KR20230068464A - Transformer using Leakage Inductance And Design Method Therefor - Google Patents

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Abstract

A transformer using leakage inductance, which can satisfy insulation performance, have minimal loss, and remove an external inductor from an existing DAB converter, and a design method therefor are disclosed. According to one aspect of the present disclosure, provided is a semiconductor transformer, which is a semiconductor transformer including an AC/DC converter and a DC/DC converter, wherein the DC/DC converter comprises: a high-frequency transformer including a core, primary winding and secondary winding; a first bridge circuit connected between the AC/DC converter and the primary winding, and converting direct current voltage into high frequency alternating current; and a second bridge circuit connected between the secondary winding and a first output terminal, and outputting direct current voltage, wherein the secondary winding comprises a secondary upper winding wound on one side of the primary winding and a secondary lower winding wound on the other side of the primary winding.

Description

누설 인덕턴스를 이용한 변압기 및 그 설계방법{Transformer using Leakage Inductance And Design Method Therefor}Transformer using Leakage Inductance And Design Method Therefor}

본 개시는 누설 인덕턴스를 이용한 변압기 및 그 설계방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a transformer using leakage inductance and a design method thereof.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The information described in this section simply provides background information on the present invention and does not constitute prior art.

종래의 철도차량에는, 전차선 라인(trolley line)을 통해 공급받은 고압의 교류전력을 강압하여 저압의 교류전력으로 변환하는 주변압기(main transformer), AC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터로 구성된 전력변환 시스템이 이용되어 왔다. 주변압기는 50Hz 내지 60Hz의 낮은 주파수에서 동작하기 때문에, 임피던스 매칭을 위해 필요한 인덕턴스의 값이 커 변압기 권선을 많이 감거나 철심 코어를 많이 사용해야 함에 따라 무게와 부피가 크다는 문제점이 있다.In a conventional railway vehicle, power conversion consisting of a main transformer, an AC/DC converter, and a DC/AC inverter that steps down high-voltage AC power supplied through a trolley line and converts it into low-voltage AC power. system has been used. Since the main transformer operates at a low frequency of 50 Hz to 60 Hz, the value of inductance required for impedance matching is large, so there is a problem in that the weight and volume are large due to the need to wind many transformer windings or use many iron cores.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 전차선 라인으로부터 공급받은 고압의 교류전력을 정류하는 AC/DC 컨버터 및 정류된 직류전력을 고주파 교류전력으로 변환한 후 저압의 직류전력을 생성하는 DC/DC 컨버터로 구성된 반도체 변압기(Solid-state transformer)가 개발되고 있다. To solve this problem, a semiconductor composed of an AC/DC converter that rectifies the high-voltage AC power supplied from the catenary line and a DC/DC converter that converts the rectified DC power into high-frequency AC power and then generates low-voltage DC power. A solid-state transformer is being developed.

DC/DC 컨버터는 고압과 저압 간 절연성능을 만족해야 하며, 이를 위해서는 DC/DC 컨버터에 구비되는 고주파 변압기(high-frequency transformer)의 절연 설계가 매우 중요하다. 예컨대, 고속철도차량에 이용되는 반도체 변압기는 25kV/60Hz의 전차선 라인을 통해 전압을 수전 받으며, 이때 전차선 라인의 전압은 29kV까지 상승할 수 있다. 이 경우 고주파 변압기는 2배의 여유율을 고려하여 고압과 저압 간 60kV의 절연성능을 만족하도록 설계되어야 한다. 또한, 고주파 변압기는 장시간 구동되더라도 열적 안정성을 가질 수 있도록, 코어 손실 및 권선 손실이 최소화되도록 설계되어야 한다. A DC/DC converter must satisfy insulation performance between high voltage and low voltage, and to this end, the insulation design of a high-frequency transformer provided in the DC/DC converter is very important. For example, a semiconductor transformer used in a high-speed rail vehicle receives voltage through a 25 kV/60 Hz catenary line, and at this time, the voltage of the catenary line can rise to 29 kV. In this case, the high-frequency transformer must be designed to satisfy the insulation performance of 60 kV between the high voltage and the low voltage in consideration of the double margin factor. In addition, the high-frequency transformer must be designed to minimize core loss and winding loss so as to have thermal stability even when driven for a long time.

한편, DC/DC 컨버터로서, 고주파 변압기 및 외부 인덕터로 구성된 자성 부품(magnetic component)을 포함하는 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터가 널리 이용되고 있다. 여기서, 외부 인덕터는 입출력 전력을 전달하는 역할을 하고, 고주파 변압기는 고압과 저압 간 절연을 확보하면서 턴 비를 통해 전압 비를 확보하는 역할을 한다. 그러나 종래의 DAB 컨버터는 외부 인덕터로 인해 자성 부품의 사이즈가 증가한다는 단점이 있다. Meanwhile, as a DC/DC converter, a dual active bridge (DAB) converter including a magnetic component composed of a high frequency transformer and an external inductor is widely used. Here, the external inductor serves to deliver input/output power, and the high-frequency transformer serves to secure a voltage ratio through a turn ratio while securing insulation between high voltage and low voltage. However, the conventional DAB converter has a disadvantage in that the size of the magnetic component increases due to the external inductor.

본 개시는, 수십 kV 급의 절연 성능을 만족하고 최소 손실을 가지는 동시에 기존의 DAB 컨버터에서 외부 인덕터를 제거할 수 있도록 하는 고주파 변압기 및 그 설계방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.The main object of the present disclosure is to provide a high-frequency transformer that satisfies tens of kV class insulation performance and has minimum loss while removing an external inductor from an existing DAB converter and a design method thereof.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 개시의 일 측면에 의하면, 본 개시의 일 측면에 의하면, AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 반도체 변압기에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는, 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 고주파 변압기; AC/DC 컨버터 및 상기 1차측 권선의 사이에 연결되며, 직류 전압을 고주파 교류전류로 변환하는 제1 브릿지 회로; 및 상기 2차측 권선 및 제1 출력단 사이에 연결되며, 직류 전압을 출력하는 제2 브릿지 회로를 포함하고, 상기 2차측 권선은, 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선; 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기를 제공한다.According to one aspect of the present disclosure, in a semiconductor transformer including an AC/DC converter and a DC/DC converter, the DC/DC converter includes a core, a primary winding, and a secondary winding. A high-frequency transformer including; a first bridge circuit connected between an AC/DC converter and the primary side winding and converting a direct current voltage into a high frequency alternating current; and a second bridge circuit connected between the secondary winding and the first output terminal and outputting a DC voltage, wherein the secondary winding includes a secondary upper winding wound on one side of the primary winding; and a secondary-side lower winding wound on the other side of the primary-side winding.

본 개시의 다른 측면에 의하면, 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하되, 상기 2차측 권선은 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선으로 구성되는 고주파 변압기의 설계방법으로서, 상기 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기에 기초하여 상기 코어의 크기를 선정하는 과정; 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정; 및 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 굵기를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법을 제공한다.According to another aspect of the present disclosure, it includes a core, a primary winding, and a secondary winding, wherein the secondary winding includes a secondary upper winding wound on one side of the primary winding and two windings wound on the other side of the primary winding. A method of designing a high frequency transformer composed of a secondary lower winding, comprising: selecting a size of the core based on a size of a space in which the high frequency transformer can be disposed; selecting the number of turns of the primary winding and the secondary winding so that the leakage inductance and turn ratio of the high frequency transformer satisfy predetermined conditions; and determining the thicknesses of the primary winding and the secondary winding.

이상에서 설명한 바와 같이 본 개시의 실시예에 의하면, 수십 kV 급의 절연 성능을 만족하고 최소 손실을 가지는 동시에, 외부 인덕터를 제거함으로써 자성 부품의 사이즈를 줄일 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiment of the present disclosure, it is possible to reduce the size of the magnetic component by removing the external inductor while satisfying the insulation performance of several tens of kV and having minimum loss.

본 개시의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present disclosure are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 이용한 전력변환 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 모듈을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 등가 회로도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 기하학적인 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선 배치구조 및 위치별 기자력을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선의 절연 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 설계방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 배치공간을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 동작 조건을 설명하기 위한 예시도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기에 대한 시뮬레이션 모델일 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 13 내지 도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
1 is a diagram illustrating a power conversion system using a semiconductor transformer according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a schematic configuration diagram of a semiconductor transformer according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
3 is a schematic circuit diagram of a power conversion module according to an embodiment of the present disclosure.
4A and 4B are exemplary diagrams schematically showing the structure of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
5 is an equivalent circuit diagram of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
6 is an exemplary diagram schematically illustrating a geometric structure of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
7 is an exemplary view schematically illustrating a winding arrangement structure of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure and a magnetomotive force for each position.
8 is an exemplary diagram schematically illustrating an insulation structure of windings of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
9 is a flowchart illustrating a method of designing a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
10 is an exemplary diagram for explaining an arrangement space of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
11 is an exemplary diagram for explaining operating conditions of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
12 is an exemplary diagram schematically illustrating a simulation model for a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.
13 to 19 are exemplary diagrams illustrating simulation results of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, the detailed description will be omitted.

또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used in describing the components of the present disclosure. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. Throughout the specification, when a part 'includes' or 'includes' a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. . In addition, the '... Terms such as 'unit' and 'module' refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 개시의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 개시가 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.The detailed description set forth below in conjunction with the accompanying drawings is intended to describe exemplary embodiments of the present disclosure, and is not intended to represent the only embodiments in which the present disclosure may be practiced.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 이용한 전력변환 시스템을 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a power conversion system using a semiconductor transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 1에 도시되듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템은 반도체 변압기(100) 및 모터 구동용 인버터(110)를 전부 또는 일부 포함할 수 있다. 한편, 도 1에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템이 철도차량에 적용되는 예를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 전력변환 시스템은 다양한 환경에 적용될 수 있다. As shown in FIG. 1 , the power conversion system according to an embodiment of the present disclosure may include all or part of a semiconductor transformer 100 and an inverter 110 for driving a motor. Meanwhile, although FIG. 1 shows an example in which the power conversion system according to an embodiment of the present disclosure is applied to a railroad car, it is not limited thereto and the power conversion system can be applied to various environments.

반도체 변압기(100)는 고압의 교류전력을 정류하는 AC/DC 컨버터(102) 및 정류된 직류전력을 고주파 교류전력으로 변환한 후 저압의 직류전력을 생성하는 적어도 하나의 DC/DC 컨버터(104)를 포함할 수 있다. The semiconductor transformer 100 includes an AC/DC converter 102 for rectifying high-voltage AC power and at least one DC/DC converter 104 for generating low-voltage DC power after converting the rectified DC power into high-frequency AC power. can include

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 개략적으로 나타낸 회로도이다. 2 is a circuit diagram schematically illustrating a semiconductor transformer according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

도 2에 도시되듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기(100)는 복수개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)을 구비하며, 각 전력변환 모듈(200, 210 및 220)은 AC/DC 컨버터(202) 및 DC/DC 컨버터(204)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2, the semiconductor transformer 100 according to an embodiment of the present disclosure includes a plurality of power conversion modules 200, 210, and 220, and each power conversion module 200, 210, and 220 is AC /DC converter 202 and DC/DC converter 204 may be included.

복수개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)은 입력단이 서로 직렬 연결되어 전차선 라인으로부터 공급되는 고압의 교류 전원의 전압을 분담하여 입력받음으로써, 전력반도체에 가해지는 전압스트레스를 경감시킬 수 있다. The plurality of power conversion modules 200, 210, and 220 have input terminals connected in series to share and receive the voltage of high-voltage AC power supplied from the catenary line, thereby reducing voltage stress applied to the power semiconductor.

복수개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)은 출력단이 서로 병렬 연결되어 철도차량에서 필요로 하는 전력을 분담하여 출력함으로써, 전류 스트레스를 경감시킬 수 있다.The plurality of power conversion modules 200, 210, and 220 have output terminals connected in parallel to share and output power required by the railway vehicle, thereby reducing current stress.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 모듈을 개략적으로 나타낸 회로도이다. 3 is a schematic circuit diagram of a power conversion module according to an embodiment of the present disclosure.

도 3에 도시되듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 모듈(200)은 AC/DC 컨버터(202) 및 DC/DC 컨버터(204)를 포함할 수 있으며, 스위칭 소자의 전압 스트레스를 낮추기 위해 DC/DC 컨버터(204)는 제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)의 스택(stack)구조로 이루어질 수 있다. As shown in Figure 3, the power conversion module 200 according to an embodiment of the present disclosure may include an AC / DC converter 202 and a DC / DC converter 204, to reduce the voltage stress of the switching element To this end, the DC/DC converter 204 may have a stack structure of the first DC/DC converter 300 and the second DC/DC converter 310 .

제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)는 각각 제1 브릿지 회로(302), 고주파 변압기(304) 및 제2 브릿지 회로(306)를 전부 또는 일부 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 제1 브릿지 회로(302)는 하프 브릿지(half-bridge) 구조를 가지고, 제2 브릿지 회로(306)는 풀 브릿지(full-bridge) 구조를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The first DC/DC converter 300 and the second DC/DC converter 310 may include all or part of the first bridge circuit 302, the high frequency transformer 304, and the second bridge circuit 306, respectively. . According to embodiments, the first bridge circuit 302 may have a half-bridge structure and the second bridge circuit 306 may have a full-bridge structure, but is not limited thereto. .

고주파 변압기(304)는 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함할 수 있으며, 1차측 권선 및 2차측 권선 간의 턴 비는 N1:N2 또는 na:1과 같이 표현될 수 있다. 고주파 변압기(304)는 누설 인덕턴스(Ld)를 가질 수 있다.The high frequency transformer 304 may include a primary winding and a secondary winding, and the turn ratio between the primary winding and the secondary winding is N 1 :N 2 Or it can be expressed as n a : 1. The high frequency transformer 304 may have a leakage inductance (Ld).

제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)의 입력단, 즉 제1 브릿지 회로(302)들의 입력은 직렬로 연결될 수 있다. 제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)의 출력단, 즉 제2 브릿지 회로(306)들의 출력은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. Input terminals of the first DC/DC converter 300 and the second DC/DC converter 310, that is, inputs of the first bridge circuits 302 may be connected in series. Output terminals of the first DC/DC converter 300 and the second DC/DC converter 310, that is, the outputs of the second bridge circuits 306 may be connected in series or parallel.

제1 브릿지 회로(302)는 AC/DC 컨버터(202)와 고주파 변압기(304)의 1차측 권선 사이에 연결되며, AC/DC 컨버터(202)로부터 전달받은 직류 전압(VdcH_m 또는 VdcL_m)을 고주파 교류 전류(ipH _m 또는 ipL _m)로 변환한다.The first bridge circuit 302 is connected between the AC/DC converter 202 and the primary winding of the high-frequency transformer 304, and converts the DC voltage (V dcH_m or V dcL_m ) received from the AC/DC converter 202 to Converts to high-frequency alternating current (i pH _m or i pL _m ).

제2 브릿지 회로(306)는 고주파 변압기(304)의 2차측 권선에 연결되며, 고주파 변압기(304)기를 통해 인가받은 교류 전류(isH _m 또는 isL_m)로부터 직류 전압(VLH _m 또는 VLL_m)을 생성한다. The second bridge circuit 306 is connected to the secondary winding of the high frequency transformer 304, and generates a DC voltage (V LH _m or V LL_m ) from the AC current (i sH _m or i sL_m ) applied through the high frequency transformer 304. ) to create

실시예들에 따라, 제1 브릿지 회로(302) 및 제2 브릿지 회로(306)는 두 브릿지 간의 위상 차를 통해 전력을 전달하는 DAB(Dual Active Bridge) 토폴로지를 구현할 수 있다. 이에 따라, 직류 전압(VLH _m 또는 VLL_m)은 제1 브릿지 회로(302) 및 제2 브릿지 회로(306) 간 위상 제어와 1차측 권선 및 2차측 권선 간 턴 비(N1:N2)에 따라 결정될 수 있다. According to embodiments, the first bridge circuit 302 and the second bridge circuit 306 may implement a Dual Active Bridge (DAB) topology in which power is transferred through a phase difference between the two bridges. Accordingly, the DC voltage (V LH _m or V LL_m ) is the phase control between the first bridge circuit 302 and the second bridge circuit 306 and the turn ratio between the primary winding and the secondary winding (N 1 :N 2 ) can be determined according to

도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.4A and 4B are exemplary diagrams schematically showing the structure of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기(304)는 쉘타입(shell-type)의 코어(400), 1차측 권선(410) 및 2차측 권선(420)을 포함할 수 있다. 이때, 절연확보를 위해 1차측 권선(410)은 에폭시 절연체(430)로 몰딩될 수 있다. 4A and 4B, a high frequency transformer 304 according to an embodiment of the present disclosure includes a shell-type core 400, a primary winding 410, and a secondary winding 420. can include At this time, the primary side winding 410 may be molded with an epoxy insulator 430 to secure insulation.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 2차측 권선(420)은 1차측 권선(410)을 중심으로 분리된 구조를 가질 수 있다. 다시 말해, 본 개시의 일 실시예에 따른 2차측 권선(420) 1차측 권선(410)의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선(secondary upper winding, 422) 및 1차측 권선(410)의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선(secondary lower winding, 424)을 포함할 수 있다. 한편, 본 개시에서 '상부' 및 '하부'의 용어는 1차측 권선(410)에 대한 서로 다른 2차측 권선(420)의 상대적 위치를 구분하기 위한 것일 뿐이며, 2차측 권선(420)의 절대적인 위치를 한정하지 않는다.According to an embodiment of the present disclosure, the secondary winding 420 may have a structure separated from the primary winding 410 as a center. In other words, a secondary upper winding 422 wound on one side of the primary winding 410 of the secondary winding 420 according to an embodiment of the present disclosure and winding on the other side of the primary winding 410 A secondary lower winding 424 may be included. Meanwhile, in the present disclosure, the terms 'upper' and 'lower' are only for distinguishing the relative positions of different secondary windings 420 with respect to the primary winding 410, and the absolute position of the secondary winding 420. does not limit

본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기(304)는 2차측 권선이 분리된 구조를 가짐으로써, 종래의 권선 배치 구조 대비 큰 누설 인덕턴스를 확보할 수 있으며, 코어 손실을 개선할 수 있다. Since the high frequency transformer 304 according to an embodiment of the present disclosure has a structure in which a secondary winding is separated, it is possible to secure a larger leakage inductance than a conventional winding arrangement structure and improve core loss.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 등가 회로도이다.5 is an equivalent circuit diagram of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 5를 참조하면, rc,p 및 rc,s은 각각 1차측 및 2차측의 권선 손실 저항(copper loss resistance)을 나타내고, Ll,p 및 Ll,s은 각각 1차측 및 2차측의 누설 인덕턴스를 나타내며, Lm은 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)를 나타낸다. Referring to Figure 5, r c,p and r c,s represent the copper loss resistance of the primary and secondary side, respectively, L l,p and L l,s represent the leakage inductance of the primary and secondary side, respectively, and L m is the magnetization Indicates the inductance (magnetizing inductance).

여기서, 2차측에서 바라본 등가 인덕턴스는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다. Here, the equivalent inductance viewed from the secondary side can be expressed as Equation 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

1차측 권선 손실 저항(rc,p)으로 인한 전압 강하가 무시할 수 있을 정도라고 가정할 때, 자화 전류(magnetizing current, im)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. Assuming that the voltage drop due to the primary side winding loss resistance (r c,p ) is negligible, the magnetizing current ( im ) can be expressed as in Equation 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, DAB 컨버터의 ws는 스위칭 주파수(switching frequency)이다. Here, w s of the DAB converter is the switching frequency.

누설 자계(leakage magnetic field)가 자화 자계(magnetizing magnetic field)보다 매우 작다고 가정할 때(Lm >> Ll,p), 코어의 자속밀도(Bc)는 수학식 3과 같이 산출될 수 있다. Assuming that the leakage magnetic field is much smaller than the magnetizing magnetic field (L m >> L l,p ), the magnetic flux density (B c ) of the core can be calculated as in Equation 3 .

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, Np는 1차측 권선의 턴 수이고, Ac는 코어의 자속 단면적(magnetic path area)이다.Here, N p is the number of turns of the primary winding, and A c is the magnetic path area of the core.

자화 전류가 최대가 되는 지점에서 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 자기 포화 레벨(magnetic saturation level) 미만이 되는 조건을 만족하도록 하는, 1차측 권선의 턴 수(Np)의 최솟값은 수학식 4와 같이 산출될 수 있다. The minimum value of the number of turns (N p ) of the primary winding that satisfies the condition that the magnetic flux density (B c ) of the core is less than the preset magnetic saturation level at the point where the magnetizing current is maximum is It can be calculated as in Equation 4.

Figure pat00004
Figure pat00004

이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 손실을 도출하는 과정을 설명한다. Hereinafter, a process of deriving leakage inductance and loss of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 6 and 7 .

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 기하학적인 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 6 is an exemplary diagram schematically illustrating a geometric structure of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선 배치구조 및 위치별 기자력을 개략적으로 나타낸 예시도이다. 7 is an exemplary view schematically illustrating a winding arrangement structure of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure and a magnetomotive force for each position.

도 6을 참조하면, 주어진 기하학적이 구조 하에서, 본 개시의 일 실시예에 따른 코어의 자속 유효 거리(le) 및 자속 단면적(Ac)은 수학식 5와 같이 정의될 수 있다. Referring to FIG. 6 , under a given geometric structure, an effective magnetic flux distance (l e ) and a magnetic flux cross-sectional area (A c ) of a core according to an embodiment of the present disclosure may be defined as in Equation 5.

Figure pat00005
Figure pat00005

수학식 5로부터, 자화 인덕턴스(Lm)는 수학식 6과 같이 산출될 수 있다. From Equation 5, the magnetization inductance (L m ) can be calculated as Equation 6.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, Lp는 1차측의 전체 인덕턴스이다.Here, L p is the total inductance of the primary side.

도 7과 같이 1차측 권선 및 2차측 권선이 복수의 권선 층(winding layers)을 구성할 때, 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는 수학식 7과 같이 표현될 수 있다. 한편, 도 7에서 '⊙'으로 표시된 권선은 1차측 권선을 나타내고, 'ⓧ'으로 표시된 권선은 2차측 권선을 나타낸다.When the primary winding and the secondary winding constitute a plurality of winding layers as shown in FIG. 7 , the number of turns of the primary winding and the secondary winding may be expressed as in Equation 7. Meanwhile, in FIG. 7, a winding marked with '⊙' represents a primary winding, and a winding marked with 'ⓧ' represents a secondary winding.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, mp는 1차측 권선의 권선 층 수, np,j는 1차측 권선의 각 층별 턴 수, ms는 2차측 권선의 권선 층 수, ns,j는 2차측 권선의 각 층별 턴 수이다.Here, m p is the number of winding layers of the primary winding, n p,j is the number of turns of each layer of the primary winding, m s is the number of winding layers of the secondary winding, and n s,j is the turns of each layer of the secondary winding It is a number.

1차측 권선 및 2차측 권선이 통과하는 윈도우 영역(window area) 내 임의의 암페어 턴(ampere-turn)에서의 자계 강도(magnetic field strength)는 수학식 8과 같이 정의될 수 있다. The magnetic field strength at an arbitrary ampere-turn within a window area through which the primary and secondary windings pass may be defined as in Equation 8.

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서, h는 권선의 두께임.Here, h is the thickness of the winding wire.

윈도우 영역 내 각 위치에서의 기자력(magneto-motive-force, mmf)이 도 7과 같을 때, 1차측 권선이 존재하는 위치에서의 자계 강도는 수학식 9와 같이 산출될 수 있다. When the magneto-motive-force (mmf) at each position in the window area is the same as in FIG. 7 , the magnetic field strength at the position where the primary winding exists can be calculated as in Equation 9.

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, hp는 1차측 권선의 두께, hpo는 1차측 권선들 간 간격임.Here, h p is the thickness of the primary side winding, and h po is the spacing between the primary side windings.

다음으로, 1차측 권선들 사이에서의 자계 강도는 수학식 10과 같이 산출될 수 있다. Next, the magnetic field strength between the primary windings can be calculated as shown in Equation 10.

Figure pat00010
Figure pat00010

다음으로, 1차측 권선 및 2차측 권선 사이에서의 자계 강도는 수학식 11과 같이 산출될 수 있다. Next, the magnetic field strength between the primary winding and the secondary winding can be calculated as shown in Equation 11.

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서, hd는 1차측 권선 및 2차측 권선 간 간격임. Here, h d is the distance between primary winding and secondary winding.

한편, 수학식 9 및 10 에서는 1차측 권선에 관한 위치에서의 자계 강도만을 나타내었으나, 2차측 권선에 대해서도 동일하게 적용할 수 있음은 자명하다. 이때, 2차측 권선의 두께는 hs, 2차측 권선들 간 간격은 hso로 지칭될 수 있다.Meanwhile, in Equations 9 and 10, only the magnetic field strength at the position of the primary winding is shown, but it is obvious that the same can be applied to the secondary winding. In this case, the thickness of the secondary winding may be referred to as h s , and the interval between the secondary windings may be referred to as h so .

수학식 9 내지 11에 따라 산출된 자계 강도를 이용하여, 누설 인덕턴스를 통해 저장되는 총 에너지 Et는 수학식 12와 같이 도출될 수 있다. 이때, 1차측 누설 인덕턴스 및 2차측 누설 인덕턴스는 H(z)에 대한 함수로 표현될 수 있다. Using the magnetic field strength calculated according to Equations 9 to 11, the total energy E t stored through the leakage inductance can be derived as shown in Equation 12. In this case, the primary side leakage inductance and the secondary side leakage inductance may be expressed as a function of H(z).

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서, lm은 각 턴에서의 평균 길이(mean length)이다.Here, l m is the mean length in each turn.

권선 간 간격이 동일(hpo = hso = hd ≡ hn)하고, 권선 층 수가 동일(mp = ms = mn)하며, 1차측 및 2차측의 암페어-턴이 동일(NpIp = NsIs)하다고 가정할 때, 총 에너지 Et는 수학식 13과 같이 간략화 될 수 있다. Equal spacing between windings (h po = h so = h d ≡ h n ), equal number of winding layers (m p = m s = m n ), equal primary and secondary ampere-turns (N p Assuming that I p = N s I s ), the total energy E t can be simplified as in Equation 13.

Figure pat00013
Figure pat00013

이상과 같이, 수학식 9 내지 13을 이용하여, 주어진 조건 하에서 1차측 누설 인덕턴스(Ll,p) 및 2차측 누설 인덕턴스(Ll,s)를 도출할 수 있다. As described above, using Equations 9 to 13, the primary side leakage inductance (L l,p ) and the secondary side leakage inductance (L l,s ) can be derived under given conditions.

한편, 변압기 손실(transformer loss)은 크게 코어 손실(core loss) 및 권선 손실(copper loss)로 구성된다. On the other hand, transformer loss is largely composed of core loss and winding loss.

고주파 변압기의 코어 손실을 계산하기 위한 다양한 기법들이 존재하는데, DAB 컨버터의 경우 비정현파(non-sinusoidal) 전류 파형을 가지므로, 본 개시에서는 비정현파 특성을 고려한 IGSE(Improved Generalized Steinmetz Equation)을 이용한다. 이때, 코어 손실(Pco)은 수학식 14 및 15과 같이 산출될 수 있다. There are various techniques for calculating the core loss of a high-frequency transformer. Since the DAB converter has a non-sinusoidal current waveform, in the present disclosure, IGSE (Improved Generalized Steinmetz Equation) considering the non-sinusoidal characteristic is used. At this time, the core loss (P co ) may be calculated as in Equations 14 and 15.

Figure pat00014
Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, Cm, α 및 β는 자계 특성(magnetic characteristics)에 따라 결정되는 파라미터들이고, UC는 코의 전체 부피(total volume)이다.Here, Cm, α, and β are parameters determined according to magnetic characteristics, and U C is the total volume of the nose.

한편, 권선 손실(Pcp)은 수학식 15와 같이 전류의 제곱과, AC 저항 성분의 곱으로 표현될 수 있다. 이때, 저항 성분(rc,p 및 rc,s)은 권선의 기하학적 정보 및 스위칭 주파수 등에 기초하여 산출될 수 있다. Meanwhile, the winding loss (P cp ) can be expressed as the product of the square of the current and the AC resistance component as shown in Equation 15. At this time, the resistance component (r c, p and r c,s ) may be calculated based on the geometrical information and switching frequency of the winding.

Figure pat00016
Figure pat00016

최종적으로 변압기 총 손실(Pct)은, 코어 손실(Pco)과 권선 손실(Pcp)의 합으로 표현될 수 있다. Finally, the total transformer loss (P ct ) can be expressed as the sum of core loss (P co ) and winding loss (P cp ).

Figure pat00017
Figure pat00017

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선의 절연 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 8 is an exemplary diagram schematically illustrating an insulation structure of windings of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 8을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기에 적용되는 권선들은 자체적으로 절연 성능을 확보할 수 있도록, 복수의 동선(copper wires, 800), 복수의 동선을 감싸 고정시키는 제1 절연재(insulation material, 810), 제1 절연재(810)를 감싸는 제2 절연재(820) 및 제2 절연재(820)를 감싸는 제3 절연재(830)로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 8 , windings applied to a high-frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure include a plurality of copper wires (800), a first wrapping and fixing a plurality of copper wires so as to secure their own insulation performance. It may be composed of an insulation material 810 , a second insulation material 820 surrounding the first insulation material 810 , and a third insulation material 830 surrounding the second insulation material 820 .

동선(800)은 바람직하게는 고주파 저항을 최소화할 수 있는 리츠 와이어(Litz wire)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 동선(800)의 굵기는 전류용량을 고려하여 결정될 수 있다. The copper wire 800 may preferably be implemented as a Litz wire capable of minimizing high-frequency resistance, but is not limited thereto. The thickness of the copper wire 800 may be determined in consideration of the current capacity.

제1 절연재(810)는 권선의 안쪽에서 절연 및 내열 특성을 만족시킴과 동시에 복수의 동선(800)의 형상을 고정시키는 역할을 한다. 제1 절연재(810)는 바람직하게는 고절연 및 내열성을 갖는 캡톤 테이프(kapton tape)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The first insulating material 810 serves to fix the shape of the plurality of copper wires 800 while satisfying insulation and heat resistance characteristics inside the winding wire. The first insulating material 810 may preferably be implemented as Kapton tape having high insulation and heat resistance, but is not limited thereto.

제2 절연재(820)는 바람직하게는 유연하게 잘 구부러지는 특성을 갖는, 고무 탄성중합체를 이용한 플렉서블 실리콘 튜브(rubber elastomer based flexible silicon tube)로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The second insulating material 820 may preferably be implemented as a flexible silicone tube using a rubber elastomer having a flexible, well-bent property, but is not limited thereto.

제3 절연재(830)는 바람직하게는 고절연 특성을 갖는, 비농축 에틸렌 프로필렌 절연 튜브(non-halogenated ethylene propylene insulation tube)로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The third insulating material 830 may preferably be implemented as a non-halogenated ethylene propylene insulation tube having high insulating properties, but is not limited thereto.

제2 절연재(820)로 사용되는 플렉서블 실리콘 튜브의 경우 신축성을 가지지만 비싸다는 단점이 있고, 제3 절연재(830)로 사용되는 비농축 에틸렌 프로필렌 절연 튜브의 경우 저가이지만 신축성이 낮다는 단점이 있다. 본 개시에서는 제2 절연재(820) 및 제3 절연재(830)를 함께 사용함으로써, 저비용으로 고압과 저압 간 절연 특성을 만족함과 동시에, 신축성을 가질 수 있다.The flexible silicone tube used as the second insulating material 820 has elasticity but is expensive, and the non-concentrated ethylene propylene insulating tube used as the third insulating material 830 is inexpensive but has low elasticity. . In the present disclosure, by using the second insulating material 820 and the third insulating material 830 together, it is possible to have elasticity while satisfying high-voltage and low-voltage insulating properties at low cost.

이하에서는 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 설계방법을 설명한다. Hereinafter, a design method of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 9 to 11 .

도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 설계방법을 나타내는 순서도이다. 9 is a flowchart illustrating a method of designing a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 배치공간을 설명하기 위한 예시도이다. 10 is an exemplary diagram for explaining an arrangement space of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 동작 조건에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 예시도이다. 11 is an exemplary view showing simulation results of operating conditions of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

과정 S900에서, 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기를 확인하고, 이에 기초하여 코어를 선정한다. In step S900, the size of a space in which a high frequency transformer can be placed is checked, and a core is selected based on this.

철도 차량의 하부에 반도체 변압기(100)를 실장할 수 있는 공간의 크기는 미리 정해져 있으며, 각 전력 변환모듈(200, 210 및 220)별로 하나의 AC/DC 컨버터(202) 및 2개의 제1 브릿지 회로(302)로 구성되는 고압 스택(high voltage stack) 및 2개의 제2 브릿지 회로(306)로 구성되는 저압 스택(low voltage stack)을 배치한 후 나머지 공간에 고주파 변압기(304)를 배치할 수 있다. 예컨대, 도 10을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에서 고주파 변압기(304)의 배치 가능 공간의 크기는 최대 330 mm × 460 mm × 700 mm이다. 다음으로, 고주파 변압기(304)의 배치 가능 공간 내에 적용 가능한 코어를 선정한다. 예컨대, 본 개시의 일 실시예에서는 크기가 140 mm × 145 mm × 40 mm인 U 타입 코어를 16개를 사용할 수 있다.The size of the space in which the semiconductor transformer 100 can be mounted on the lower part of the railway vehicle is predetermined, and one AC/DC converter 202 and two first bridges for each power conversion module 200, 210, and 220 After disposing a high voltage stack composed of the circuit 302 and a low voltage stack composed of the two second bridge circuits 306, the high frequency transformer 304 may be placed in the remaining space. there is. For example, referring to FIG. 10 , in one embodiment of the present disclosure, the maximum size of a space in which the high frequency transformer 304 can be placed is 330 mm × 460 mm × 700 mm. Next, a core that can be applied within the dispositionable space of the high frequency transformer 304 is selected. For example, in one embodiment of the present disclosure, 16 U-type cores having a size of 140 mm × 145 mm × 40 mm may be used.

과정 S910에서, 기설정된 누설 인덕턴스 및 턴 비 조건을 만족하는 턴 수를 산출한다. In step S910, the number of turns satisfying preset leakage inductance and turn ratio conditions is calculated.

먼저, 고주파 변압기(304)의 턴 수를 산출하기 위해서는, 이에 앞서 DAB 컨버터의 동작 조건(operating condition)이 정해져야 한다. 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기(100)가 도 10과 같이 10개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)들로 구성되고, 반도체 변압기(100)의 총 최대 전력(total maximum power)이 3MW라고 가정할 때, 하나의 전력 변환 모듈(200, 210 및 220)은 300kW로 구동되어야 하며, 각 고주파 변압기(304)는 150kW로 구동되어야 한다. 도 11을 참조하면, 이러한 동작점에서 1차측 및 2차측 전류(ip 및 is)가 각각 180 A 및 240 A임을 확인할 수 있다. 여기서, 고주파 변압기의 전력(PL), 1차측 및 2차측 전류(ip 및 is)는 각각 수학식 18 및 수학식 19와 같이 구해질 수 있다.First, in order to calculate the number of turns of the high frequency transformer 304, an operating condition of the DAB converter must be determined prior to this. A semiconductor transformer 100 according to an embodiment of the present disclosure is composed of 10 power conversion modules 200, 210, and 220 as shown in FIG. 10, and the total maximum power of the semiconductor transformer 100 is Assuming 3 MW, one power conversion module (200, 210 and 220) must be driven with 300 kW, and each high frequency transformer (304) must be driven with 150 kW. Referring to FIG. 11 , it can be seen that the primary and secondary currents (i p and is s ) are 180 A and 240 A, respectively, at this operating point. Here, power (P L ) and primary-side and secondary-side currents (i p and is s ) of the high-frequency transformer can be obtained as Equations 18 and 19, respectively.

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

이외에, 본 개시의 일 실시예에 적용되는 DAB 컨버터의 동작 조건은 표 1과 같다. In addition, operating conditions of the DAB converter applied to an embodiment of the present disclosure are shown in Table 1.

parametersparameters valuesvalues parametersparameters valuesvalues parametersparameters valuesvalues VV pp 1,062 V1,062V φv φ v 42o ~ 60o 42 o ~ 60 o fs f s 10 kHz10 kHz VV ss 750 V750V na n a 1.2 ~ 1.51.2 to 1.5 Ld L d 35.0 μH35.0 µH

표 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에서는 고주파 변압기(304)의 누설 인덕턴스가 35.0 μH 를 만족하고, 턴 비가 1.2 내지 1.5 사이의 값을 가지도록 하는 턴 수를 산출한다.Referring to Table 1, in an embodiment of the present disclosure, the number of turns such that the leakage inductance of the high frequency transformer 304 satisfies 35.0 μH and the turns ratio has a value between 1.2 and 1.5 is calculated.

과정 S920에서, 산출된 턴수에 기초하여, 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 자기 포화 레벨(Bsat) 미만인지 확인한다. 예컨대, 전술한 수학식 또는 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션을 통해, 코어의 자속밀도(Bc)를 확인할 수 있다. 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 조건을 만족하지 않는 경우, 코어의 크기 및/또는 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수를 재 선정할 수 있다. In step S920, based on the calculated number of turns, it is checked whether the magnetic flux density (B c ) of the core is less than a predetermined magnetic saturation level (B sat ). For example, the magnetic flux density (B c ) of the core may be confirmed through the above-described equation or finite element method (FEM) simulation. When the magnetic flux density (B c ) of the core does not satisfy a predetermined condition, the size of the core and/or the number of turns of the primary and secondary windings may be reselected.

과정 S930에서, 고주파 변압기(304)의 코어가 기설정된 온도 성능을 만족하는지 확인한다. 예컨대, 시뮬레이션을 통해, 코어의 온도 증가분(ΔTco)이 기설정된 임계치 미만인지 확인할 수 있다. 이때, 권선 절연피복에 영향을 주는 온도(150℃)를 고려하여 임계치는 110℃로 설정될 수 있다. In step S930, it is checked whether the core of the high frequency transformer 304 satisfies a preset temperature performance. For example, through simulation, it may be determined whether the temperature increase (ΔT co ) of the core is less than a preset threshold value. At this time, the threshold may be set to 110 °C in consideration of the temperature (150 °C) affecting the winding insulation coating.

과정 S940에서, 1차측 권선 및 2차측 권선의 굵기(Dt)를 결정한다. In step S940, the thicknesses (D t ) of the primary and secondary windings are determined.

먼저, 코일 전류를 고려하여, 동선(800)의 굵기를 선정한다. 본 개시의 일 실시예에서는, 1차측 전류(Ip) 및 2차측 전류(Is)가 각각 180 A 및 240 A임을 고려하여, 1차측 권선 및 2차측 권선에 포함되는 동선(800)의 굵기를 각각 44 mm2 및 52 mm2으로 선정할 수 있다. First, considering the coil current, the thickness of the copper wire 800 is selected. In one embodiment of the present disclosure, considering that the primary current (I p ) and the secondary current (I s ) are 180 A and 240 A, respectively, the thickness of the copper wire 800 included in the primary winding and the secondary winding can be selected as 44 mm 2 and 52 mm 2 , respectively.

다음으로, 필요 절연성능을 고려하여, 제1 절연재(810)의 지름(Dc)과 제2 절연재(820) 및 제3 절연재(830)의 두께(Di)를 결정하고, 1차측 권선에 적용할 에폭시 절연체(430)의 몰딩 크기를 결정한다. 본 개시의 일 실시예에서, 60kV급 절연을 위해, 절연 여유율을 고려하여 결정된 1차측 권선 및 2차측 권선의 굵기는 표 2와 같다. Next, in consideration of required insulation performance, the diameter (D c ) of the first insulating material 810 and the thicknesses (D i ) of the second insulating material 820 and the third insulating material 830 are determined, and Determine the molding size of the epoxy insulator 430 to be applied. In one embodiment of the present disclosure, for 60 kV class insulation, the thicknesses of the primary and secondary windings determined in consideration of the insulation margin are shown in Table 2.

Primary [mm]Primary [mm] SecondarySecondary Dc D c Di D i Dt D t Dc D c Di D i Dt D t 1313 77 2727 1515 77 2929

과정 S950에서, 코어의 원도우 영역 내에 1차측 권선 및 2차측 권선이 실장될 수 있는지 확인한다. 코어의 원도우 영역 내에 1차측 권선 및 2차측 권선이 실장되지 못하는 경우, 1차측 권선 및 2차측 권선의 굵기를 재선정할 수 있다. In step S950, it is checked whether the primary winding and the secondary winding can be mounted within the window area of the core. When the primary and secondary windings are not mounted within the window area of the core, the thicknesses of the primary and secondary windings may be re-selected.

과정 S960에서, 고주파 변압기(304)의 권선이 기설정된 온도 성능을 만족하는지 확인한다. 예컨대, 시뮬레이션을 통해, 권선의 온도 증가분(ΔTcp)이 기설정된 임계치 미만인지 확인할 수 있다. 이때, 권선 절연피복에 영향을 주는 온도(150℃)를 고려하여 임계치는 110℃로 설정될 수 있다. In step S960, it is checked whether the winding of the high frequency transformer 304 satisfies a preset temperature performance. For example, through simulation, it may be confirmed whether the temperature increase (ΔT cp ) of the winding is less than a preset threshold. At this time, the threshold may be set to 110 °C in consideration of the temperature (150 °C) affecting the winding insulation coating.

과정 S970에서, 고주파 변압기(304)가 기설정된 절연 성능을 만족하는지 확인한다. 예컨대, 시뮬레이션을 통해, 고주파 변압기(304)의 전계가 기설정된 임계치 미만인지 확인할 수 있다. 이때, 공기 절연파괴 전계를 감안하여, 임계치를 20kV/mm로 설정할 수 있다. 고주파 변압기(304)가 기설정된 절연 성능을 만족하지 않는 경우, 절연 성능을 향상시키기 위해, 제2 절연재(820) 및 제3 절연재(830)의 두께(Di)를 증가시킬 수 있다. In step S970, it is checked whether the high frequency transformer 304 satisfies a predetermined insulation performance. For example, through simulation, it may be confirmed whether the electric field of the high frequency transformer 304 is less than a preset threshold value. At this time, considering the air dielectric breakdown electric field, the threshold value may be set to 20 kV/mm. When the high frequency transformer 304 does not satisfy the predetermined insulation performance, the thickness D i of the second insulation material 820 and the third insulation material 830 may be increased to improve insulation performance.

한편, 도 9에 따른 고주파 변압기의 설계방법은, 설계 장치에 의해 수행되고, 설계 장치는 컴퓨팅 디바이스 상에서 실행될 수 있다. 설계 장치는, 컴퓨팅 디바이스가 가용할 수 있는 하나 이상의 프로세서에 의해 각 기능을 수행하고, 이러한 프로세서와 연결되어 내부에 저장된 명령어들을 가지는 컴퓨터 판독가능 스토리지를 포함할 수 있다.Meanwhile, the method for designing the high frequency transformer according to FIG. 9 is performed by a design device, and the design device may be executed on a computing device. The design device may include a computer readable storage having instructions stored therein connected to the processor and performing each function by one or more processors available to the computing device.

이하, 도 12 내지 도 19를 참조하여 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기(304)의 성능을 확인하기 위한 실험예를 설명한다. 실험예에서는 표 1 및 표 2에 따른 파라미터들이 적용되었다. Hereinafter, an experimental example for confirming the performance of the high frequency transformer 304 according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 12 to 19 . In the experimental example, parameters according to Tables 1 and 2 were applied.

도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기에 대한 시뮬레이션 모델일 개략적으로 나타낸 예시도이다. 12 is an exemplary diagram schematically illustrating a simulation model for a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 13 내지 도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다. 13 to 19 are exemplary diagrams illustrating simulation results of a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure.

도 12는 턴 비가 1.2 내지 1.5 사이의 값을 가지는 1차측 권선의 턴 수 및 2차측 권선의 턴 수의 다양한 조합을 보여준다. 도 12에서 붉은색으로 표시된 권선은 1차측 권선을 나타내고, 파란색으로 표시된 권선은 2차측 권선을 나타낸다. 실험예에서는, 수학식 1 내지 17에 나타낸 바를 확인하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 모델을 이용하여 3D FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션이 실행되었다. 12 shows various combinations of the number of turns of the primary winding and the number of turns of the secondary winding having a turn ratio between 1.2 and 1.5. In FIG. 12 , a winding marked in red represents a primary-side winding, and a winding marked in blue represents a secondary-side winding. In the experimental example, 3D finite element method (FEM) simulation was performed using the simulation model shown in FIG. 12 to confirm the results shown in Equations 1 to 17.

도 13은 1차측 권선의 턴 수(Np)에 따른 누설 인덕턴스(Ld)에 대한 시뮬레이션 결과 및 수학식을 이용한 유도결과를 보여준다. 실험예에서 필요 누설 인덕턴스 조건(Ld = 35.0 μH)에 가장 근접한 1차측 권선의 턴 수(Np)는 8 임을 확인할 수 있다. 도 12를 참조하면, 이에 대응하는 2차측 권선의 턴 수(Ns)는 6이다. 13 shows simulation results for leakage inductance (L d ) according to the number of turns (N p ) of the primary side winding and derivation results using equations. In the experimental example, it can be confirmed that the number of turns (N p ) of the primary winding closest to the required leakage inductance condition (Ld = 35.0 μH) is 8. Referring to FIG. 12 , the corresponding number of turns (N s ) of the secondary winding is 6.

도 14는 1차측 권선의 턴 수(Np)에 따른 코어의 자속밀도(Bc)에 대한 시뮬레이션 결과 및 수학식을 이용한 유도결과를 보여준다. 실험예에서 1차측 권선의 턴 수(Np)가 5보다 작은 경우에 코어가 포화되고, 1차측 권선의 턴 수(Np)는 8인 경우에는 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 코어 포화 레벨(core saturation level, Bsat = 0.3 T)보다 작은 것을 확인할 수 있다. 14 shows simulation results of the magnetic flux density (B c ) of the core according to the number of turns (N p ) of the primary winding and derivation results using equations. In the experimental example, when the number of turns (N p ) of the primary winding is less than 5, the core is saturated, and when the number of turns (N p ) of the primary winding is 8, the magnetic flux density (B c ) of the core is preset It can be seen that it is smaller than the core saturation level (B sat = 0.3 T).

도 15는 수학식 9 내지 11에 따라 산출된 위치별 자계 강도 및 이에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 15를 참조하면, 수학식 9 내지 11에 따라 산출된 위치별 자계 강도가 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 15 shows the magnetic field strength for each position calculated according to Equations 9 to 11 and simulation results thereof. Referring to FIG. 15 , it can be seen that the magnetic field strength for each position calculated according to Equations 9 to 11 agrees well with the simulation result.

도 16a 및 도 16b는 비교 실시예에 따른 고주파 변압기 및 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 코어 손실에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기는 2차측 권선이 분리된 구조를 가짐으로써, 2차측 자계에 의해 코어 내부의 1차측 자계가 효과적으로 상쇄될 수 있다. 본 시뮬레이션에서, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 코어 손실은 95.1 W으로, 비교 실시예에 따른 고주파 변압기의 코어 손실인 103.0 W 대비 약 7.7 % 가 개선되었다.16A and 16B show simulation results of core loss of a high frequency transformer according to a comparative embodiment and a high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure. Since the high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure has a structure in which a secondary winding is separated, a primary magnetic field inside the core can be effectively canceled by a secondary magnetic field. In this simulation, the core loss of the high frequency transformer according to an embodiment of the present disclosure was 95.1 W, which was improved by about 7.7% compared to the core loss of 103.0 W of the high frequency transformer according to the comparative embodiment.

도 17은 1차측 권선의 턴 수(Np)에 따른 고주파 변압기의 손실에 대한 시뮬레이션 결과 및 수학식을 이용한 유도결과를 보여준다. 도 17을 참조하면, 1차측 권선의 턴 수(Np)가 증가할수록 코어 손실은 감소하는 반면, 권선 손실은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 실험예에서 고주파 변압기의 손실이 최소화 되는 1차측 권선의 턴 수(Np)는 8 이고, 이에 대응하는 2차측 권선의 턴 수(Ns)는 6이다. FIG. 17 shows simulation results of loss of a high-frequency transformer according to the number of turns (N p ) of a primary winding and derivation results using equations. Referring to FIG. 17 , it can be seen that as the number of turns (N p ) of the primary winding increases, the core loss decreases while the winding loss increases. In the experimental example, the number of turns (N p ) of the primary winding that minimizes the loss of the high frequency transformer is 8, and the number of turns (N s ) of the secondary winding corresponding to this is 6.

도 18a 및 도 18b는 최적 턴수에서의 고주파 변압기의 온도 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 시뮬레이션에서, 코어 및 권선의 최고 온도는 각각 116.6 ℃ 및 95.2 ℃으로 분석되었다. 18A and 18B show simulation results of temperature characteristics of a high-frequency transformer at an optimum number of turns. In this simulation, the maximum temperatures of the core and winding were analyzed to be 116.6 °C and 95.2 °C, respectively.

도 19는 최적 턴수에서의 고주파 변압기의 전계 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 시뮬레이션에서, 1차측에 60kV을 인가하고, 2차측 및 코어에 0V (GND) 인가하는 경우, 모든 지점에서 전계가 20kV/mm 이하가 됨을 확인할 수 있다. 19 shows simulation results of electric field characteristics of a high-frequency transformer at an optimum number of turns. In this simulation, when 60 kV is applied to the primary side and 0 V (GND) is applied to the secondary side and the core, it can be confirmed that the electric field becomes 20 kV/mm or less at all points.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.

100: 반도체 변압기
102: AC/DC 컨버터 104: DC/DC 컨버터
110: 모터 구동용 인버터
200, 210 및 220: 전력변환 모듈
202: AC/DC 컨버터 204: DC/DC 컨버터
300: 제1 DC/DC 컨버터 310: 제2 DC/DC 컨버터
302: 제1 브릿지 회로 304: 고주파 변압기
306: 제2 브릿지 회로
400: 코어 410: 1차측 권선
420: 2차측 권선 422: 2차측 상부 권선
424: 2차측 하부 권선 430: 에폭시 절연체
100: semiconductor transformer
102 AC/DC converter 104 DC/DC converter
110: inverter for motor driving
200, 210 and 220: power conversion module
202 AC/DC converter 204 DC/DC converter
300: first DC / DC converter 310: second DC / DC converter
302 first bridge circuit 304 high frequency transformer
306: second bridge circuit
400: core 410: primary side winding
420: secondary side winding 422: secondary side upper winding
424: secondary side lower winding 430: epoxy insulator

Claims (12)

AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 반도체 변압기에 있어서,
상기 DC/DC 컨버터는,
코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 고주파 변압기;
AC/DC 컨버터 및 상기 1차측 권선의 사이에 연결되며, 직류 전압을 고주파 교류전류로 변환하는 제1 브릿지 회로; 및
상기 2차측 권선 및 제1 출력단 사이에 연결되며, 직류 전압을 출력하는 제2 브릿지 회로를 포함하고,
상기 2차측 권선은,
상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선; 및
상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
In a semiconductor transformer including an AC / DC converter and a DC / DC converter,
The DC/DC converter,
A high frequency transformer including a core, a primary side winding and a secondary side winding;
a first bridge circuit connected between an AC/DC converter and the primary side winding and converting a direct current voltage into a high frequency alternating current; and
A second bridge circuit connected between the secondary side winding and the first output terminal and outputting a DC voltage;
The secondary winding,
a secondary-side upper winding wound around one side of the primary-side winding; and
Characterized in that, a semiconductor transformer comprising a secondary-side lower winding wound on the other side of the primary-side winding.
제1항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
According to claim 1,
The number of turns of the primary winding and secondary winding is
A semiconductor transformer, characterized in that the leakage inductance and turn ratio of the high frequency transformer are selected to satisfy predetermined conditions.
제2항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선은 각각 복수의 권선 층(winding layers)을 구성하고,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
하기의 수학식에 기초하여, 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스가 기설정된 조건을 만족하도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
Figure pat00020

여기서, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Ip는 1차측 전류, Is는 2차측 전류, bw는 코어의 윈도우 영역의 너비, lm은 각 턴에서의 평균 길이, mn는 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선 층 수, hp는 1차측 권선의 두께, hs는 2차측 권선의 두께, hn은 권선 간 간격, np,j는 1차측 권선의 각 층별 턴 수, ns,j는 2차측 권선의 각 층별 턴 수임.
According to claim 2,
The primary side winding and the secondary side winding each constitute a plurality of winding layers,
The number of turns of the primary winding and secondary winding is
A semiconductor transformer characterized in that the leakage inductance of the high frequency transformer is selected based on the following equation to satisfy a predetermined condition.
Figure pat00020

Where, L l,p is the primary leakage inductance, L l,s is the secondary leakage inductance, I p is the primary current, I s is the secondary current, b w is the width of the window area of the core, l m is the average length in each turn, m n is the number of winding layers of the primary and secondary windings, h p is the thickness of the primary winding, h s is the thickness of the secondary winding, h n is the spacing between windings, n p ,j is the number of turns for each layer of the primary winding, and n s,j is the number of turns for each layer of the secondary winding.
제2항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
상기 코어의 기정의된 기하학적 구조에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만이 되도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
According to claim 2,
The number of turns of the primary winding and secondary winding is
Characterized in that, based on a predefined geometry of the core, the magnetic flux density of the core is selected to be less than a predetermined magnetic saturation level.
제4항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
하기의 수학식에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만이 되도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
Figure pat00021

여기서, Np는 1차측 권선의 턴 수, na는 고주파 변압기의 턴 비, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Vp는 1차측 전압, Vs는 2차측 전압, ws는 스위칭 주파수, Bsat은 자기 포화 레벨, Ac는 코어의 자속 단면적임.
According to claim 4,
The number of turns of the primary winding and secondary winding is
Based on the following equation, a semiconductor transformer characterized in that the magnetic flux density of the core is selected to be less than a predetermined magnetic saturation level.
Figure pat00021

Here, N p is the number of turns of the primary winding, n a is the turns ratio of the high frequency transformer, L l,p is the primary leakage inductance, L l,s is the secondary leakage inductance, V p is the primary voltage, V s is the secondary voltage, w s is the switching frequency, B sat is the magnetic saturation level, and A c is the magnetic flux cross-section of the core.
제1항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선 각각은,
복수 개의 동선(copper wires);
상기 복수 개의 동선을 감싸 고정시키는 제1 절연재;
상기 제1 절연재를 감싸는 제2 절연재; 및
상기 제2 절연재를 감싸는 제3 절연재
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
According to claim 1,
Each of the primary side winding and the secondary side winding,
a plurality of copper wires;
A first insulating material surrounding and fixing the plurality of copper wires;
a second insulating material surrounding the first insulating material; and
A third insulating material surrounding the second insulating material
Characterized in that, a semiconductor transformer comprising a.
제6항에 있어서,
상기 제2 절연재는, 플렉서블 실리콘 튜브이고,
상기 제3 절연재는, 비농축 에틸렌 프로필렌 절연 튜브인 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
According to claim 6,
The second insulating material is a flexible silicon tube,
The third insulating material is a non-concentrated ethylene propylene insulating tube, characterized in that, a semiconductor transformer.
코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하되, 상기 2차측 권선은 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선으로 구성되는 고주파 변압기의 설계방법으로서,
상기 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기에 기초하여 상기 코어의 크기를 선정하는 과정;
상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정; 및
상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 굵기를 결정하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.
A high frequency transformer including a core, a primary winding, and a secondary winding, wherein the secondary winding includes a secondary upper winding wound on one side of the primary winding and a secondary lower winding winding on the other side of the primary winding. As a design method of
selecting a size of the core based on a size of a space in which the high frequency transformer can be disposed;
selecting the number of turns of the primary winding and the secondary winding so that the leakage inductance and turn ratio of the high frequency transformer satisfy predetermined conditions; and
Process of determining the thickness of the primary side winding and the secondary side winding
A design method of a high-frequency transformer comprising a.
제8항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정은,
하기의 수학식에 기초하여, 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스가 기설정된 조건을 만족하도록 하는 턴 수를 선정하는 것을 특징으로 하는, 고주파 변압기의 설계방법.
Figure pat00022

여기서, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Ip는 1차측 전류, Is는 2차측 전류, bw는 코어의 윈도우 영역의 너비, lm은 각 턴에서의 평균 길이, mn는 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선 층 수, hp는 1차측 권선의 두께, hs는 2차측 권선의 두께, hn은 권선 간 간격, np,j는 1차측 권선의 각 층별 턴 수, ns,j는 2차측 권선의 각 층별 턴 수임.
According to claim 8,
The process of selecting the number of turns of the primary winding and the secondary winding,
A method for designing a high-frequency transformer, characterized in that the number of turns such that the leakage inductance of the high-frequency transformer satisfies a predetermined condition is selected based on the following equation.
Figure pat00022

Where, L l,p is the primary leakage inductance, L l,s is the secondary leakage inductance, I p is the primary current, I s is the secondary current, b w is the width of the window area of the core, l m is the average length in each turn, m n is the number of winding layers of the primary and secondary windings, h p is the thickness of the primary winding, h s is the thickness of the secondary winding, h n is the spacing between windings, n p ,j is the number of turns for each layer of the primary winding, and n s,j is the number of turns for each layer of the secondary winding.
제8항에 있어서,
상기 코어의 기정의된 기하학적 구조에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만인지 확인하는 과정; 및
상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만이 아니라고 판단되는 경우, 상기 코어의 크기, 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수 중 적어도 하나를 재선정하는 과정
을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.
According to claim 8,
determining whether a magnetic flux density of the core is less than a predetermined magnetic saturation level, based on a predetermined geometry of the core; and
reselecting at least one of the size of the core and the number of turns of the primary winding and the secondary winding when it is determined that the magnetic flux density of the core is not less than a predetermined magnetic saturation level;
A design method of a high frequency transformer, characterized in that it further comprises.
제10항에 있어서,
상기 확인하는 과정은,
하기의 수학식에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만인지 확인하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.
Figure pat00023

여기서, Np는 1차측 권선의 턴 수, na는 고주파 변압기의 턴 비, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Vp는 1차측 전압, Vs는 2차측 전압, ws는 스위칭 주파수, Bsat은 자기 포화 레벨, Ac는 코어의 자속 단면적임.
According to claim 10,
The verification process is
A method for designing a high-frequency transformer, characterized in that it is checked whether the magnetic flux density of the core is less than a predetermined magnetic saturation level based on the following equation.
Figure pat00023

Here, N p is the number of turns of the primary winding, n a is the turns ratio of the high frequency transformer, L l,p is the primary leakage inductance, L l,s is the secondary leakage inductance, V p is the primary voltage, V s is the secondary voltage, w s is the switching frequency, B sat is the magnetic saturation level, and A c is the magnetic flux cross-section of the core.
제8항에 있어서,
상기 1차측 권선 및 2차측 권선 각각은, 복수 개의 동선(copper wires), 상기 복수 개의 동선을 감싸 고정시키는 제1 절연재, 상기 제1 절연재를 감싸는 제2 절연재; 및 상기 제2 절연재를 감싸는 제3 절연재를 포함하고,
상기 굵기를 결정하는 과정은,
기설정된 상기 변압기의 동작조건 및 기설정된 필요 절연성능에 기초하여, 상기 동선의 굵기, 상기 제1 절연재의 지름 및 상기 제2 절연재 및 상기 제3 절연재의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.



According to claim 8,
Each of the primary and secondary windings may include a plurality of copper wires, a first insulating material surrounding and fixing the plurality of copper wires, and a second insulating material surrounding the first insulating material; And a third insulating material surrounding the second insulating material,
The process of determining the thickness,
The thickness of the copper wire, the diameter of the first insulating material, and the thicknesses of the second insulating material and the third insulating material are determined based on the predetermined operating conditions of the transformer and the predetermined required insulation performance. design method.



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