Расчет резонансного llc преобразователя

Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Вступление

Недавно мне довелось разбираться со схемой резонансного полумостового LLC-преобразователя, и я подумал, что этот опыт можно использовать для создания серии статей: начать с описания основ и постепенно углубляться в тему. Мне потребовалось достаточно много времени для ознакомления с публикациями, диссертациями и руководствами, прежде чем я разобрался с работой этой схемы. Вышло так, что изучение источников информации, приведенных в списке литературы, заняло больше времени, чем написание самой статьи. Обратите внимание, что ни в одном из приведенных источников не сделан полный анализ работы этого преобразователя, имеющего много различных режимов и условий работы. Надеюсь, вы сможете получить общее представление о работе схемы с моей помощью. Эта помощь будет заключаться в фильтрации информации и акцентировании внимания на наиболее важных ключевых моментах предлагаемых документов.

Рис. 1. DC/AC резонансный преобразователь

Рис. 2. DC/AC резонансный преобразователь с трансформаторной развязкой

LLC-преобразователи являются разновидностью импульсных преобразователей напряжения (Switched Mode Power Supply, SMPS). Большинство публикаций по данной теме начинается с описания основных принципов работы LLC. Я же начну с того, что объясню, чем LLC отличается от других типов импульсных преобразователей.

• Работа обычного импульсного преобразователя состоит из двух фаз. В первой фазе происходит запасание энергии в индуктивности. Во второй фазе накопленная энергия расходуется для поддержания тока. Вы наверняка помните, что, согласно законам коммутации, ток в индуктивности не может измениться скачком (в случае корректной коммутации), точно так же, как и напряжение на конденсаторе. Этот принцип является основой работы большинства импульсных преобразователей.
• Работа LLC-преобразователя основана на создании синусоидального тока, который выпрямляется и запасается в большом конденсаторе. Индуктивность используется не для простого накопления энергии, а выступает в качестве резонансного элемента. Она выполняет функцию фильтра, который помогает преобразовать прямоугольный сигнал в синусоидальную форму, тогда как индуктивность намагничивания все еще работает с традиционным током треугольной формы. Это одна из особенностей, которая нуждается в дополнительном пояснении.

С рабочими режимами в LLC-преобразователях все оказывается еще сложнее, поскольку они имеют множество отличий:

• вместо того чтобы работать с фиксированной частотой коммутаций и изменять коэффициент заполнения ШИМ, LLC-преобразователи изменяют частоту, а коэффициент заполнения ШИМ постоянен и составляет 50%;
• передача энергии в LLC-преобразователях основана на рабочей точке индуктивности намагничивания;
• в LLC-преобразователях используется переменная скорость изменения напряжения в зависимости от тока нагрузки;
• в них есть две резонансные частоты, которые влияют друг на друга;
• режим непрерывного тока (Continuous current mode, CCM) для LLC-преобразователей относится к току выпрямителя, а не индуктивности, поскольку традиционная индуктивность в схеме отсутствует.

Большая часть сказанного выше может показаться сложной и непонятной, особенно для тех, кто только начинает знакомиться с силовой электроникой. Во второй части данной публикации будут рассмотрены основные источники информации, а также некоторые ключевые моменты, которые я считаю полезными. Однако рассказ о резонансных преобразователях требует рассмотрения некоторого базового вводного материала.

Импульсные регуляторы произвели революцию в области преобразования постоянного напряжения и преобразования мощности в целом. Инженеры быстро поняли, что комбинация из силового ключа, выпрямителя, индуктивности и конденсатора может с высокой эффективностью выполнять конвертацию напряжения даже при большой разнице между уровнями напряжения на входе и выходе (рис. 1). Кроме того, трансформаторы могут решить проблемы гальванической развязки и согласования большой разности уровней напряжения (рис. 2).

В идеальном мире преобразователей мощности все было бы хорошо, но, как часто бывает в реальной жизни, решение одной проблемы в конечном итоге создает проблемы в других областях. Например, геометрические размеры импульсного преобразователя во многом определяются рабочей частотой коммутаций, поэтому, если требуется уменьшить габариты электроники, то необходимо поднимать частоту. Кроме того, от преобразователей напряжения требовалось постоянное увеличение выходной мощности. Повышение частоты переключений в сочетании с ростом импульсных токов и напряжений приводили к хаосу из-за появления звонов, которые, в свою очередь, были вызваны паразитными составляющими самой схемы при работе с прямоугольными импульсами.

Для борьбы с описанными явлениями были созданы резонансные схемы с переключениями при нулевых токах (Zero Current Switching, ZCS) и нулевых напряжениях (Zero Voltage Switching, ZVS). Они оказываются менее чувствительными к паразитным составляющим. Однако главная проблема резонансных схем заключается в том, что резонанс ограничивается определенной частотой, которая приравнивается к части ширины импульса или времени включения/ выключения преобразователя. Увеличение входного напряжения или колебания тока нагрузки приведут к работе вне настроенной резонансной частоты.

Используемые в схемах компоненты также имеют собственные паразитные составляющие, которые могут варьироваться в зависимости от конструкции, рабочей точки и проводящего рисунка платы. В этом смысле LLC-преобразователи дают больше свободы, хотя они также имеют ограниченный диапазон рабочих частот и теряют эффективность при работе на частотах, отличных от настроенной частоты f1. Вы можете спросить: о какой частоте f1 идет речь?

Дело в том, что двойное «L» в названии «LLC-преобразователь» указывает на две резонансные частоты в рабочем диапазоне. Более подробно мы поговорим об этом в одной из последующих статей данного цикла. Пока стоит только запомнить, что выбор рабочих точек, используемых в LLC-преобразователях, обеспечивает как ZVS-, так и ZCS-переключения в силовых ключах MOSFET, а также ZCS-переключения в выпрямительных диодах. Это позволяет решить проблемы, связанные с восстановлением обратного диода выпрямителя.

Теперь, когда приведены базовые особенности работы импульсных резонансных преобразователей, дадим краткое описание используемых источников информации.

Лучшим способом облегчить себе жизнь при изучении работы LLC-схем будет ознакомление с руководством от компании ON Semiconductor [2]. Это руководство начинается с уравнения делителя напряжения, с помощью которого, используя значения импеданса двух катушек индуктивности LL и конденсатора C в сочетании с сопротивлением нагрузки, объясняется принцип работы LLC-преобразователя (рисунки 3, 4). Обратите внимание, что две индуктивности представляют собой индуктивности утечки и намагничивания трансформатора. Они образуют резонансную цепь накопителя с дополнительной последовательной емкостной составляющей. В случае с LLC величина паразитной выходной емкости MOSFET (или Coss) не играет большой роли в отличие от обычных резонансных преобразователей с ZVS и ZCS.

Рис. 3. Делитель напряжения

Рис. 4. Делитель переменного напряжения с резонансным элементом

Первая ссылка в списке литературы указывает на докторскую диссертацию Бо Янга «Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems» [1]. В ней можно найти ссылки на другие публикации, которые помогут разобраться с темой LLC и самой диссертацией. Обратите внимание, что в первой ссылке есть подссылки на четвертую часть диссертации, а также на Приложение B, где приводится важный график напряжения (эта ссылка содержит Приложения от A до D и дополнительные ссылки). Хотя этот график приводится в большинстве источников, его создание потребовало от меня напряженной работы и заполнения некоторых пробелов в знаниях (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления преобразователя от величины fs/fr

Ссылки 3 и 4 оказали мне решающую помощь при построении графика усиления преобразователя, поскольку в них отмечалось влияние емкостной составляющей на коэффициент передачи и объяснялось, почему отрицательный импеданс вносил неразбериху в графики. Более подробно мы поговорим об этом в одной из последующих статей данного цикла.

Ссылка 5 – руководство от Infineon, которое содержит подробное описание наиболее полезных шагов, выполняемых при проектировании. В этом документе сравниваются особенности переключений и выпрямления в мостовой и полумостовой схемах, а также — связанные с ними компромиссы. Я использовал мостовую и полумостовую схемы для объяснения, как связанны напряжение и ток. В мостовой схеме полевые МОП-транзисторы каскадируются для получения требуемого напряжения. Параллельное включение транзисторов необходимо для увеличения нагрузочного тока. Обычным требованием для импульсных регуляторов напряжения является исключение постоянной составляющей подмагничивания, чтобы не допускать насыщения трансформатора. Как упоминалось ранее, LLC-преобразователи отличаются тем, что мост им нужен для создания положительной и отрицательной полуволн сигнала, который, проходя фильтрацию, принимает синусоидальную форму.

Ссылка 6 от Fairchild – единственная среди найденных мной ссылок, в которой уравнение усиления также включает вторичную индуктивность рассеяния. Обратите внимание, что вторичная индуктивность рассеяния, а также сопротивление нагрузки отражаются через трансформатор и, таким образом, могут быть подстроены за счет изменения соотношения числа витков обмоток. В данном руководстве содержится ряд ключевых советов, которые помогут в разработке реальной схемы.

В документации от Infineon/Fairchild также подробно описывается конструкция трансформатора. Поскольку резонансная настройка LLC основывается как на индуктивности рассеяния, так и на намагничивающей индуктивности трансформатора, эта информация в нашем случае оказывается бесполезной.

Наши университетские друзья в Колорадо поделились некоторыми сведениями о преобразовании мощности. В частности, в курсе электротехники ЕЭК 562 Colorado State можно найти множество примеров моделирования, выполненных в MATLAB.

Говоря о моделировании, стоит отметить, что во многих источниках приводятся ссылки на модели SPICE. Я не отдаю предпочтение какой-либо конкретной ссылке и считаю, что, изучив их, можно убедиться в существовании различных режимов работы LLC-конвертера. Но стоит вновь отметить, что у LLC есть множество отличий от традиционных импульсных преобразователей.

Опытный образец, с которым я работаю, создан компанией Texas Instruments. Благодаря корректору коэффициента мощности эта система обеспечивает стабильную работу со входным напряжением 400 В DC. Исследование образца показало допустимость больших колебаний тока нагрузки и продемонстрировало влияние тока на рабочую точку и резонансную частоту.

В заключение хочется отметить, что если вы думаете, что сможете в разных статьях найти одинаковые уравнения для определения коэффициента усиления, то вы ошибаетесь. Использование переменной M позволяет учитывать факторы, отличающиеся в каждой конкретной статье, руководстве, диссертации, учебном курсе. Если у меня будет время, я составлю сравнительную таблицу, чтобы показать, чем они отличаются.

Данная статья могла показаться длинной и неконкретной. В ней содержится только вводная информация по теме LLC-преобразователей. Но теперь у вас есть ссылки для ознакомления с особенностями LLC-схемы, обещающей огромные преимущества, начиная от уменьшения или даже устранения потерь при переключениях. Вы также можете исключить огромную катушку индуктивности, поскольку она уже включена в трансформатор. Потребуется несколько статей, чтобы рассмотреть все эти преимущества.

Список следующих частей:

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; couldn’t 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.
10. “230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w/PFC and LLC for 36-V Power Tools” Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355.

Источник

Выбор полумостового резонансного LLC-преобразователя и MOSFET первичной стороны

Топология и характеристики резонансного полумостового LLC-преобразователя

На рис. 1 показана базовая топология резонансного полумостового LLC-преобразователя. Эта схема состоит из блока генератора прямоугольных импульсов, резонансной цепи, выпрямителя и фильтра. Блок генератора прямоугольных импульсов состоит из двух MOSFET (Q₁ и Q₂), которые генерируют однополярное напряжение. Резонансная цепь состоит из емкости C_r и двух индуктивностей L_r и L_m. Резонансный LLC-преобразователь отличается от последовательного резонансного LC-преобразователя (SRC) только индуктивностью L_m. Выпрямитель состоит из вторичной стороны преобразователя, двух диодов для двухполупериодного выпрямления и выходной емкости C_o, которая сглаживает выпрямленное напряжение, подаваемое на нагрузку R_L.

Рис. 1. Базовая топология резонансного полумостового LLC-преобразователя

На рис. 2 показаны рабочие области резонансного LLC-преобразователя двух типов: с коммутацией при нулевом токе (область ZCS) и при нулевом напряжении (ZVS). В первом случае частота переключения ниже резонансной f_r2, т. е. поведение резонансной цепи имеет емкостной характер. Иной режим возникает при работе в области ZVS: в этом случае частота переключения выше резонансной f_r1.

Рис. 2. Рабочие области резонансного LLC-преобразователя

При коммутации преобразователя в диапазоне частот f_r1–f_r2 режим его работы (ZVS или ZCS) определяется нагрузкой. В нормальном режиме резонансный LLC-преобразователь работает на частоте чуть выше f_r1. Это наилучшая рабочая точка, обеспечивающая высокую эффективность. При работе на резонансной частоте выходные параметры преобразователя не зависят от нагрузки. Преобразователю, работающему в этой точке, нет необходимости менять частоту коммутации при любом значении выходной мощности, пока входное напряжение остается неизменным.

Нестандартные рабочие режимы

Работа в емкостной области

Емкостная область работы силовых ключей потенциально опасна. В качестве примера можно привести работу системы в устойчивом режиме при малой нагрузке. В этих условиях рабочая частота системы находится вблизи нижней резонансной частоты, и реализуется режим ZVS.

Представим себе, что нагрузка изменяется с малого значения до высокого; при этом частота коммутации должна соответствовать новой резонансной частоте. Если этого не происходит, преобразователь может перейти в область 3 (рис. 2). Силовой MOSFET выключается, пока ток проходит через внутренний диод, и поскольку второй силовой MOSFET включен, диод может восстановиться, и начнет протекать сквозной ток. В этом случае происходит дополнительное рассеяние мощности, обусловленное прохождением тока через внутренний диод.

При одновременном включении обоих силовых ключей может возникнуть условие отказа полумостовой схемы. Как правило, во время восстановления внутренних диодов происходят выбросы тока большой величины. Этого риска можно избежать, воспользовавшись одним из нескольких решений. Например, специализированный контроллер драйвера затвора, который управляет мертвым временем или сложными контурами, позволяет увеличить этот показатель или обеспечить более высокие значения R_gate. Кроме того, в настоящее время производители полупроводников выпускают специализированные силовые ключи с меньшим временем восстановления. Например, компания STMicroelectronics разработала новую MOSFET-технологию MDmesh DM2, благодаря которой время восстановления встроенных диодов стало меньше 200 нс.

Как уже упоминалось, резонансный преобразователь может работать в емкостной или индуктивной областях (рис. 3). В индуктивной области коммутация осуществляется в режиме переключения по нулевому напряжению. При коммутации, когда основной ключ переходит из состояния ВКЛ. в ВЫКЛ., его ток I_p имеет положительную величину (область фиолетового цвета) и протекает от стока к истоку. В емкостной области (бежевого цвета) работа осуществляется в режиме переключения по нулевому току. В этом случае ток на основном ключе протекает от истока к стоку, в т. ч. через физический диод MOSFET-структуры. Рассмотрим работу LLC-системы в емкостном режиме при двух условиях.

Рис. 3. Емкостная и индуктивная области

Мягкий емкостной режим

Этот режим возникает, когда фаза тока резонансного контура приближается к нулевому значению. Например, так происходит при выключении питания при максимальной нагрузке, когда входное напряжение становится небольшим. В этом случае срабатывает усовершенствованная защитная функция (антиемкостной режим) контроллера резонансного контура, например L6699A от STMicroelectronics. С ее помощью повышается частота коммутации, как в условиях перегрузки, что увеличивает фазу тока резонансного контура.

Жесткий емкостной режим

Этот режим возникает, когда фаза тока резонансного контура становится нулевой или отрицательной при переходе из одного цикла в другой, как в случае короткого замыкания на выходе (рис. 4). В этом случае силовой MOSFET выключается, работа преобразователя прекращается, и жесткой коммутации не происходит.

Рис. 4. Жесткий емкостной режим

Жесткое переключение при запуске

При запуске системы режим ZVS может выключиться, что приведет к жесткой коммутации силовых ключей и появлению большого обратного тока при восстановлении диода. При запуске системы напряжение на емкости резонансного контура изначально отсутствует, и требуется ряд коммутационных циклов, прежде чем оно достигнет величины V_in/2 в устойчивом режиме. В начале переходного процесса могут появиться большие всплески тока в резонансном контуре. Этот ток не меняет полярности в первом одном или в первых двух коммутационных циклах. В этих потенциально опасных условиях работа в емкостном режиме и с жесткой коммутацией может оказаться очень ограниченной по времени. dV/dt и dI/dt силового ключа могут превысить номинальные значения (рис. 5) и привести к отказу.

Рис. 5. Опасный режим работы устройства, работающего в условиях превышения номинальных значений

Замедление динамики переходных процессов в схеме с комбинацией диода и резисторов, установленных последовательно двум затворам, помогает избежать этих отказов.

Жесткая коммутация в результате отключения питания

Во время нормальной работы импульсного источника питания может возникнуть режим жесткого переключения. Если отключить систему от основного источника питания, она может перейти в емкостной режим (рис. 6). На рисунке видно, что после отключения основного источника питания (точка А) мертвого времени, установленного драйвером, недостаточно для дальнейшего продолжения работы в индуктивном режиме. В этих условиях сквозной ток ключей увеличивается.

Рис. 6. Режим жесткой коммутации в результате отключения питания

Жесткая коммутация из-за быстрого переходного процесса на нагрузке

В этом случае система не в состоянии достаточно быстро изменить частоту коммутации. В результате возникает емкостной режим работы, пока управляющий блок пытается восстановить нормальную работу импульсного источника питания в индуктивном режиме.

По сигналу напряжения V_gs (фиолетового цвета) на рис. 7 видно, как меняется рабочая частота при быстром переходном процессе на нагрузке. Сигнал тока (бирюзового цвета) имеет типичный вид для резонансного LLC-преобразователя. Напряжение V_ds (зеленого цвета) отстает от сигнала тока. Далее этот сигнал принимает типовой вид для емкостной цепи.

Рис. 7. Режим жесткой коммутации в результате быстрого переходного процесса на нагрузке

Выводы

Мы рассмотрели характеристики резонансной LLC-топологии, и в частности, механизмы возникновения отказов силовых ключей при работе системы. Для их предотвращения применяются специализированные ключи, например серии DM2 от компании STMicroelectronics.

Источник