High-Density Power Conversion: Design and Characterization of a Planar Transformer for a 2 kW Bidirectional CLLC Resonant Converter

Questa tesi presenta la progettazione e la caratterizzazione del circuito risonante e dei componenti magnetici di un convertitore DC-DC risonante CLLC bidirezionale da 2 kW, sviluppato durante un tirocinio di tesi presso Silicon Austria Labs sotto la supervisione accademica congiunta dell'UNIMORE. Il lavoro si concentra su tre aspetti: selezione dei MOSFET, progettazione di un trasformatore planare personalizzato e analisi delle perdite nel circuito risonante e nei componenti magnetici. La selezione dei componenti è stata guidata dalla modellazione FHA (Fundamental Harmonic Approximation) del circuito risonante CLLC, condotta utilizzando un simulatore interattivo MATLAB sviluppato per esplorare lo spazio di progettazione e verificare i limiti di commutazione a tensione zero (ZVS) sull'intero intervallo di guadagno di tensione richiesto, sia in modalità diretta (carica) che inversa (scarica). Sulla base di questa analisi, sono stati selezionati MOSFET in SiC per il ponte primario a 1200 V e MOSFET in Si per il ponte secondario a tensione inferiore, bilanciando le perdite di conduzione e di commutazione sull'intervallo di frequenza operativa target. Il contributo principale della tesi consiste nella progettazione di un trasformatore planare personalizzato, sviluppato come struttura PCB multistrato per integrare l'accoppiamento magnetico del circuito risonante in una forma compatta e producibile. È stato selezionato un nucleo EELP e adottato un avvolgimento completamente in terlacciato per minimizzare la resistenza in corrente alternata, con il fattore di interlacciamento verificato analiticamente mediante il metodo di Dowell. È stata sviluppata una struttura a 8 strati con through-hole vias, per soddisfare i requisiti di capacità di trasporto di corrente primaria e secondaria, con distanza di isolamento e dispersione superficiale verificate secondo gli standard IPC-2221B alle tensioni operative del convertitore. L'analisi delle perdite è stata condotta a più livelli. Le perdite di commutazione sono state modellate analiticamente e verificate tramite simulazione circuitale del comportamento ZVS sull'intero intervallo operativo, catturando le perdite di transizione al variare del carico e della frequenza. Le perdite degli avvolgimenti sono state valutate mediante analisi della resistenza in corrente alternata secondo il metodo di Dowell, mentre la capacità parassita tra gli avvolgimenti, con implicazioni dirette sull'integrità del ZVS, è stata caratterizzata mediante simulazione elettrostatica agli elementi finiti. Ciò ha richiesto un'attenta interpretazione della matrice di capacità multiconduttore e ha portato alla correzione di un errore di modellazione che aveva sovrastimato la capacità tra gli avvolgimenti. Le perdite nel nucleo e il dimensionamento del traferro per l'induttanza di magnetizzazione sono stati considerati per completare il bilancio delle perdite del trasformatore. Nel complesso, il lavoro fornisce una metodologia validata per tradurre i requisiti del circuito risonante in scelte concrete di componenti e magneti, supportata da un'analisi delle perdite che collega il comportamento di commutazione alla progettazione fisica del trasformatore.

This thesis presents the design and characterization of the resonant tank and magnetic components of a 2 kW bidirectional CLLC resonant DC-DC converter, developed during a thesis internship at Silicon Austria Labs under the joint academic supervision of UNIMORE. The work focuses on three aspects: MOSFET selection, custom planar transformer design, and loss analysis in the resonant tank and magnetic components. Component selection was guided by FHA (Fundamental Harmonic Approximation) modeling of the CLLC resonant tank, conducted using an interactive MATLAB simulator developed to explore the design space and verify zero-voltage switching (ZVS) limits over the entire required voltage gain range in both forward (charge) and reverse (discharge) modes. Based on this analysis, SiC MOSFETs were selected for the 1200 V primary bridge and Si MOSFETs for the lower-voltage secondary bridge, balancing conduction and switching losses over the target operating frequency range. The central contribution of the thesis is the design of a custom planar transformer, developed as a multilayer PCB structure to integrate the magnetic coupling of the resonant tank into a compact and manufacturable form. An EELP core was selected, and a fully interleaved winding structure was adopted to minimize AC resistance, with the interleaving factor analytically verified using the Dowell method. An 8-layer PCB, with only through-hole vias, was developed to meet the primary and secondary current-carrying capacity requirements, with clearance and creepage verified to IPC-2221B standards at the converter's operating voltages. Loss analysis was conducted at multiple levels. Switching losses were analytically modeled and verified through circuit simulation of ZVS behavior over the entire operating range, capturing transition losses as load and frequency vary. Winding losses were assessed using AC resistance analysis based on the Dowell method, while interwinding parasitic capacitance, with direct implications for ZVS integrity, was characterized using electrostatic finite element simulation. This required careful interpretation of the multi-conductor capacitance matrix and led to the correction of a modeling error that had overestimated interwinding capacitance. Core losses and air gap sizing for the magnetizing inductance were addressed to complete the transformer's loss balance. Overall, the work provides a validated methodology for translating resonant tank requirements into concrete component and magnetic choices, supported by a loss analysis that links switching behavior to the transformer's physical design.