LCC Topolojisine Dayalı 2 Fazlı Giriş Tabanlı 300W AC-DC LED Güç Kaynağı

Son yıllarda rezonans dönüştürücüler daha popüler hale geldi ve sunucu, telekom, aydınlatma ve tüketici elektroniği gibi çeşitli uygulamalarda yaygın olarak uygulandı. Önemli çekici özelliklerden biri, rezonans özelliğidir. Dönüştürücü kolayca yüksek verim elde edebilir ve
kendine özgü geniş yumuşak geçiş aralıkları ile yüksek frekansta çalışmaya izin verir. Bu makale, senkron düzeltmenin yanı sıra yarım köprü LCC rezonans dönüştürücünün dijital kontrolünü içeren 300 W güç kaynağını vurgulamaktadır.

Şekil 009'de gösterilen STEVAL–LLL1V1, dijital olarak kontrol edilen 300 W'lık bir güç kaynağıdır. Birincil taraf PFC'den oluşur ve DC-DC güç katı (yarım köprü LCC rezonans dönüştürücü) ikincil tarafı ise senkron doğrultucu ve STM32F334 mikrodenetleyiciden oluşur. DC-DC güç aşaması (yarım köprü LCC rezonans dönüştürücü) ve çıkış senkron düzeltmesi, STM32F334 mikro denetleyici kullanılarak dijital olarak kontrol edilirken, güç faktörü düzeltme (PFC) aşaması L6562ATD'ye dayalı geçiş modunda çalışır.

Değerlendirme kiti sürekli olarak çalışabilir Voltaj İhtiyaca göre (CV) modu veya sabit akım (CC) modu. Yerleşik hızlı koruma devreleri, tüm temel koruma özelliklerini yüksek güvenilirlikle garanti eder. Geliştirilen değerlendirme kitinin performansı, (270-480V) aralığındaki AC şebeke altında tüm yük aralığında değerlendirilmiştir. Güç kalitesi parametreleri, IEC 61000-3-2 harmonik standardının kabul edilebilir sınırları dahilindedir.

TANITIM

Önerilen çözüm, analog IC'lere dayalı standart tasarım yerine dijital dönüşüm kontrol yaklaşımını benimser. Dijital kontrolün ana avantajı, herhangi bir HW modifikasyonu olmadan, herhangi bir koşul için parametreleri ve çalışma noktalarını anında ayarlamak için programlama esnekliğidir; analog kontrol ise yalnızca belirli bir aralık için ayarlanabilir. Karartma yöntemleri (analog veya dijital), karartma kontrolleri (0- 10V, Kablosuz iletişim), karartma çözünürlüğü, sıcaklık gibi gelişmiş özellikler
izleme, çeşitli korumalar ve iletişim işlevleri, tek bir cihaz tarafından uygulanabildiğinden önemli ölçüde daha uygun maliyetli olma eğilimindedir. IC ve analog kontrolle karşılaştırıldığında dijital teknikleri kullanarak uygulanması daha kolaydır. Ek olarak dijital kontrol, gürültülü koşullarda analogdan daha fazla stabiliteyi garanti eder: dijital olarak kontrol edilen bir çözüm, bileşen toleransına, sıcaklık değişimlerine ve voltaj sapmasına karşı daha az duyarlıdır.

SİSTEM GÖRÜNÜMÜ

STEVAL-LLL009V1 değerlendirme kiti, 270 V - 480 V AC şebeke giriş voltajını sabit voltaj (CV) modunda 48 V DC, 6.25 A maksimum akıma dönüştürürken, sabit akım (CC) modunda 6.25 A akım sağlayabilir. çıkış voltajı 36 – 48V arasında değişmektedir. Değerlendirme kiti, ana güç kartına monte edilen SW1 geçiş anahtarı kullanılarak CV modunda veya CC modunda yapılandırılabilir.

DC-DC güç aşamasına birincil toprak, mikro denetleyiciye ise ikincil toprak denir. DC-DC güç aşamasını çalıştıran STGAP2DM galvanik olarak izole edilmiş yarım köprü kapı sürücüsü sayesinde mosfetler Mikrodenetleyiciden gelen kontrol sinyali ile.

Şekil 2, farklı bölümler için kullanılan topolojileri ve bileşenleri içeren STEVAL-LLL009V1 değerlendirme kitinin blok diyagramını göstermektedir.

Değerlendirme kitinde LED'lerin parlaklığını kontrol etmek için 0-10V giriş imkanı bulunmaktadır. 0-10V karartma kontrolü yalnızca değerlendirme kiti sabit akım (CC) modunda çalıştırıldığında uygulanabilir. Analog karartma yaklaşımı STEVAL-LLL009V1 değerlendirme kitinde %1 akım çözünürlüğüyle uygulanır.

Yalıtılmış amplifikatöre sahip bir ek kart, aynı zamanda DC-DC güç aşamasına giriş voltajı olan PFC çıkış voltajının algılanması amacına hizmet eder.

PFC aşaması MDmesh'e dayanmaktadır^TM K5 Gücü mosfet LCC dönüştürücünün yarım köprüsü MDmesh'i temel alırken^TM Yüksek verimli performans için DK5 Power MOSFET'ler. STripFET ile senkronize düzeltme (SR)^TM İletim kayıplarını azaltmak için sekonder tarafta F7 Power MOSFET'ler kullanılır.

Değerlendirme kiti, açık erişim gibi kapsamlı güvenlik hükümleriyle donatılmıştır. devre, kısa devre, rezonans akımı koruması, DC-DC güç aşaması girişi düşük gerilim ve aşırı gerilim koruması.

Hem birincil hem de ikincil bölümler, kontrol panosuna, kapı sürücüsü IC'lerine ve sinyal koşullandırma devrelerine düzenlenmiş voltajlar sağlayan VIPer267KDTR'yi temel alan bir çevrimdışı geri dönüş devresi tarafından sağlanır.

Deney sonuçları, ST güç ürünlerinin performansı ve 32 bit STM32F334 mikrodenetleyici kullanılarak uygulanan kontrol stratejileri nedeniyle geniş giriş voltajı ve yük koşulları altında yüksek verimlilik, bire yakın güç faktörü ve düşük THD yüzdesi göstermektedir.

LCC Rezonant Dönüştürücü

DC-DC güç aşaması, PFC çıkış voltajını istenen çıkış voltajına dönüştürür. DC-DC dönüşümü için kullanılabilecek çeşitli topolojiler vardır, özellikle LLC rezonans dönüştürücü ve LCC rezonans dönüştürücü vb. Her topolojinin kendine göre avantajları ve dezavantajları vardır. Akü şarj cihazları ve LED aydınlatma gibi uygulamalar, geniş giriş veya çıkış voltaj aralıklarını idare etmek için izole edilmiş DC-DC güç aşamalarını gerektirebilir. Gereksinimler göz önünde bulundurularak yarım köprü LCC rezonans topolojisi, Şekil 009'te gösterildiği gibi STEVAL-LLL1V3'in DC-DC güç katında uygulanmıştır.

STEVAL-LLL009V1'de paralel kondansatör C_p Transformatörün sekonderine bağlanır. Sonuç olarak, senkron doğrultucunun parazitik kapasitansları ve transformatörün kaçak endüktansı rezonans tankının bir parçası haline gelir.

PFC çıkış voltajı, kararlı bir DC-BUS oluşturmak için toplu kapasitörü şarj eder. Yarım köprü konfigürasyonlu MOSFET'ler, GND ve DC-BUS arasında kare voltaj dalga formu oluşturacak şekilde anahtarlanır. C kapasitöründen oluşan LCC rezonans tankı devresine kare voltaj uygulanır._r, kapasitör C_p (ikincil olarak yerleştirilir), indüktör L_r ve izolasyon transformatörü.

LCC rezonans dönüştürücünün yüksek gerilim MOSFET'lerinin/anahtarlarının yarım köprüsü, yüzde 50 PWM görev döngüsü ve uygun bir ölü zamanla çalıştırılır. Yaklaşık sinüzoidal rezonans tankı akımı, Şekil 4'te gösterildiği gibi her zaman voltaj dalga formunun (endüktif bölge) gerisinde olduğundan, MOSFET çıkış kapasitansının bir sonraki açılmadan önceki ölü süre boyunca deşarj olması ve sıfır voltaj anahtarlamasına (ZVS) ulaşması için zamanı vardır. PWM anahtarlama frekansı kontrolü, rezonans tankının voltaj kazancını düzenlemek ve dönüştürücüyü endüktif bölgede tutmak için kullanılır. Bu, tüm çalışma aralığı boyunca ZVS'ye izin verir ve anahtarlama kayıplarını azaltır.

tablo 1: LCC ve LLC Rezonans Dönüştürücü

Değerlendirme kitindeki yarım köprü LCC rezonans dönüştürücünün kazancı temel harmonik analiz (FHA) yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir.

FHA yöntemi kullanılarak türetilen kazanç denklemi ve STEVAL-LLL009V1 değerlendirme kitindeki yarım köprü LCC rezonans dönüştürücü için seçilen LCC parametrelerine dayanarak, kazanç ile normalleştirilmiş arasındaki çizim Şekil 5'te gösterilmektedir.

SENKRON DÜZELTME (SR)

Şekil 3'te gösterilen transformatörün sekonder tarafında, giriş voltajı dalga şekli senkron doğrultucu tarafından tam köprü konfigürasyonunda düzeltilir ve çıkış kapasitörleri tarafından yumuşatılır. Senkron düzeltme aşaması STM32F334 mikrodenetleyici tarafından dijital olarak kontrol edilir.

Senkron düzeltme (SR) aşaması düğüm voltajları (V_{DS_SR1} ve V_{DS_SR2}) SR aşaması MOSFET'lerini sürmek için algılanır. MOSFET V_DS (Boşaltma-Kaynak voltajı) algılama ve kontrol algoritması aşağıda açıklanmıştır.

Algılama ağı hızlı bir diyot ve bir çekme işleminden oluşur rezistans Şekil 6'da gösterildiği gibi mikrodenetleyici (MCU) besleme voltajına bağlanır. SR MOSFET drenaj voltajı MCU Vcc'nin üzerinde olduğunda, diyot ters polarlanır ve algılanan voltaj Vcc'ye kadar çekilir. Boşaltma voltajı Vcc'nin altında olduğunda, diyot ileri yönde kutuplanır ve algılanan voltaj, bu voltajın artı pozitif kayma sağlayan diyotun voltaj düşüşünün toplamına eşittir. Pozitif öngerilim sırasındaki akım, çekme direnci tarafından sınırlanır.

Başlangıçta SR MOSFET'lerin vücut diyotu iletime başlar ve V_DS algılanır. V'ye teşekkürler_DS Gerilim (V) uygulandığında algılama tekniği uygulandı._DS) ayarlanan eşiğin altına düşerse (V_{eşik_AÇIK – KAPALI} MCU DAC çevre birimi tarafından ayarlandığında), karşılaştırıcı çıkışı (düşen kenar), MCU ZAMANLAYICI çevre birimini Şekil 7'de gösterildiği gibi tek darbeli yeniden tetiklenemeyen modda tetikler.

MCU ZAMANLAYICI çevre birimi, karşılık gelen senkron düzeltme kapısı sürücüsüne bir darbe başlatır. Nabız belirli bir minimum süre boyunca devam eder (T_ON dak).

Gerilim (V_DS) ayarlanan eşiğin üzerine çıkar (V_{eşik_AÇIK – KAPALI} MCU DAC çevre birimi tarafından ayarlandığında), karşılaştırıcı çıkışı (yükselen kenar), MCU ZAMANLAYICI çevre birimlerini sıfırlar ve buna karşılık olarak darbe, Şekil 7'de gösterildiği gibi ilgili senkron düzeltme kapısı sürücüsünde durdurulur.

MCU, DC-DC güç aşaması (HB-LCC) frekansını ve çıkış akımını sürekli olarak izler. Frekansın histerezis ile ayarlanan eşiğin üzerine çıkması veya çıkış akımının histerezis ile ayarlanan eşiğin altına düşmesi durumunda, mikrokontrolör (MCU) senkron düzeltme aşamasına giden geçit sürücüsünü devre dışı bırakır. Bu aşamada düzeltme için MOSFET'in vücut diyotu sayesinde. Senkron düzeltme kapısı sürücüsü, frekans histerezis ile ayarlanan eşiğin altına düştüğünde veya çıkış akımı histerezis ile ayarlanan eşiğin üzerine çıktığında etkinleştirilir.

DC-DC güç aşamasının (HB-LCC) çalışma frekansına bağlı olarak eşik (V_{eşik_AÇIK – KAPALI}) MCU'da saklanan arama tablosundan ayarlanıyor.

Deneysel sonuçlar

STEVAL-LLL009V1'in genel Verimliliği, Güç Faktörü (PF) ve Toplam Harmonik Bozulma (THD) farklı yüklerde hesaplanmıştır. %100 yükte verimlilik %93.5'in üzerindedir.

Şekil 8, 9, 10 ve 11, hem sabit voltaj (CV) hem de sabit akım (CC) konfigürasyonu açısından değerlendirme kiti performansını göstermektedir.

Mevcut çalışmada sunulan dijital olarak kontrol edilen güç kaynağı, hem sabit voltaj (CV) hem de sabit akım (CC) modunda 300W'lık güç çıkışı sağlayabilir. Deney sonuçları, ST güç ürünlerinin performansı ve 32 bit STM32F334 mikrodenetleyici kullanılarak uygulanan kontrol stratejileri nedeniyle geniş giriş voltajı ve yük koşulları altında yüksek verimlilik, bire yakın güç faktörü ve düşük THD yüzdesi göstermektedir. Daha fazla ayrıntı için lütfen STMicroelectronics satış ofisi ile iletişime geçin.