Nos últimos anos, os conversores ressonantes se tornaram mais populares e são amplamente aplicados em várias aplicações, como servidor, telecomunicações, iluminação e produtos eletrônicos de consumo. Uma característica atrativa chave é que um ressonante conversor pode facilmente alcançar alta eficiência e
permitem a operação de alta frequência com suas amplas faixas de variação intrínsecas. Este artigo destaca a fonte de alimentação de 300 W com controle digital de conversor ressonante LCC de meia ponte junto com retificação síncrona.
A STEVAL–LLL009V1 mostrada na Figura 1 é uma fonte de alimentação de 300W controlada digitalmente. O lado primário constitui de PFC e DC-DC estágio de potência (conversor ressonante LCC de meia ponte), enquanto o lado secundário constitui retificação síncrona e microcontrolador STM32F334. O estágio de potência DC-DC (conversor ressonante LCC de meia ponte) e a retificação síncrona de saída são controlados digitalmente usando o microcontrolador STM32F334, enquanto o estágio de correção do fator de potência (PFC) funciona em modo de transição baseado em L6562ATD.
O kit de avaliação pode funcionar em constante Voltagem (CV) ou modo de corrente constante (CC) conforme a necessidade. Os circuitos de proteção rápida integrados garantem todos os recursos essenciais de proteção com alta confiabilidade. O desempenho do kit de avaliação desenvolvido foi avaliado em redes CA variando de (270-480 V) em toda a faixa de carga. Os parâmetros de qualidade de energia estão dentro dos limites aceitáveis do padrão harmônico IEC 61000-3-2.
INTRODUÇÃO
A solução proposta adota uma abordagem de controle de conversão digital em vez do design padrão baseado em CIs analógicos. A principal vantagem do controle digital é a flexibilidade de programação para ajustar os parâmetros e os pontos de operação em tempo real, para qualquer condição, sem nenhuma modificação de HW, enquanto o controle analógico só pode ser ajustado para uma faixa específica. Recursos avançados, como métodos de escurecimento (analógico ou digital), controles de escurecimento (0-10 V, comunicação sem fio), resolução de escurecimento, temperatura
monitoramento, várias proteções e funções de comunicação tendem a ser significativamente mais econômicas, uma vez que podem ser implementadas por um único IC e são mais fáceis de implementar usando técnicas digitais em comparação com o controle analógico. Além disso, o controle digital garante mais estabilidade do que o analógico em condições de ruído: uma solução controlada digitalmente é menos sensível à tolerância do componente, variações de temperatura e desvio de tensão.
VISÃO GERAL DO SISTEMA
O kit de avaliação STEVAL-LLL009V1 converte 270 V a 480 V CA da tensão de entrada em 48 V CC, 6.25 A de corrente máxima em modo de tensão constante (CV), enquanto em modo de corrente constante (CC), pode fornecer 6.25 A de corrente com um tensão de saída variando de 36 - 48V. O kit de avaliação pode ser configurado no modo CV ou modo CC usando a chave seletora SW1 montada na placa de alimentação principal.
O estágio de alimentação DC-DC é conhecido como aterramento primário, enquanto o microcontrolador é conhecido como aterramento secundário. Graças ao driver de porta de meia ponte isolado galvanicamente STGAP2DM que aciona o estágio de energia DC-DC mosfet com o sinal de controle vindo do microcontrolador.
A Figura 2 apresenta o diagrama de blocos do kit de avaliação STEVAL-LLL009V1 que incorpora as topologias e componentes sendo usados para diferentes seções.
No kit de avaliação, há uma provisão de entrada de 0-10V para controlar o brilho dos LEDs. O controle de dimerização 0-10V só é aplicável quando o kit de avaliação é operado em modo de corrente constante (CC). A abordagem de dimerização analógica é implementada no kit de avaliação STEVAL-LLL009V1 com uma resolução atual de 1%.
Uma placa filha com um amplificador isolado serve para detectar a tensão de saída do PFC, que também é a tensão de entrada para o estágio de potência DC-DC.
O estágio PFC é baseado em MDmeshTM K5 Poder mosfet enquanto a meia ponte do conversor LCC é baseada em MDmeshTM DK5 Power MOSFETs para desempenho de alta eficiência. Retificação síncrona (SR) com STripFETTM Os MOSFETs de potência F7 são empregados no lado secundário para reduzir as perdas de condução.
O kit de avaliação está equipado com disposições de segurança abrangentes, como aberto o circuito, curto-circuito, proteção de corrente ressonante, entrada de estágio de energia DC-DC sob proteção contra sobretensão e sobretensão.
Ambas as seções primária e secundária são alimentadas por um circuito flyback off-line baseado em VIPer267KDTR que fornece tensões reguladas para a placa de controle, os ICs do driver do gate e os circuitos de condicionamento de sinal.
Os resultados experimentais mostram alta eficiência, fator de potência próximo da unidade e baixo THD% sob ampla tensão de entrada e condições de carga devido ao desempenho dos produtos de energia ST, bem como às estratégias de controle implementadas usando o microcontrolador STM32F32 de 334 bits.
CONVERSOR RESSONANTE LCC
O estágio de potência DC-DC converte a tensão de saída do PFC na tensão de saída desejada. Existem várias topologias que podem ser usadas para conversão DC-DC, especialmente conversor ressonante LLC e conversor ressonante LCC, etc. Cada topologia tem suas próprias vantagens e desvantagens. As aplicações como carregadores de bateria e iluminação LED podem exigir seus estágios de energia DC-DC isolados para lidar com amplas faixas de tensão de entrada ou saída. Considerando os requisitos, a topologia ressonante LCC de meia ponte é implementada no estágio de energia DC-DC de STEVAL-LLL009V1, conforme mostrado na Figura 3.
Em STEVAL-LLL009V1 o paralelo capacitor Cp está conectado ao secundário do transformador. Como resultado, as capacitâncias parasitas da retificação síncrona e a indutância de vazamento do transformador tornam-se parte do tanque ressonante.
A tensão de saída do PFC carrega o capacitor bruto, a fim de gerar um DC-BUS estável. Os MOSFETs de configuração de meia ponte alternam para gerar uma forma de onda de tensão quadrada entre GND e DC-BUS. A tensão quadrada é aplicada ao circuito tanque ressonante LCC, que compreende o capacitor Cr, capacitor Cp (colocado no secundário), Indutor Lr e transformador de isolamento.
A meia ponte dos MOSFETs/switches de alta tensão do conversor ressonante LCC é acionada com ciclo de trabalho PWM de 50% e um tempo morto apropriado. Como a corrente do tanque ressonante aproximadamente senoidal sempre fica atrasada em relação à forma de onda de tensão (região indutiva), conforme mostrado na Figura 4, o MOSFET a capacitância de saída tem tempo para descarregar durante o tempo morto antes da próxima ligação e atingir a comutação de tensão zero (ZVS). O controle de frequência de comutação PWM é usado para regular o ganho de tensão do tanque ressonante e manter o conversor na região indutiva. Isso permite o ZVS em toda a faixa operacional e reduz as perdas de comutação.
mesa 1: Conversor ressonante LCC vs LLC
| Conversor Ressonante | Conversor LCC | Conversor LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Região Operacional Desejada | foperação > fr2 | fr1 <foperação <fr2 | |
| Características principais | LCC tem variação de frequência mais estreita.
Pode não precisar estourar com carga leve. |
LLC tem corrente RMS mais baixa do que LCC.
Melhor eficiência no LLC wrt LCC. |
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| Diagrama de bloco | |||
O ganho do conversor ressonante LCC de meia ponte no kit de avaliação foi analisado usando o método de análise harmônica fundamental (FHA).
Com base na equação de ganho derivada usando o método FHA e os parâmetros LCC selecionados para o conversor ressonante LCC de meia ponte no kit de avaliação STEVAL-LLL009V1, o gráfico entre o ganho e o normalizado é mostrado na Figura 5.
RECTIFICAÇÃO SÍNCRONA (SR)
No lado secundário do transformador mostrado na Figura 3, a forma de onda da tensão de entrada é retificada pelo retificador síncrono na configuração de ponte completa e suavizada pelos capacitores de saída. O estágio de retificação síncrona é controlado digitalmente pelo microcontrolador STM32F334.
Tensões de nó de estágio de retificação síncrona (SR) (VDS_SR1 e VDS_SR2) são detectados para conduzir MOSFETs de estágio SR. O MOSFET VDS (Tensão da fonte de drenagem) e o algoritmo de controle são explicados abaixo.
A rede de detecção é composta por um diodo rápido e um pull-up Resistor conectado à tensão de alimentação do microcontrolador (MCU) conforme mostrado na Figura 6. Quando a tensão de drenagem do SR MOSFET está acima do Vcc do MCU, o diodo é polarizado reversamente e a tensão detectada é puxada para Vcc. Quando a tensão de dreno está abaixo de Vcc, o diodo é polarizado direto e a tensão detectada é igual a esta tensão mais a queda de tensão do diodo que dá um deslocamento positivo. A corrente durante a polarização positiva é limitada pelo resistor pull-up.
Inicialmente, o diodo corporal dos MOSFETs SR começa a conduzir e VDS é sentido. Graças ao VDS técnica de detecção implementada, quando a tensão (VDS) cai abaixo do limite definido (Vthreshold_ON - OFF definido pelo periférico MCU DAC), a saída do comparador (borda descendente) aciona o periférico TIMER MCU em um modo de pulso não reativável, conforme mostrado na Figura 7.
O periférico MCU TIMER inicia um pulso para o driver da porta de retificação síncrona correspondente. O pulso se mantém por um certo tempo mínimo (TON min).
Quando a tensão (VDS) aumenta acima do limite definido (Vthreshold_ON - OFF definido pelo periférico MCU DAC), a saída do comparador (borda ascendente) redefine os periféricos do TIMER MCU e, correspondentemente, o pulso é interrompido no driver da porta de retificação síncrona correspondente, conforme mostrado na Figura 7.
O MCU monitora continuamente a frequência do estágio de potência DC-DC (HB-LCC) e a corrente de saída. No caso de a frequência exceder o limite definido com histerese ou a corrente de saída cair abaixo do limite definido com histerese, o microcontrolador (MCU) desativa o gate drive para o estágio de retificação síncrona. Graças ao diodo do corpo do MOSFET para retificação neste estágio. O acionamento da porta de retificação síncrona é habilitado quando a frequência cai abaixo do limite definido com histerese ou a corrente de saída sobe acima do limite definido com histerese.
Dependendo da frequência de operação do estágio de potência DC-DC (HB-LCC), o limite (Vthreshold_ON - OFF) está sendo ajustado na tabela de consulta armazenada no MCU.
Resultados experimentais
A eficiência geral, o fator de potência (FP) e a distorção harmônica total (THD) do STEVAL-LLL009V1 foram calculados em cargas diferentes. Com 100% de carga, a eficiência está acima de 93.5%.
As Figuras 8, 9, 10 e 11 mostram o desempenho do kit de avaliação em termos de configuração de tensão constante (CV) e corrente constante (CC).
A fonte de alimentação controlada digitalmente apresentada no atual trabalho pode fornecer a potência de saída de 300W tanto no modo de tensão constante (CV) quanto no modo de corrente constante (CC). Os resultados experimentais mostram alta eficiência, fator de potência próximo da unidade e baixo THD% sob ampla tensão de entrada e condições de carga devido ao desempenho dos produtos de energia ST, bem como às estratégias de controle implementadas usando o microcontrolador STM32F32 de 334 bits. Para obter mais detalhes, entre em contato com o escritório de vendas da STMicroelectronics.