En los últimos años, los convertidores resonantes se han vuelto más populares y se aplican ampliamente en diversas aplicaciones como servidores, telecomunicaciones, iluminación y electrónica de consumo. Una característica atractiva clave es que un resonante convertidor puede alcanzar fácilmente una alta eficiencia y
Permiten el funcionamiento de alta frecuencia con sus intrínsecos rangos de oscilación softs. Este artículo destaca la fuente de alimentación de 300 W con control digital del convertidor resonante LCC de medio puente junto con rectificación síncrona.
La STEVAL–LLL009V1 que se muestra en la Figura 1 es una fuente de alimentación de 300 W controlada digitalmente. El lado primario está formado por PFC y DC-DC etapa de potencia (convertidor resonante LCC de medio puente) mientras que el lado secundario constituye la rectificación síncrona y el microcontrolador STM32F334. La etapa de potencia CC-CC (convertidor resonante LCC de medio puente) y la rectificación síncrona de salida se controlan digitalmente mediante el microcontrolador STM32F334, mientras que la etapa de corrección del factor de potencia (PFC) funciona en modo de transición basado en L6562ATD.
El kit de evaluación puede funcionar en constante voltaje Modo (CV) o modo de corriente constante (CC) según el requisito. Los circuitos de protección rápida incorporados garantizan todas las características de protección esenciales con alta confiabilidad. El rendimiento del kit de evaluación desarrollado ha sido evaluado bajo una red de CA que va desde (270-480V) en todo el rango de carga. Los parámetros de calidad de la energía están dentro de los límites aceptables de la norma de armónicos IEC 61000-3-2.
INTRODUCCIÓN
La solución propuesta adopta un enfoque de control de conversión digital en lugar del diseño estándar basado en circuitos integrados analógicos. La principal ventaja del control digital es la flexibilidad de programación para sintonizar los parámetros y los puntos de operación sobre la marcha, para cualquier condición dada, sin ninguna modificación de HW, mientras que el control analógico solo se puede sintonizar para un rango específico. Funciones avanzadas como métodos de atenuación (analógicos o digitales), controles de atenuación (0-10 V, comunicación inalámbrica), resolución de atenuación, temperatura
Las funciones de monitoreo, diversas protecciones y comunicación tienden a ser significativamente más rentables, ya que pueden ser implementadas por un solo IC y son más fáciles de implementar utilizando técnicas digitales en comparación con el control analógico. Además, el control digital garantiza más estabilidad que el analógico en condiciones ruidosas: una solución controlada digitalmente es menos sensible a la tolerancia de los componentes, las variaciones de temperatura y la deriva de voltaje.
RESUMEN DEL SISTEMA
El kit de evaluación STEVAL-LLL009V1 convierte el voltaje de entrada de red de 270 V a 480 V CA en 48 V CC, 6.25 A de corriente máxima en un modo de voltaje constante (CV) mientras que en el modo de corriente constante (CC) puede entregar 6.25 A de corriente con un Voltaje de salida que varía entre 36 y 48 V. El kit de evaluación puede configurarse en modo CV o modo CC utilizando el interruptor de palanca SW1 montado en la placa de alimentación principal.
La etapa de potencia CC-CC se denomina tierra primaria, mientras que el microcontrolador se denomina tierra secundaria. Gracias al controlador de puerta de medio puente aislado galvánicamente STGAP2DM que impulsa la etapa de potencia DC-DC mosfets con la señal de control procedente del microcontrolador.
La Figura 2 presenta el diagrama de bloques del kit de evaluación STEVAL-LLL009V1 que integra las topologías y componentes que se utilizan para diferentes secciones.
En el kit de evaluación, hay una provisión de entrada 0-10V para controlar el brillo de los LED. El control de atenuación 0-10 V solo es aplicable cuando el kit de evaluación se opera en modo de corriente constante (CC). El enfoque de atenuación analógica se implementa en el kit de evaluación STEVAL-LLL009V1 con una resolución de corriente del 1%.
Una tarjeta secundaria con un amplificador aislado sirve para detectar el voltaje de salida del PFC que también es el voltaje de entrada a la etapa de potencia CC-CC.
La etapa PFC se basa en MDmeshTM K5 Poder mosfet mientras que el medio puente del convertidor LCC se basa en MDmeshTM MOSFET de potencia DK5 para un rendimiento de alta eficiencia. Rectificación síncrona (SR) con STripFETTM Los MOSFET de potencia F7 se emplean en el lado secundario para reducir las pérdidas de conducción.
El kit de evaluación está equipado con disposiciones de seguridad integrales como abierto circuito, cortocircuito, protección de corriente resonante, entrada de etapa de potencia CC-CC bajo voltaje y protección contra sobrevoltaje.
Tanto la sección primaria como la secundaria son alimentadas por un circuito de retorno fuera de línea basado en VIPer267KDTR que proporciona voltajes regulados a la placa de control, los circuitos integrados de controlador de puerta y los circuitos de acondicionamiento de señal.
Los resultados experimentales muestran alta eficiencia, factor de potencia cercano a la unidad y bajo% de THD bajo condiciones de carga y voltaje de entrada amplios debido al desempeño de los productos de energía ST, así como a las estrategias de control implementadas usando el microcontrolador STM32F32 de 334 bits.
CONVERTIDOR RESONANTE LCC
La etapa de potencia CC-CC convierte la tensión de salida del PFC en la tensión de salida deseada. Hay varias topologías que se pueden utilizar para la conversión CC-CC, especialmente convertidor resonante LLC y convertidor resonante LCC, etc. Cada topología tiene sus propias ventajas y desventajas. Las aplicaciones como cargadores de batería e iluminación LED pueden requerir sus etapas de potencia CC-CC aisladas para manejar amplios rangos de voltaje de entrada o salida. Teniendo en cuenta los requisitos, la topología resonante LCC de medio puente se implementa en la etapa de potencia CC-CC de STEVAL-LLL009V1 como se muestra en la Figura 3.
En STEVAL-LLL009V1 el paralelo condensador Cp está conectado al secundario del transformador. Como resultado, las capacidades parásitas de la rectificación síncrona y la inductancia de fuga del transformador pasan a formar parte del tanque resonante.
La tensión de salida del PFC carga el condensador a granel para generar un bus de CC estable. Los MOSFET de configuración de medio puente cambian para generar una forma de onda de voltaje cuadrada entre GND y DC-BUS. El voltaje cuadrado se aplica al circuito del tanque resonante LCC que se compone del condensador Cr, condensador Cp (colocado en secundaria), Inductor Lr y transformador de aislamiento.
El medio puente de los MOSFET/interruptores de alto voltaje del convertidor resonante LCC se activa con un ciclo de trabajo de PWM del 50 por ciento y un tiempo muerto apropiado. Como la corriente del tanque resonante aproximadamente sinusoidal siempre está retrasada con respecto a la forma de onda de voltaje (región inductiva), como se muestra en la Figura 4, la MOSFET la capacitancia de salida tiene tiempo de descargarse durante el tiempo muerto antes del siguiente encendido y lograr una conmutación de voltaje cero (ZVS). El control de frecuencia de conmutación PWM se utiliza para regular la ganancia de voltaje del tanque resonante y mantener el convertidor en la región inductiva. Esto permite ZVS en todo el rango operativo y pérdidas de conmutación reducidas.
Mesa 1: Convertidor resonante LCC vs LLC
| Convertidor resonante | Convertidor LCC | Convertidor LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Región operativa deseada | fInteligente > fr2 | fr1 <fInteligente <fr2 | |
| Principales Caracteristicas | LCC tiene una variación de frecuencia más estrecha.
Puede que no necesite reventar con carga ligera. |
LLC tiene una corriente RMS más baja que LCC.
Mejor eficiencia en LLC wrt LCC. |
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| Diagrama de bloques | |||
La ganancia del convertidor resonante LCC de medio puente en el kit de evaluación se ha analizado utilizando el método de análisis armónico fundamental (FHA).
Con base en la ecuación de ganancia obtenida mediante el método FHA y los parámetros LCC seleccionados para el convertidor resonante LCC de medio puente en el kit de evaluación STEVAL-LLL009V1, el gráfico entre ganancia y normalizado se muestra en la Figura 5.
RECTIFICACIÓN SINCRÓNICA (SR)
En el lado secundario del transformador que se muestra en la Figura 3, la forma de onda del voltaje de entrada es rectificada por el rectificador síncrono en configuración de puente completo y suavizada por capacitores de salida. La etapa de rectificación síncrona es controlada digitalmente por el microcontrolador STM32F334.
Voltajes de nodo de etapa de rectificación síncrona (SR) (VDS_SR1 Y VDS_SR2) se detectan para impulsar los MOSFET de la etapa SR. El MOSFET VDS (Tensión de drenaje-fuente) y el algoritmo de control se explica a continuación.
La red de detección está compuesta por un diodo rápido y un pull-up. Resistencia conectado al voltaje de suministro del microcontrolador (MCU) como se muestra en la Figura 6. Cuando el voltaje de drenaje del MOSFET SR está por encima del Vcc de la MCU, el diodo tiene polarización inversa y el voltaje detectado se eleva a Vcc. Cuando el voltaje de drenaje está por debajo de Vcc, el diodo está polarizado hacia adelante y el voltaje detectado es igual a este voltaje más la caída de voltaje del diodo que da un cambio positivo. La corriente durante la polarización positiva está limitada por la resistencia pull-up.
Inicialmente, el diodo del cuerpo de los MOSFET SR comienza a conducir y VDS se siente. Gracias a la VDS técnica de detección implementada, cuando el voltaje (VDS) cae por debajo del umbral establecido (Vumbral_ON - APAGADO configurado por el periférico MCU DAC), la salida del comparador (flanco descendente) activa el periférico MCU TIMER en un modo no reactivable de pulso, como se muestra en la Figura 7.
El periférico MCU TIMER inicia un pulso al controlador de puerta de rectificación síncrona correspondiente. El pulso se mantiene durante un cierto tiempo mínimo (TON mín.).
Cuando el voltaje (VDS) aumenta por encima del umbral establecido (Vumbral_ON - APAGADO configurado por el periférico MCU DAC), la salida del comparador (borde ascendente) restablece los periféricos MCU TIMER y, en consecuencia, el pulso se detiene en el controlador de puerta de rectificación síncrona correspondiente, como se muestra en la Figura 7.
La MCU monitorea continuamente la frecuencia de la etapa de potencia CC-CC (HB-LCC) y la corriente de salida. En caso de que la frecuencia supere el umbral establecido con histéresis o la corriente de salida caiga por debajo del umbral establecido con histéresis, el microcontrolador (MCU) deshabilita el accionamiento de la puerta a la etapa de rectificación síncrona. Gracias al diodo del cuerpo MOSFET para la rectificación en esta etapa. El accionamiento de la puerta de rectificación síncrona se habilita cuando la frecuencia cae por debajo del umbral establecido con histéresis o la corriente de salida se eleva por encima del umbral establecido con histéresis.
Dependiendo de la frecuencia de operación de la etapa de potencia DC-DC (HB-LCC), el umbral (Vumbral_ON - APAGADO) se está ajustando desde la tabla de búsqueda almacenada en MCU.
Resultados experimentales
La eficiencia general, el factor de potencia (PF) y la distorsión armónica total (THD) del STEVAL-LLL009V1 se han calculado a diferentes cargas. Con una carga del 100%, la eficiencia es superior al 93.5%.
Las Figuras 8, 9, 10 y 11 muestran el rendimiento del kit de evaluación en términos de configuración de voltaje constante (CV) y corriente constante (CC).
La fuente de alimentación controlada digitalmente presentada en el trabajo actual puede entregar una potencia de salida de 300W tanto en modo de voltaje constante (CV) como de corriente constante (CC). Los resultados experimentales muestran una alta eficiencia, un factor de potencia cercano a la unidad y un bajo% de THD en condiciones de carga y voltaje de entrada amplios debido al rendimiento de los productos de potencia ST, así como a las estrategias de control implementadas utilizando el microcontrolador STM32F32 de 334 bits. Para obtener más detalles, comuníquese con la oficina de ventas de STMicroelectronics.