CAREER: Power Magnetics for MHz Frequencies

职业:MHz 频率的功率磁学

基本信息

  • 批准号:
    2145274
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-04-01 至 2027-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This NSF CAREER project aims to improve the size and efficiency of electric energy conversion systems which are critical in many applications which progress science, advance national prosperity, and secure national defense. The project will bring transformative change by allowing power converters to operate ten times faster and therefore store ten times less energy, reducing size and improving efficiency. This will be achieved by advancing the science of magnetic components (inductors and transformers) which are the most significant bottleneck to this improved speed and size. The intellectual merits of the project include new rapid models for optimization, new component structures and designs, new applications for materials, and enabling further advancement through engineered platforms capable of studying high-power components at high speed. The broader impacts of the project include both scientific and educational components. Improved size and efficiency of power converters will enable greater proliferation of renewable energy, lighter and more affordable electric vehicles, the electrification of naval and air travel, and more affordable semiconductors. This project will also bring these scientific advances into the classroom through authentic, project-oriented courses and extracurricular activities which benefit all students and especially first-generation college students.As power converters increase in switching frequency to decrease energy storage and size, the most significant barrier encountered is the energy loss in magnetic components. This barrier becomes even more significant in the megahertz (MHz) regime where the only accurate modeling methods are prohibitively slow, the few available techniques to suppress high-frequency eddy currents become unfeasible to manufacture, typical core materials become very lossy, and available characterization approaches cannot achieve good accuracy. All of these barriers stand to inhibit the design, optimization, manufacturing, and characterization of magnetic components which are required to unlock the next order-of-magnitude improvement in power conversion. This project will enable MHz operation with new accurate and rapid modeling, eddy-current suppressing designs, investigation of new materials and existing materials repurposed for power conversion, and platforms to characterize both cores and components accurately at MHz or tens of MHz.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该 NSF 职业项目旨在提高电能转换系统的规模和效率,这对于推动科学进步、促进国家繁荣和确保国防安全的许多应用至关重要。该项目将带来革命性的变化,使电源转换器的运行速度提高十倍,从而存储的能量减少十倍,缩小尺寸并提高效率。这将通过推进磁性元件(电感器和变压器)科学来实现,磁性元件是提高速度和尺寸的最重要瓶颈。该项目的智力优势包括新的快速优化模型、新的组件结构和设计、材料的新应用,以及通过能够高速研究高功率组件的工程平台实现进一步发展。该项目更广泛的影响包括科学和教育部分。电源转换器尺寸和效率的提高将使可再生能源、更轻、更便宜的电动汽车、海军和航空旅行的电气化以及更便宜的半导体更加普及。该项目还将通过真实的、以项目为导向的课程和课外活动将这些科学进步带入课堂,使所有学生,尤其是第一代大学生受益。随着电源转换器开关频率的增加以减少能量存储和尺寸,最重要的是遇到的障碍是磁性元件中的能量损失。这种障碍在兆赫 (MHz) 范围内变得更加重要,其中唯一的精确建模方法速度极其缓慢,抑制高频涡流的少数可用技术变得不可行,典型的磁芯材料变得非常有损耗,并且可用的表征方法无法达到良好的精度。所有这些障碍都会阻碍磁性元件的设计、优化、制造和表征,而这些是实现功率转换下一个数量级改进所必需的。该项目将通过新的精确和快速建模、涡流抑制设计、对新材料和重新用于功率转换的现有材料的研究以及在 MHz 或数十 MHz 下准确表征内核和组件的平台来实现 MHz 操作。该奖项反映了通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,NSF 的法定使命被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
QuickSHiFT: Rapid High-Frequency Transformer Simulation and Optimization
QuickSHiFT:快速高频变压器仿真和优化
A Resonant Approach to Transformer Loss Characterization
A Low-Leakage, Low-Loss Magnetic Transformer Structure for High-Frequency Applications
适用于高频应用的低泄漏、低损耗磁性变压器结构
At What Frequencies Should Air-Core Magnetics Be Used?
空心磁体应在什么频率下使用?
  • DOI:
    10.1109/tpel.2022.3222993
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Solomentsev, Michael;Hanson, Alex J.
  • 通讯作者:
    Hanson, Alex J.
Double-Sided Conduction: A Loss-Reduction Technique for High Frequency Transformers
双面导电:高频变压器的损耗降低技术
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Alex Hanson;Allen Tu;Vasu Singla;Mayuka Jayawardhana;Matthias Zwicker;Tom Goldstein
  • 通讯作者:
    Tom Goldstein

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  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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