Optimal Design and Analysis of High-Frequency Isolation Transformer for Switched-Mode Power Converters

Abdurrahman Yavuzdeğer; Burak Esenboğa; Tuğçe Demirdelen

Makale detayları

Optimal Design and Analysis of High-Frequency Isolation Transformer for Switched-Mode Power Converters

Yazarlar:

Abdurrahman Yavuzdeğer | Burak Esenboğa | Tuğçe Demirdelen

Yayıncı:

Cukurova University

Ana Başlıklar:

Elektrik Makineleri ve Sürücüler | Elektrik Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 3, pp.585-598

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

3/2024

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001329017

pISSN:

2757-9255

Anahtar kelimeler:

Özet:

 High-frequency HF transformers have gained great interest in recent years due to the advent of powerful soft magnetic materials with low core loss in semiconductor power switches. Also, the optimal design of the HF transformer is a significant issue for high-performance energy conversion systems. In this paper, a 40W 5012.525 V universal input and two output discontinuous-conduction mode DCM flyback transformer is designed by using mathematical calculations and analyzed via 3D ANSYSMaxwell simulation including electromagnetic and loss analysis. It is shown that the simulation results accounting for hysteresis losses, eddy current losses, copper losses, and magnetic flux density determine the accuracy of the mathematical model calculation. Analyzes are performed at 100 kHz frequency levels. Results obtained will include core magnetic flux density, corecopper losses, leakagemagnetizing inductances, windings parasitic capacitances, inputoutput voltage, current values, and all design parameters. Finally, the proposed HF transformers overall efficiency is calculated and presented. Significantly, the HF transformer achieves 97.8 efficiency thanks to the transformers core and coil selection, B-H and B-P characteristics, one-to-one dimension design, and mesh operation. The dynamic and mathematical results of the designed transformer demonstrate the design and efficiency success.

 High-frequency HF transformers have gained great interest in recent years due to the advent of powerful soft magnetic materials with low core loss in semiconductor power switches. Also, the optimal design of the HF transformer is a significant issue for high-performance energy conversion systems. In this paper, a 40W 5012.525 V universal input and two output discontinuous-conduction mode DCM flyback transformer is designed by using mathematical calculations and analyzed via 3D ANSYSMaxwell simulation including electromagnetic and loss analysis. It is shown that the simulation results accounting for hysteresis losses, eddy current losses, copper losses, and magnetic flux density determine the accuracy of the mathematical model calculation. Analyzes are performed at 100 kHz frequency levels. Results obtained will include core magnetic flux density, corecopper losses, leakagemagnetizing inductances, windings parasitic capacitances, inputoutput voltage, current values, and all design parameters. Finally, the proposed HF transformers overall efficiency is calculated and presented. Significantly, the HF transformer achieves 97.8 efficiency thanks to the transformers core and coil selection, B-H and B-P characteristics, one-to-one dimension design, and mesh operation. The dynamic and mathematical results of the designed transformer demonstrate the design and efficiency success.

 High-frequency HF transformers have gained great interest in recent years due to the advent of powerful soft magnetic materials with low core loss in semiconductor power switches. Also, the optimal design of the HF transformer is a significant issue for high-performance energy conversion systems. In this paper, a 40W 5012.525 V universal input and two output discontinuous-conduction mode DCM flyback transformer is designed by using mathematical calculations and analyzed via 3D ANSYSMaxwell simulation including electromagnetic and loss analysis. It is shown that the simulation results accounting for hysteresis losses, eddy current losses, copper losses, and magnetic flux density determine the accuracy of the mathematical model calculation. Analyzes are performed at 100 kHz frequency levels. Results obtained will include core magnetic flux density, corecopper losses, leakagemagnetizing inductances, windings parasitic capacitances, inputoutput voltage, current values, and all design parameters. Finally, the proposed HF transformers overall efficiency is calculated and presented. Significantly, the HF transformer achieves 97.8 efficiency thanks to the transformers core and coil selection, B-H and B-P characteristics, one-to-one dimension design, and mesh operation. The dynamic and mathematical results of the designed transformer demonstrate the design and efficiency success.

 Yüksek frekanslı YF transformatörler yarı iletken güç anahtarlarında düşük çekirdek kaybına sahip güçlü yumuşak manyetik malzemelerin ortaya çıkması nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Ayrıca YF transformatörünün optimal tasarımı, yüksek performanslı enerji dönüşüm sistemleri için önemli bir konudur. Bu makalede, 40W 5012.525 V tek girişli ve iki çıkışlı süreksiz iletim modlu SİM bir geri dönüş transformatörü matematiksel hesaplamalar kullanılarak tasarlanmış ve elektromanyetik ve kayıp analizini içeren 3B ANSYSMaxwell simülasyonu ile analiz edilmiştir. Histerezis kayıplarını, girdap akımlarını, bakır kayıplarını ve manyetik akı yoğunluğunu hesaba katan simülasyon sonuçlarının matematiksel model hesaplamasının doğruluğunu belirlediği göstermektedir. Analizler 100 kHz frekans seviyelerinde gerçekleştirilir. Elde edilen sonuçlar çekirdek manyetik akı yoğunluğunu, çekirdekbakır kayıplarını, sızıntımıknatıslama endüktanslarını, sargıların parazit kapasitanslarını, girişçıkış voltajını, akım değerlerini ve tüm tasarım parametrelerini içerecektir. Son olarak önerilen YF transformatörünün genel verimliliği hesaplanmış ve sunulmuştur. YF transformatörünün, transformatörün çekirdek ve bobin seçimi, B-H ve B-P özellikleri, birebir boyut tasarımı ve ağ çalışması sayesinde 97,8 verim elde etmesi dikkate değerdir. Tasarlanan transformatörün dinamik ve matematiksel sonuçları, tasarım ve verimlilik başarısını ortaya koymaktadır.

Makale detayları

Optimal Design and Analysis of High-Frequency Isolation Transformer for Switched-Mode Power Converters

Yazarlar:

Abdurrahman Yavuzdeğer | Burak Esenboğa | Tuğçe Demirdelen

Yayıncı:

Cukurova University

Ana Başlıklar:

Elektrik Makineleri ve Sürücüler | Elektrik Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 3, pp.585-598

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

3/2024

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001329017

pISSN:

2757-9255

High-frequency transformer

Modeling

Electromagnetic

ANSYS/Maxwell

Loss analysis

FlaybackYüksek frekans transformatör

Modelleme

Elektromanyetik

ANSYS/Maxwell

Kayıp analizi

Geri dönüşlü

Sayı

Makale detayları

Yazarlar: Abdurrahman Yavuzdeğer | Burak Esenboğa | Tuğçe Demirdelen

Yayıncı: Cukurova University

Ana Başlıklar: Elektrik Makineleri ve Sürücüler | Elektrik Mühendisliği (Diğer)

Dergi: Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 3, pp.585-598

Belge Tipi: Makale

Yayın Tarihi: 3/2024

Belge Dili: İngilizce

Document ID (Org No.): 2001329017

pISSN: 2757-9255

Sayı

Yazarlar:

Abdurrahman Yavuzdeğer | Burak Esenboğa | Tuğçe Demirdelen

Yayıncı:

Cukurova University

Ana Başlıklar:

Elektrik Makineleri ve Sürücüler | Elektrik Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi Vol.39 Issue 3, pp.585-598

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

3/2024

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001329017

pISSN:

2757-9255