Резонансні LLC-перетворювачі. Частина перша: Вступ

Наши партнеры ArtmMisto

Нещодавно мені довелося розбиратися зі схемою резонансного полумостового LLC-перетворювача, і я подумав, що цей досвід можна використовувати для створення серії статей: почати з опису основ і поступово заглиблюватися в тему. Мені треба було досить багато часу для ознайомлення з публікаціями, дисертаціями та посібниками, перш ніж я розібрався з роботою цієї схеми. Вийшло так, що вивчення джерел інформації, наведених у списку літератури, зайняло більше часу, ніж написання самої статті. Зверніть увагу, що ні в одному з наведених джерел не зроблено повний аналіз роботи цього перетворювача, що має багато різних режимів і умов роботи. Сподіваюся, ви зможете отримати загальне уявлення про роботу схеми з моєю допомогою. Ця допомога буде полягати в фільтрації інформації та акцентуванні уваги на найбільш важливих ключових моментах пропонованих документів.

Мал. 1. DC / AC резонансний перетворювач

Мал. 2. DC / AC резонансний перетворювач з трансформаторної розв'язкою

LLC-перетворювачі є різновидом імпульсних перетворювачів напруги (Switched Mode Power Supply, SMPS). Більшість публікацій з даної теми починається з опису основних принципів роботи LLC. Я ж почну з того, що поясню, чому LLC відрізняється від інших типів імпульсних перетворювачів.

• Робота звичайного імпульсного перетворювача складається з двох фаз. У першій фазі відбувається запасання енергії в індуктивності. У другій фазі накопичена енергія витрачається для підтримання струму. Ви, напевно, пам'ятаєте, що, згідно із законами комутації, струм в індуктивності не може змінитися стрибком (в разі коректної комутації), точно так же, як і напруга на конденсаторі. Цей принцип є основою роботи більшості імпульсних перетворювачів.
• Робота LLC-перетворювача заснована на створенні синусоїдального струму, який випрямляється і запасається в великому конденсаторі. Індуктивність використовується не для простого накопичення енергії, а виступає в якості резонансного елемента. Вона виконує функцію фільтру, який допомагає перетворити прямокутний сигнал в синусоїдальну форму, тоді як індуктивність намагнічування все ще працює з традиційним струмом трикутної форми. Це одна з особливостей, яка потребує додаткового пояснення.

З робочими режимами в LLC-перетворювачах все виявляється набагато складніше, оскільки вони мають безліч відмінностей:

• замість того щоб працювати з фіксованою частотою комутацій і змінювати коефіцієнт заповнення ШІМ, LLC-перетворювачі змінюють частоту, а коефіцієнт заповнення ШІМ постійний і складає 50%;
• передача енергії в LLC-перетворювачах заснована на робочій точці індуктивності намагнічування;
• в LLC-перетворювачах використовується змінна швидкість зміни напруги в залежності від струму навантаження;
• в них є дві резонансні частоти, які впливають один на одного;
• режим безперервного струму (Continuous current mode, CCM) для LLC-перетворювачів відноситься до току випрямляча, а не індуктивності, оскільки традиційна індуктивність в схемі відсутній.

Велика частина сказаного вище може здатися складною і незрозумілою, особливо для тих, хто тільки починає знайомитися з силовою електронікою. У другій частині даної публікації будуть розглянуті основні джерела інформації, а також деякі ключові моменти, які я вважаю корисними. Однак розповідь про резонансні перетворювачах вимагає розгляду деякого базового вступного матеріалу.

Імпульсні регулятори зробили революцію в області перетворення постійної напруги і перетворення потужності в цілому. Інженери швидко зрозуміли, що комбінація з силового ключа, випрямляча, індуктивності і конденсатора може з високою ефективністю виконувати конвертацію напруги навіть при великій різниці між рівнями напруги на вході і виході (рис. 1). Крім того, трансформатори можуть вирішити проблеми гальванічної розв'язки і узгодження великій різниці рівнів напруги (рис. 2).

В ідеальному світі перетворювачів потужності все було б добре, але, як часто буває в реальному житті, вирішення однієї проблеми в кінцевому підсумку створює проблеми в інших областях. Наприклад, геометричні розміри імпульсного перетворювача багато в чому визначаються робочою частотою комутацій, тому, якщо потрібно зменшити габарити електроніки, то необхідно піднімати частоту. Крім того, від перетворювачів напруги потрібно постійне збільшення вихідної потужності. Підвищення частоти перемикань в поєднанні зі зростанням імпульсних струмів і напруг приводили до хаосу через появу дзвонів, які, в свою чергу, були викликані паразитними складовими самої схеми при роботі з прямокутними імпульсами.

Для боротьби з описаними явищами були створені резонансні схеми з перемиканнями при нульових токах (Zero Current Switching, ZCS) і нульових напружених (Zero Voltage Switching, ZVS). Вони виявляються менш чутливими до паразитних складових. Однак головна проблема резонансних схем полягає в тому, що резонанс обмежується певною частотою, яка прирівнюється до частини ширини імпульсу або часу включення / вимикання перетворювача. Збільшення вхідної напруги або коливання струму навантаження приведуть до роботи поза налаштованої резонансної частоти.

Використовувані в схемах компоненти також мають власні паразитні складові, які можуть варіюватися в залежності від конструкції, робочої точки і проводить малюнка плати. У цьому сенсі LLC-перетворювачі дають більше свободи, хоча вони також мають обмежений діапазон робочих частот і втрачають ефективність при роботі на частотах, відмінних від налаштованої частоти f1. Ви можете запитати: про яку частоті f1 йдеться?

Справа в тому, що подвійне «L» в назві «LLC-перетворювач» вказує на дві резонансні частоти в робочому діапазоні. Більш детально ми поговоримо про це в одній з наступних статей даного циклу. Поки варто тільки запам'ятати, що вибір робочих точок, які використовуються в LLC-перетворювачах, забезпечує як ZVS-, так і ZCS-перемикання в силових ключах MOSFET, а також ZCS-перемикання в випрямних діодах. Це дозволяє вирішити проблеми, пов'язані з відновленням зворотного діода випрямляча.

Тепер, коли наведено базові особливості роботи імпульсних резонансних перетворювачів, дамо короткий опис використовуваних джерел інформації.

Кращим способом полегшити собі життя при вивченні роботи LLC-схем буде ознайомлення з керівництвом від компанії ON Semiconductor [2]. Це керівництво починається з рівняння дільника напруги, за допомогою якого, використовуючи значення імпедансу двох котушок індуктивності LL і конденсатора C в поєднанні з опором навантаження, пояснюється принцип роботи LLC-перетворювача (малюнки 3, 4). Зверніть увагу, що дві індуктивності є індуктивності витоку і намагнічування трансформатора. Вони утворюють резонансну ланцюг накопичувача з додатковою послідовної ємнісної складової. У випадку з LLC величина паразитної вихідний ємності MOSFET (або Coss) не грає великої ролі на відміну від звичайних резонансних перетворювачів з ZVS і ZCS.

Мал. 3. Дільник напруги

Мал. 4. Дільник змінної напруги з резонансним елементом

Перше посилання в списку літератури вказує на докторську дисертацію Бо Янга " Topology Investigation for Front End DC / DC Power Conversion for Distributed Power Systems " [1]. У ній можна знайти посилання на інші публікації, які допоможуть розібратися з темою LLC і самої дисертацією. Зверніть увагу, що в першій посиланням є подссилкі на четверту частину дисертації, а також на Додаток B, де наводиться важливий графік напруги (Це посилання містить Додатки від A до D і додаткові посилання). Хоча цей графік наводиться в більшості джерел, його створення зажадало від мене напруженої роботи і заповнення деяких прогалин в знаннях (рис. 5).

Мал. 5. Залежність коефіцієнта посилення перетворювача від величини fs / fr

Посилання 3 і 4 надали мені вирішальну допомогу при побудові графіка посилення перетворювача, оскільки в них зазначалося вплив ємнісної складової на коефіцієнт передачі і пояснювалося, чому негативний імпеданс вносив плутанину в графіки. Більш детально ми поговоримо про це в одній з наступних статей даного циклу.

Посилання 5 - керівництво від Infineon, яке містить докладний опис найбільш корисних кроків, які виконуються при проектуванні. У цьому документі порівнюються особливості перемикань і випрямлення в бруківці і полумостовой схемах, а також - пов'язані з ними компроміси. Я використовував бруківку і полу мостова схема для пояснення, як пов'язані напруга і струм. У мостовій схемі польові МОП-транзистори КАСКАДІРУЕТСЯ для отримання необхідного напруги. Паралельне включення транзисторів необхідно для збільшення навантажувального струму. Звичайним вимогою для імпульсних регуляторів напруги є виключення постійної складової подмагничивания, щоб не допускати насичення трансформатора. Як згадувалося раніше, LLC-перетворювачі відрізняються тим, що міст ім потрібен для створення позитивної та негативної напівхвиль сигналу, який, проходячи фільтрацію, приймає синусоїдальну форму.

Посилання 6 від Fairchild - єдина серед знайдених мною посилань, в якій рівняння посилення також включає вторинну індуктивність розсіювання. Зверніть увагу, що вторинна індуктивність розсіювання, а також опір навантаження відображаються через трансформатор і, таким чином, можуть бути підлаштовано за рахунок зміни співвідношення числа витків обмоток. У цьому посібнику міститься ряд ключових рад, які допоможуть в розробці реальної схеми.

У документації від Infineon / Fairchild також детально описується конструкція трансформатора. Оскільки резонансна настройка LLC грунтується як на індуктивності розсіювання, так і на намагничивающей індуктивності трансформатора, ця інформація в нашому випадку не буде корисною.

Наші університетські друзі в Колорадо поділилися деякими відомостями про перетворення потужності. Зокрема, в курсі електротехніки ЄЕК 562 Colorado State можна знайти безліч прикладів моделювання, виконаних в MATLAB.

Говорячи про моделювання, варто відзначити, що в багатьох джерелах наводяться посилання на моделі SPICE. Я не віддаю перевагу будь-якої конкретної посиланню і вважаю, що, вивчивши їх, можна переконатися в існуванні різних режимів роботи LLC-конвертера. Але варто знову зазначити, що у LLC є безліч відмінностей від традиційних імпульсних перетворювачів.

Дослідний зразок, з яким я працюю, створений компанією Texas Instruments. Завдяки коректора коефіцієнта потужності ця система забезпечує стабільну роботу зі вхідною напругою 400 В DC. Дослідження зразка показало допустимість великих коливань струму навантаження і продемонструвало вплив струму на робочу точку і резонансну частоту.

На закінчення хочеться відзначити, що якщо ви думаєте, що зможете в різних статтях знайти однакові рівняння для визначення коефіцієнта посилення, то ви помиляєтеся. Використання змінної M дозволяє враховувати фактори, що відрізняються в кожній конкретній статті, керівництві, дисертації, навчальному курсі. Якщо у мене буде час, я складу порівняльну таблицю, щоб показати, чим вони відрізняються.

Дана стаття могла здатися довгою і неконкретної. У ній міститься тільки вступна інформація по темі LLC-перетворювачів. Але тепер у вас є посилання для ознайомлення з особливостями LLC-схеми, що обіцяє величезні переваги, починаючи від зменшення або навіть усунення втрат при перемиканні. Ви також можете виключити величезну котушку індуктивності, оскільки вона вже включена в трансформатор. Буде потрібно кілька статей, щоб розглянути всі ці переваги.

література:

1. " Topology Investigation for Front End DC / DC Power Conversion for Distributed Power Systems "Bo Yang Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering, Fred C. Lee, Chairman; Dushan Boroyevich; Jason Lai; Guo-Quan. Lu; Alex Q. Huang; September 12, 2003 Blacksburg, Virginia
2. Chapter 4 LLC Resonant Converter ;
3. Bo Yang Dissertation Appendices .
4. " Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC / Dynamic Circuit Simulation Examples ", On Semiconductor LLC Application Note AND9408 / D
5. " RLC Resonant Circuits "Andrew McHutchon April 20, 2013.
6. 11 The Series RLC Resonance Circuit .
7. ' Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400V out Design Example 'AN2012-09 Sam Abdel-Rahman, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp.
8. "Design Considerations for an LLC Resonant Converter" Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers; could not get a website URL; suggest you Google the text in brackets [ "Design Considerations for an LLC Resonant Converter" Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers].
9. " SIMULATION OF A SERIES HALF BRIDGE LLC RESONANT CIRCUIT "ECE562: Power Electronics I COLORADO STATE UNIVERSITY Fall 2011 року.
10. " 230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w / PFC and LLC for 36-V Power Tools "Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355.