Dalam beberapa tahun terakhir, konverter resonansi telah menjadi lebih populer dan diterapkan secara luas dalam berbagai aplikasi seperti server, telekomunikasi, pencahayaan, dan elektronik konsumen. Salah satu karakteristik kunci yang menarik adalah resonansi Converter dapat dengan mudah mencapai efisiensi tinggi dan
memungkinkan operasi frekuensi tinggi dengan rentang penyihir lembut intrinsik lebar mereka. Makalah ini menyoroti catu daya 300W yang menampilkan kontrol digital dari konverter resonansi LCC setengah jembatan bersama dengan perbaikan sinkron.
STEVAL–LLL009V1 yang ditunjukkan pada Gambar 1, adalah catu daya 300W yang dikontrol secara digital. Sisi utama terdiri dari PFC dan DC-DC tahap daya (konverter resonansi LCC setengah jembatan) sedangkan sisi sekunder merupakan rektifikasi sinkron dan mikrokontroler STM32F334. Tahap daya DC-DC (konverter resonansi LCC setengah jembatan) dan penyearah sinkron keluaran dikontrol secara digital menggunakan mikrokontroler STM32F334, sedangkan tahap koreksi faktor daya (PFC) bekerja dalam mode transisi berdasarkan L6562ATD.
Kit evaluasi dapat bekerja secara konstan tegangan Mode (CV) atau mode arus konstan (CC) sesuai kebutuhan. Sirkuit perlindungan cepat on-board menjamin semua fitur perlindungan penting dengan keandalan yang tinggi. Kinerja kit evaluasi yang dikembangkan telah dievaluasi di bawah sumber listrik AC mulai dari (270-480V) di seluruh rentang beban. Parameter kualitas daya berada dalam batas yang dapat diterima dari standar harmonik IEC 61000-3- 2.
PENGANTAR
Solusi yang diusulkan mengadopsi pendekatan kontrol konversi digital daripada desain standar berdasarkan IC analog. Keuntungan utama dari kontrol digital adalah fleksibilitas pemrograman untuk menyetel parameter dan titik operasi dengan cepat, untuk kondisi tertentu, tanpa modifikasi HW, sedangkan kontrol analog hanya dapat disetel untuk rentang tertentu. Fitur lanjutan seperti metode peredupan (analog atau digital), kontrol peredupan (0- 10V, Komunikasi nirkabel), resolusi peredupan, suhu
pemantauan, berbagai perlindungan, dan fungsi komunikasi cenderung jauh lebih hemat biaya karena dapat dilaksanakan oleh satu orang IC dan lebih mudah diimplementasikan menggunakan teknik digital dibandingkan dengan kontrol analog. Selain itu, kontrol digital menjamin stabilitas lebih dari analog dalam kondisi bising: solusi yang dikontrol secara digital kurang sensitif terhadap toleransi komponen, variasi suhu, dan penyimpangan tegangan.
TINJAUAN SISTEM
Kit evaluasi STEVAL-LLL009V1 mengubah tegangan input listrik 270 V menjadi 480 V AC menjadi 48 V DC, arus maksimum 6.25 A dalam mode tegangan konstan (CV) sedangkan dalam mode arus konstan (CC) dapat mengalirkan arus 6.25 A dengan tegangan keluaran mulai dari 36 - 48V. Kit evaluasi dapat dikonfigurasi dalam mode CV atau mode CC dengan menggunakan sakelar sakelar SW1 yang dipasang pada papan daya utama.
Tingkat daya DC-DC disebut sebagai arde primer sedangkan mikrokontroler disebut sebagai arde sekunder. Berkat driver gerbang setengah jembatan STGAP2DM yang diisolasi secara galvanis yang menggerakkan tahap daya DC-DC MOSFET dengan sinyal kontrol yang berasal dari mikrokontroler.
Gambar 2 menyajikan diagram blok dari kit evaluasi STEVAL-LLL009V1 yang menyertakan topologi dan komponen yang digunakan untuk bagian yang berbeda.
Pada perangkat evaluasi, tersedia input 0-10V untuk mengontrol kecerahan LED. Kontrol peredupan 0-10V hanya berlaku jika kit evaluasi dioperasikan dalam mode arus konstan (CC). Pendekatan peredupan analog diimplementasikan dalam kit evaluasi STEVAL-LLL009V1 dengan resolusi 1% saat ini.
Kartu anak dengan penguat terisolasi berfungsi untuk merasakan tegangan keluaran PFC yang juga merupakan tegangan masukan ke tingkat daya DC-DC.
Tahap PFC didasarkan pada MDmeshTM Daya K5 MOSFET sedangkan jembatan setengah dari konverter LCC didasarkan pada MDmeshTM DK5 Power MOSFET untuk kinerja efisiensi tinggi. Perbaikan sinkron (SR) dengan STripFETTM F7 Power MOSFET digunakan pada sisi sekunder untuk mengurangi kehilangan konduksi.
Kit evaluasi dilengkapi dengan ketentuan keamanan lengkap seperti terbuka sirkit, sirkuit pendek, perlindungan arus resonansi, input tahap daya DC-DC di bawah tegangan dan perlindungan tegangan berlebih.
Baik bagian primer dan sekunder dipasok oleh sirkuit flyback off-line berdasarkan VIPer267KDTR yang memberikan tegangan yang diatur ke papan kontrol, IC driver gerbang, dan sirkuit pengkondisian sinyal.
Hasil percobaan menunjukkan efisiensi tinggi, faktor daya mendekati satu, dan THD% rendah pada kondisi tegangan input dan beban lebar karena kinerja produk daya ST serta strategi kontrol yang diimplementasikan menggunakan mikrokontroler 32-bit STM32F334.
KONVERTER RESONAN LCC
Tingkat daya DC-DC mengubah tegangan keluaran PFC menjadi tegangan keluaran yang diinginkan. Terdapat berbagai macam topologi yang bisa digunakan untuk konversi DC-DC terutama konverter resonansi LLC dan konverter resonansi LCC dll. Masing-masing topologi memiliki kekurangan dan kelebihan. Aplikasi seperti pengisi daya baterai dan pencahayaan LED mungkin memerlukan tingkat daya DC-DC yang terisolasi untuk menangani rentang tegangan input atau output yang lebar. Mempertimbangkan persyaratan, topologi resonansi LCC setengah jembatan diimplementasikan dalam tingkat daya DC-DC STEVAL-LLL009V1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Di STEVAL-LLL009V1 paralelnya kapasitor Cp terhubung ke sekunder transformator. Akibatnya, kapasitansi parasit dari rektifikasi sinkron dan induktansi kebocoran transformator menjadi bagian dari tangki resonan.
Tegangan keluaran PFC mengisi kapasitor massal, untuk menghasilkan DC-BUS yang stabil. Konfigurasi setengah jembatan MOSFET beralih untuk menghasilkan bentuk gelombang tegangan persegi antara GND dan DC-BUS. Tegangan persegi diterapkan ke rangkaian tangki resonansi LCC yang terdiri dari kapasitor C.r, kapasitor Cp (ditempatkan di sekunder), Induktor Lr dan trafo isolasi.
Setengah jembatan MOSFET/saklar tegangan tinggi konverter resonansi LCC digerakkan dengan siklus kerja PWM 50 persen dan waktu mati yang sesuai. Karena arus tangki resonansi yang mendekati sinusoidal selalu tertinggal dari bentuk gelombang tegangan (daerah induktif) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, maka MOSFET kapasitansi keluaran memiliki waktu untuk dilepaskan selama waktu mati sebelum penyalaan berikutnya, dan mencapai peralihan tegangan nol (ZVS). Kontrol frekuensi switching PWM digunakan untuk mengatur penguatan tegangan tangki resonansi dan menjaga konverter di wilayah induktif. Hal ini memungkinkan ZVS di seluruh rentang operasi dan mengurangi kerugian peralihan.
tabel 1: Konverter Resonan LCC vs LLC
| Konverter Resonan | Konverter LCC | Konverter LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Wilayah Operasi yang Diinginkan | foperasi > fr2 | fr1 <foperasi <fr2 | |
| Fitur utama | LCC memiliki variasi frekuensi yang lebih sempit.
Mungkin tidak perlu meledak pada beban ringan. |
LLC memiliki arus RMS yang lebih rendah daripada LCC.
Efisiensi yang lebih baik pada LLC wrt LCC. |
|
| Diagram Blok | |||
Keuntungan dari konverter resonansi LCC setengah jembatan dalam kit evaluasi telah dianalisis menggunakan metode analisis harmonik fundamental (FHA).
Berdasarkan persamaan gain yang diturunkan menggunakan metode FHA dan parameter LCC yang dipilih untuk konverter resonansi LCC setengah jembatan pada kit evaluasi STEVAL-LLL009V1, plot antara gain dan ternormalisasi ditunjukkan pada Gambar 5.
PERBAIKAN SYNCHRONOUS (SR)
Di sisi sekunder transformator yang ditunjukkan pada Gambar 3, bentuk gelombang tegangan input diperbaiki oleh penyearah sinkron dalam konfigurasi jembatan penuh dan dihaluskan oleh kapasitor keluaran. Tahap rektifikasi sinkron dikontrol secara digital oleh mikrokontroler STM32F334.
Tegangan node tahap penyearah sinkron (SR) (V.DS_SR1 Dan VDS_SR2) dirasakan untuk menggerakkan MOSFET tahap SR. MOSFET VDS Penginderaan (Drain-Source voltage) dan algoritma kontrol dijelaskan di bawah ini.
Jaringan penginderaan terdiri dari dioda cepat dan pull-up Penghambat terhubung ke tegangan suplai mikrokontroler (MCU) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Ketika tegangan drain SR MOSFET berada di atas MCU Vcc, dioda dibiaskan terbalik dan tegangan yang dirasakan ditarik ke atas ke Vcc. Ketika tegangan drain di bawah Vcc, dioda bias maju dan tegangan yang dirasakan sama dengan tegangan ini ditambah penurunan tegangan dioda yang memberikan pergeseran positif. Arus selama bias positif dibatasi oleh resistor pull-up.
Awalnya dioda tubuh SR MOSFET mulai berjalan dan VDS dirasakan. Berkat VDS teknik penginderaan diterapkan, ketika tegangan (VDS) berada di bawah ambang batas yang ditetapkan (Vthreshold_ON - OFF diatur oleh perangkat MCU DAC), output komparator (tepi jatuh) memicu perangkat MCU TIMER dalam satu mode non-retriggerable pulsa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Periferal MCU TIMER memulai pulsa ke driver gerbang rektifikasi sinkron yang sesuai. Denyut nadi bertahan untuk waktu minimum tertentu (TON menit).
Saat tegangan (VDS) meningkat di atas ambang batas yang ditetapkan (Vthreshold_ON - OFF diatur oleh perangkat MCU DAC), output komparator (tepi naik) mengatur ulang periferal MCU TIMER dan karenanya pulsa dihentikan pada driver gerbang rektifikasi sinkron yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
MCU secara terus menerus memonitor frekuensi tingkat daya DC-DC (HB-LCC) dan arus keluaran. Jika frekuensi melebihi ambang batas yang ditetapkan dengan histeresis atau arus keluaran turun di bawah ambang batas yang ditetapkan dengan histeresis, mikrokontroler (MCU) menonaktifkan drive gerbang ke tahap perbaikan sinkron. Berkat dioda tubuh MOSFET untuk perbaikan pada tahap ini. Penggerak gerbang penyearah sinkron diaktifkan ketika frekuensi turun di bawah ambang batas yang ditetapkan dengan histeresis atau arus keluaran naik di atas ambang batas yang ditetapkan dengan histeresis.
Bergantung pada frekuensi pengoperasian tingkat daya DC-DC (HB-LCC), ambang batas (Vthreshold_ON - OFF) sedang disesuaikan dari tabel pencarian yang disimpan di MCU.
HASIL Eksperimental
Efisiensi keseluruhan, Faktor Daya (PF), dan Total Harmonic Distortion (THD) dari STEVAL-LLL009V1 telah dihitung pada beban yang berbeda. Dengan beban 100%, efisiensinya di atas 93.5%.
Gambar 8, 9, 10 dan 11 menunjukkan kinerja kit evaluasi baik dalam konfigurasi tegangan konstan (CV) dan arus konstan (CC).
Catu daya yang dikontrol secara digital yang disajikan dalam pekerjaan saat ini dapat menghasilkan output daya 300W baik dalam mode tegangan konstan (CV) dan arus konstan (CC). Hasil percobaan menunjukkan efisiensi tinggi, faktor daya mendekati satu, dan THD% rendah pada kondisi tegangan input dan beban lebar karena kinerja produk daya ST serta strategi kontrol yang diimplementasikan menggunakan mikrokontroler 32-bit STM32F334. Untuk lebih jelasnya, silakan hubungi kantor penjualan STMicroelectronics.