Thermal modelling of high-frequency magnetic components for power electronics by Finite Element Analysis

Salinas López, Guillermo (2020). Thermal modelling of high-frequency magnetic components for power electronics by Finite Element Analysis. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.62988.

Description

Title: Thermal modelling of high-frequency magnetic components for power electronics by Finite Element Analysis
Author/s:
  • Salinas López, Guillermo
Contributor/s:
  • Prieto López, Roberto
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Magnetic components design is vital to obtain low volume, high efficiency, inexpensive power electronics converters. Because of the interdependence between the electromagnetic and thermal fields, accurate models of both domains are crucial to properly optimize magnetic components. However, thermal modelling is often overlooked because classical models for magnetic components have limited application and accuracy. The focus of this Ph.D. dissertation is developing generalized and accurate thermal models of magnetic components using Finite Element Analysis (FEA). FEA tools are commonly limited to validate final designs due to time consumption, but here a new methodology is proposed to overcome this limitation and the use of these tools to generate accurate thermal models for magnetic components is explained. First, a two-step homogenization is developed to simplify 3D FEA thermal simulations while keeping proper accuracy. This simplification reduces the simulation time and ensure the convergence of the simulations, even for complex structures or litz bundles. Guidelines to apply this homogenization to inductors and transformers are described. A deviation lower than 5•C for most cases and an 8.1-fold reduction of the simulation time are achieved. The results are experimentally validated for DC and AC excitation. Secondly, a model-extraction methodology from FEA thermal simulation results that predicts the maximum and surface temperatures of each region of the magnetic component for any operating conditions is proposed. This is specially useful to design these devices. The accuracy of this FEA-based thermal model is validated by 3D FEA simulations and experimental results, showing an absolute error lower than 5•C and relative error between -6.4% and 3.9%. Finally, an optimization of magnetic components based on the simplified 3D simulations and the model extraction is performed. It is demonstrated that the new FEA-based optimization achieves the smallest volume possible and ensures a safe operation below thermal limits, unlike the traditional analytical-based optimizations. A 200 W classic Forward transformer is used as case study to validate the optimization, for which the analytical-based solution is 10•C over the thermal limits, while the FEA-based solution complies with this thermal constraint. In conclusion, contrary to all previous approaches, combining the models developed in this thesis leads to maximum power density magnetic component designs while complying with the thermal specifications. ----------RESUMEN---------- El diseño de componentes magnéticos es vital para obtener convertidores de electrónica de potencia con volumen y coste reducidos a la vez que una elevada eficiencia. Debido a la interdependencia entre los campos electromagnético y térmico, se requieren modelos precisos para ambos dominios con el fin de obtener dispositivos correctamente optimizados. Sin embargo, la importancia del modelado térmico se subestima a menudo, recurriendo a algunos modelos para componentes magnéticos tradicionalmente utilizados, pero cuyo alcance y precisión son limitados. El objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de modelos térmicos generalizados y precisos para componentes magnéticos por medio de Análisis de Elementos Finitos (AEF). El uso de herramientas de AEF se limita comúnmente a validar diseños finales debido al consumo de tiempo computacional que requieren. Se propone una nueva metodología para evitar esta limitación, así como el uso de estas herramientas para generar modelos térmicos precisos. En primer lugar, se desarrolla una homogeneización de dos pasos para simplificar las simulaciones AEF 3D térmicas, manteniendo la precisión característica de estas herramientas. El objetivo principal de esta simplificación es reducir el tiempo de simulación y garantizar la convergencia de las simulaciones, incluso para geometrías complejas o devanados con hilo de litz. Se describen algunas pautas para aplicar esta homogeneización a bobinas y transformadores. Se ha conseguido una desviación menor de 5°C para la mayoría de casos y una reducción del tiempo de simulación de hasta 8.1 veces. Los resultados han sido validados experimentalmente para excitaciones de corriente continua y alterna. En segundo lugar, se propone una metodología de extracción de modelos a partir de los resultados de simulaciones térmicas AEF, capaces de predecir la temperatura máxima y superficial en cada región del componente magnético para cualquier punto de operación. Esto es especialmente útil para diseñar estos dispositivos. La precisión de este modelo basado en AEF se ha validado por medio de simulaciones AEF 3D y resultados experimentales, obteniendo errores absolutos menores que 5°C y errores relativos entre -6.4% y 3.9%. Finalmente, se propone una optimización de componentes magnéticos basada en el uso de las simulaciones 3D simplificadas y la extracción de los modelos de orden reducido. Se ha demostrado que esta optimización basada en AEF logra el menor volumen posible y garantiza una operación segura por debajo de los límites térmicos, a diferencia de las optimizaciones tradicionales basadas en ecuaciones analíticas. Se usa un transformador Forward clásico de 200 W como caso de estudio para validar la optimización. La solución basada en métodos analíticos excede el límite térmico en 10°C, mientras que la solución basada en el uso de AEF cumple con esta restricción. En conclusión, al contrario de otras metodologías de la literatura, la combinación de los modelos desarrollados en esta tesis conduce a diseños de magnéticos con la máxima densidad de potencia posible, asegurando que cumple con las especificaciones térmicas marcadas.

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Item ID: 62988
DC Identifier: http://oa.upm.es/62988/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:62988
DOI: 10.20868/UPM.thesis.62988
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Jul 2020 09:14
Last Modified: 13 Jul 2020 09:14
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