최근 몇 년 동안 공진 형 컨버터가 대중화되어 서버, 통신, 조명 및 소비자 가전과 같은 다양한 애플리케이션에 널리 적용되고 있습니다. 한 가지 매력적인 특징은 공명 변환기 쉽게 고효율을 달성하고
본질적으로 넓은 소프트 스위칭 범위로 고주파 작동을 허용합니다. 이 백서에서는 동기 정류와 함께 하프 브리지 LCC 공진 컨버터의 디지털 제어 기능을 갖춘 300W 전원 공급 장치를 중점적으로 다룹니다.
그림 009에 표시된 STEVAL-LLL1V1은 디지털 제어 300W 전원 공급 장치입니다. XNUMX차측은 PFC와 DC-DC 전력 스테이지(하프 브리지 LCC 공진 컨버터)이고 32차측은 동기 정류 및 STM334F32 마이크로컨트롤러로 구성됩니다. DC-DC 전력 스테이지(하프 브리지 LCC 공진 컨버터) 및 출력 동기 정류는 STM334F6562 마이크로컨트롤러를 사용하여 디지털 방식으로 제어되는 반면, 역률 보정(PFC) 스테이지는 LXNUMXATD를 기반으로 하는 전환 모드에서 작동합니다.
평가 키트는 지속적으로 작동 할 수 있습니다. 전압 (CV) 모드 또는 정전류 (CC) 모드는 요구 사항에 따라 다릅니다. 온보드 고속 보호 회로는 높은 신뢰성으로 모든 필수 보호 기능을 보장합니다. 개발 된 평가 키트의 성능은 전체 부하 범위에 대해 (270-480V) 범위의 AC 주전원에서 평가되었습니다. 전력 품질 매개 변수는 고조파 표준 IEC 61000-3- 2의 허용 한계 내에 있습니다.
소개
제안 된 솔루션은 아날로그 IC 기반의 표준 설계가 아닌 디지털 변환 제어 방식을 채택합니다. 디지털 제어의 가장 큰 장점은 특정 조건에 대해 HW 수정없이 매개 변수와 작동 지점을 즉시 조정할 수있는 프로그래밍 유연성입니다. 반면 아날로그 제어는 특정 범위에 대해서만 조정할 수 있습니다. 디밍 방법 (아날로그 또는 디지털), 디밍 제어 (0-10V, 무선 통신), 디밍 해상도, 온도와 같은 고급 기능
모니터링, 다양한 보호 및 통신 기능은 단일 시스템으로 구현할 수 있으므로 훨씬 더 비용 효율적인 경향이 있습니다. IC 아날로그 제어에 비해 디지털 기술을 사용하여 구현하기가 더 쉽습니다. 또한 디지털 제어는 잡음이있는 조건에서 아날로그보다 더 많은 안정성을 보장합니다. 디지털 제어 솔루션은 구성 요소 허용 오차, 온도 변화 및 전압 드리프트에 덜 민감합니다.
시스템 개요
STEVAL-LLL009V1 평가 키트는 270V에서 480V AC 주전원 입력 전압을 48V DC로 변환하고, 정전압 (CV) 모드에서 6.25A 최대 전류를 변환하는 반면, 정전류 (CC) 모드에서는 6.25A의 전류를 제공 할 수 있습니다. 36 – 48V 범위의 출력 전압. 평가 키트는 주 전원 보드에 장착 된 토글 스위치 SW1을 사용하여 CV 모드 또는 CC 모드로 구성 할 수 있습니다.
DC-DC 전력 단은 2 차 접지라고하며 마이크로 컨트롤러는 XNUMX 차 접지라고합니다. DC-DC 전력 단을 구동하는 STGAPXNUMXDM 갈바닉 절연 하프 브리지 게이트 드라이버 덕분에 MOSFET 마이크로 컨트롤러에서 나오는 제어 신호로.
그림 2는 다른 섹션에 사용되는 토폴로지와 구성 요소가 포함 된 STEVAL-LLL009V1 평가 키트의 블록 다이어그램을 보여줍니다.
평가 키트에는 LED의 밝기를 제어하기위한 0-10V 입력이 제공됩니다. 디밍 제어 0-10V는 평가 키트가 정전류 (CC) 모드에서 작동하는 경우에만 적용됩니다. 아날로그 디밍 방식은 현재 해상도가 009 % 인 STEVAL-LLL1V1 평가 키트에서 구현됩니다.
절연 증폭기가있는 도터 카드는 DC-DC 전력 단에 대한 입력 전압이기도 한 PFC 출력 전압을 감지하는 데 사용됩니다.
PFC 스테이지는 MDmesh를 기반으로합니다.TM K5 전원 이끼 LCC 컨버터의 하프 브리지는 MDmesh를 기반으로합니다.TM 고효율 성능을위한 DK5 전력 MOSFET. STripFET를 사용한 동기식 정류 (SR)TM F7 파워 MOSFET은 전도 손실을 줄이기 위해 XNUMX 차측에 사용됩니다.
평가 키트는 개방형과 같은 포괄적 인 안전 조항을 갖추고 있습니다. 회로, 단락 회로, 공진 전류 보호, DC-DC 전력 단 입력 저전압 및 과전압 보호.
267 차 및 XNUMX 차 섹션 모두 제어 보드, 게이트 드라이버 IC 및 신호 컨디셔닝 회로에 조정 된 전압을 제공하는 VIPerXNUMXKDTR을 기반으로하는 오프라인 플라이 백 회로에 의해 공급됩니다.
실험 결과는 ST 전원 제품의 성능과 32 비트 STM32F334 마이크로 컨트롤러를 사용하여 구현 된 제어 전략으로 인해 넓은 입력 전압 및 부하 조건에서 높은 효율, 거의 동일한 역률, 낮은 THD %를 보여줍니다.
LCC ResoNANT 컨버터
DC-DC 전력 단은 PFC 출력 전압을 원하는 출력 전압으로 변환합니다. DC-DC 변환에 사용할 수있는 다양한 토폴로지, 특히 LLC 공진 변환기 및 LCC 공진 변환기 등이 있습니다. 각 토폴로지에는 고유 한 장점과 단점이 있습니다. 배터리 충전기 및 LED 조명과 같은 애플리케이션은 넓은 입력 또는 출력 전압 범위를 처리하기 위해 절연 된 DC-DC 전력 스테이지가 필요할 수 있습니다. 요구 사항을 고려하여 하프 브리지 LCC 공진 토폴로지는 그림 009과 같이 STEVAL-LLL1V3의 DC-DC 전력 단계에서 구현됩니다.
STEVAL-LLL009V1에서는 병렬 콘덴서 Cp 변압기의 XNUMX 차측에 연결됩니다. 결과적으로 동기 정류의 기생 커패시턴스와 변압기의 누설 인덕턴스가 공진 탱크의 일부가됩니다.
PFC 출력 전압은 안정적인 DC-BUS를 생성하기 위해 벌크 커패시터를 충전합니다. 하프 브리지 구성 MOSFET은 GND와 DC-BUS간에 사각 전압 파형을 생성하도록 전환됩니다. 사각 전압은 커패시터 C로 구성된 LCC 공진 탱크 회로에 적용됩니다.r, 커패시터 Cp (보조에 배치), 성직 수 여자 Lr 그리고 절연 변압기.
LCC 공진형 컨버터 고전압 MOSFET/스위치의 하프 브리지는 50% PWM 듀티 사이클과 적절한 데드 타임으로 구동됩니다. 그림 4에 표시된 것처럼 대략 정현파 공진 탱크 전류는 항상 전압 파형(유도 영역)보다 뒤처지기 때문에 MOSFET 출력 커패시턴스는 다음 턴온 전 데드타임 동안 방전할 시간을 가지며 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성합니다. PWM 스위칭 주파수 제어는 공진 탱크의 전압 이득을 조절하고 컨버터를 유도 영역에 유지하는 데 사용됩니다. 이를 통해 전체 작동 범위에 걸쳐 ZVS가 가능하고 스위칭 손실이 감소됩니다.
작업대 1: LCC 대 LLC 공진 변환기
| 공진 변환기 | LCC 변환기 | LLC 변환기 | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| 원하는 운영 지역 | f조작 > fr2 | fr1 <f조작 <fr2 | |
| 주요 특징들 | LCC는 주파수 편차가 더 좁습니다.
경부 하에서 파열 할 필요가 없습니다. |
LLC는 LCC보다 RMS 전류가 낮습니다.
LLC wrt LCC에서 더 나은 효율성. |
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| 블록 다이어그램 | |||
평가 키트의 하프 브리지 LCC 공진 컨버터의 이득은 기본 고조파 분석 (FHA) 방법을 사용하여 분석되었습니다.
FHA 방법을 사용하여 도출 된 이득 방정식과 STEVAL-LLL009V1 평가 키트의 하프 브리지 LCC 공진 컨버터에 대해 선택된 LCC 매개 변수를 기반으로 이득과 정규화 사이의 플롯이 그림 5에 나와 있습니다.
동기 정류 (SR)
그림 3에 표시된 변압기의 32 차측에서 입력 전압 파형은 풀 브리지 구성에서 동기식 정류기에 의해 정류되고 출력 커패시터에 의해 평활화됩니다. 동기식 정류 단계는 STM334FXNUMX 마이크로 컨트롤러에 의해 디지털 방식으로 제어됩니다.
동기식 정류 (SR) 단계 노드 전압 (VDS_SR1 및 VDS_SR2)이 감지되어 SR 스테이지 MOSFET을 구동합니다. MOSFET VDS (드레인 소스 전압) 감지 및 제어 알고리즘은 아래에 설명되어 있습니다.
감지 네트워크는 고속 다이오드와 풀업으로 구성됩니다. 저항기 그림 6과 같이 마이크로 컨트롤러 (MCU) 공급 전압에 연결됩니다. SR MOSFET 드레인 전압이 MCU Vcc보다 높을 때 다이오드는 역 바이어스되고 감지 된 전압은 Vcc까지 올라갑니다. 드레인 전압이 Vcc 미만이면 다이오드가 순방향 바이어스되고 감지 된 전압은이 전압에 양의 시프트를 제공하는 다이오드의 전압 강하를 더한 값과 같습니다. 포지티브 바이어스 중 전류는 풀업 저항에 의해 제한됩니다.
처음에는 SR MOSFET의 바디 다이오드가 전도를 시작하고 VDS 감지됩니다. V 덕분에DS 감지 기술 구현, 전압 (VDS)가 설정된 임계 값 (Vthreshold_ON – 끄기 MCU DAC 주변 장치에 의해 설정) 비교기 출력 (하강 에지)은 그림 7과 같이 하나의 펄스 비 재 트리거 가능 모드에서 MCU TIMER 주변 장치를 트리거합니다.
MCU TIMER 주변 장치는 해당 동기 정류 게이트 드라이버에 펄스를 시작합니다. 맥박은 특정 최소 시간 (TON 최소).
전압 (VDS) 설정된 임계 값 (Vthreshold_ON – 끄기 MCU DAC 주변 장치에 의해 설정 됨) 비교기 출력 (상승 에지)은 MCU TIMER 주변 장치를 재설정하고 그에 따라 그림 7과 같이 해당 동기 정류 게이트 드라이버에서 펄스가 중지됩니다.
MCU는 DC-DC 전력 단 (HB-LCC) 주파수와 출력 전류를 지속적으로 모니터링합니다. 주파수가 히스테리시스로 설정된 임계 값을 초과하거나 출력 전류가 히스테리시스로 설정된 임계 값 아래로 떨어지는 경우, 마이크로 컨트롤러 (MCU)는 동기 정류 단계로의 게이트 드라이브를 비활성화합니다. 이 단계에서 정류를위한 MOSFET 바디 다이오드 덕분입니다. 동기식 정류 게이트 드라이브는 주파수가 히스테리시스로 설정된 임계 값 아래로 떨어지거나 출력 전류가 히스테리시스로 설정된 임계 값 이상으로 상승 할 때 활성화됩니다.
DC-DC 전력 단 (HB-LCC) 작동 주파수에 따라 임계 값 (Vthreshold_ON – 끄기)는 MCU에 저장된 조회 테이블에서 조정됩니다.
실험 결과
STEVAL-LLL009V1의 전체 효율, 역률 (PF) 및 총 고조파 왜곡 (THD)은 다양한 부하에서 계산되었습니다. 부하가 100 % 인 경우 효율성은 93.5 % 이상입니다.
그림 8, 9, 10 및 11은 정전압 (CV) 및 정전류 (CC) 구성 측면에서 평가 키트 성능을 보여줍니다.
현재 작업에 제시된 디지털 제어 전원 공급 장치는 정전압 (CV) 및 정전류 (CC) 모드 모두에서 300W의 전력 출력을 제공 할 수 있습니다. 실험 결과는 ST 전원 제품의 성능과 32 비트 STM32F334 마이크로 컨트롤러를 사용하여 구현 된 제어 전략으로 인해 넓은 입력 전압 및 부하 조건에서 높은 효율, 거의 동일한 역률, 낮은 THD %를 보여줍니다. 자세한 내용은 STMicroelectronics 영업소에 문의하십시오.