Trong những năm gần đây, bộ chuyển đổi cộng hưởng đã trở nên phổ biến hơn và được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau như máy chủ, viễn thông, chiếu sáng và điện tử tiêu dùng. Một đặc điểm hấp dẫn chính là sự cộng hưởng chuyển đổi có thể dễ dàng đạt được hiệu quả cao và
cho phép hoạt động tần số cao với phạm vi phù hợp rộng rãi bên trong của chúng. Bài báo này nêu bật bộ nguồn 300W có tính năng điều khiển kỹ thuật số của bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC nửa cầu cùng với chỉnh lưu đồng bộ.
STEVAL–LLL009V1 được hiển thị trong Hình 1, là bộ nguồn 300W được điều khiển kỹ thuật số. Phía chính cấu thành PFC và DC-DC giai đoạn công suất (bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC nửa cầu) trong khi phía thứ cấp tạo thành chỉnh lưu đồng bộ và vi điều khiển STM32F334. Giai đoạn nguồn DC-DC (bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC nửa cầu) và chỉnh lưu đồng bộ đầu ra được điều khiển kỹ thuật số bằng vi điều khiển STM32F334, trong khi giai đoạn hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) hoạt động ở chế độ chuyển tiếp dựa trên L6562ATD.
Bộ đánh giá có thể hoạt động liên tục Vôn Chế độ (CV) hoặc chế độ dòng điện không đổi (CC) theo yêu cầu. Các mạch bảo vệ nhanh trên bo mạch đảm bảo tất cả các tính năng bảo vệ thiết yếu với độ tin cậy cao. Hiệu suất của bộ công cụ đánh giá được phát triển đã được đánh giá dưới nguồn điện xoay chiều từ (270-480V) trên toàn bộ phạm vi tải. Các thông số chất lượng nguồn nằm trong giới hạn chấp nhận được của tiêu chuẩn sóng hài IEC 61000-3- 2.
GIỚI THIỆU
Giải pháp được đề xuất áp dụng cách tiếp cận điều khiển chuyển đổi kỹ thuật số thay vì thiết kế tiêu chuẩn dựa trên các IC tương tự. Ưu điểm chính của điều khiển kỹ thuật số là tính linh hoạt trong lập trình để điều chỉnh các thông số và điểm hoạt động một cách nhanh chóng, cho bất kỳ điều kiện nhất định nào, mà không cần bất kỳ sửa đổi HW nào, trong khi điều khiển tương tự chỉ có thể được điều chỉnh cho một phạm vi cụ thể. Các tính năng nâng cao như phương pháp làm mờ (tương tự hoặc kỹ thuật số), điều khiển làm mờ (0- 10V, Giao tiếp không dây), độ phân giải làm mờ, nhiệt độ
giám sát, các biện pháp bảo vệ khác nhau và các chức năng giao tiếp có xu hướng tiết kiệm chi phí hơn đáng kể vì chúng có thể được thực hiện bởi một IC và dễ thực hiện hơn bằng cách sử dụng các kỹ thuật kỹ thuật số so với điều khiển tương tự. Ngoài ra, điều khiển kỹ thuật số đảm bảo ổn định hơn so với tương tự trong điều kiện ồn: giải pháp được điều khiển kỹ thuật số ít nhạy cảm hơn với dung sai của thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và độ lệch điện áp.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG
Bộ đánh giá STEVAL-LLL009V1 chuyển đổi điện áp đầu vào nguồn xoay chiều 270 V đến 480 V thành 48 V DC, dòng điện tối đa 6.25 A ở chế độ điện áp không đổi (CV) trong khi ở chế độ dòng điện không đổi (CC), nó có thể cung cấp dòng điện 6.25 A với một Điện áp đầu ra khác nhau, từ 36 - 48V. Bộ đánh giá có thể được cấu hình ở chế độ CV hoặc chế độ CC bằng cách sử dụng công tắc chuyển đổi SW1 gắn trên bảng điện chính.
Giai đoạn nguồn DC-DC được gọi là nối đất sơ cấp trong khi bộ vi điều khiển được gọi là nối đất thứ cấp. Nhờ trình điều khiển cổng nửa cầu cách ly bằng điện STGAP2DM điều khiển giai đoạn nguồn DC-DC mosfet với tín hiệu điều khiển đến từ vi điều khiển.
Hình 2 trình bày sơ đồ khối của bộ đánh giá STEVAL-LLL009V1 nhúng các cấu trúc liên kết và các thành phần đang được sử dụng cho các phần khác nhau.
Trên bộ đánh giá, có một cung cấp đầu vào 0-10V để kiểm soát độ sáng của đèn LED. Điều khiển làm mờ 0-10V chỉ có thể áp dụng khi bộ đánh giá được vận hành ở chế độ dòng điện không đổi (CC). Phương pháp làm mờ tương tự được thực hiện trong bộ đánh giá STEVAL-LLL009V1 với độ phân giải hiện tại là 1%.
Một card con có bộ khuếch đại cách ly phục vụ mục đích cảm nhận điện áp đầu ra PFC cũng là điện áp đầu vào cho tầng nguồn DC-DC.
Giai đoạn PFC dựa trên MDmeshTM Nguồn điện K5 mosfet trong khi nửa cầu của bộ chuyển đổi LCC dựa trên MDmeshTM DK5 Power MOSFETs cho hiệu suất hiệu quả cao. Chỉnh lưu đồng bộ (SR) với STripFETTM F7 Power MOSFETs được sử dụng ở phía thứ cấp để giảm tổn thất dẫn điện.
Bộ đánh giá được trang bị các điều khoản an toàn toàn diện như mở mạch, ngắn mạch, bảo vệ dòng điện cộng hưởng, đầu vào giai đoạn nguồn DC-DC dưới điện áp và bảo vệ quá áp.
Cả phần sơ cấp và thứ cấp đều được cung cấp bởi một mạch flyback off-line dựa trên VIPer267KDTR cung cấp điện áp quy định cho bảng điều khiển, các IC điều khiển cổng và các mạch điều hòa tín hiệu.
Các kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất cao, hệ số công suất gần như thống nhất và% THD thấp trong điều kiện tải và điện áp đầu vào rộng do hiệu suất của các sản phẩm nguồn ST cũng như các chiến lược điều khiển được thực hiện bằng vi điều khiển 32-bit STM32F334.
BỘ CHUYỂN ĐỔI LCC ResoNANT
Giai đoạn nguồn DC-DC chuyển đổi điện áp đầu ra PFC thành điện áp đầu ra mong muốn. Có nhiều cấu trúc liên kết khác nhau có thể được sử dụng để chuyển đổi DC-DC, đặc biệt là bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC và bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC, v.v. Mỗi cấu trúc liên kết đều có ưu và nhược điểm riêng. Các ứng dụng như bộ sạc pin và đèn LED chiếu sáng có thể yêu cầu các giai đoạn nguồn DC-DC cách ly của chúng để xử lý các dải điện áp đầu vào hoặc đầu ra rộng. Xem xét các yêu cầu, cấu trúc liên kết cộng hưởng LCC nửa cầu được thực hiện trong giai đoạn nguồn DC-DC của STEVAL-LLL009V1 như thể hiện trong Hình 3.
Trong STEVAL-LLL009V1 song song tụ Cp được nối với thứ cấp của máy biến áp. Kết quả là, các điện dung ký sinh của chỉnh lưu đồng bộ và điện cảm rò rỉ của máy biến áp trở thành một phần của bể cộng hưởng.
Điện áp đầu ra PFC sạc tụ điện số lượng lớn, để tạo ra một DC-BUS ổn định. Cấu hình nửa cầu MOSFETs chuyển đổi để tạo ra dạng sóng điện áp vuông giữa GND và DC-BUS. Điện áp vuông được đặt vào mạch bể cộng hưởng LCC bao gồm tụ điện Cr, tụ điện Cp (đặt ở vị trí phụ), Cuộn cảm Lr và máy biến áp cách ly.
Nửa cầu của MOSFET/công tắc điện áp cao của bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC được điều khiển với chu kỳ nhiệm vụ 50%PWM và thời gian chết thích hợp. Vì dòng điện trong bể cộng hưởng hình sin luôn chậm hơn dạng sóng điện áp (vùng cảm ứng) như trong Hình 4, nên MOSFE điện dung đầu ra có thời gian phóng điện trong thời gian chết trước lần bật tiếp theo và đạt được chuyển đổi điện áp bằng XNUMX (ZVS). Điều khiển tần số chuyển mạch PLC được sử dụng để điều chỉnh mức tăng điện áp của bể cộng hưởng và giữ cho bộ chuyển đổi ở vùng cảm ứng. Điều này cho phép ZVS trên toàn bộ phạm vi hoạt động và giảm tổn thất chuyển mạch.
Bàn 1: Bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC vs LLC
| Công cụ chuyển đổi cộng hưởng | Công cụ chuyển đổi LCC | Công cụ chuyển đổi LLC | |
| fr1 | |||
| fr2 | |||
| Khu vực hoạt động mong muốn | fhoạt động > fr2 | fr1 <fhoạt động <fr2 | |
| Các tính năng chính | LCC có tần số biến thiên hẹp hơn.
Có thể không cần nổ khi tải nhẹ. |
LLC có dòng điện RMS thấp hơn LCC.
Hiệu quả tốt hơn trên LLC wrt LCC. |
|
| Sơ đồ khối | |||
Độ lợi của bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC nửa cầu trong bộ công cụ đánh giá đã được phân tích bằng phương pháp phân tích sóng hài cơ bản (FHA).
Dựa trên phương trình độ lợi thu được bằng phương pháp FHA và các tham số LCC được chọn cho bộ chuyển đổi cộng hưởng LCC nửa cầu trong bộ đánh giá STEVAL-LLL009V1, đồ thị giữa độ lợi và chuẩn hóa được thể hiện trong Hình 5.
XÁC NHẬN ĐỒNG BỘ (SR)
Ở phía thứ cấp của máy biến áp trong Hình 3, dạng sóng điện áp đầu vào được chỉnh lưu bởi bộ chỉnh lưu đồng bộ ở cấu hình cầu đầy đủ và được làm mịn bằng các tụ điện đầu ra. Giai đoạn chỉnh lưu đồng bộ được điều khiển kỹ thuật số bởi vi điều khiển STM32F334.
Điện áp nút giai đoạn chỉnh lưu đồng bộ (SR) (VDS_SR1 và VDS_SR2) được phát hiện để điều khiển MOSFET giai đoạn SR. MOSFET VDS (Điện áp nguồn) và thuật toán điều khiển được giải thích bên dưới.
Mạng cảm biến bao gồm một diode nhanh và một bộ kéo lên Điện trở được kết nối với điện áp cung cấp của bộ vi điều khiển (MCU) như trong Hình 6. Khi điện áp xả SR MOSFET cao hơn MCU Vcc, diode được phân cực ngược và điện áp cảm nhận được kéo lên Vcc. Khi điện áp xả dưới Vcc, diode được phân cực thuận và điện áp cảm nhận bằng điện áp này cộng với sự sụt giảm điện áp của diode tạo ra sự dịch chuyển tích cực. Dòng điện trong quá trình phân cực dương bị giới hạn bởi điện trở kéo lên.
Ban đầu, diode cơ thể của SR MOSFET bắt đầu dẫn và VDS được cảm nhận. Cảm ơn VDS kỹ thuật cảm biến được thực hiện, khi điện áp (VDS) giảm xuống dưới ngưỡng đã đặt (Vngưỡng_ON - TẮT được thiết lập bởi thiết bị ngoại vi MCU DAC), đầu ra của bộ so sánh (cạnh xuống) kích hoạt thiết bị ngoại vi MCU TIMER ở chế độ không thể kích hoạt một xung như thể hiện trong Hình 7.
Thiết bị ngoại vi MCU TIMER bắt đầu một xung tới trình điều khiển cổng chỉnh lưu đồng bộ tương ứng. Xung duy trì trong một thời gian tối thiểu nhất định (TON tối thiểu).
Khi điện áp (VDS) tăng trên ngưỡng đã đặt (Vngưỡng_ON - TẮT được thiết lập bởi thiết bị ngoại vi MCU DAC), đầu ra của bộ so sánh (cạnh lên) đặt lại thiết bị ngoại vi MCU TIMER và tương ứng xung được dừng tại trình điều khiển cổng chỉnh lưu đồng bộ tương ứng như trong Hình 7.
MCU liên tục giám sát tần số giai đoạn nguồn DC-DC (HB-LCC) và dòng điện đầu ra. Trong trường hợp tần số vượt quá ngưỡng cài đặt kèm theo độ trễ hoặc dòng điện đầu ra giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt kèm theo độ trễ, bộ vi điều khiển (MCU) sẽ vô hiệu hóa biến tần sang giai đoạn chỉnh lưu đồng bộ. Cảm ơn điốt cơ thể MOSFETs để chỉnh lưu ở giai đoạn này. Biến tần cổng chỉnh lưu đồng bộ được kích hoạt khi tần số giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt kèm theo độ trễ hoặc dòng điện đầu ra tăng trên ngưỡng cài đặt kèm theo độ trễ.
Tùy thuộc vào tần số hoạt động của giai đoạn nguồn DC-DC (HB-LCC), ngưỡng (Vngưỡng_ON - TẮT) đang được điều chỉnh từ bảng tra cứu được lưu trữ trong MCU.
Kết quả thực nghiệm
Hiệu suất tổng thể, Hệ số công suất (PF) và Tổng méo hài (THD) của STEVAL-LLL009V1 đã được tính toán ở các tải khác nhau. Với tải 100%, hiệu suất là trên 93.5%.
Hình 8, 9, 10 và 11 cho thấy hiệu suất của kit đánh giá về cả cấu hình điện áp không đổi (CV) và dòng điện không đổi (CC).
Nguồn điện được điều khiển kỹ thuật số được trình bày trong công việc hiện tại có thể cung cấp công suất đầu ra là 300W ở cả chế độ điện áp không đổi (CV) và chế độ dòng điện không đổi (CC). Các kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất cao, hệ số công suất gần như thống nhất và% THD thấp trong điều kiện tải và điện áp đầu vào rộng do hiệu suất của các sản phẩm nguồn ST cũng như các chiến lược điều khiển được thực hiện bằng vi điều khiển 32-bit STM32F334. Để biết thêm chi tiết, vui lòng liên hệ văn phòng kinh doanh STMicroelectronics.