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Modellierung von Kern- und Wicklungsverlusten Jonas Mühlethaler, Johann W. Kolar Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich

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Modellierung von Kern- und Wicklungsverlusten

Jonas Mühlethaler, Johann W. Kolar

Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich

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Montag, 10. Oktober 2011 2D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Motivation

Employing best state-of-the-art approaches and

embedding newly developed approaches

into a novel loss calculation framework.

Modeling Inductive Components

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Montag, 10. Oktober 2011 3D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Loss Calculation Framework

Overview

1) A reluctance model is introduced to describe the electric / magnetic interface, i.e. L = f(i).

2) Core losses are calculated.

3) Winding losses are calculated.

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Agenda

Montag, 10. Oktober 2011 4D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Motivation

Reluctance Model

Core Losses

Winding Losses

Experimental Results

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Motivation

Modeling Inductive Components

Calculation of the inductance L with a reluctance model

Inductance calculation Reluctance definition

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Existing Calculation Approaches

Assumption of homogeneous field distribution

gm

0 g

lR

A

Air gap reluctance calculation

gl

gAAir gap length

Air gap cross-sectional area

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Existing Calculation Approaches

Increase of the Air Gap Cross-Sectional Area

gm *

0 g

lR

A

gm

0 g g( )( )l

Ra l d l

e.g. [4] (for a cross section with dimension a x d):

Air gap reluctance calculation

gl*gA

Air gap length

“New” air gap cross-sectional area

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Aim of new model

Air gap reluctance calculation that

- considers the three dimensionality,

- is reasonable easy-to-handle,

- is capable of modeling different shape of air gaps,

- while still achieving a high accuracy.

Illustration of different air gap shapes:

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Derivation of new model

Capacitance-To-Reluctance Analogy

If air is the dielectric, capacitance C can be expressed as

The reluctance of an air gap with the same geometry is then

0 ( )C F g

Represents geometry

m,airgap0

1( )

RF g

0ACd

m,airgap0

dRA

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Derivation of new model

The Schwarz-Christoffel Transformation for Air Gaps

Schwarz-Christoffel Transformation

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Derivation of new model

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basic

0

1'2 1 ln

2 4

Rw hl l

Basic Structure for the Air Gap Calculation (2-D)

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Basic structure for the air gap calculation:

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Derivation of new model2-D (1)

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Derivation of new model2-D (2)

Air gap type 1

Air gap type 2

Air gap type 3

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Derivation of new model2D 3D : Fringing Factor (1)

Illustrative Example zy-plane

zx-plane

'zyR

'zxR

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Derivation of new model2D 3D : Fringing Factor (2)

Illustrative Example zy-plane

zx-plane

'zy

0

y

Ra

b

“Idealized” air gap (no fringing flux)

'zx

0

xRa

t

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Derivation of new model2D 3D

Fringing Factor

Illustrative Example

x y 3-D Fringing Factor:

“Idealized” air gap (no fringing flux)

g0

aRbt

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w = 40 mm; h = 40 mm

Results3-D FEM Simulation

Modeled Example

Results

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Inductance CalculationEPCOS E55/28/21, N = 80

ResultsExperimental Results

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ResultsExperimental Results

Saturation CalculationEPCOS E55/28/21, N = 80,lg = 1 mm, Bsat = 0.45 T

Isat = 3.7 AMeasurementCalculations

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Agenda

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Motivation

Reluctance Model

Core Losses

Winding Losses

Experimental Results

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Steinmetz Equation SE

- Only sinusoidal waveforms ( iGSE).

α βP k f B

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iGSE

- DC bias not considered- Relaxation effect not considered- Steinmetz parameter are valid only in a limited flux density and

frequency range

v0

1 d dd

T

iBP k B t

T t

Core LossesDifferent Modeling Approaches (1)

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Relaxation Losses

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Loss increase in the zero voltage phases (where dB/dt = 0)!

Core LossesDifferent Modeling Approaches (2)

Ferrite N87 from EPCOS

iGSE

v0

1 d dd

T

iBP k B t

T t

i2GSE

n

lll

T

i PQtBtBk

TP

1rr

0v d

dd1

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Remaining Problems

Steinmetz parameter are valid only in a limited flux density and frequency range.

Core Losses vary under DC bias condition.

Modeling relaxation and DC bias effects need parameters that are not given by core material manufacturers.

Core Losses Different Modeling Approaches (3)

i2GSE

n

lll

T

i PQtBtBk

TP

1rr

0v d

dd1

Measuring core losses is indispensable!

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Core LossesDifferent Modeling Approaches (4)

4th dimension: temperature.

Loss Map (Loss Material Database)

Question What loss map structure is needed to take all loss effects into consideration?

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Core LossesNeeded Loss Map Structure

Content of Loss MapTypical flux waveform

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Core LossesHybrid Loss Modeling Approach (1)

Loss Map (Loss Material Database)

n

lll

T

i PQtBtBk

TP

1rr

0v d

dd1

r r r, , , , , , ,ik k q

PV

“The best of both worlds”

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Core LossesHybrid Loss Modeling Approach (2)

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Loss Map

n

lll

T

i PQtBtBk

TP

1rr

0v d

dd1

PV

Core LossesHybrid Loss Modeling Approach (3)

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Interpolation and Extrapolation(HDC*, T*, B*, f*)

HDC and T

B and f

Core LossesHybrid Loss Modeling Approach (4)

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Core LossesHybrid Loss Modeling Approach (5)

Advantages of combined approach (loss map and i2GSE):

Relaxation effects are considered (i2GSE).

A good interpolation and extrapolation between premeasured operating points is achieved.

Loss map provides accurate i2GSE parameters for a wide frequency and flux density range.

A DC bias is considered as the loss map stores premeasured operating points at different DC bias levels.

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Core Losses Effect of Core Shape

1) The flux density in every core section of (approximately) homogenous flux density is calculated.

2) The losses of each section are calculated.

3) The core losses of each section are then summed-up to obtain the total core losses.

Reluctance ModelProcedure

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Agenda

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Motivation

Reluctance Model

Core Losses

Winding Losses

Experimental Results

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Winding Losses Skin Effect in Solid Round Conductors

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2S R DC

ˆ( )P F f R I

with

DC 2

0

0 1 0 1 0 1 0 1R 2 2 2 2

1 1 1 1

4

21

ber ( )bei ( ) ber ( )ber ( ) bei ( )ber ( ) bei ( )bei ( )ber ( ) bei ( ) ber ( ) bei ( )4 2

Rd

d

f

F

(Loss per unit length)

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Winding Losses Proximity Effect in Solid Round Conductors

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2P R DC e

ˆ( )P G f R H

with

DC 2

0

2 22 1 2 1 2 1 2 1

R 2 2 2 20 0 0 0

4

21

ber ( )ber ( ) ber ( )bei ( ) bei ( )bei ( ) bei ( )ber ( )ber ( ) bei ( ) ber ( ) bei ( )2 2

Rd

d

f

dG

(Loss per unit length)

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Winding Losses Calculation of external field He (1D - approach)

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with

avg left right12

H H H

Un-gapped cores (e.g. in transformers)

2 2DC R R avg,m m

1

ˆ ˆM

m

P R F I NM NG H l

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Winding Losses Calculation of external field He (2D - approach)

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Gapped cores: 2D approach is necessary !

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Winding Losses Effect of the air gap fringing field

Montag, 10. Oktober 2011 37D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

The air gap is replaced by a fictitious current, which …

… has the value equal to the magneto-motive force (mmf) across the air gap.

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Winding Losses Effect of the core material

Montag, 10. Oktober 2011 38D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

“Pushing the walls away”

The method of images (mirroring)

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Winding Losses Calculation of external field He (2D - approach)

Montag, 10. Oktober 2011 39D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Gapped cores: 2D approach Winding Arrangement

External field vector across conductor qxi;yk

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Winding Losses Different Winding Sections

Montag, 10. Oktober 2011 40D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

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Major Simplification

- magnetic field of the induced eddy currents neglected.

- This can be problematic at frequencies above (rule-of-thumb)

Winding Losses FEM Simulations

Montag, 10. Oktober 2011 41D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

max 20

2.56fd

Results of considered winding arrangements

f-range f < fmax f > fmax

Error < 5% > 5% (always < 25%)

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Agenda

Montag, 10. Oktober 2011 42D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Motivation

Reluctance Model

Core Losses

Winding Losses

Experimental Results

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Montag, 10. Oktober 2011 43D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Experimental ResultsMeasurement 1

Flux Waveform

Results (measured with power analyzer Yokogawa WT3000)

InductorEPCOS E55/28/21, N = 18,d = 1.7 mm, lg = 1 mm

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Montag, 10. Oktober 2011 44D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Experimental ResultsMeasurement 2

Flux Waveform

Results (measured with power analyzer Yokogawa WT3000)

InductorEPCOS E55/28/21, N = 18,d = 1.7 mm, lg = 1 mm

fLF = 100 HzfHF = 10 kHz

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Montag, 10. Oktober 2011 45Power Electronic Systems Laboratory

Experimental Results 3Comparison Circuit Simulated Modeling vs. Measurements on a Boost Inductor Employed in a Three-Phase PFC Rectifiers [3]

Photo

Loss modeling very accurate.

Results

Conclusion

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Conclusion & Outlook

Montag, 10. Oktober 2011 46D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

A high accuracy in modeling inductive components has been achieved.

The following effects have been considered:Reluctance model [1]:

Air gap stray field.Non-linearity of core material considered.

Core Losses [2]:DC Bias (Loss Map)Relaxation Effects (i2GSE)Different flux waveforms (iGSE / i2GSE)Wide range of flux density and frequencies (Loss Map)

Winding Losses [2]:Skin and proximity effectStray field proximity effectEffect of core material

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Thank you !

Montag, 10. Oktober 2011 47D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

Do you have any questions ?

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References

Montag, 10. Oktober 2011 48D-ITET/PES Jonas Mühlethaler

[1] J. Mühlethaler, J.W. Kolar, and A. Ecklebe, “A Novel Approach for 3D Air Gap Reluctance Calculations”, in Proc. of the ICPE - ECCE Asia, Jeju, Korea, 2011

[2] J. Mühlethaler, J.W. Kolar, and A. Ecklebe, “Loss Modeling of Inductive Components Employed in Power Electronic Systems”, in Proc. of the ICPE - ECCE Asia, Jeju, Korea, 2011

[3] J. Mühlethaler, M. Schweizer, R. Blattmann, J.W. Kolar, and A. Ecklebe, “Optimal Design of LCL Harmonic Filters for Three-Phase PFC Rectifiers”, in Proc. of the IECON, Melbourne, 2011

[4] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins - “Power Electronics – Converter, Applications, and Design”, John Wiley & Sons, Inc., 2003