ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาตัวแปลงแบบเรโซแนนซ์ได้รับความนิยมมากขึ้นและถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในแอพพลิเคชั่นต่างๆเช่นเซิร์ฟเวอร์โทรคมนาคมแสงสว่างและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ลักษณะสำคัญที่น่าสนใจประการหนึ่งคือเสียงสะท้อน Converter สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงได้อย่างง่ายดายและ
อนุญาตให้ใช้งานความถี่สูงโดยมีช่วงการใช้งานซอฟต์ซอฟต์ที่กว้างภายใน บทความนี้เน้นแหล่งจ่ายไฟ 300W ที่มีการควบคุมแบบดิจิตอลของตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC แบบ half bridge พร้อมกับการแก้ไขแบบซิงโครนัส
STEVAL–LLL009V1 ที่แสดงในรูปที่ 1 เป็นแหล่งจ่ายไฟ 300W ที่ควบคุมแบบดิจิทัล ฝ่ายหลักประกอบด้วย PFC และ DC-DC ระยะกำลัง (ตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC แบบครึ่งบริดจ์) ในขณะที่ด้านรองประกอบด้วยการแก้ไขแบบซิงโครนัสและไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F334 สเตจกำลัง DC-DC (ตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC แบบฮาล์ฟบริดจ์) และการแก้ไขเอาท์พุตซิงโครนัสได้รับการควบคุมแบบดิจิทัลโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F334 ในขณะที่สเตจการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) ทำงานในโหมดการเปลี่ยนผ่านโดยใช้ L6562ATD
ชุดประเมินสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง แรงดันไฟฟ้า โหมด (CV) หรือโหมดกระแสคงที่ (CC) ตามความต้องการ วงจรป้องกันที่รวดเร็วบนบอร์ดรับประกันคุณสมบัติการป้องกันที่จำเป็นทั้งหมดพร้อมความน่าเชื่อถือสูง ประสิทธิภาพของชุดประเมินที่พัฒนาขึ้นได้รับการประเมินภายใต้ไฟ AC ตั้งแต่ (270-480V) ตลอดช่วงโหลดทั้งหมด พารามิเตอร์คุณภาพไฟฟ้าอยู่ในขีด จำกัด ที่ยอมรับได้ของมาตรฐานฮาร์มอนิก IEC 61000-3- 2
บทนำ
โซลูชันที่นำเสนอนี้ใช้แนวทางการควบคุมการแปลงดิจิทัลมากกว่าการออกแบบมาตรฐานตามไอซีอะนาล็อก ข้อได้เปรียบหลักของการควบคุมแบบดิจิทัลคือความยืดหยุ่นในการเขียนโปรแกรมเพื่อปรับแต่งพารามิเตอร์และจุดปฏิบัติการได้ทันทีสำหรับเงื่อนไขใด ๆ โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยน HW ใด ๆ ในขณะที่การควบคุมแบบอะนาล็อกสามารถปรับได้เฉพาะช่วงที่กำหนดเท่านั้น คุณสมบัติขั้นสูงเช่นวิธีการลดแสง (อนาล็อกหรือดิจิตอล) การควบคุมการลดแสง (0-10V การสื่อสารแบบไร้สาย) ความละเอียดการลดแสงอุณหภูมิ
การตรวจสอบการป้องกันต่างๆและฟังก์ชันการสื่อสารมีแนวโน้มที่จะคุ้มค่ากว่าอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากสามารถใช้งานได้ด้วยตัวเดียว IC และง่ายต่อการนำไปใช้โดยใช้เทคนิคดิจิทัลเมื่อเทียบกับการควบคุมแบบอนาล็อก นอกจากนี้การควบคุมแบบดิจิทัลยังรับประกันความเสถียรมากกว่าระบบอนาล็อกในสภาวะที่มีเสียงดัง: โซลูชันที่ควบคุมด้วยระบบดิจิทัลมีความไวต่อความทนทานต่อส่วนประกอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า
ภาพรวมของระบบ
ชุดประเมิน STEVAL-LLL009V1 แปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุตหลัก 270 V ถึง 480 V AC เป็น 48 V DC กระแสไฟฟ้าสูงสุด 6.25 A ในโหมดแรงดันไฟฟ้าคงที่ (CV) ในขณะที่อยู่ในโหมดกระแสคงที่ (CC) สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ 6.25 A พร้อมกับ แรงดันขาออกตั้งแต่ 36 - 48V ชุดประเมินสามารถกำหนดค่าได้ในโหมด CV หรือโหมด CC โดยใช้สวิตช์สลับ SW1 ที่ติดตั้งบนแผงวงจรหลัก
ขั้นตอนการจ่ายไฟ DC-DC เรียกว่ากราวด์หลักในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เรียกว่ากราวด์รอง ต้องขอบคุณ STGAP2DM ตัวขับประตูครึ่งสะพานที่แยกได้ด้วยไฟฟ้าซึ่งขับเคลื่อนขั้นตอนการจ่ายไฟ DC-DC มอสเฟต ด้วยสัญญาณควบคุมที่มาจากไมโครคอนโทรลเลอร์
รูปที่ 2 นำเสนอแผนภาพบล็อกของชุดประเมิน STEVAL-LLL009V1 ซึ่งฝังโทโพโลยีและส่วนประกอบที่ใช้สำหรับส่วนต่างๆ
ในชุดประเมินมีอินพุต 0-10V เพื่อควบคุมความสว่างของไฟ LED การควบคุมการลดแสง 0-10V ใช้ได้เฉพาะเมื่อชุดประเมินทำงานในโหมดกระแสคงที่ (CC) วิธีการลดแสงแบบอะนาล็อกถูกนำไปใช้ในชุดประเมิน STEVAL-LLL009V1 ที่มีความละเอียดปัจจุบัน 1%
การ์ดลูกสาวที่มีแอมพลิฟายเออร์แยกทำหน้าที่ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าขาออก PFC ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตไปยังสเตจไฟ DC-DC
ขั้นตอน PFC ขึ้นอยู่กับ MDmeshTM K5 พาวเวอร์ MOSFET ในขณะที่ครึ่งสะพานของตัวแปลง LCC ใช้ MDmeshTM DK5 Power MOSFET เพื่อประสิทธิภาพที่มีประสิทธิภาพสูง การแก้ไขแบบซิงโครนัส (SR) กับ STripFETTM F7 Power MOSFET ถูกใช้ในด้านรองเพื่อลดการสูญเสียการนำไฟฟ้า
ชุดประเมินมีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่ครอบคลุมเช่นเปิด วงจรไฟฟ้า, ไฟฟ้าลัดวงจร, การป้องกันกระแสสะท้อน, อินพุตขั้นตอนกำลัง DC-DC ภายใต้แรงดันไฟฟ้าและการป้องกันแรงดันไฟฟ้า
ทั้งส่วนหลักและส่วนรองมาจากวงจรฟลายแบ็คแบบออฟไลน์ตาม VIPer267KDTR ซึ่งให้แรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมไปยังบอร์ดควบคุม IC ไดรเวอร์เกตและวงจรปรับสภาพสัญญาณ
ผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงตัวประกอบกำลังใกล้เคียงเอกภาพและ THD% ต่ำภายใต้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและสภาวะโหลดที่กว้างเนื่องจากประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ไฟฟ้า ST ตลอดจนกลยุทธ์การควบคุมที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต STM32F334
LCC เรโซแนนต์คอนเวอร์เตอร์
ขั้นตอนการจ่ายไฟ DC-DC จะแปลงแรงดันไฟฟ้าขาออก PFC เป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต้องการ มีโทโพโลยีต่างๆที่สามารถใช้สำหรับการแปลง DC-DC โดยเฉพาะตัวแปลงเรโซแนนซ์ LLC และตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC เป็นต้นโทโพโลยีแต่ละแบบมีข้อดีและข้อเสียในตัวเอง แอพพลิเคชั่นเช่นเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และไฟ LED อาจต้องใช้ขั้นตอนการจ่ายไฟ DC-DC แบบแยกเพื่อจัดการกับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตหรือเอาต์พุตที่กว้าง เมื่อพิจารณาถึงข้อกำหนดแล้วโครงสร้างโทโพโลยีเรโซแนนซ์แบบเรโซแนนซ์แบบ half bridge ของ LCC จะถูกนำไปใช้ในขั้นตอนการจ่ายไฟ DC-DC ของ STEVAL-LLL009V1 ดังแสดงในรูปที่ 3
ใน STEVAL-LLL009V1 แบบขนาน capacitor Cp เชื่อมต่อกับตัวรองของหม้อแปลง เป็นผลให้ความจุปรสิตของการแก้ไขแบบซิงโครนัสและการเหนี่ยวนำการรั่วไหลของหม้อแปลงกลายเป็นส่วนหนึ่งของถังเรโซแนนซ์
แรงดันเอาต์พุต PFC จะชาร์จตัวเก็บประจุจำนวนมากเพื่อสร้าง DC-BUS ที่เสถียร MOSFET การกำหนดค่าสะพานครึ่งสลับเพื่อสร้างรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้ากำลังสองระหว่าง GND และ DC-BUS แรงดันไฟฟ้ากำลังสองถูกนำไปใช้กับวงจรถังเรโซแนนซ์ LCC ซึ่งประกอบด้วยตัวเก็บประจุ Cr, ตัวเก็บประจุ Cp (วางไว้ในรอง), Inductor Lr และหม้อแปลงแยก
ฮาล์ฟบริดจ์ของ MOSFET/สวิตช์แรงดันสูงของตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC ถูกขับเคลื่อนด้วยรอบการทำงาน PWM 50 เปอร์เซ็นต์และเวลาตายที่เหมาะสม เนื่องจากกระแสแทงค์เรโซแนนซ์เรโซแนนซ์โดยประมาณจะล่าช้ารูปคลื่นแรงดันไฟฟ้า (บริเวณอุปนัย) เสมอดังแสดงในรูปที่ 4 MOSFET ความจุเอาต์พุตมีเวลาคายประจุในช่วงเวลาที่ตายก่อนที่จะเปิดเครื่องครั้งถัดไป และบรรลุการสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (ZVS) การควบคุมความถี่สวิตชิ่งแบบ PWM ใช้เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับของถังเรโซแนนซ์ และให้คอนเวอร์เตอร์อยู่ในขอบเขตอุปนัย ซึ่งช่วยให้ ZVS ครอบคลุมช่วงการทำงานทั้งหมดและลดการสูญเสียการสลับ
ตาราง 1: LCC กับ LLC Resonant Converter
| ตัวแปลงเรโซแนนซ์ | ตัวแปลง LCC | ตัวแปลง LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| พื้นที่ปฏิบัติการที่ต้องการ | fการดำเนินการ > ฉr2 | fr1 <fการดำเนินการ <fr2 | |
| Key Features | LCC มีรูปแบบความถี่ที่แคบกว่า
อาจไม่จำเป็นต้องระเบิดเมื่อโหลดเบา |
LLC มีกระแส RMS ต่ำกว่า LCC
ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นใน LLC wrt LCC |
|
| แผนภาพบล็อก | |||
การได้รับของตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC แบบ half bridge ในชุดประเมินได้รับการวิเคราะห์โดยใช้วิธีการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกพื้นฐาน (FHA)
จากสมการอัตราขยายที่ได้มาโดยใช้วิธี FHA และพารามิเตอร์ LCC ที่เลือกสำหรับตัวแปลงเรโซแนนซ์ LCC แบบ half bridge ในชุดประเมิน STEVAL-LLL009V1 พล็อตระหว่างอัตราขยายและค่ามาตรฐานจะแสดงในรูปที่ 5
การวิเคราะห์แบบซิงโครนัส (SR)
ที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงที่แสดงในรูปที่ 3 รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตจะถูกแก้ไขโดยวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสในการกำหนดค่าสะพานแบบเต็มและทำให้เรียบโดยตัวเก็บประจุเอาท์พุท ขั้นตอนการแก้ไขแบบซิงโครนัสถูกควบคุมแบบดิจิทัลโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F334
แรงดันไฟฟ้าของโหนดขั้นตอนการแก้ไขแบบซิงโครนัส (SR) (VDS_SR1 และโวลต์DS_SR2) รู้สึกได้ถึงการขับเคลื่อน MOSFET ขั้นตอน SR MOSFET V.DS (Drain-Source voltage) การตรวจจับและอัลกอริทึมการควบคุมอธิบายไว้ด้านล่าง
เครือข่ายการตรวจจับประกอบด้วยไดโอดที่รวดเร็วและแบบดึงขึ้น ตัวต้านทาน เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าของไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ดังแสดงในรูปที่ 6 เมื่อแรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำ SR MOSFET อยู่เหนือ MCU Vcc ไดโอดจะเอนเอียงแบบย้อนกลับและแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับได้จะดึงขึ้นไปที่ Vcc เมื่อแรงดันท่อระบายน้ำต่ำกว่า Vcc ไดโอดจะเอนเอียงไปข้างหน้าและแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับได้จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้านี้บวกกับแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงของไดโอดที่ให้การกะบวก กระแสระหว่างการให้น้ำหนักเชิงบวกถูก จำกัด โดยตัวต้านทานแบบดึงขึ้น
ในขั้นต้นไดโอดร่างกายของ SR MOSFET จะเริ่มดำเนินการและ VDS มีความรู้สึก ขอบคุณวีDS ใช้เทคนิคการตรวจจับเมื่อแรงดันไฟฟ้า (VDS) ต่ำกว่าเกณฑ์ที่ตั้งไว้ (Vthreshold_ON - ปิด กำหนดโดยอุปกรณ์ต่อพ่วง MCU DAC) เอาต์พุตตัวเปรียบเทียบ (ขอบล้ม) จะทริกเกอร์อุปกรณ์ต่อพ่วง MCU TIMER ในโหมดไม่สามารถดึงกลับได้แบบพัลส์เดียวดังแสดงในรูปที่ 7
อุปกรณ์ต่อพ่วง MCU TIMER เริ่มต้นพัลส์ไปยังไดรเวอร์ประตูการแก้ไขซิงโครนัสที่สอดคล้องกัน ชีพจรคงอยู่เป็นเวลาขั้นต่ำที่แน่นอน (TON นาที).
เมื่อแรงดันไฟฟ้า (VDS) เพิ่มขึ้นเหนือเกณฑ์ที่ตั้งไว้ (Vthreshold_ON - ปิด กำหนดโดยอุปกรณ์ต่อพ่วง MCU DAC) เอาต์พุตตัวเปรียบเทียบ (ขอบที่เพิ่มขึ้น) จะรีเซ็ตอุปกรณ์ต่อพ่วง MCU TIMER และพัลส์จะหยุดที่ตัวขับประตูแก้ไขซิงโครนัสที่สอดคล้องกันดังแสดงในรูปที่ 7
MCU จะตรวจสอบความถี่ DC-DC power stage (HB-LCC) และกระแสเอาต์พุตอย่างต่อเนื่อง ในกรณีที่ความถี่เกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ข้างต้นด้วยฮิสเทรีซิสหรือกระแสเอาต์พุตต่ำกว่าเกณฑ์ที่ตั้งไว้ด้วยฮิสเทรีซิสไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) จะปิดใช้งานเกตไดรฟ์ไปยังขั้นตอนการแก้ไขแบบซิงโครนัส ขอบคุณ MOSFETs body diode สำหรับการแก้ไขในขั้นตอนนี้ ไดรฟ์ประตูแก้ไขซิงโครนัสจะเปิดใช้งานเมื่อความถี่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่ตั้งไว้ด้วยฮิสเทรีซิสหรือกระแสเอาต์พุตสูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนดด้วยฮิสเทรีซิส
ขึ้นอยู่กับความถี่ในการทำงานของ DC-DC power stage (HB-LCC) เกณฑ์ (Vthreshold_ON - ปิด) กำลังปรับจากตารางการค้นหาที่จัดเก็บไว้ใน MCU
ผลการทดลอง
ประสิทธิภาพโดยรวมตัวประกอบกำลัง (PF) และความเพี้ยนรวม (THD) ของ STEVAL-LLL009V1 ได้รับการคำนวณที่โหลดที่แตกต่างกัน ด้วยโหลด 100% ประสิทธิภาพสูงกว่า 93.5%
รูปที่ 8, 9, 10 และ 11 แสดงประสิทธิภาพของชุดประเมินทั้งในรูปแบบแรงดันไฟฟ้าคงที่ (CV) และการกำหนดค่ากระแสคงที่ (CC)
แหล่งจ่ายไฟที่ควบคุมแบบดิจิทัลที่นำเสนอในงานปัจจุบันสามารถให้กำลังขับ 300W ทั้งในโหมดแรงดันไฟฟ้าคงที่ (CV) และกระแสคงที่ (CC) ผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงตัวประกอบกำลังใกล้เคียงเอกภาพและ THD% ต่ำภายใต้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและสภาวะโหลดที่กว้างเนื่องจากประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ไฟฟ้า ST ตลอดจนกลยุทธ์การควบคุมที่ดำเนินการโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต STM32F334 สอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่สำนักงานขาย STMicroelectronics