Power Loss and Temperature Distribution in Coil of PFC Inductor with Air Gap for Multimode Operation

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_251/89

send Rafał Kasikowski Lodz University of Technology, Faculty of Electrical, Electronic, Computer and Control Engineering, Institute of Electronics, al. Politechniki 10, 93-590 Łódź

Download Article

Abstract

Power converters inherently display non-linear load characteristics, resulting in a high level of mains harmonics, and hence the necessity of implementing Power Factor Correction (PFC). Active PFC circuitry typically comprises an inductor and a power switch to control and alter the input current so that it matches, in shape and phase, the input voltage. This modelling of the waveforms can be performed by means of distinct conduction modes of the PFC inductor. The digital controller implemented in the constructed and investigated boost-type PFC converter can be programmed to operate in discontinuous conduction mode (DCM), continuous conduction mode (CCM), or a combination of the two. The individual modes of operation, via distinct PFC inductor current waveforms, impact the overall efficiency of power conversion and, by extension, temperature distribution in the magnetic component. This paper investigates how the examined conduction modes bear on distinct power-loss mechanisms present in the PFC inductor, including high-frequency eddy-current-generating phenomena, and the fringing effect in particular. As demonstrated herein, the DCM operation, for the set output power level, exhibits exacerbated power dissipation in the winding of the inductor due to the somewhat increased RSM value of the current and the intensified fringing magnetic flux at an air gap. The latter assertion will undergo further, more quantitatively focused research. Finally, the construction of the coil was optimised to reduce power loss by diminishing eddy-current mechanisms.

Keywords

inductors, power losses, thermography, transformer

Straty mocy i rozkład temperatury w uzwojeniu cewki PFC ze szczeliną powietrzną dla różnych trybów pracy

Streszczenie

Przetwornice impulsowe z natury charakteryzują się nieliniową charakterystyką obciążenia, co skutkuje wysokim poziomem harmonicznych prądu wejściowego, a co za tym idzie koniecznością korekcji współczynnika mocy PFC (ang. Power Factor Correction). Aktywne układy PFC mają zazwyczaj w swojej budowie element indukcyjny (cewka PFC) oraz klucz elektroniczny w formie tranzystora, które kontrolują i modyfikują prąd wejściowy, tak aby odpowiadał on kształtem i fazą napięciu wejściowemu. Modelowanie przebiegu prądu zwykle jest realizowane za pomocą kilku odmiennych trybów pracy (przewodzenia) cewki PFC. Cyfrowy układ elektroniczny zaimplementowany w konstruowanej i następnie badanej przetwornicy PFC podnoszącej napięcie (ang. Boost/Step-up converter) jest programowalny do pracy w trybie nieciągłego prądu DCM (ang. Discountinuous Conduction Mode), ciągłego prądu CCM (ang. Countinuous Conduction Mode) lub w ich połączeniu. Poszczególne tryby pracy, a dokładnie różne przebiegi prądu cewki PFC, wpływają na sprawność przetwornicy PFC, a co za tym idzie, na straty mocy i rozkład temperatury w elemencie indukcyjnym. W artykule przedstawiono, w jaki sposób badane tryby pracy wpływają na różne mechanizmy rozpraszania mocy występujące w uzwojeniu cewki PFC, w tym na występujące dla relatywnie wysokich częstotliwości zjawiska generujące prądy wirowe, a w szczególności na zjawisko strumienia rozproszenia przy szczelinie powietrznej. Jak zademonstrowano, tryb pracy typu DCM, dla danego obciążenia przetwornicy, wykazuje wyższe straty mocy w uzwojeniu cewki PFC ze względu na powiększoną wartość skuteczną prądu RMS (ang. Root-Mean-Square) i wzmożony oddziaływanie zjawiska strumień magnetycznego rozproszenia przy szczelinie powietrznej. Ostatnia teza będzie przedmiotem dalszych, ukierunkowanych ilościowo działań badawczych. W ostatnim etapie badań zoptymalizowano konstrukcję uzwojenia cewki, aby zmniejszyć straty mocy poprzez zredukowanie mechanizmów generowania prądów wirowych.

Słowa kluczowe

cewki, dławiki, elektronika mocy, przetwornica AC/DC, straty mocy, termografia, współczynnik mocy

Bibliography

  1. Prakash J., Indrajit S., Comparison of PFC Converter Topology for Electric Vehicle Battery Charger Application, [In:] 2022 IEEE Students Conference on Engineering and Systems (SCES), Prayagraj, India, 2022, DOI: 10.1109/SCES55490.2022.9887746.
  2. Huber L., Irving B.T., Jovanovic M.M., Effect of Valley Switching and Switching-Frequency Limitation on Line-Current Distortions of DCM/CCM Boundary Boost PFC Converters, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 24, No. 2, 2009, 339–347, DOI: 10.1109/TPEL.2008.2006053.
  3. Kasikowski R., Controlling magnetic inductance by air-gap configuration in power electronics applications, “Archives of Electrical Engineering”, Vol. 72, No. 3, 2023, 677–695, DOI: 10.24425/aee.2023.146044.
  4. Tian Y., Li Y., Liu J., Fringing Field Analytical Calculation of High Frequency Planar Magnetic Components, “CPSS Transactions on Power Electronics and Applications”, Vol. 7, No. 3, 2022, 25 –258, DOI: 10.24295/CPSSTPEA.2022.00023.
  5. Mukherjee S., Gao Y., Maksimović D., Reduction of AC Winding Losses Due to Fringing-Field Effects in High-Frequency Inductors With Orthogonal Air Gaps, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 36, No. 1, 2020, 815–828, DOI: 10.1109/TPEL.2020.3002507.
  6. Strąkowska M., Gmyrek Z., Więcek B., Application of IR thermography and thermal inverse modelling to evaluate power losses in ferromagnetic strips, “Quantitative InfraRed Thermography Journal”, Vol. 15, No. 1, 2018, 54–67, DOI: 10.1080/17686733.2017.1360607.
  7. Torzyk B., Więcek B., Second-Harmonic Contactless Method for Measurement of RMS Current Using a Standard Infrared Camera, “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, Vol. 70, 2018, DOI: 10.1109/TIM.2021.3077676.
  8. Jiao S., Liu X., Zeng Z., Intensive Study of Skin Effect in Eddy Current Testing With Pancake Coil, “IEEE Transactions on Magnetics”, Vol. 53, No. 7, 2017, DOI: 10.1109/TMAG.2017.2669181.
  9. Riba J.-R., Calculation of the ac to dc resistance ratio of conductive nonmagnetic straight conductors by applying FEM simulations, “European Journal of Physics”, Vol. 36, No. 5, 2015, DOI: 10.1088/0143-0807/36/5/055019.
  10. Sullivan C. R., Optimal choice for number of strands in a litz-wire transformer winding, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 14, No. 2, 1999, 283–291, DOI: 10.1109/63.750181.
  11. Kasikowski R., Extraction of fringing-effect power loss from total dissipation in magnetic component, “Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 27, No. 4, 2023, 33–38, DOI: 10.14313/PAR_250/33.
  12. Steinmetz C.P., On the law of hysteresis, “Proceedings of the IEEE”, Vol. 72, No. 2, 1984, 197–221, DOI: 10.1109/PROC.1984.12842.
  13. Sullivan C. R., Zhang R. Y., Simplified Design Method for Litz Wire. [In:] 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition – APEC 2014, Fort Worth, TX, USA, 2014, DOI: 10.1109/APEC.2014.6803681.