Ces dernières années, les convertisseurs résonants sont devenus plus populaires et sont largement appliqués dans diverses applications telles que les serveurs, les télécommunications, l'éclairage et l'électronique grand public. L'une des principales caractéristiques attrayantes est qu'une résonance convertisseur peut facilement atteindre un rendement élevé et
permettent un fonctionnement à haute fréquence avec leurs larges plages de sorcellerie intrinsèques. Cet article met en évidence l'alimentation de 300 W avec contrôle numérique du convertisseur résonant LCC en demi-pont et redressement synchrone.
Le STEVAL-LLL009V1 illustré à la figure 1 est une alimentation de 300 W à commande numérique. Le côté primaire est constitué de PFC et DC-DC étage de puissance (convertisseur résonant LCC demi-pont) tandis que le côté secondaire constitue un redressement synchrone et un microcontrôleur STM32F334. L'étage de puissance DC-DC (convertisseur résonant LCC en demi-pont) et le redressement synchrone de sortie sont contrôlés numériquement à l'aide du microcontrôleur STM32F334, tandis que l'étage de correction du facteur de puissance (PFC) fonctionne en mode de transition basé sur L6562ATD.
Le kit d'évaluation peut soit fonctionner en constante Tension Mode (CV) ou mode courant constant (CC) selon les besoins. Les circuits de protection rapides embarqués garantissent toutes les fonctions de protection essentielles avec une grande fiabilité. Les performances du kit d'évaluation développé ont été évaluées sous secteur AC allant de (270-480V) sur toute la plage de charge. Les paramètres de qualité de l'énergie sont dans les limites acceptables de la norme harmonique CEI 61000-3-2.
INTRODUCTION
La solution proposée adopte une approche de contrôle de conversion numérique plutôt que la conception standard basée sur des circuits intégrés analogiques. Le principal avantage de la commande numérique est la flexibilité de programmation pour régler les paramètres et les points de fonctionnement à la volée, pour une condition donnée, sans aucune modification matérielle, alors que la commande analogique ne peut être réglée que pour une plage spécifique. Fonctions avancées telles que les méthodes de gradation (analogiques ou numériques), les commandes de gradation (0-10 V, communication sans fil), la résolution de gradation, la température
surveillance, diverses protections et fonctions de communication ont tendance à être beaucoup plus rentables car elles peuvent être mises en œuvre par un seul IC et sont plus faciles à mettre en œuvre en utilisant des techniques numériques par rapport au contrôle analogique. De plus, la commande numérique garantit plus de stabilité que l'analogique dans des conditions bruyantes: une solution commandée numériquement est moins sensible à la tolérance des composants, aux variations de température et à la dérive de tension.
PRÉSENTATION DU SYSTÈME
Le kit d'évaluation STEVAL-LLL009V1 convertit une tension d'entrée secteur de 270 V à 480 V CA en un courant de 48 V CC, 6.25 A maximum en mode tension constante (CV) tandis qu'en mode courant constant (CC), il peut fournir 6.25 A de courant avec un tension de sortie allant de 36 à 48V. Le kit d'évaluation peut être configuré en mode CV ou en mode CC à l'aide de l'interrupteur à bascule SW1 monté sur la carte d'alimentation principale.
L'étage d'alimentation CC-CC est appelé la terre principale tandis que le microcontrôleur est appelé la terre secondaire. Grâce au driver de porte demi-pont isolé galvaniquement STGAP2DM qui pilote l'étage de puissance DC-DC mosfet avec le signal de commande provenant du microcontrôleur.
La figure 2 présente le schéma de principe du kit d'évaluation STEVAL-LLL009V1 qui intègre les topologies et les composants utilisés pour les différentes sections.
Sur le kit d'évaluation, une entrée 0-10V est prévue pour contrôler la luminosité des LED. La commande de variation 0-10V n'est applicable que lorsque le kit d'évaluation fonctionne en mode courant constant (CC). L'approche de gradation analogique est implémentée dans le kit d'évaluation STEVAL-LLL009V1 avec une résolution de courant de 1%.
Une carte fille avec un amplificateur isolé sert à détecter la tension de sortie PFC qui est également la tension d'entrée de l'étage de puissance CC-CC.
L'étape PFC est basée sur MDmeshTM Puissance K5 mosfet tandis que le demi-pont du convertisseur LCC est basé sur MDmeshTM MOSFET de puissance DK5 pour des performances à haut rendement. Redressement synchrone (SR) avec STripFETTM Des MOSFET de puissance F7 sont utilisés du côté secondaire pour réduire les pertes de conduction.
Le kit d'évaluation est équipé de dispositifs de sécurité complets comme open circuit, court-circuit, protection contre le courant résonnant, entrée d'étage de puissance DC-DC sous tension et protection contre les surtensions.
Les sections primaire et secondaire sont toutes deux alimentées par un circuit de retour en ligne hors ligne basé sur VIPer267KDTR qui fournit des tensions régulées à la carte de commande, aux circuits intégrés de commande de grille et aux circuits de conditionnement de signal.
Les résultats expérimentaux montrent un rendement élevé, un facteur de puissance proche de l'unité et un faible THD% dans des conditions de tension d'entrée et de charge larges en raison des performances des produits d'alimentation ST ainsi que des stratégies de contrôle mises en œuvre à l'aide du microcontrôleur STM32F32 334 bits.
CONVERTISSEUR RÉSONANT LCC
L'étage de puissance CC-CC convertit la tension de sortie PFC en tension de sortie souhaitée. Il existe différentes topologies qui peuvent être utilisées pour la conversion DC-DC, en particulier le convertisseur résonant LLC et le convertisseur résonant LCC, etc. Chaque topologie a ses propres avantages et inconvénients. Les applications telles que les chargeurs de batterie et l'éclairage LED peuvent nécessiter que leurs étages d'alimentation CC-CC isolés prennent en charge de larges plages de tension d'entrée ou de sortie. Compte tenu des exigences, la topologie résonnante LCC en demi-pont est implémentée dans l'étage de puissance CC-CC de STEVAL-LLL009V1, comme illustré à la figure 3.
Dans STEVAL-LLL009V1 le parallèle condensateur Cp est connecté au secondaire du transformateur. En conséquence, les capacités parasites du redressement synchrone et l'inductance de fuite du transformateur deviennent une partie du réservoir résonnant.
La tension de sortie PFC charge le condensateur global, afin de générer un DC-BUS stable. Les MOSFET de configuration en demi-pont commutent pour générer une forme d'onde de tension carrée entre GND et DC-BUS. La tension carrée est appliquée au circuit de réservoir résonnant LCC qui comprend le condensateur Cr, condensateur Cp (placé en secondaire), Inducteur Lr et transformateur d'isolement.
Le demi-pont des MOSFET/commutateurs haute tension du convertisseur résonant LCC est piloté avec un cycle de service PWM de 50 % et un temps mort approprié. Comme le courant résonant approximativement sinusoïdal est toujours en retard par rapport à la forme d'onde de tension (région inductive), comme le montre la figure 4, le MOSFET la capacité de sortie a le temps de se décharger pendant le temps mort avant la prochaine mise sous tension et d'obtenir une commutation à tension nulle (ZVS). Le contrôle de fréquence de commutation PWM est utilisé pour réguler le gain de tension du réservoir résonant et maintenir le convertisseur dans la région inductive. Cela permet un ZVS sur toute la plage de fonctionnement et réduit les pertes de commutation.
lampe de table 1: Convertisseur résonant LCC vs LLC
| Convertisseur résonnant | Convertisseur LCC | Convertisseur LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Région d'exploitation souhaitée | fopération > fr2 | fr1 <fopération <fr2 | |
| Fonctionnalités clés | LCC a une variation de fréquence plus étroite.
Peut ne pas avoir besoin d'éclater à faible charge. |
LLC a un courant RMS inférieur à celui du LCC.
Meilleure efficacité sur LLC par rapport au LCC. |
|
| Diagramme | |||
Le gain du convertisseur résonant LCC en demi-pont dans le kit d'évaluation a été analysé à l'aide de la méthode d'analyse des harmoniques fondamentales (FHA).
Sur la base de l'équation de gain dérivée à l'aide de la méthode FHA et des paramètres LCC sélectionnés pour le convertisseur résonnant LCC en demi-pont dans le kit d'évaluation STEVAL-LLL009V1, le tracé entre gain et normalisé est illustré à la figure 5.
RECTIFICATION SYNCHRONE (SR)
Sur le côté secondaire du transformateur représenté sur la figure 3, la forme d'onde de tension d'entrée est redressée par le redresseur synchrone en configuration de pont complet et lissée par des condensateurs de sortie. L'étage de redressement synchrone est contrôlé numériquement par le microcontrôleur STM32F334.
Tensions des nœuds d'étage de redressement synchrone (SR) (VDS_SR1 Et VDS_SR2) sont détectés pour piloter les MOSFET de l'étage SR. Le MOSFET VDS La détection de (tension drain-source) et l'algorithme de contrôle sont expliqués ci-dessous.
Le réseau de détection est composé d'une diode rapide et d'un pull-up Resistor connecté à la tension d'alimentation du microcontrôleur (MCU) comme indiqué sur la figure 6. Lorsque la tension de drain SR MOSFET est supérieure au MCU Vcc, la diode est polarisée en inverse et la tension détectée est tirée jusqu'à Vcc. Lorsque la tension de drain est inférieure à Vcc, la diode est polarisée en direct et la tension détectée est égale à cette tension plus la chute de tension de la diode qui donne un décalage positif. Le courant pendant la polarisation positive est limité par la résistance pull-up.
Initialement, la diode du corps des SR MOSFET commence à conduire et VDS est détecté. Merci au VDS technique de détection mise en œuvre, lorsque la tension (VDS) tombe en dessous du seuil défini (Vseuil_ON - OFF défini par le périphérique MCU DAC), la sortie du comparateur (front descendant) déclenche le périphérique MCU TIMER dans un mode impulsionnel non redéclenchable comme illustré à la figure 7.
Le périphérique MCU TIMER lance une impulsion vers le pilote de grille de redressement synchrone correspondant. L'impulsion se maintient pendant un certain temps minimum (TON minutes).
Lorsque la tension (VDS) augmente au-dessus du seuil réglé (Vseuil_ON - OFF réglé par le périphérique MCU DAC), la sortie du comparateur (front montant) réinitialise les périphériques MCU TIMER et en conséquence l'impulsion est arrêtée au niveau du pilote de grille de redressement synchrone correspondant, comme illustré sur la figure 7.
Le MCU surveille en permanence la fréquence de l'étage de puissance CC-CC (HB-LCC) et le courant de sortie. Dans le cas où la fréquence dépasse le seuil défini avec hystérésis ou si le courant de sortie tombe en dessous du seuil défini avec hystérésis, le microcontrôleur (MCU) désactive la commande de porte vers l'étage de redressement synchrone. Merci à la diode de corps MOSFET pour la rectification à ce stade. L'entraînement de la porte de redressement synchrone est activé lorsque la fréquence tombe en dessous du seuil défini avec hystérésis ou que le courant de sortie dépasse le seuil défini avec hystérésis.
En fonction de la fréquence de fonctionnement de l'étage de puissance DC-DC (HB-LCC), le seuil (Vseuil_ON - OFF) est en cours de réglage à partir de la table de consultation stockée dans la MCU.
Résultats expérimentaux
L'efficacité globale, le facteur de puissance (PF) et la distorsion harmonique totale (THD) du STEVAL-LLL009V1 ont été calculés à différentes charges. Avec une charge de 100%, le rendement est supérieur à 93.5%.
Les figures 8, 9, 10 et 11 montrent les performances du kit d'évaluation en termes à la fois en configuration de tension constante (CV) et de courant constant (CC).
L'alimentation à commande numérique présentée dans le travail actuel peut fournir une puissance de sortie de 300 W à la fois en mode tension constante (CV) et courant constant (CC). Les résultats expérimentaux montrent un rendement élevé, un facteur de puissance proche de l'unité et un faible THD% dans des conditions de tension d'entrée et de charge larges en raison des performances des produits d'alimentation ST ainsi que des stratégies de contrôle mises en œuvre à l'aide du microcontrôleur STM32F32 334 bits. Pour plus de détails, veuillez contacter le bureau des ventes de STMicroelectronics.