Negli ultimi anni, i convertitori risonanti sono diventati più popolari e sono ampiamente applicati in varie applicazioni come server, telecomunicazioni, illuminazione ed elettronica di consumo. Una caratteristica chiave attraente è quella risonante convertitore può facilmente raggiungere un'elevata efficienza e
consentono il funzionamento ad alta frequenza con le loro intrinseche ampie gamme di streghe morbide. Questo documento evidenzia l'alimentatore da 300 W con controllo digitale del convertitore risonante LCC a mezzo ponte insieme alla rettifica sincrona.
STEVAL–LLL009V1 mostrato nella Figura 1 è un alimentatore da 300 W a controllo digitale. Il lato primario è costituito da PFC e DC-DC stadio di potenza (convertitore risonante LCC a mezzo ponte) mentre il lato secondario costituisce il rettificatore sincrono e il microcontrollore STM32F334. Lo stadio di potenza DC-DC (convertitore risonante LCC a mezzo ponte) e il rettificatore sincrono di uscita sono controllati digitalmente utilizzando il microcontrollore STM32F334, mentre lo stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) funziona in modalità di transizione basata su L6562ATD.
Il kit di valutazione può funzionare in modo costante voltaggio Modalità (CV) o modalità corrente costante (CC) secondo il requisito. I circuiti di protezione rapida a bordo garantiscono tutte le caratteristiche di protezione essenziali con elevata affidabilità. Le prestazioni del kit di valutazione sviluppato sono state valutate con reti CA comprese tra (270-480 V) su tutta la gamma di carico. I parametri di Power Quality rientrano nei limiti accettabili dello standard sulle armoniche IEC 61000-3-2.
INTRODUZIONE
La soluzione proposta adotta un approccio di controllo della conversione digitale piuttosto che il design standard basato su circuiti integrati analogici. Il vantaggio principale del controllo digitale è la flessibilità di programmazione per sintonizzare i parametri ed i punti di funzionamento al volo, per qualsiasi condizione data, senza alcuna modifica HW, mentre il controllo analogico può essere sintonizzato solo per una gamma specifica. Funzionalità avanzate come metodi di regolazione della luminosità (analogica o digitale), controlli della regolazione (0-10 V, comunicazione wireless), risoluzione della regolazione, temperatura
monitoraggio, varie protezioni e funzioni di comunicazione tendono ad essere significativamente più convenienti poiché possono essere implementate da un singolo IC e sono più facili da implementare utilizzando tecniche digitali rispetto al controllo analogico. Inoltre, il controllo digitale garantisce una maggiore stabilità rispetto all'analogico in condizioni rumorose: una soluzione controllata digitalmente è meno sensibile alla tolleranza dei componenti, alle variazioni di temperatura e alla deriva di tensione.
PANORAMICA DEL SISTEMA
Il kit di valutazione STEVAL-LLL009V1 converte la tensione di ingresso di rete da 270 V a 480 V CA in 48 V CC, 6.25 A di corrente massima in modalità a tensione costante (CV) mentre in modalità a corrente costante (CC) può erogare 6.25 A di corrente con un tensione di uscita compresa tra 36 e 48 V. Il kit di valutazione può essere configurato in modalità CV o CC utilizzando l'interruttore a levetta SW1 montato sulla scheda di alimentazione principale.
Lo stadio di potenza CC-CC è indicato come la terra primaria mentre il microcontrollore è indicato come la terra secondaria. Grazie al gate driver a mezzo ponte isolato galvanicamente STGAP2DM che pilota lo stadio di potenza DC-DC mosfet con il segnale di controllo proveniente dal microcontrollore.
La Figura 2 presenta lo schema a blocchi del kit di valutazione STEVAL-LLL009V1 che incorpora le topologie e i componenti utilizzati per le diverse sezioni.
Sul kit di valutazione è previsto un ingresso 0-10V per controllare la luminosità dei LED. Il controllo della regolazione 0-10V è applicabile solo quando il kit di valutazione funziona in modalità corrente costante (CC). L'approccio del dimming analogico è implementato nel kit di valutazione STEVAL-LLL009V1 con una risoluzione di corrente dell'1%.
Una scheda figlia con un amplificatore isolato ha lo scopo di rilevare la tensione di uscita PFC che è anche la tensione di ingresso allo stadio di potenza CC-CC.
La fase PFC è basata su MDmeshTM K5 Power mosfet mentre il mezzo ponte del convertitore LCC è basato su MDmeshTM MOSFET di potenza DK5 per prestazioni ad alta efficienza. Rettifica sincrona (SR) con STripFETTM I MOSFET di potenza F7 vengono utilizzati sul lato secondario per ridurre le perdite di conduzione.
Il kit di valutazione è dotato di disposizioni di sicurezza complete come open circuito, protezione da cortocircuito, corrente di risonanza, ingresso stadio di potenza DC-DC sotto tensione e protezione da sovratensione.
Sia la sezione primaria che quella secondaria sono alimentate da un circuito flyback off-line basato su VIPer267KDTR che fornisce tensioni regolate alla scheda di controllo, ai circuiti integrati del gate driver e ai circuiti di condizionamento del segnale.
I risultati sperimentali mostrano un'elevata efficienza, un fattore di potenza vicino all'unità e un basso THD% in condizioni di ampia tensione di ingresso e carico grazie alle prestazioni dei prodotti di alimentazione ST nonché alle strategie di controllo implementate utilizzando il microcontrollore STM32F32 a 334 bit.
CONVERTITORE RESoNANTE LCC
Lo stadio di potenza CC-CC converte la tensione di uscita PFC nella tensione di uscita desiderata. Esistono varie topologie che possono essere utilizzate per la conversione DC-DC, in particolare convertitore risonante LLC e convertitore risonante LCC ecc. Ogni topologia ha i suoi vantaggi e svantaggi. Le applicazioni come i caricabatterie e l'illuminazione a LED possono richiedere i loro stadi di potenza CC-CC isolati per gestire ampi intervalli di tensione in ingresso o in uscita. Considerando i requisiti, la topologia risonante LCC a mezzo ponte è implementata nello stadio di potenza CC-CC di STEVAL-LLL009V1 come mostrato nella Figura 3.
In STEVAL-LLL009V1 il parallelo condensatore Cp è collegato al secondario del trasformatore. Di conseguenza, le capacità parassite della rettifica sincrona e l'induttanza di dispersione del trasformatore diventano una parte del serbatoio risonante.
La tensione di uscita PFC carica il condensatore bulk, in modo da generare un DC-BUS stabile. I MOSFET con configurazione a mezzo ponte commutano per generare una forma d'onda quadrata di tensione tra GND e DC-BUS. La tensione quadrata viene applicata al circuito del serbatoio risonante LCC che comprende il condensatore C.r, condensatore Cp (posto in secondario), Induttore Lr e trasformatore di isolamento.
Il mezzo ponte dei MOSFET/interruttori ad alta tensione del convertitore risonante LCC è pilotato con un ciclo di lavoro PWM del 50% e un tempo morto appropriato. Poiché la corrente del serbatoio risonante, approssimativamente sinusoidale, è sempre in ritardo rispetto alla forma d'onda della tensione (regione induttiva), come mostrato nella Figura 4, MOSFET la capacità di uscita ha il tempo di scaricarsi durante il tempo morto prima della successiva accensione e raggiungere la commutazione a tensione zero (ZVS). Il controllo della frequenza di commutazione PWM viene utilizzato per regolare il guadagno di tensione del serbatoio risonante e mantenere il convertitore nella regione induttiva. Ciò consente ZVS su tutto il campo operativo e riduce le perdite di commutazione.
Table 1: Convertitore risonante LCC vs LLC
| Convertitore risonante | Convertitore LCC | Convertitore LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Regione operativa desiderata | foperazione > fr2 | fr1 <foperazione <fr2 | |
| Caratteristiche principali | LCC ha una variazione di frequenza più stretta.
Potrebbe non essere necessario esplodere a carico leggero. |
LLC ha una corrente RMS inferiore a LCC.
Migliore efficienza su LLC rispetto a LCC. |
|
| Diagramma a blocchi | |||
Il guadagno del convertitore risonante LCC a mezzo ponte nel kit di valutazione è stato analizzato utilizzando il metodo dell'analisi armonica fondamentale (FHA).
Sulla base dell'equazione del guadagno derivata utilizzando il metodo FHA e dei parametri LCC selezionati per il convertitore risonante LCC a mezzo ponte nel kit di valutazione STEVAL-LLL009V1, il grafico tra guadagno e normalizzato è mostrato nella Figura 5.
RETTIFICA SINCRONA (SR)
Sul lato secondario del trasformatore mostrato in Figura 3, la forma d'onda della tensione di ingresso viene rettificata dal raddrizzatore sincrono in configurazione a ponte intero e livellata dai condensatori di uscita. Lo stadio di rettifica sincrono è controllato digitalmente dal microcontrollore STM32F334.
Tensioni dei nodi dello stadio di rettifica sincrona (SR) (VDS_SR1 e VDS_SR2) vengono rilevati per pilotare i MOSFET allo stadio SR. Il MOSFET VDS Il rilevamento (tensione Drain-Source) e l'algoritmo di controllo sono spiegati di seguito.
La rete di rilevamento è composta da un diodo veloce e un pull-up Resistore collegato alla tensione di alimentazione del microcontrollore (MCU) come mostrato nella Figura 6. Quando la tensione di drain del MOSFET SR è superiore alla MCU Vcc, il diodo è polarizzato inversamente e la tensione rilevata viene portata a Vcc. Quando la tensione di drain è inferiore a Vcc, il diodo è polarizzato in avanti e la tensione rilevata è uguale a questa tensione più la caduta di tensione del diodo che fornisce uno spostamento positivo. La corrente durante la polarizzazione positiva è limitata dalla resistenza di pull-up.
Inizialmente il diodo body dei MOSFET SR inizia a condurre e VDS è percepito. Grazie alla VDS tecnica di rilevamento implementata, quando la tensione (VDS) scende al di sotto della soglia impostata (Vsoglia_ON - OFF impostato dalla periferica MCU DAC), l'uscita del comparatore (fronte di discesa) attiva la periferica TIMER MCU in una modalità non riattivabile a impulsi, come mostrato nella Figura 7.
La periferica MCU TIMER avvia un impulso al corrispondente gate driver di rettifica sincrono. L'impulso si mantiene per un certo tempo minimo (TON min).
Quando la tensione (VDS) aumenta al di sopra della soglia impostata (Vsoglia_ON - OFF impostato dalla periferica DAC MCU), l'uscita del comparatore (fronte di salita) resetta le periferiche TIMER MCU e di conseguenza l'impulso viene fermato al gate driver di rettifica sincrono corrispondente come mostrato in Figura 7.
L'MCU monitora continuamente la frequenza dello stadio di potenza CC-CC (HB-LCC) e la corrente di uscita. Nel caso in cui la frequenza superi la soglia impostata con isteresi o la corrente di uscita scenda sotto la soglia impostata con isteresi, il microcontrollore (MCU) disabilita il gate drive in fase di rettifica sincrona. Grazie ai MOSFET body diode per la rettifica in questa fase. L'azionamento del gate di rettifica sincrono viene abilitato quando la frequenza scende al di sotto della soglia impostata con isteresi o la corrente di uscita supera la soglia impostata con isteresi.
A seconda della frequenza operativa dello stadio di potenza DC-DC (HB-LCC), la soglia (Vsoglia_ON - OFF) viene regolato dalla tabella di ricerca memorizzata nell'MCU.
Risultati sperimentali
L'efficienza complessiva, il fattore di potenza (PF) e la distorsione armonica totale (THD) di STEVAL-LLL009V1 sono stati calcolati a carichi diversi. Con il 100% di carico, l'efficienza è superiore al 93.5%.
Le figure 8, 9, 10 e 11 mostrano le prestazioni del kit di valutazione in termini sia di configurazione a tensione costante (CV) che di corrente costante (CC).
L'alimentatore a controllo digitale presentato nel lavoro corrente può fornire una potenza in uscita di 300 W sia in modalità a tensione costante (CV) che a corrente costante (CC). I risultati sperimentali mostrano un'elevata efficienza, un fattore di potenza vicino all'unità e un basso THD% in condizioni di ampia tensione di ingresso e carico grazie alle prestazioni dei prodotti di alimentazione ST nonché alle strategie di controllo implementate utilizzando il microcontrollore STM32F32 a 334 bit. Per ulteriori dettagli, contattare l'ufficio vendite STMicroelectronics.