2-Phasen-Eingangs-basiertes 300-W-AC-DC-LED-Netzteil basierend auf der LCC-Topologie

In den letzten Jahren sind Resonanzwandler immer beliebter geworden und werden häufig in verschiedenen Anwendungen wie Server, Telekommunikation, Beleuchtung und Unterhaltungselektronik eingesetzt. Ein wichtiges attraktives Merkmal ist, dass eine Resonanz Konverter kann leicht hohe Effizienz erreichen und
Ermöglichen Sie den Hochfrequenzbetrieb mit ihren intrinsisch weiten Hexing-Bereichen. In diesem Artikel wird das 300-W-Netzteil vorgestellt, das die digitale Steuerung des Halbbrücken-LCC-Resonanzwandlers sowie die synchrone Gleichrichtung bietet.

Das in Abbildung 009 dargestellte STEVAL-LLL1V1 ist ein digital gesteuertes 300-W-Netzteil. Die Primärseite besteht aus PFC und DC-DC Leistungsstufe (Halbbrücken-LCC-Resonanzwandler), während die Sekundärseite aus Synchrongleichrichtung und STM32F334-Mikrocontroller besteht. Die DC-DC-Leistungsstufe (Halbbrücken-LCC-Resonanzwandler) und die synchrone Ausgangsgleichrichtung werden digital über den Mikrocontroller STM32F334 gesteuert, während die Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) im Übergangsmodus auf Basis des L6562ATD arbeitet.

Das Evaluierungskit kann entweder konstant arbeiten Spannung (CV) -Modus oder Konstantstrommodus (CC) je nach Anforderung. Die integrierten schnellen Schutzschaltungen garantieren alle wesentlichen Schutzfunktionen mit hoher Zuverlässigkeit. Die Leistung des entwickelten Evaluierungskits wurde unter Wechselstrom im Bereich von (270-480 V) über den gesamten Lastbereich bewertet. Die Netzqualitätsparameter liegen innerhalb der zulässigen Grenzen der Oberschwingungsnorm IEC 61000-3-2.

EINFÜHRUNG

Die vorgeschlagene Lösung verwendet eher einen Ansatz zur Steuerung der digitalen Konvertierung als das auf analogen ICs basierende Standarddesign. Der Hauptvorteil der digitalen Steuerung besteht in der Programmierflexibilität, um die Parameter und Betriebspunkte im laufenden Betrieb für jede gegebene Bedingung ohne HW-Änderung einzustellen, während die analoge Steuerung nur für einen bestimmten Bereich eingestellt werden kann. Erweiterte Funktionen wie Dimmmethoden (analog oder digital), Dimmsteuerungen (0-10 V, drahtlose Kommunikation), Dimmauflösung, Temperatur
Überwachung, verschiedene Schutzfunktionen und Kommunikationsfunktionen sind in der Regel wesentlich kostengünstiger, da sie von einer einzigen Person implementiert werden können IC und sind mit digitalen Techniken einfacher zu implementieren als mit analoger Steuerung. Darüber hinaus garantiert die digitale Steuerung unter lauten Bedingungen mehr Stabilität als die analoge: Eine digital gesteuerte Lösung reagiert weniger empfindlich auf Komponententoleranz, Temperaturschwankungen und Spannungsdrift.

SYSTEMÜBERSICHT

Das Evaluierungskit STEVAL-LLL009V1 wandelt eine Netzspannung von 270 V in 480 V AC in 48 V DC um. 6.25 Ein maximaler Strom im Konstantspannungsmodus (CV), während es im Konstantstrommodus (CC) 6.25 A Strom mit einem liefern kann Ausgangsspannung von 36 - 48V. Das Evaluierungskit kann entweder im CV-Modus oder im CC-Modus mithilfe des auf der Hauptplatine montierten Kippschalters SW1 konfiguriert werden.

Die DC-DC-Leistungsstufe wird als primäre Masse bezeichnet, während der Mikrocontroller als sekundäre Masse bezeichnet wird. Dank des galvanisch getrennten Halbbrückentor-Treibers STGAP2DM, der die DC-DC-Leistungsstufe antreibt Mosfets mit dem Steuersignal, das vom Mikrocontroller kommt.

In Abbildung 2 ist das Blockdiagramm des STEVAL-LLL009V1-Evaluierungskits dargestellt, in das die Topologien und Komponenten eingebettet sind, die für verschiedene Abschnitte verwendet werden.

Im Evaluierungskit ist ein 0-10-V-Eingang vorgesehen, um die Helligkeit der LEDs zu steuern. Die Dimmsteuerung 0-10 V ist nur anwendbar, wenn das Evaluierungskit im Konstantstrommodus (CC) betrieben wird. Der analoge Dimmansatz ist im STEVAL-LLL009V1-Evaluierungskit mit einer aktuellen Auflösung von 1% implementiert.

Eine Tochterkarte mit einem isolierten Verstärker dient zum Erfassen der PFC-Ausgangsspannung, die auch die Eingangsspannung der DC-DC-Leistungsstufe ist.

Die PFC-Stufe basiert auf MDmesh^TM K5 Strom MOSFET während die Halbbrücke des LCC-Konverters auf MDmesh basiert^TM DK5-Leistungs-MOSFETs für hohe Effizienz. Synchrone Gleichrichtung (SR) mit STripFET^TM Auf der Sekundärseite werden F7-Leistungs-MOSFETs eingesetzt, um Leitungsverluste zu reduzieren.

Das Evaluierungskit ist mit umfassenden Sicherheitsbestimmungen wie offen ausgestattet Schaltung, Kurzschluss, Resonanzstromschutz, DC-DC-Leistungsstufeneingang unter Spannung und Überspannungsschutz.

Sowohl der Primär- als auch der Sekundärteil werden von einer Offline-Flyback-Schaltung auf Basis von VIPer267KDTR versorgt, die geregelte Spannungen an die Steuerplatine, die Gate-Treiber-ICs und die Signalaufbereitungsschaltungen liefert.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen einen hohen Wirkungsgrad, einen Leistungsfaktor nahe der Einheit und einen niedrigen THD% unter Bedingungen mit breiter Eingangsspannung und Last aufgrund der Leistung der ST-Leistungsprodukte sowie der Steuerungsstrategien, die unter Verwendung des 32-Bit-Mikrocontrollers STM32F334 implementiert wurden.

LCC resonanter wandler

Die DC-DC-Endstufe wandelt die PFC-Ausgangsspannung in die gewünschte Ausgangsspannung um. Es gibt verschiedene Topologien, die für die DC-DC-Umwandlung verwendet werden können, insbesondere LLC-Resonanzwandler und LCC-Resonanzwandler usw. Jede Topologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Für Anwendungen wie Batterieladegeräte und LED-Beleuchtung sind möglicherweise isolierte DC-DC-Leistungsstufen erforderlich, um große Eingangs- oder Ausgangsspannungsbereiche zu bewältigen. Unter Berücksichtigung der Anforderungen wird die Halbbrücken-LCC-Resonanztopologie in der DC-DC-Leistungsstufe von STEVAL-LLL009V1 implementiert, wie in Abbildung 3 dargestellt.

In STEVAL-LLL009V1 die Parallele Kondensator C_p ist an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen. Infolgedessen werden die parasitären Kapazitäten der synchronen Gleichrichtung und die Streuinduktivität des Transformators Teil des Resonanztanks.

Die PFC-Ausgangsspannung lädt den Massenkondensator auf, um einen stabilen DC-BUS zu erzeugen. Die Halbbrückenkonfigurations-MOSFETs schalten, um eine Rechteckspannungswellenform zwischen GND und DC-BUS zu erzeugen. Die Rechteckspannung wird an den LCC-Resonanzbehälterkreis angelegt, der aus dem Kondensator C besteht_rKondensator C._p (in der Sekundarstufe platziert), Induktor L_r und Trenntransformator.

Die Halbbrücke der Hochspannungs-MOSFETs/Schalter des LCC-Resonanzwandlers wird mit einem PWM-Tastverhältnis von 50 Prozent und einer angemessenen Totzeit angesteuert. Da der annähernd sinusförmige Resonanztankstrom immer der Spannungswellenform (induktiver Bereich) nacheilt, wie in Abbildung 4 dargestellt, ist der MOSFET Die Ausgangskapazität hat Zeit, sich während der Totzeit vor dem nächsten Einschalten zu entladen und eine Nullspannungsschaltung (ZVS) zu erreichen. Mithilfe der PWM-Schaltfrequenzsteuerung wird die Spannungsverstärkung des Resonanztanks reguliert und der Wandler im induktiven Bereich gehalten. Dies ermöglicht ZVS über den gesamten Betriebsbereich und reduzierte Schaltverluste.

Tisch 1: LCC vs LLC Resonanzkonverter

Die Verstärkung des Halbbrücken-LCC-Resonanzwandlers im Evaluierungskit wurde unter Verwendung der Methode der Fundamental Harmonic Analysis (FHA) analysiert.

Basierend auf der unter Verwendung der FHA-Methode abgeleiteten Verstärkungsgleichung und den LCC-Parametern, die für den Halbbrücken-LCC-Resonanzwandler im STEVAL-LLL009V1-Bewertungskit ausgewählt wurden, ist das Diagramm zwischen Verstärkung und Normalisierung in 5 gezeigt.

SYNCHRONE GLEICHRICHTUNG (SR)

Auf der Sekundärseite des in 3 gezeigten Transformators wird die Eingangsspannungswellenform durch den Synchrongleichrichter in Vollbrückenkonfiguration gleichgerichtet und durch Ausgangskondensatoren geglättet. Die synchrone Gleichrichtungsstufe wird vom Mikrocontroller STM32F334 digital gesteuert.

Knotenspannungen der Stufe der synchronen Gleichrichtung (SR) (V._{DS_SR1} und V_{DS_SR2}) werden erfasst, um MOSFETs der SR-Stufe anzusteuern. Der MOSFET V._DS Die Erfassung der Drain-Source-Spannung und der Steueralgorithmus werden nachstehend erläutert.

Das Erfassungsnetzwerk besteht aus einer schnellen Diode und einem Pull-up Widerstand Wird die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers (MCU) wie in Abbildung 6 dargestellt angeschlossen. Wenn die SR-MOSFET-Drain-Spannung über der MCU Vcc liegt, wird die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und die erfasste Spannung auf Vcc hochgezogen. Wenn die Drain-Spannung unter Vcc liegt, ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die erfasste Spannung ist gleich dieser Spannung plus dem Spannungsabfall der Diode, der eine positive Verschiebung ergibt. Der Strom während der positiven Vorspannung wird durch den Pull-up-Widerstand begrenzt.

Zu Beginn beginnt die Body-Diode von SR-MOSFETs zu leiten und V._DS wird gespürt. Dank der V._DS Sensortechnik implementiert, wenn die Spannung (V._DS) unterschreitet den eingestellten Schwellenwert (V._{Schwelle_ON - AUS} Der vom MCU-DAC-Peripheriegerät eingestellte Komparatorausgang (fallende Flanke) löst das MCU-TIMER-Peripheriegerät in einem nicht retriggerbaren Ein-Impuls-Modus aus, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Das MCU TIMER-Peripheriegerät leitet einen Impuls an den entsprechenden synchronen Gleichrichtertor-Treiber ein. Der Puls hält für eine bestimmte Mindestzeit an (T._ON Mindest).

Wenn die Spannung (V._DS) steigt über den eingestellten Schwellenwert (V._{Schwelle_ON - AUS} eingestellt durch MCU-DAC-Peripheriegerät), setzt der Komparatorausgang (ansteigende Flanke) die MCU-TIMER-Peripheriegeräte zurück und entsprechend wird der Impuls am entsprechenden synchronen Gleichrichtertor-Treiber gestoppt, wie in 7 gezeigt.

Die MCU überwacht kontinuierlich die Frequenz der DC-DC-Leistungsstufe (HB-LCC) und den Ausgangsstrom. Wenn die Frequenz mit der Hysterese den eingestellten Schwellenwert überschreitet oder der Ausgangsstrom mit der Hysterese den eingestellten Schwellenwert unterschreitet, deaktiviert der Mikrocontroller (MCU) den Gate-Antrieb für die synchrone Gleichrichtungsstufe. Dank MOSFETs Body Diode für die Gleichrichtung in dieser Phase. Der synchrone Gleichrichtertorantrieb wird aktiviert, wenn die Frequenz mit der Hysterese unter den eingestellten Schwellenwert fällt oder der Ausgangsstrom mit der Hysterese über den eingestellten Schwellenwert steigt.

Abhängig von der Betriebsfrequenz der DC-DC-Leistungsstufe (HB-LCC) wird der Schwellenwert (V._{Schwelle_ON - AUS}) wird aus der in der MCU gespeicherten Nachschlagetabelle angepasst.

Experimentelle Ergebnisse

Der Gesamtwirkungsgrad, der Leistungsfaktor (PF) und die gesamte harmonische Verzerrung (THD) des STEVAL-LLL009V1 wurden bei verschiedenen Lasten berechnet. Bei 100% Last liegt der Wirkungsgrad über 93.5%.

Die Abbildungen 8, 9, 10 und 11 zeigen die Leistung des Evaluierungskits sowohl in Bezug auf die Konfiguration mit konstanter Spannung (CV) als auch mit konstantem Strom (CC).

Das in der aktuellen Arbeit vorgestellte digital gesteuerte Netzteil kann eine Leistung von 300 W sowohl im Konstantspannungsmodus (CV) als auch im Konstantstrommodus (CC) liefern. Die experimentellen Ergebnisse zeigen einen hohen Wirkungsgrad, einen Leistungsfaktor nahe der Einheit und einen niedrigen THD% unter Bedingungen mit breiter Eingangsspannung und Last aufgrund der Leistung der ST-Leistungsprodukte sowie der Steuerungsstrategien, die unter Verwendung des 32-Bit-Mikrocontrollers STM32F334 implementiert wurden. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an das STMicroelectronics-Verkaufsbüro.