

Nehmen wir eine phasenverschobene Vollbrücke bei 800 V und 20 kHz mit 20 µH Leckinduktivität und 50 A reflektiertem Laststrom. Bei jeder Polaritätsumkehr muss der Primärstrom um 100 A schwingen, was 2,5 µs dauert. Eine Halbperiode dauert 25 µs, sodass 10 % jeder Halbperiode keinen Ausgangsstrom liefern.

Ein ideales Transformatormodell gibt die Volllast und die volle Ausgangsspannung für diesen Betriebspunkt an. Der „ hardware “ regelt bei Volllast um 10 % niedriger, und Ihr Windungsverhältnis wird beim ersten Bauversuch falsch sein.

Auch Streustrom steht im Widerspruch zur Isolierung. Dickere Barrieren zwischen den Wicklungen erhöhen zwar die Isolationsklasse, führen aber gleichzeitig zu mehr Streustrom, sodass die mechanische Anordnung und die elektrischen Grenzwerte gemeinsam berücksichtigt werden müssen. Passen Sie den modellierten Wert frühzeitig an die Wicklungsgeometrie an.

Wie sich eine phasenverschobene Vollbrücke mit einem praktischen Transformator verhält

Eine phasenverschobene Vollbrücke mit einem realen Transformator verliert bei geringer Last die Sanftschaltung, verursacht Schwingungen am Gleichrichter und neigt zu Flusswanderung. Alle drei Phänomene sind auf die parasitären Effekte des Transformators zurückzuführen und treten bei einem idealen Transformator nicht auf.

Das weiche Schalten auf dem nachlaufenden Zweig beruht auf der im Streufeld gespeicherten Energie. Bei 20 µH und 5 A beträgt diese Energie 250 µJ. Zwei Bauteilekapazitäten von je 300 pF, die durch 800 V schwingen, benötigen etwa 190 µJ; die Reserve ist also knapp, und bei 4 A sinkt die gespeicherte Energie auf 160 µJ, sodass der Zweig hart schaltet. Geringe Unterschiede in der Einschaltdauer zwischen den beiden Diagonalen führen zudem zu einer Netto-Gleichspannung an der Primärseite. Der Magnetisierungsstrom driftet dann über viele Zyklen hinweg in Richtung Sättigung, was nur ein Modell mit einem sättigbaren Kern zeigt.

Die Wahl des Kernmaterials bestimmt den Verlust im mittleren Frequenzbereich

Das Kernmaterial bestimmt, wie groß die Flussschwankung sein darf und wie viel Wärme pro Watt Durchsatz entsteht. Ferrit weist geringe Verluste auf, ist jedoch bei etwa 0,4 T gesättigt. Nanokristalline Legierungen vertragen etwa 1,2 T, was einen kleineren Kern ermöglicht – allerdings auf Kosten einer bandgewickelten Bauform, die schwieriger zu kühlen und zu montieren ist.

Die Messergebnisse zeigen, wie nah die beiden Varianten beieinander liegen können. Im Rahmen einer Abschlussarbeit an der Chalmers University of Technology wurden zwei 50-kW-Prototypen mit 5 kHz gebaut; dabei wurden für die nanokristalline Einheit 99,66 % und für die Ferrit-Einheit 99,58 % gemessen. Der Unterschied erscheint zunächst gering, bis man ihn in Wärme umrechnet, denn diese Werte bedeuten Verluste von etwa 170 W bzw. 210 W in einem kompakten, stark isolierten Gehäuse.

Die Verlustdaten aus dem Datenblatt des Lieferanten gehen von einem sinusförmigen Magnetfluss aus. Ihr Umrichter liefert Rechteckspannungen mit Haltezeiten, sodass ein Verlustmodell, das die Wellenform berücksichtigt, zu einem anderen Ergebnis führt – und dieses Ergebnis bestimmt die Temperatur am Hotspot.

Welches Modelldetail ist für die jeweilige Entwurfsfrage erforderlich?

Jede Konstruktionsfrage erfordert einen bestimmten Detaillierungsgrad des Transformators, und die durchgängige Verwendung des detailliertesten Modells führt zu einer Verschwendung von Simulationszeit. Ein ideales Verhältnis unter Berücksichtigung der Serienleckage liefert Antworten auf Fragen zum Leistungsfluss. Sättigung, Wicklungskapazität und Verlustkarten zahlen sich nur für die Fragen aus, die davon abhängen, wie die Zusammenfassung zeigt.

Die Kapazität zwischen den Wicklungen verdient eine genauere Betrachtung. Eine Barrierekapazität von 100 pF, die einem Schalt Vorteil von 50 kV/µs ausgesetzt ist, leitet 5 A Gleichtaktstrom in Ihre Erdungs- und Messschaltungen.

Fehler, die ein Transformator-Modell besser aussehen lassen als das hardware

Transformermodelle stellen die „ hardware “ in einem besseren Licht dar, wenn sie Kleinsignalmessungen verwenden, die Temperatur außer Acht lassen und mit einem für die Schaltflanken zu groben Zeitschritt arbeiten. Jede dieser Vereinfachungen eliminiert einen Verlust oder eine Begrenzung. Die simulierte Stufe erreicht dann Zielwerte, die die gebaute Stufe um einen Betrag verfehlt, der sich durch eine Regelungsoptimierung nicht mehr ausgleichen lässt.

Der Zeitschritt lässt sich am einfachsten quantifizieren. Eine 20-kHz-Brücke hat eine Periode von 50 µs, sodass ein Schritt von 500 ns 100 Punkte pro Zyklus und eine Phasenverschiebungsauflösung von 1 % ergibt. Läuft dasselbe Modell mit einem Zeitschritt von 10 µs, lässt sich die Stromumkehr von 2,5 µs überhaupt nicht darstellen.

Die gängigen Tastenkombinationen lassen sich leicht aufzählen.

• Verwendung der bei niedrigem Strom gemessenen Leckströme für eine Volllastuntersuchung.
• Die Magnetisierungsinduktivität wird bis zum Nennfluss als linear betrachtet.
• Ermittlung des Kernverlusts aus sinusförmigen Daten ohne Wellenformkorrektur.
• Die Wicklungskapazität wird außer Acht gelassen, da die Frequenz offenbar niedrig ist.
• Unter der Annahme, dass der Widerstand auf seinem Wert bei Raumtemperatur bleibt.

Ingenieur:innen Diejenigen, die diese Stufen auf OPAL-RT-Simulatoren betreiben, führen die Transformator- und Brückenschaltkreismodelle in Echtzeit im Vergleich zum physikalischen Regler aus. Totzeit, Abtastverzögerung und Schutzschwellenwerte entsprechen dann dem gleichen Leck- und Sättigungsverhalten, das der „ hardware “ aufweist.

Überprüfung der isolierten Stufe vor dem Wickeln eines Kerns

„Die Disziplin, die schwierigen Stellen frühzeitig zu modellieren, sorgt dafür, dass der erste gewickelte Kern dem letzten sehr nahe kommt.“

Eine Validierung vor der Wicklung bedeutet, dass Ihr Regler bereits Leistungsabfall, hartes Schalten bei geringer Last und einen gesättigten Kern erlebt hat, bevor die Bestellung der Magnetkomponenten erfolgt. Die Transformatorspezifikation ergibt sich dann aus den getesteten Grenzwerten. Sie basiert nicht auf einem Windungsverhältnis und einem hoffnungsvollen Wirkungsgrad.

Diese Reihenfolge der Arbeitsschritte ist wichtig, da die Überarbeitung eines kundenspezifischen Mittelfrequenztransformators zeitaufwendig und kostspielig ist. Eine zweite Iteration bedeutet neue Werkzeuge, neue Isolationsprüfungen und wochenlange Wartezeiten – und das alles nur, um einen Leckagewert zu korrigieren, den man an einem Nachmittag hätte durchmessen können. Teams, die zuerst eine Durchmessung durchführen, legen in der Regel einen Leckagebereich und eine Sättigungsreserve fest und geben dem Wickler eine Toleranz vor, von der sie wissen, dass sie vom Regelkreis akzeptiert wird.

Gutes Urteilsvermögen bedeutet hier vor allem Zurückhaltung. Man braucht nicht jeden Parasiten in jeder Studie, aber man braucht die richtigen, wenn eine Entscheidung von ihnen abhängt. Aus diesem Grund modelliert OPAL-RT das Verhalten von Mittelfrequenztransformatoren in Echtzeit, sodass die isolierte Stufe innerhalb eines Halbleitertransformators bereits in Abstimmung mit ihrer Steuerung getestet wird, während der Kern noch eine Zeichnung ist. Die Disziplin, die kniffligen Teile frühzeitig zu modellieren, sorgt dafür, dass der erste gewickelte Kern dem letzten sehr nahe kommt.