Loss Analysis and Design of a Medium Frequency Transformer for Medium Voltage Converter Applications

Die vorliegende Arbeit untersucht das Verhalten von Induktivitäten mit Luftspalt, insbesondere ihre Verluste, weil diese Erkenntnisse relevant für den Einsatz in Solid State Transformern sind. Die Weiterentwicklung dieser erfordert eine genaue Simulationsmöglichkeit, um die Qualität eines Designs abzuschätzen und so höhere Leistungsdichten zu erzielen. In Hinsicht auf hohe Leistungsdichten sind Folienwicklungen durch ihre hohe Packungsdichte eine vielversprechende Option, worauf in dieser Arbeit auch bezug genommen wird.In einem ersten Schritt wurde deshalb ein praktischer Aufbau einer Induktivität mit Folienwicklungen realisiert, was auch das Design sowie Herstellung von geeigneten Spulenträgern umfasste. Jener Aufbau wurde dann in FEMM 2-dimensional gezeichnet und die Auswirkungen des Streufeldes ausgehend vom Luftspalt untersucht.Im Anschluss folgten Simulationen in 3D, wobei verschiedene Grade an Genauigkeit verglichen wurden. Im Zuge dessen, entstand der Anspruch Geometrien von Wicklungen mit geringerem Zeitaufwand zu zeichnen, weshalb auf Routinen in Python geschrieben wurden, die es erlauben schneller an Ergebnisse zu kommen.Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse folgte der Aufbau eines Medium Frequency Transformers in kleinem Format. 4-Stück derselben U-Kerne aus Ferrit bildeten den Magnetkreis. Unter Abwägung der thermischen Aspekte sowie Spannungsfestigkeit entstanden Gehäuse, Spulenträger und Bushings aus dem 3D-Drucker mit der Intention Öl als Isolationsmedium zu verwenden. Sowohl Primär-, als auch Sekundärspule wurden aus Litze gefertigt.Die Feststellung der Leistungsfähigkeit des MFT in einem thermischen Experiment scheiterte leider an einem Leck am Gehäuse, was zur Erkenntnis führte, dass 3D gedruckte Teile in Zusammenhang mit Flüssigkeiten und hohen Temperaturen besondere Anforderungen haben.In abschließenden Simulationen zeigten sich wesentliche Diskrepanzen zwischen Impedanzen der simulierten Folienwicklungen und den Messungen. Dennoch waren in allen Experimenten keine wesentlichen Vorteile einer geteilten Folienwicklung erkennbar, weil radiale Flusskomponenten ausgehend vom Luftspalt für Stromverdrängung in den Randbereichen sorgen.