In de afgelopen jaren zijn resonante converters steeds populairder geworden en worden ze veel toegepast in verschillende toepassingen zoals server, telecom, verlichting en consumentenelektronica. Een belangrijk aantrekkelijk kenmerk is dat een resonantie omvormer kan gemakkelijk een hoog rendement bereiken en
maken hoogfrequente werking mogelijk met hun intrinsiek brede softs-heksenbereik. Dit artikel belicht de 300W-voeding met digitale besturing van de halfbrug LCC-resonantieomvormer samen met synchrone rectificatie.
De STEVAL–LLL009V1, weergegeven in afbeelding 1, is een digitaal geregelde voeding van 300 W. De primaire zijde bestaat uit PFC en DC-DC eindtrap (halve brug LCC-resonantieomzetter), terwijl de secundaire zijde synchrone gelijkrichting en STM32F334-microcontroller vormt. De DC-DC-vermogenstrap (half-bridge LCC-resonantieomzetter) en de synchrone uitgangsgelijkrichting worden digitaal aangestuurd met behulp van de STM32F334-microcontroller, terwijl de powerfactorcorrectie (PFC)-trap in de overgangsmodus werkt op basis van L6562ATD.
De evaluatiekit kan beide constant werken spanning (CV) -modus of constante stroom (CC) -modus volgens vereiste. De ingebouwde snelle beveiligingscircuits garanderen alle essentiële beveiligingsfuncties met een hoge betrouwbaarheid. De prestaties van de ontwikkelde evaluatiekit zijn geëvalueerd onder wisselstroom van (270-480V) over het gehele belastingsbereik. De netvoedingskwaliteitsparameters vallen binnen de aanvaardbare limieten van de harmonische norm IEC 61000-3-2.
INLEIDING
De voorgestelde oplossing maakt gebruik van een digitale conversiebesturingsbenadering in plaats van het standaardontwerp op basis van analoge IC's. Het belangrijkste voordeel van de digitale besturing is programmeerflexibiliteit om de parameters en de bedieningspunten on-the-fly af te stemmen, voor elke gegeven conditie, zonder enige HW-wijziging, terwijl de analoge besturing alleen kan worden afgesteld voor een specifiek bereik. Geavanceerde functies zoals dimmethoden (analoog of digitaal), dimbediening (0-10V, draadloze communicatie), dimresolutie, temperatuur
monitoring, verschillende beveiligingen en communicatiefuncties zijn doorgaans aanzienlijk kosteneffectiever omdat ze door een enkele kunnen worden geïmplementeerd IC en zijn gemakkelijker te implementeren met behulp van digitale technieken in vergelijking met analoge besturing. Bovendien garandeert de digitale besturing meer stabiliteit dan analoog in lawaaierige omstandigheden: een digitaal aangestuurde oplossing is minder gevoelig voor componenttolerantie, temperatuurvariaties en spanningsdrift.
SYSTEEM OVERZICHT
De STEVAL-LLL009V1 evaluatiekit converteert 270 V naar 480 V AC ingangsspanning naar 48 V DC, 6.25 A maximale stroom in een constante spanning (CV) modus, terwijl hij in constante stroom (CC) modus 6.25 A stroom kan leveren met een uitgangsspanning variërend van 36 - 48V. De evaluatiekit kan worden geconfigureerd in CV-modus of CC-modus met behulp van de tuimelschakelaar SW1 die op de hoofdstroomkaart is gemonteerd.
De DC-DC-vermogensfase wordt de primaire aarde genoemd, terwijl de microcontroller de secundaire aarde wordt genoemd. Dankzij STGAP2DM galvanisch geïsoleerde halve brugpoortaandrijving die de DC-DC-vermogenstrap aandrijft mosfets met het stuursignaal afkomstig van de microcontroller.
Figuur 2 toont het blokschema van de STEVAL-LLL009V1-evaluatiekit waarin de topologieën en componenten zijn opgenomen die voor verschillende secties worden gebruikt.
Op de evaluatiekit is er een voorziening van 0-10V-ingang om de helderheid van de LED's te regelen. De dimregeling 0-10V is alleen van toepassing als de evaluatiekit in constante stroom (CC) -modus wordt gebruikt. De analoge dimbenadering is geïmplementeerd in de STEVAL-LLL009V1 evaluatiekit met een stroomresolutie van 1%.
Een dochterkaart met een geïsoleerde versterker dient voor het detecteren van de PFC-uitgangsspanning die ook de ingangsspanning naar de DC-DC-vermogenstrap is.
De PFC-fase is gebaseerd op MDmeshTM K5 Vermogen mosfet terwijl de halve brug van de LCC-converter is gebaseerd op MDmeshTM DK5 Power MOSFET's voor prestaties met een hoog rendement. Synchrone rectificatie (SR) met STripFETTM F7 Power MOSFET's worden aan de secundaire zijde gebruikt om geleidingsverliezen te verminderen.
De evaluatiekit is uitgerust met uitgebreide veiligheidsvoorzieningen zoals open circuit, kortsluiting, resonantie huidige bescherming, DC-DC power stage ingang onder spanning en overspanningsbeveiliging.
Zowel de primaire als de secundaire secties worden gevoed door een off-line flyback-circuit op basis van VIPer267KDTR dat gereguleerde spanningen levert aan de besturingskaart, de gate-driver-IC's en de signaalconditioneringsschakelingen.
De experimentele resultaten tonen een hoog rendement, een arbeidsfactor in de buurt van één en een laag THD% onder brede ingangsspanning en belastingscondities als gevolg van de prestaties van de ST-stroomproducten en de regelstrategieën die zijn geïmplementeerd met behulp van de 32-bits STM32F334-microcontroller.
LCC RESONANT CONVERTER
De DC-DC-eindtrap zet de PFC-uitgangsspanning om naar de gewenste uitgangsspanning. Er zijn verschillende topologieën die kunnen worden gebruikt voor DC-DC-conversie, met name LLC-resonantie-omzetter en LCC-resonantie-omzetter enz. Elke topologie heeft zijn eigen voor- en nadelen. De toepassingen zoals acculaders en LED-verlichting vereisen mogelijk hun geïsoleerde DC-DC-vermogensfasen om een breed ingangs- of uitgangsspanningsbereik aan te kunnen. Gezien de vereisten is de LCC-resonantietopologie met halve brug geïmplementeerd in de DC-DC-vermogensfase van STEVAL-LLL009V1, zoals weergegeven in afbeelding 3.
In STEVAL-LLL009V1 de parallel condensator Cp is verbonden met de secundaire van de transformator. Als resultaat worden de parasitaire capaciteiten van de synchrone rectificatie en de lekinductie van de transformator een onderdeel van de resonantietank.
De PFC-uitgangsspanning laadt de bulkcondensator op om een stabiele DC-BUS te genereren. De MOSFET's met halve brugconfiguratie schakelen om een vierkante spanningsgolfvorm tussen GND en DC-BUS te genereren. De kwadratische spanning wordt toegepast op het LCC-resonantietankcircuit dat bestaat uit condensator Cr, condensator Cp (geplaatst in secundair), Inductor Lr en scheidingstransformator.
De halve brug van de hoogspannings-MOSFET's/schakelaars van de LCC-resonantieomvormer worden aangedreven met een PWM-werkcyclus van 50 procent en een geschikte dode tijd. Omdat de ongeveer sinusoïdale resonante tankstroom altijd achterblijft bij de spanningsgolfvorm (inductief gebied), zoals weergegeven in figuur 4, is de MOSFET de uitgangscapaciteit heeft de tijd om te ontladen tijdens de dode tijd vóór de volgende inschakeling, en om nulspanningsschakeling (ZVS) te bereiken. PWM-schakelfrequentieregeling wordt gebruikt om de spanningsversterking van de resonantietank te regelen en de omzetter in het inductieve gebied te houden. Hierdoor is ZVS over het gehele werkingsbereik mogelijk en worden de schakelverliezen verminderd.
tafel 1: LCC versus LLC Resonante Converter
| Resonante omzetter | LCC-omzetter | LLC-omzetter | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Gewenste operationele regio | foperatie > fr2 | fr1 <foperatie <fr2 | |
| Belangrijkste kenmerken | LCC heeft een kleinere frequentievariatie.
Hoeft misschien niet te barsten bij lichte belasting. |
LLC heeft een lagere RMS-stroom dan LCC.
Betere efficiëntie op LLC tov LCC. |
|
| Blokdiagram | |||
De winst van de LCC-resonantieomvormer met halve brug in de evaluatiekit is geanalyseerd met behulp van de fundamentele harmonische analyse (FHA) -methode.
Op basis van de versterkingsvergelijking die is afgeleid met de FHA-methode en de LCC-parameters die zijn geselecteerd voor de LCC-resonantieomvormer met halve brug in de STEVAL-LLL009V1-evaluatiekit, wordt de plot tussen versterking en genormaliseerd weergegeven in Figuur 5.
SYNCHRONE RECTIFICATIE (SR)
Aan de secundaire zijde van de transformator die wordt getoond in figuur 3, wordt de golfvorm van de ingangsspanning gelijkgericht door de synchrone gelijkrichter in volledige brugconfiguratie en afgevlakt door uitgangscondensatoren. De synchrone rectificatietrap wordt digitaal aangestuurd door de STM32F334-microcontroller.
Synchrone rectificatie (SR) fase knooppuntspanningen (V.DS_SR1 en VDS_SR2) worden gedetecteerd om SR Stage MOSFET's aan te sturen. De MOSFET VDS (Drain-Source voltage) detectie en het regelalgoritme wordt hieronder uitgelegd.
Het detectienetwerk is samengesteld uit een snelle diode en een pull-up Weerstand aangesloten op de voedingsspanning van de microcontroller (MCU) zoals weergegeven in figuur 6. Wanneer de SR MOSFET-afvoerspanning hoger is dan de MCU Vcc, wordt de diode in tegengestelde richting voorgespannen en wordt de gedetecteerde spanning opgetrokken tot Vcc. Wanneer de afvoerspanning lager is dan Vcc, is de diode voorwaarts voorgespannen en is de gedetecteerde spanning gelijk aan deze spanning plus de spanningsval van de diode die een positieve verschuiving geeft. De stroom tijdens positieve voorspanning wordt beperkt door de pull-up-weerstand.
Aanvankelijk begint de lichaamsdiode van SR MOSFET's te geleiden en VDS wordt waargenomen. Dankzij de VDS detectietechniek geïmplementeerd, wanneer de spanning (V.DS) onder de ingestelde drempel valt (Vthreshold_ON - UIT ingesteld door MCU DAC-randapparaat), activeert de comparatoruitgang (dalende flank) het MCU TIMER-randapparaat in één puls niet-hertriggerbare modus zoals weergegeven in Afbeelding 7.
Het MCU TIMER-randapparaat initieert een puls naar de corresponderende synchrone rectificatiepoortaandrijver. De puls houdt een bepaalde minimale tijd aan (TON minuten).
Wanneer de spanning (V.DS) stijgt boven de ingestelde drempelwaarde (Vthreshold_ON - UIT ingesteld door MCU DAC-randapparaat), reset de comparatoruitgang (stijgende flank) de MCU TIMER-randapparatuur en dienovereenkomstig wordt de puls gestopt bij de overeenkomstige synchrone rectificatiepoortaandrijving zoals weergegeven in figuur 7.
De MCU bewaakt continu de frequentie van de DC-DC power stage (HB-LCC) en de uitgangsstroom. In het geval dat de frequentie hoger is dan de ingestelde drempel met hysterese of de uitgangsstroom daalt onder de ingestelde drempel met hysterese, schakelt de microcontroller (MCU) de poortaandrijving uit naar de synchrone gelijkrichtingsfase. Dankzij MOSFET's lichaamsdiode voor rectificatie in dit stadium. De synchrone gelijkrichtingspoortaandrijving wordt ingeschakeld wanneer de frequentie onder de ingestelde drempel daalt met hysterese of de uitgangsstroom stijgt boven de ingestelde drempelwaarde met hysterese.
Afhankelijk van de werkfrequentie van de DC-DC-vermogensfase (HB-LCC), kan de drempelwaarde (V.threshold_ON - UIT) wordt aangepast vanuit de opzoektabel die is opgeslagen in MCU.
Experimentele resultaten
De algehele efficiëntie, arbeidsfactor (PF) en totale harmonische vervorming (THD) van de STEVAL-LLL009V1 is berekend bij verschillende belastingen. Met 100% belasting is het rendement hoger dan 93.5%.
De figuren 8, 9, 10 en 11 tonen de prestaties van de evaluatiekit in termen van zowel constante spanning (CV) als constante stroom (CC) configuratie.
De digitaal gestuurde voeding die in het huidige werk wordt gepresenteerd, kan het uitgangsvermogen van 300 W leveren, zowel in constante spanning (CV) als in constante stroom (CC) -modus. De experimentele resultaten tonen een hoog rendement, een arbeidsfactor in de buurt van één en een laag THD% onder brede ingangsspanning en belastingscondities vanwege de prestaties van de ST-stroomproducten en de regelstrategieën die zijn geïmplementeerd met behulp van de 32-bits STM32F334-microcontroller. Neem voor meer informatie contact op met het verkoopkantoor van STMicroelectronics.