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Technologien für die Mobilität der Zukunft: Neues Transformator-Design mit enger Toleranz

Elektrofahrzeuge und das Zukunftsversprechen autonomen Fahrens erfordern Fortschritte bei vielen Schlüsseltechnologien – so etwa zum Laden von Hochleistungsbatterien. On-Board-Ladegeräte (On Board Charger, OBC) können von einem neuartigen Design für Leistungstransformatoren profitieren.

Um auch im hohen Leistungsbereich einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, sind Leistungsschalter mit niedrigsten Schaltverlusten erforderlich. Moderne Produkte setzen häufig Resonanzwandler-Topologien ein, deren Vorteil darin besteht, die Schaltverluste über das sogenannte ZVS-Prinzip (Zero Voltage Switching, Nullspannungsschaltung) zu verringern. Es wird insbesondere bei LLC-Resonanzwandlern eingesetzt, bei denen die Resonanzinduktivität den Null-Volt-Schaltbetrieb ermöglicht. Sie eignen sich somit ideal für hocheffiziente Multi-kW-OBC-Anwendungen.

Die Bezeichnung LLC ist daraus abgeleitet, dass der Schwingkreis auf der Funktion von drei Komponenten beruht: der Magnetisierungsinduktivität des Transformators sowie der Streuinduktivität des Transformators und dem Resonanzkondensator. Dies ist eine bekannte Möglichkeit, um die notwendige Resonanzinduktivität durch die Streuinduktivität des LLC-Transformators zu ersetzen, wenn der Wert richtig dimensioniert und mit der erforderlichen engen Toleranz eingehalten wird. Mithilfe der Finite-Elemente-Modellierung hat der Hersteller Pulse einen 3,6-kW-Leistungsübertrager konstruiert, der die Resonanzinduktivität eines LLC-Wandlers mittels der hochgenauen und eng tolerierten Streuinduktivität des Transformers bildet.

Bild 1 zeigt das LLC-Blockdiagramm mit hervorgehobener Resonanzinduktivität Lr. Der Resonanzkreis ist induktiv mit dem Ausgangs-/Glättungskreis gekoppelt. Die magnetische Kopplung wird vorrangig durch die Geometrie der Spulen und des Kernluftspaltes bestimmt.

Die Verstärkung des LLC-Wandlers wird nach folgender Formel ermittelt:

Verstärkung = (Lm + Lr) / Lr (Gleichung 1)

Während sich die Toleranz der Magnetisierungsinduktivität Lm kontrollieren lässt, indem ein enger Toleranzwert des Kernluftspaltes eingehalten wird, muss die Resonanzinduktivität Lr weiter untersucht werden.

Ein vollständigeres Modell, das die Streuinduktivitäten der Primär- (Lk_prim) und der Sekundärwicklung (Lk_sec) sowie einer möglichen externen Resonanzinduktivität (Lext) enthält, ist in Bild 2 dargestellt.

Folgendes ist nun ersichtlich: Lr = Lext + Lk_prim (Gleichung 2)

Wie erwähnt, lässt sich die Notwendigkeit der diskreten Resonanzinduktivität beseitigen, indem der Transformator mit ausreichend hoher Streuinduktivität ausgelegt wird. Die Herausforderung dabei ist es, die enge Toleranz für einen solchen parasitären Parameter zu realisieren. Erreicht hat Pulse dies mit einer neuartigen Wicklungskonstruktion.

Spulenkonstruktion im Sandwich-Design

Als Beispiel dient die PQ50/50-Plattform mit Primär- und Sekundärwicklungsdrähten, die entsprechend der Leistung von 3,6 kW dimensioniert wurden. Unter Berücksichtigung der Systemanforderungen, für die der Transformator entwickelt wurde, stellte sich mittels der Gleichungen 1 und 2 zur Bestimmung der Streuinduktivitätswertes heraus, dass eine geteilte Primärwicklung mit einer Sekundärwicklung in Sandwich-Konstruktion dem Zielwert am nächsten kommt.

Bild 3 zeigt die Wicklungsquerschnittsfläche einer patentierten Spulenkonstruktion zur Feinabstimmung der Streuinduktivität auf den richtigen Wert. Das Besondere an dieser Konstruktion ist die Möglichkeit, den Abstand zwischen den Wicklungssegmenten unabhängig voneinander zu steuern und die erforderliche Streuinduktivitätsanforderung zu erreichen. Die Breite jedes Wicklungsabschnitts und die Drahtbündelgröße sind sorgfältig auf die Wickelpräzision und damit auf die Einhaltung der Streuinduktivitätstoleranz abgestimmt.

Finite-Elemente-Methode für optimiertes Transformatordesign

Um das Design zu komplettieren und dafür zu sorgen, dass sich die Streuinduktivität auf die Primärwicklung konzentriert, sind eine optimal ausgelegte Konstruktion der Primär- und Sekundärwicklung sowie die optimale Position des Kernluftspaltes notwendig.

Mithilfe der Finite-Elemente-Modellierung, einer modernen Methode, um technische magnetische Probleme zu analysieren und effektive Lösungen zu entwickeln, wurde dieser Entwurf simuliert. Das Ergebnis ist der Magnetfluss, der zum gewünschten Resultat führt. Bild 4 zeigt die Finite-Elemente-Modellierung der einzelnen Flusspfade der Primär- und der Sekundärwindung.

Ein Prototypenaufbau (Bild 5) und ein elektrischer Test bestätigten die Simulation der Finite-Elemente-Modellierung des optimierten Transformatorentwurfs. Die Messung der elektrischen Parameter zeigt, dass die angestrebte Streuinduktivität und -toleranz eingehalten wurden. Das heißt: Mit der neuartigen Konstruktion lässt sich die Streuinduktivität des LLC-Transformators durch eine diskrete Resonanzinduktivität ersetzen.

Finite-Elemente-Methode

Mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich Bauteile am Computer berechnen. Sie wird häufig verwendet, um mechanische Verformungen von Festkörpern durch Einfluss z.B. von Druck und Temperatur zu simulieren. So lassen sich im Voraus konstruktive Fehler erkennen, vermeiden und infolgedessen Kosten sparen. Hierfür wird ein Körper virtuell in kleinste, endliche (finite) Elemente zerlegt. Im hier genannten Fall wird mithilfe der FEM simuliert, wie sich ein Ferritkern-Transformator unter Einfluss der magnetischen Durchflutung verhält.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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