近年、共振コンバーターの人気が高まり、サーバー、テレコム、照明、家庭用電化製品などのさまざまなアプリケーションに広く適用されています。 重要な魅力的な特徴のXNUMXつは、共振することです。 コンバータ 簡単に高効率を達成でき、
固有の広いソフトウィッチング範囲で高周波動作を可能にします。 このホワイトペーパーでは、ハーフブリッジLCC共振コンバータのデジタル制御と同期整流を備えた300W電源について説明します。
図 009 に示す STEVAL-LLL1V1 は、デジタル制御された 300W 電源です。 一次側はPFCと DC-DC パワーステージ（ハーフブリッジLCC共振コンバータ）、二次側は同期整流とSTM32F334マイクロコントローラを構成します。 DC-DC パワーステージ (ハーフブリッジ LCC 共振コンバータ) と出力同期整流は、STM32F334 マイクロコントローラーを使用してデジタル制御され、力率補正 (PFC) ステージは L6562ATD に基づいた遷移モードで動作します。
評価キットは、一定の状態で機能します。 電圧 要件に応じて（CV）モードまたは定電流（CC）モード。 オンボードの高速保護回路は、すべての重要な保護機能を高い信頼性で保証します。 開発された評価キットの性能は、全負荷範囲にわたって（270-480V）の範囲のAC電源で評価されています。 電力品質パラメータは、高調波規格IEC 61000-3-2の許容範囲内です。
はじめに
提案されたソリューションは、アナログICに基づく標準設計ではなく、デジタル変換制御アプローチを採用しています。 デジタル制御の主な利点は、HWを変更せずに、特定の条件でパラメータと動作点をオンザフライで調整できるプログラミングの柔軟性ですが、アナログ制御は特定の範囲でのみ調整できます。 調光方法（アナログまたはデジタル）、調光制御（0〜10V、無線通信）、調光解像度、温度などの高度な機能
監視、さまざまな保護、および通信機能は、単一で実装できるため、大幅に費用対効果が高くなる傾向があります。 IC アナログ制御と比較して、デジタル技術を使用して実装する方が簡単です。 さらに、デジタル制御は、ノイズの多い条件でアナログよりも高い安定性を保証します。デジタル制御されたソリューションは、コンポーネントの許容誤差、温度変化、および電圧ドリフトの影響を受けにくくなります。
システムの概要
STEVAL-LLL009V1評価キットは、270Vから480VACの主電源入力電圧を48V DCに変換します。定電圧（CV）モードでは最大電流6.25 A、定電流（CC）モードでは最大電流6.25Aを供給できます。 36〜48Vの範囲の出力電圧。 評価キットは、主電源ボードに取り付けられたトグルスイッチSW1を使用して、CVモードまたはCCモードのいずれかで構成できます。
DC-DCパワーステージは一次グランドと呼ばれ、マイクロコントローラは二次グランドと呼ばれます。 DC-DCパワーステージを駆動するSTGAP2DMガルバニック絶縁ハーフブリッジゲートドライバのおかげで MOSFET マイクロコントローラからの制御信号で。
図2は、さまざまなセクションで使用されているトポロジとコンポーネントを組み込んだSTEVAL-LLL009V1評価キットのブロック図を示しています。
評価キットには、LEDの輝度を制御するための0〜10V入力が用意されています。 調光制御0〜10Vは、評価キットが定電流（CC）モードで動作している場合にのみ適用できます。 アナログ調光アプローチは、009％の電流分解能でSTEVAL-LLL1V1評価キットに実装されています。
絶縁アンプを備えたドーターカードは、DC-DCパワーステージへの入力電圧でもあるPFC出力電圧を検出する目的で使用されます。
PFCステージはMDmeshに基づいていますTM K5パワー モスフェット LCCコンバーターのハーフブリッジはMDmeshに基づいていますTM 高効率性能のためのDK5パワーMOSFET。 STripFETによる同期整流（SR）TM F7パワーMOSFETは、導通損失を減らすためにXNUMX次側に採用されています。
評価キットには、オープンなどの包括的な安全対策が備わっています。 回路、短絡、共振電流保護、DC-DCパワーステージ入力の低電圧および過電圧保護。
一次セクションと二次セクションの両方は、制御ボード、ゲートドライバIC、および信号調整回路に安定化電圧を提供するVIPer267KDTRに基づくオフラインフライバック回路によって供給されます。
実験結果は、ST電源製品の性能と32ビットSTM32F334マイクロコントローラーを使用して実装された制御戦略により、広い入力電圧および負荷条件下で高効率、力率がXNUMXに近く、THD％が低いことを示しています。
LCCレゾナントコンバーター
DC-DCパワーステージは、PFC出力電圧を目的の出力電圧に変換します。 DC-DC変換、特にLLC共振コンバーターやLCC共振コンバーターなどに使用できるさまざまなトポロジがあります。各トポロジには、独自の長所と短所があります。 バッテリ充電器やLED照明などのアプリケーションでは、広い入力または出力電圧範囲を処理するために、絶縁されたDC-DCパワーステージが必要になる場合があります。 要件を考慮して、ハーフブリッジLCC共振トポロジは、図009に示すように、STEVAL-LLL1V3のDC-DC電力段に実装されます。
STEVAL-LLL009V1ではパラレル コンデンサ Cp トランスのXNUMX次側に接続されています。 その結果、同期整流の寄生容量とトランスの漏れインダクタンスが共振タンクの一部になります。
PFC出力電圧は、安定したDC-BUSを生成するために、バルクコンデンサを充電します。 ハーフブリッジ構成のMOSFETは、GNDとDC-BUSの間に方形電圧波形を生成するように切り替わります。 二乗電圧は、コンデンサCで構成されるLCC共振タンク回路に印加されます。r、コンデンサCp （セカンダリに配置）、 誘導子 Lr と絶縁トランス。
LCC 共振コンバータの高電圧 MOSFET/スイッチのハーフ ブリッジは、50 パーセントの PWM デューティ サイクルと適切なデッド タイムで駆動されます。 図 4 に示すように、ほぼ正弦波状の共振タンク電流は常に電圧波形 (誘導領域) より遅れるため、 MOSFET 出力容量は、次のターンオン前のデッドタイム中に放電し、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) を達成する時間があります。 PWM スイッチング周波数制御は、共振タンクの電圧ゲインを調整し、コンバータを誘導領域に維持するために使用されます。 これにより、動作範囲全体にわたって ZVS が可能になり、スイッチング損失が低減されます。
表 1：LCC vsLLCレゾナントコンバーター
| レゾナントコンバーター | LCCコンバーター | LLCコンバーター | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| 希望する運用地域 | f操作 > fr2 | fr1 <f操作 <fr2 | |
| 主な機能 | LCCの周波数変動は狭くなっています。
軽負荷で破裂する必要がない場合があります。 |
LLCのRMS電流はLCCよりも低くなっています。
LLCとLCCの効率が向上します。 |
|
| ブロック図 | |||
評価キットのハーフブリッジLCC共振コンバータのゲインは、基本波解析（FHA）法を使用して解析されています。
FHA法を使用して導出されたゲイン方程式と、STEVAL-LLL009V1評価キットのハーフブリッジLCC共振コンバーター用に選択されたLCCパラメーターに基づいて、ゲインと正規化の間のプロットを図5に示します。
同期整流（SR）
図3に示すトランスの32次側では、入力電圧波形はフルブリッジ構成の同期整流器によって整流され、出力コンデンサによって平滑化されます。 同期整流ステージは、STM334FXNUMXマイクロコントローラーによってデジタル制御されます。
同期整流（SR）ステージノード電圧（VDS_SR1 とVDS_SR2）SR段MOSFETを駆動するように検出されます。 MOSFET VDS （ドレイン-ソース間電圧）センシングと制御アルゴリズムを以下に説明します。
センシングネットワークは、高速ダイオードとプルアップで構成されています 抵抗 図6に示すように、マイクロコントローラ（MCU）の供給電圧に接続します。SRMOSFETのドレイン電圧がMCU Vccを超えると、ダイオードが逆バイアスされ、検出された電圧がVccにプルアップされます。 ドレイン電圧がVcc未満の場合、ダイオードは順方向にバイアスされ、検出された電圧は、この電圧に正のシフトを与えるダイオードの電圧降下を加えたものに等しくなります。 正バイアス時の電流は、プルアップ抵抗によって制限されます。
最初にSRMOSFETのボディダイオードが導通を開始し、VDS 感知されます。 VのおかげでDS 電圧（VDS）設定されたしきい値（Vしきい値_オン – オフ 図7に示すように、コンパレータ出力（立ち下がりエッジ）は、MCU DACペリフェラルによって設定され、XNUMXパルスの再トリガー不可モードでMCUTIMERペリフェラルをトリガーします。
MCU TIMERペリフェラルは、対応する同期整流ゲートドライバへのパルスを開始します。 パルスは特定の最小時間（TON 分）。
電圧（VDS）設定されたしきい値（Vしきい値_オン – オフ 図7に示すように、MCU DACペリフェラルによって設定される）、コンパレータ出力（立ち上がりエッジ）はMCU TIMERペリフェラルをリセットし、それに応じてパルスは対応する同期整流ゲートドライバで停止します。
MCUは、DC-DCパワーステージ（HB-LCC）の周波数と出力電流を継続的に監視します。 周波数がヒステリシスで設定しきい値を超えた場合、または出力電流がヒステリシスで設定しきい値を下回った場合、マイクロコントローラ（MCU）は同期整流ステージへのゲートドライブを無効にします。 この段階で整流してくれたMOSFETボディダイオードに感謝します。 同期整流ゲートドライブは、周波数がヒステリシスで設定されたしきい値を下回るか、出力電流がヒステリシスで設定されたしきい値を超えると有効になります。
DC-DCパワーステージ（HB-LCC）の動作周波数に応じて、しきい値（Vしきい値_オン – オフ）は、MCUに格納されているルックアップテーブルから調整されています。
実験結果
STEVAL-LLL009V1の全体的な効率、力率（PF）、および全高調波歪み（THD）は、さまざまな負荷で計算されています。 100％の負荷で、効率は93.5％を超えます。
図8、9、10、および11は、定電圧（CV）構成と定電流（CC）構成の両方に関する評価キットのパフォーマンスを示しています。
現在の作業で提示されているデジタル制御電源は、定電圧（CV）モードと定電流（CC）モードの両方で300Wの電力出力を提供できます。 実験結果は、ST電源製品の性能と32ビットSTM32F334マイクロコントローラーを使用して実装された制御戦略により、広い入力電圧および負荷条件下で高効率、力率がXNUMXに近く、THD％が低いことを示しています。 詳細については、STMicroelectronics営業所にお問い合わせください。