Autor: RIOS LINARES, Daniel
Título: High Power Density, Low-Profile Three-Phase LLC Converters for Next-Generation Aircraft DC Power Systems
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91934/
Director/a(s):
- Director/a: VASIC, Miroslav
Resumen: The increasing electrification of aircraft is creating tough challenges for onboard power conversion. Converters now need to achieve high power density and efficiency while also meeting strict electromagnetic compatibility standards and fitting into low-profile designs. LLC resonant converters are particularly well suited to this because they achieve zero-voltage switching across the load range, enabling high-frequency operation and compact magnetic components. The main hurdle lies in the large step-down required in aircraft DC distribution, typically from 235285 volts down to a tightly regulated 28 volts. Meeting this conversion with a flat transformer, minimal filtering, and robust soft-switching requires a system-level approach that integrates topology, magnetic design, and layout. This work introduces a three-phase LLC resonant converter with a wye-delta transformer connection as a scalable solution for next-generation aircraft DC/DC systems. The three-phase setup naturally interleaves energy transfer, reducing current ripple on both input and output, which in turn eases filter size and weight when power density is the main driver. The wye-delta transformer also provides a built-in square-root-of-three step-down factor, which lowers the turns ratio, improves window use, and cuts copper and proximity losses. By sharing magnetic paths, the transformer and resonant inductors can be integrated into compact three-port planar components within a strict 12.7 mm height limit. A complete design methodology is presented for the resonant tank and magnetic elements, keeping the switching frequency variation within 1015% while still covering the full input and load range. The method combines fundamental harmonic analysis to shape the gain curve with an exact time-domain model to set inverter-to-rectifier phase shift in off-resonant conditions. The approach was validated with a 1 kW, 1 MHz prototype operating from 235285 V input and delivering a regulated 28 V output, maintaining less than 1% voltage ripple using a practical multilayer ceramic capacitor bank. Analytical models, finite-element simulations, and experiments confirm the validity of the architecture. The compensated magnetic design balances flux, reduces circulating energy, and ensures uniform thermal behaviour. The prototype achieved soft-switching, regulated 28 V output, and a peak efficiency of 96.5% at 1 kW. Overall, this thesis provides a topology-aware magnetic design method, a resonant tank procedure tailored to narrow frequency windows, and practical PCB layout guidelines. Together, these contributions enable compact, high-gain, high-frequency three-phase LLC converters and are broadly applicable to other multi-phase isolated resonant systems that require flux balance, compact magnetics, and reliable high-frequency performance. RESUMEN La creciente electrificación de la aviación plantea grandes retos en la conversión de potencia a bordo. Los convertidores deben alcanzar una alta densidad de potencia y eficiencia, cumplir estrictos requisitos de compatibilidad electromagnética y ajustarse a formatos de bajo perfil. Los convertidores resonantes LLC son especialmente adecuados porque permiten conmutación a tensión cero en todo el rango de carga, lo que hace posible operar a alta frecuencia y usar componentes magnéticos compactos. El principal desafío es el gran escalón de tensión necesario en la distribución en corriente continua de las aeronaves, normalmente desde 235285 voltios hasta 28 voltios regulados. Alcanzar esta conversión con un transformador plano, poco filtrado y con conmutación suave robusta requiere un enfoque de sistema que integre topología, diseño magnético y disposición de circuito. Esta investigación propone un convertidor resonante LLC trifásico con transformador en conexión estrella-triángulo como arquitectura escalable para sistemas DC/DC de próxima generación en aeronáutica. La disposición trifásica interconecta de forma natural la transferencia de energía, reduciendo el rizado de corriente tanto en la entrada como en la salida, lo que disminuye el tamaño y la masa de los filtros cuando la densidad de potencia es la prioridad. El transformador estrella-triángulo introduce un factor de reducción basado en la raíz de tres, reduciendo la relación de espiras necesaria, optimizando la utilización de la ventana y disminuyendo las pérdidas por cobre y proximidad. Al compartir trayectorias magnéticas, el transformador y los inductores resonantes se pueden integrar en componentes planares trifásicos compactos con un límite de altura de 12,7 mm. Se desarrolla una metodología de diseño completa para el tanque resonante y los elementos magnéticos, de modo que la excursión de frecuencia de conmutación se mantenga entre un 10% y un 15%, cubriendo todo el rango de entrada y carga. El método combina análisis por armónica fundamental para perfilar la ganancia con un modelo exacto en el dominio temporal para fijar el desfase inversor-rectificador fuera de resonancia. La validación se realizó con un prototipo de 1 kW y 1 MHz, operando entre 235285 V de entrada y entregando 28 V regulados en salida, con un rizado inferior al 1% gracias a un banco práctico de condensadores cerámicos multicapa. Los modelos analíticos, las simulaciones por elementos finitos y los experimentos confirman la eficacia de la propuesta. El diseño magnético compensado logra un reparto equilibrado de flujo, reduce la energía circulante y asegura un comportamiento térmico uniforme. El prototipo demostró conmutación suave, salida regulada de 28 V y una eficiencia pico del 96,5% a 1 kW. En conjunto, la tesis aporta un método de diseño magnético consciente de la topología, un procedimiento de tanque resonante adaptado a ventanas de frecuencia estrechas y pautas prácticas de diseño en PCB. Estas contribuciones permiten la operación de alta ganancia y alta frecuencia en convertidores LLC trifásicos compactos, y resultan aplicables a otras arquitecturas resonantes aisladas multifásicas que requieran equilibrio de flujo, magnetismos compactos y prestaciones fiables a alta frecuencia.