В последние годы резонансные преобразователи стали более популярными и широко применяются в различных приложениях, таких как серверы, телекоммуникации, освещение и бытовая электроника. Одной из ключевых привлекательных характеристик является то, что резонансный Преобразователь легко достичь высокой эффективности и
позволяют работать на высоких частотах с их присущими им широкими диапазонами переключения. Эта статья посвящена источнику питания мощностью 300 Вт с цифровым управлением полумостовым резонансным преобразователем LCC и синхронным выпрямлением.
STEVAL-LLL009V1, показанный на рисунке 1, представляет собой источник питания мощностью 300 Вт с цифровым управлением. Первичная сторона состоит из PFC и DC-DC силовой каскад (полумостовой резонансный преобразователь LCC), а вторичная сторона представляет собой синхронное выпрямление и микроконтроллер STM32F334. Силовой каскад DC-DC (полумостовой резонансный преобразователь LCC) и выходное синхронное выпрямление управляются цифровым способом с помощью микроконтроллера STM32F334, а каскад коррекции коэффициента мощности (PFC) работает в переходном режиме на базе L6562ATD.
Оценочный комплект может работать в постоянном напряжение (CV) режим или режим постоянного тока (CC) в соответствии с требованиями. Встроенные схемы быстрой защиты гарантируют все основные функции защиты с высокой надежностью. Характеристики разработанного оценочного комплекта были оценены при работе от сети переменного тока в диапазоне (270–480 В) во всем диапазоне нагрузок. Параметры качества электроэнергии находятся в допустимых пределах гармонического стандарта IEC 61000-3-2.
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемое решение использует подход управления цифровым преобразованием, а не стандартную конструкцию, основанную на аналоговых ИС. Основным преимуществом цифрового управления является гибкость программирования для настройки параметров и рабочих точек «на лету» для любых заданных условий без какой-либо модификации аппаратного обеспечения, тогда как аналоговое управление может быть настроено только для определенного диапазона. Расширенные функции, такие как методы диммирования (аналоговые или цифровые), регуляторы диммирования (0-10 В, беспроводная связь), разрешение диммирования, температура
мониторинг, различные функции защиты и связи, как правило, значительно более рентабельны, поскольку они могут быть реализованы одним IC и их легче реализовать с использованием цифровых технологий по сравнению с аналоговым управлением. Кроме того, цифровое управление гарантирует большую стабильность, чем аналоговое, в шумных условиях: решение с цифровым управлением менее чувствительно к допускам компонентов, колебаниям температуры и дрейфу напряжения.
СИСТЕМНЫЙ ОБЗОР
Оценочный комплект STEVAL-LLL009V1 преобразует входное напряжение сети с 270 В до 480 В переменного тока в 48 В постоянного тока, максимальный ток 6.25 А в режиме постоянного напряжения (CV), в то время как в режиме постоянного тока (CC) он может выдавать 6.25 А тока с выходное напряжение от 36 до 48 В. Оценочный комплект можно настроить в режиме CV или CC с помощью тумблера SW1, установленного на основной плате питания.
Силовой каскад DC-DC называется первичным заземлением, а микроконтроллер - вторичным заземлением. Благодаря гальванически изолированному полумостовому драйверу затвора STGAP2DM, который управляет силовым каскадом DC-DC МОП-транзисторы с управляющим сигналом, поступающим от микроконтроллера.
На рисунке 2 представлена блок-схема оценочного комплекта STEVAL-LLL009V1, в который включены топологии и компоненты, используемые для различных секций.
В оценочном комплекте предусмотрен вход 0-10 В для управления яркостью светодиодов. Регулировка яркости 0-10 В применима только тогда, когда оценочный комплект работает в режиме постоянного тока (CC). Подход аналогового регулирования яркости реализован в оценочном комплекте STEVAL-LLL009V1 с текущим разрешением 1%.
Дочерняя плата с изолированным усилителем служит для измерения выходного напряжения PFC, которое также является входным напряжением для силового каскада DC-DC.
Этап PFC основан на MDmeshTM K5 Мощность MOSFET а полумост преобразователя LCC основан на MDmeshTM Силовые МОП-транзисторы DK5 для обеспечения высокой эффективности. Синхронное выпрямление (SR) с полевым транзистором STripFETTM Полевые МОП-транзисторы F7 Power используются на вторичной стороне для уменьшения потерь проводимости.
Оценочный комплект снабжен комплексными мерами безопасности, такими как открытая схема, короткое замыкание, защита от резонансного тока, защита от пониженного и перенапряжения на входе силового каскада DC-DC.
И первичная, и вторичная секции питаются от автономной схемы обратного хода на основе VIPer267KDTR, которая подает регулируемые напряжения на плату управления, ИС драйвера затвора и схемы преобразования сигнала.
Экспериментальные результаты показывают высокий КПД, коэффициент мощности, близкий к единице, и низкий коэффициент нелинейных искажений% при широком входном напряжении и условиях нагрузки из-за характеристик продуктов питания ST, а также стратегий управления, реализованных с использованием 32-разрядного микроконтроллера STM32F334.
LCC РЕЗОНАНТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Силовой каскад DC-DC преобразует выходное напряжение PFC в желаемое выходное напряжение. Существуют различные топологии, которые могут использоваться для преобразования постоянного тока в постоянный, особенно резонансный преобразователь LLC, резонансный преобразователь LCC и т. Д. Каждая топология имеет свои преимущества и недостатки. Для таких приложений, как зарядные устройства аккумуляторов и светодиодное освещение, могут потребоваться изолированные силовые каскады постоянного и постоянного тока для работы в широком диапазоне входного или выходного напряжения. Принимая во внимание требования, резонансная топология полумоста LCC реализована в силовом каскаде DC-DC STEVAL-LLL009V1, как показано на рисунке 3.
В STEVAL-LLL009V1 параллель конденсатор Cp подключен к вторичной обмотке трансформатора. В результате паразитные емкости синхронного выпрямления и индуктивность рассеяния трансформатора становятся частью резонансного резервуара.
Выходное напряжение PFC заряжает конденсатор большой емкости для создания стабильной шины постоянного тока. Полумостовые полевые МОП-транзисторы переключаются для генерации прямоугольного сигнала напряжения между GND и DC-BUS. Прямоугольное напряжение подается на цепь резонансного резервуара LCC, которая состоит из конденсатора Cr, конденсатор Сp (размещен во вторичном), Индуктор Lr и развязывающий трансформатор.
Полумост высоковольтных МОП-транзисторов/переключателей резонансного преобразователя LCC приводится в действие с 50-процентным рабочим циклом ШИМ и соответствующим временем простоя. Поскольку приблизительно синусоидальный резонансный ток резервуара всегда отстает от формы волны напряжения (индуктивная область), как показано на рисунке 4, МОП-транзистор выходная емкость успевает разрядиться за время простоя перед следующим включением и достичь переключения при нулевом напряжении (ZVS). Управление частотой переключения ШИМ используется для регулирования коэффициента усиления напряжения резонансного резервуара и удержания преобразователя в индуктивной области. Это позволяет обеспечить ЗВС во всем рабочем диапазоне и снизить потери на переключение.
Настольные 1: LCC против LLC Resonant Converter
| Резонансный преобразователь | Конвертер LCC | Конвертер LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Желаемый операционный регион | fоперация > fr2 | fr1 <Fоперация <Fr2 | |
| Главные преимущества | LCC имеет более узкий частотный диапазон.
Может не потребоваться разрыв при малой нагрузке. |
LLC имеет более низкий ток RMS, чем LCC.
Лучшая эффективность ООО по сравнению с LCC. |
|
| Блок-схема | |||
Коэффициент усиления полумостового резонансного преобразователя LCC в оценочном комплекте был проанализирован с использованием метода анализа основных гармоник (FHA).
На основе уравнения усиления, полученного с использованием метода FHA, и параметров LCC, выбранных для полумостового резонансного преобразователя LCC в оценочном наборе STEVAL-LLL009V1, график между усилением и нормализованным значением показан на рисунке 5.
СИНХРОННАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ (СР)
На вторичной стороне трансформатора, показанного на рисунке 3, форма волны входного напряжения выпрямляется синхронным выпрямителем в полной мостовой конфигурации и сглаживается выходными конденсаторами. Каскад синхронного выпрямления управляется цифровым способом микроконтроллером STM32F334.
Напряжение узла ступени синхронного выпрямления (SR) (ВДС_СР1 и VДС_СР2) воспринимаются как управляющие полевые МОП-транзисторы ступени SR. МОП-транзистор VDS Измерение (напряжение сток-исток) и алгоритм управления поясняются ниже.
Чувствительная сеть состоит из быстрого диода и подтягивающего резистор подключен к питающему напряжению микроконтроллера (MCU), как показано на рисунке 6. Когда напряжение стока SR MOSFET выше Vcc MCU, диод смещается в обратном направлении, а измеренное напряжение подтягивается до Vcc. Когда напряжение стока ниже Vcc, диод смещен в прямом направлении, и измеренное напряжение равно этому напряжению плюс падение напряжения на диоде, которое дает положительный сдвиг. Ток при положительном смещении ограничивается подтягивающим резистором.
Первоначально основной диод SR MOSFET начинает проводить, а VDS чувствуется. Благодаря VDS реализована методика зондирования, когда напряжение (ВDS) падает ниже установленного порога (Vthreshold_ON - ВЫКЛ устанавливается периферийным устройством MCU DAC), выход компаратора (задний фронт) запускает периферийное устройство MCU TIMER в одноимпульсном режиме без повторного запуска, как показано на рисунке 7.
Периферийное устройство MCU TIMER инициирует импульс на соответствующий драйвер затвора синхронного выпрямления. Импульс сохраняется в течение определенного минимального времени (TON мин).
Когда напряжение (ВDS) увеличивается выше установленного порога (Vthreshold_ON - ВЫКЛ устанавливается периферийным устройством MCU DAC), выход компаратора (нарастающий фронт) сбрасывает периферийные устройства MCU TIMER и, соответственно, импульс останавливается на соответствующем драйвере затвора синхронного выпрямления, как показано на рисунке 7.
MCU непрерывно контролирует частоту силового каскада DC-DC (HB-LCC) и выходной ток. В случае, если частота превышает установленный порог с гистерезисом или выходной ток падает ниже установленного порога с гистерезисом, микроконтроллер (MCU) отключает привод затвора на этап синхронного выпрямления. На этом этапе используется корпусный диод MOSFET для выпрямления. Привод синхронного выпрямительного затвора включается, когда частота падает ниже установленного порога с гистерезисом или когда выходной ток поднимается выше установленного порога с гистерезисом.
В зависимости от рабочей частоты силового каскада DC-DC (HB-LCC) порог (Вthreshold_ON - ВЫКЛ) корректируется из справочной таблицы, хранящейся в MCU.
Результаты экспериментов
Общий КПД, коэффициент мощности (PF) и полное гармоническое искажение (THD) STEVAL-LLL009V1 были рассчитаны при различных нагрузках. При 100% нагрузке КПД выше 93.5%.
На рисунках 8, 9, 10 и 11 показаны характеристики оценочного комплекта как в конфигурации с постоянным напряжением (CV), так и с постоянным током (CC).
Блок питания с цифровым управлением, представленный в данной работе, может обеспечивать выходную мощность 300 Вт как в режиме постоянного напряжения (CV), так и постоянного тока (CC). Экспериментальные результаты показывают высокий КПД, коэффициент мощности, близкий к единице, и низкий коэффициент нелинейных искажений% при широком входном напряжении и условиях нагрузки из-за характеристик продуктов питания ST, а также стратегий управления, реализованных с использованием 32-разрядного микроконтроллера STM32F334. За более подробной информацией обращайтесь в офис продаж STMicroelectronics.