Sabit akım çıkış modu-AET'de LCC rezonant dönüştürücünün özellikleri ve tasarımı
Sabit akım uygulamaları için LCC rezonant dönüştürücünün karakteri ve tasarımı
0 Önsöz
Verimliliği artırmak için, orta ve yüksek güçlü LED aydınlatma sürücü gücü, LLC rezonant dönüştürücü, LCC rezonant dönüştürücü, vb. Gibi yumuşak anahtarlama özelliklerine sahip bir rezonans topolojisi seçmelidir. Bununla birlikte, LLC rezonans dönüştürücülerinin sabit akım özellikleri zayıftır ve farklı çıkış gücüne neden olur LED sürücü gücü ayrı olarak tasarlanmalıdır, LCC rezonant dönüştürücü iyi sabit akım özelliklerine sahipken, çıkış akımı sabit kaldığında çıkış voltajı geniş bir aralıkta olabilir İçindeki değişiklikler. Orta ve yüksek güçlü LED aydınlatma tahrik güç kaynağının topolojisi olarak LCC rezonans dönüştürücüsünün seçilmesi, yalnızca farklı güç LED tahrik güç kaynaklarının çok yönlülüğünü iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda üretim maliyetini ve geliştirme döngüsünü de azaltır.
Şu anda, LCC topolojisinin yüksek voltaj ve yüksek güç uygulamalarında uygulanması nispeten olgunlaşmıştır. Orta ve yüksek güçlü LED aydınlatma sürücü güç kaynaklarındaki uygulama henüz emekleme aşamasındadır.Güç kaynağı mühendisleri sezgisel ve etkili bir tasarım yöntemi bulamadılar ve deneyime dayalı olarak rezonant bileşen parametrelerini tekrar tekrar değiştirmeye zorlandılar. Daha ideal bir etki elde etmek için transformatör sargısının dönüş sayısı. Literatürde verilen yaklaşık tasarım yöntemi, rezonans dönüştürücünün AC eşdeğer devresinin transformatörün primer yan gerilimini ve akım birinci harmonik bileşenlerini alarak elde edilmesi ve gecikme açısı ve iletim açısı ile rezonans boşluğunun parametrelerinin belirlenmesidir. Ancak, bu yöntemin formül türetilmesi karmaşıktır, tasarım süreci yeterince sezgisel değildir ve deneysel sonuçlar, verimliliğin yüksek olmadığını göstermektedir. LCC rezonans dönüştürücüsünün geçici çalışmasının analizinde, bu makale paralel rezonans kondansatörü Cp, seri rezonans kondansatör Cr'den çok daha küçük olduğunda, transformatör birincil sargısının Np terminalindeki voltajın hala yaklaşık bir kare dalga olduğunu buldu. Bu nedenle, akım kazanç eğrisini elde etmek için FHA analiz yöntemini kullanmak ve uygun çalışma alanı ve dönüştürücü parametrelerini belirlemek için akım kazanç eğrisini kullanmak etkilidir.
1 Yarım köprü LCC rezonans dönüştürücünün çalışma prensibi analizi
Yarım köprü LCC rezonans dönüştürücünün temel devresi Şekil 1'de gösterilmektedir. Şekil 2, LCC rezonans ağının eşdeğer devre diyagramıdır.
Şekil 1'deki A noktasındaki giriş voltajı, Uin genliği ve 0,5'e yakın bir görev döngüsüne sahip bir kare dalga voltajıdır ve ilk harmoniği:
Transformatörün birincil tarafındaki eşdeğer AC empedansı:
LCC rezonans dönüştürücüsünün ideal çalışma dalga formu Şekil 3'te gösterilmektedir. Çalışma süreci niteliksel olarak aşağıdaki şekilde açıklanmaktadır:
T0'dan önce, Q1 ve Q2 kesme durumundadır. T0'da, Q1 açılır ve rezonant boşluk devresinin mevcut iP'si sıfıra dönmez. Q1 yoluyla Uin'e deşarj olur. Bu sırada, transformatör birincil sargısının NP "yukarı ve aşağı" indüklenen voltajı Pozitif ", paralel rezonans kapasitör CP terminal voltajı uP -n (UO + VD) 'de kelepçelenir. Şekil 4-7'deki COSS1 ve COSS1, Q1 ve Q2'nin kaynağı ve drenajı arasındaki parazitik kapasitanslardır.
T1 zamanında, rezonans devre akımı iP sıfıra döner ve ters yönde artmaya başlar.Bu anda, paralel rezonans kondansatörü CP deşarj olmaya başlar ve birincil sargı terminal voltajı uP artar, ancak t1'den t2'ye kadar olan sürede uP, n'den (UO + VD) küçüktür, İkincil doğrultucu diyotlar D3 ve D4'ün her ikisi de kapalı durumdadır.
T2 zamanında, paralel rezonans kapasitör CP boyunca voltaj uP n'ye (UO + VD) yükselir ve ikincil doğrultucu diyot D3 iletmeye başlar. T2-t3 süresi boyunca, birincil sargı NP boyunca voltaj n'ye (UO + VD) kenetlenir.
T3'te Q1 tüpü kapatılır, Q1 parazitik kapasitansı COSS1 şarj olmaya başlar, Q2 parazitik kapasitans COSS2 deşarj olmaya başlar ve A noktasındaki potansiyel düşer. A noktasındaki potansiyel 0'a düştüğünde, Q2 tüpü açılmaz, COSS2 ters olarak şarj edilir ve her iki uçtaki voltaj yükselir, vücut diyotu D2'yi açmaya zorlar ve Q2'nin kaynağı ve drenajındaki voltaj VD2-TH'ye kenetlenir. Q2'nin sıfır voltaj açmasına hazırlanın.
T4'te, Q2'nin VGS2'si yüksek bir seviyededir Q2'nin VDS'si yaklaşık olarak 0'a eşit olduğundan (Q2'nin gövde diyotunun iletim voltajını göz ardı ederek), MOS tüpü sıfır voltaj açmayı gerçekleştirir ve Q2 ters iletim durumundadır. T4'ten başlayarak, rezonans dönüştürücü diğer yarı döngüde çalışmaya başlar ve çalışma koşulu ilk yarı çevrime benzer.
2 LCC rezonans şebeke gerilimi kazancı ve akım kazancı
LCC'nin çalışma prensibinin analizi, paralel rezonans kondansatörü CP'nin varlığından dolayı, birincil sargı terminal voltajı uP'nin% 50'ye yakın bir görev döngüsüne sahip bir kare dalga olmadığını ve transformatör primer sargısı NP akımı iNP'nin sürekliliğinin, standart sinüs dalgası formundan sapan zayıf olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, uygulama, FHA analiz yöntemi ile elde edilen LCC dönüştürücünün tasarım parametrelerinin hala geçerli olduğunu göstermektedir (primere dönüştürülen transformatörün dağıtılmış kapasitansı göz ardı edilerek). Açıktır ki, LCC rezonans ağının, aralarında Lr ve Cr serisi dallarının rezonans frekanslarının olduğu iki rezonans frekansı vardır:
2.1 Gerilim kazanç eğrisi
LCC rezonans ağının çıkış voltajı uP1'in giriş voltajı uA1'e oranı voltaj kazancı MU olarak tanımlanır ve voltaj kazancı modu şu şekildedir:
Bunlar arasında, kapasitans oranı m = CP / Cr, normalize edilmiş frekans X = fSW / fr ve kalite faktörü Q = rLr / Rac.
Açıktır ki, normalleştirilmiş frekans X = 1 olduğunda, gerilim kazancı | MU | Xr = 1, yükle (Q değeri) hiçbir ilgisi yoktur. Kapasitans oranı m = 0.1 olduğunda, gerilim kazancı | MU | Şekil 8'de gösterildiği gibi normalize X frekansı ile değişir.
LCC rezonans dönüştürücü sabit voltaj çıkış modunda olduğunda (Uin, UO değişmeden kalır), yük ne kadar ağırsa kalite faktörü Q o kadar büyük olur.
Şekil 8'den, yük değiştiğinde, gerilim kazancının değişmediği ve çalışma frekansı fSW'nin geniş bir değişiklik yelpazesine sahip olduğu görülebilir, bu nedenle, LCC rezonans dönüştürücüsünün sabit gerilim çıkış modunda nadiren kullanıldığı görülmektedir.
2.2 Mevcut kazanç eğrisi
Şekil 2'de gösterildiği gibi, rezonant ağ üzerinden akan eşdeğer yük Rac akımı iNP'nin giriş voltajına oranı uA1, akım kazancı MI olarak tanımlanır ve akım kazancının modu şu şekildedir:
Yükle ilgisi yok. Endüktans rLr = 115,7 ve kapasitans oranı m = 0,1 olduğunda, akım kazancı | MI |, Şekil 9'da gösterildiği gibi normalize X frekansı ile değişir.
LCC rezonans dönüştürücü sabit akım çıkış modunda olduğunda (Uin, IO değişmeden kalır), Q değeri ifadesinden (6) görülebilir: yük ağır olduğunda, UO büyüktür ve kalite faktörü Q küçüktür. Yük değiştirme işlemi sırasında, akım kazancı değişmez ve çalışma frekansı fSW'nin küçük bir değişim aralığı vardır, bu nedenle LCC rezonans dönüştürücü, sabit akım çıkış modunda kullanım için uygundur.
3 Yarım köprü LCC rezonans dönüştürücü sabit akım çıkış modu parametre tasarımı
LCC dönüştürücünün sabit akım çıkış modunun tasarımında bilinen koşullar şunlardır: giriş voltajı Uin aralığı, çıkış akımı IO boyutu, çıkış voltajı UO aralığı ve istenen minimum çalışma frekansı fSW-min. Belirlenecek parametreler şunlardır: seri rezonans endüktansı Lr, seri rezonans kapasitans Cr, paralel rezonans kapasitans CP, trafo dönüş oranı n vb.
3.1 LCC rezonans dönüştürücü çalışma alanı seçimi
Şekil 2'deki eşdeğer devreden, rezonans ağının giriş empedansı:
Denklem (7) birleştirilerek kapasitif ve endüktif rezonant ağ arasındaki sınır elde edilebilir Şekil 9'da gösterildiği gibi eğrinin sol tarafındaki rezonans ağı kapasitif ve sağ taraf endüktiftir.
Giriş, çıkış ve minimum anahtarlama frekansı bilindiğinde, paralel rezonans kondansatörü CP'nin, kapasitans oranı m ile hiçbir ilgisi olmayan | MI | min tarafından belirlendiği görülebilir.
Yukarıdaki analizden, frekans değişim aralığı çok büyük olmadan dönüştürücü verimliliğinin daha yüksek olması için verimlilik ve frekans değişim aralığı arasında bir uzlaşmanın gerekli olduğu görülebilir. Giriş ve çıkış koşulları belirlendiğinde, akım kazancı | MI | min de belirlenir.KP'nin boyutunu azaltmak için, akım kazanç eğrisinin doğal rezonans frekansına karşılık gelen akım kazancı azaltılmalıdır. Orantılı katsayıyı ayarlayın:
Konvertörün frekans değişim aralığını sınırlamak için, K değeri genellikle 1.5 ile 3.5 arasındadır. Son seçilen çalışma alanı Şekil 9'daki gölgeli kısımda gösterilmektedir.
3.2 | MU | maks ve trafo dönüş oranını n belirleyin
Giriş voltajı en küçük ve çıkış gücü en büyük olduğunda (Q, voltaj kazanç eğrisindeki en büyüğüdür) çıkış voltajının UO istenen anma voltajına ulaşmasını sağlamak için, ağır yük altında voltaj kazancı garanti edilmelidir:
3.3 Kapasitans oranı m'nin ön belirlenmesi
K değeri ve dönüş oranı n belirlendiğinde, Cr = CP / m'den anlaşılabilir: Kapasitans oranı m, Cr boyutunu belirler, m değeri ne kadar büyükse, Cr ne kadar küçükse, Lr o kadar büyük, dönüştürücü verimliliği o kadar düşük ve frekans değişimi o kadar düşüktür. Aralık ne kadar küçükse. LCC'nin sabit akım çıkış modunda, kapasitans oranı m genellikle 0,01 ile 0,05 arasındadır.
Denklemlerden (8) ve (15), rezonans frekansı fr serisinde Lr'ye karşılık gelen endüktans rLr elde edilebilir.
3.5 Minimum kalite faktörü Qmin'i hesaplayın
Transformatör dönüş oranı n ve endüktif reaktans rLr belirlendikten sonra, LCC ağının AC eşdeğer direnci Rac, formül (2) ile elde edilebilir.
Tam yük altında minimum kalite faktörü Qmin:
3.6 Seri rezonans frekansı fr ve boşluk parametrelerini hesaplayın
Verilen beklenen işin minimum çalışma frekansı fSW_min'e göre, seri rezonans frekansı şu şekilde belirlenebilir:
4 Deneysel sonuçların analizi
Teorik analizin ve parametre hesaplama yönteminin doğruluğunu teyit etmek için 96 W'lık bir prototip deneme üretimi yapılmış ve elektriksel parametrelerinin test edilmesiyle aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.
4.1 Çalışma alanının doğruluğunun doğrulanması
Prototip tasarımında bilinen koşullar şunlardır: giriş gerilimi Uin aralığı 360 ~ 410 V, nominal giriş gerilimi 395 V; çıkış akımı IO = 2 A, çıkış gerilimi UO aralığı 16 ~ 48 V; beklenen minimum çalışma frekansı fSW_min = 60 kHz; kapasite oranı m = 0.02, akım kazanç oranı K = 2.5.
Önceki parametre analizi ve hesaplama yoluyla: maksimum gerilim kazancı | MU | maks = 0.9 olduğunda, dönüş oranı n = 3.33, Lr = 488 H, Cr = 50 nF, CP = 1 nF ve diğer özel parametreler Şekil 10'da gösterilmektedir. Gösterildi.
Şekil 11, yükün bir fonksiyonu olarak dönüştürücünün anahtarlama frekansı ile verimliliği arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafiktir.
Şekil 10 ve Şekil 11'den konvertörün çıkış voltajı 16 ile 48 V arasında değiştiğinde, konvertörün fiili çalışma frekansı ile teorik hesaplama değeri arasında 3 ile 6 kHz arasında bir hata olduğu görülmektedir.Bunun nedeni, transformatörün primere dönüştürülmesinin analiz ve hesaplama sürecinde göz ardı edilmesidir. Dağıtılmış kapasitans.
Şekil 12, LCC rezonant dönüştürücüsünün her bir düğümünün bir dalga biçimi diyagramıdır.
4.2 Kapasitans oranı m'nin dönüştürücü üzerindeki etkisi
Bölüm 4.1 ve K = 2.5'te açıklanan giriş ve çıkış koşulları altında, farklı kapasite oranı m altında, rezonant boşluk parametreleri, tam yük verimliliği ve Tablo 1'de gösterildiği gibi frekans değişim aralığı arasındaki ilişki elde edilir.
Tablo 1'den görülebileceği gibi, kapasite oranı m arttıkça LCC rezonant konvertörünün veriminin azalması, bunun nedeni CP ve Lr'deki artıştır. CP'nin yükselmesi rezonans boşluk akımı IP-rms'nin efektif değerini arttırır; Lr'nin artışı indüktörün dönüş sayısını arttırır ve bakır kaybını arttırır.
4.3 K değerinin dönüştürücü üzerindeki etkisi
Bölüm 4.1 ve m = 0.02'de açıklanan giriş ve çıkış koşulları altında, farklı K değerleri altında, Tablo 2'de gösterildiği gibi, rezonant boşluk parametreleri, tam yük verimliliği ve frekans değişim aralığı arasındaki ilişki elde edilir.
Tablo 2'den K değeri azaldıkça frekans değişikliklerinin aralığının azaldığı görülmektedir. K değeri çok küçükse, CP artar ve konvertör verimi düşer; K değeri çok büyükse Lr endüktansı artar, bu da sarım sayısını ve indüktörün hacmini artırarak kaybı artıracak ve verimliliği azaltacaktır. Gerçek uygulamalarda, K değerinin mevcut duruma göre ayarlanması gerekir.
5. Sonuç
LCC rezonans ağının endüktif bölgede çalışması gerektiğinden, Lr ve Cr'den oluşan seri rezonans ağının endüktif olması gerekir, bu nedenle Lr'nin bir LLC'den daha büyük bir endüktansı ve daha fazla kaybı vardır, bu nedenle LCC verimliliği, aynı güce sahip bir LLC'den biraz daha düşüktür; LCC devre yapısı tarafından belirlenen CP, transformatörün birincil sargısının her iki ucuna paralel olarak bağlanır, bu nedenle transformatör bir manyetik entegre transformatör kullanamaz.
LCC rezonant konvertörü, iyi sabit akım özellikleri, düşük çalışma frekansı aralığı ve yüksek verimlilik avantajları nedeniyle orta ve yüksek güçlü LED'lerin sabit akım sürüşü alanında çok çeşitli uygulama olanaklarına sahiptir.
Referanslar
Pan Yongxiong. Anahtarlama güç kaynağı teknolojisi Xi'an: Xidian University Press, 2016.
Luo Tingfang, Meng Zhiqiang.LCC serisi paralel rezonans şarjlı yüksek voltajlı darbeli güç kaynağı tasarımı Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2010, 36 (9): 80-82, 85.
Xia Bing, Ruan Xinbo, Chen Wu.Yüksek voltaj ve yüksek güç uygulamalarında LCC rezonans dönüştürücülerin analizi ve tasarımı.Elektroteknik Teknoloji Dergisi, 2009, 24 (5): 60-66.
CAVALCANTE F D S, KOLAR J W. 5 kW yüksek çıkış voltajı seri-paralel rezonant DC-DC dönüştürücünün tasarımı Güç Elektroniği Uzmanlık Konferansı, 2003. PESC'03.2003 IEEE. IEEE, 2003, 4: 1807-1814.
Zhang Zhiguo, Xie Yunxiang, Yuan Zhaomei, ve diğerleri.Yüksek frekanslı dönüştürücüler için yaklaşık bir analiz yöntemi. Journal of Electrical Machines and Control, 2011, 15 (7): 44-49.
yazar bilgileri:
Li Yong, Pan Yongxiong, Chen Linhai, Cai Bingli
(Fizik ve Optoelektronik Mühendisliği Okulu, Guangdong Teknoloji Üniversitesi, Guangzhou 510006, Guangdong)
