Sabit frekans ve faz kaydırma kontrollü yüksek verimli LLC rezonans dönüştürücü üzerine araştırma
Liu Zhiyuan, Shao Ruping, Wang Xiadong
(Elektrik Mühendisliği ve Kontrol Bilimi Okulu, Nanjing Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 211816, Jiangsu)
Geniş bir voltaj girişi aralığında, yüksek voltaj kazancı elde etmek için, LLC rezonans dönüştürücüler genellikle çok sayıda birincil iletim kaybına neden olur. Sabit frekans ve faz kayması ile kontrol edilen LLC rezonans dönüştürücü için bir dijital şarj tasarım şeması önerilmiştir. Topolojisi ilkesinin analizine dayanarak, ana devre parametrelerinin ve transformatörün tasarımı tamamlanır. Kontrol çekirdeği olarak DSP yongası TMS320F28033'e dayanarak, programın yazılım uygulama süreci analiz edilir. Son olarak 350 V ~ 500 V girişli ve 200 V / 5 A çıkışlı bir prototip tasarlandı.Tasarımın fizibilitesi simülasyon ve deneysel sonuçlarla doğrulanarak tasarımın küçük birincil-yan iletim kaybına sahip olduğunu ve tam yük altında çalıştığını kanıtladı. Kapsam dahilindeki iş verimliliği% 92'nin üzerine çıkmaktadır.
LLC rezonans dönüştürücü; sabit frekans ve faz kayması; küçük iletim kaybı; tam yük
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN86
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.171447
Çince alıntı biçimi: Liu Zhiyuan, Shao Ruping, Wang Xiadong.Sabit frekans ve faz kaydırma kontrollü yüksek verimli LLC rezonant dönüştürücü üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (1): 139-142, 146.
İngilizce alıntı biçimi: Liu Zhiyuan, Shao Ruping, Wang Xiadong.Sabit frekans ve faz kaydırma kontrolü ile yüksek verimli LLC rezonant dönüştürücü üzerine araştırma.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (1): 139-142, 146.
0 Önsöz
Endüstriyel uygulamalar için en popüler topolojilerden biri olan LLC rezonant dönüştürücüler, daha az bileşen, düşük anahtarlama stresi ve yüksek verimlilik avantajlarına sahiptir. Bu nedenle pek çok durumda, özellikle yüksek gerilim ve düşük akım çıkışı uygulamalarında kullanılmaktadır. LLC topolojisi SRC ve PRC'nin avantajlarını birleştirir, sadece buck-boost durumunda kullanılamaz, aynı zamanda rezonant tank akımı yükün boyutunu yansıtabilir. LLC rezonans dönüştürücü, geniş bir voltaj aralığında daha iyi voltaj düzenleme özelliklerine sahiptir. LLC rezonans dönüştürücüde, birincil taraf MOS transistör ZVS açılır ve ikincil yan doğrultucu diyot ZCS kapatılır ve anahtarlama kaybını bir dereceye kadar azaltan, yüksek frekansın gerçekleştirilmesini kolaylaştıran, verimliliği ve güç yoğunluğunu artıran yumuşak anahtarlama gerçekleştirilir.
Literatür, daha düşük iletim kaybı ve frekans değişim aralığı ile yeni bir LLC topolojisi önermektedir. Literatür, farklı giriş voltajlarında çalıştığında, sırasıyla frekans dönüştürme ve faz kaydırma kontrolü kullanıldığında, hibrit kontrol LLC'nin bir yöntemini önermektedir. Literatür, geniş bir giriş voltaj aralığına sahip bir sabit frekans kontrol LLC yöntemi önermektedir. Literatür, iki güç aktarım yönünde çift faz kaydırma ve değişken frekans kontrol stratejileri kullanan bir çift fazlı kaydırma kontrollü çift yönlü LLC rezonans dönüştürücü önermektedir. LLC serisi rezonans dönüştürücü, geniş bir voltaj girişi altında yüksek voltaj kazancı elde etmek için küçük bir mıknatıslayıcı endüktansa sahip olması gerektiğinden, birincil tarafta ciddi iletim kaybına neden olur. Geniş bir girdi aralığını kapsamak için, değişken frekans kontrolü, manyetik bileşenlerin tasarımına elverişli olmayan geniş bir çalışma frekans aralığına sahiptir.
Bu makale, LLC topolojisinin ilkelerini ve özelliklerini analiz eder ve ana devrenin tasarımını, çalışma voltajı ve tam yük aralığı dahilindeki tüm anahtarlama tüplerinin sıfır voltaj anahtarlamasını elde edebilmesi ve anahtarlama tüplerinin voltaj stresini en aza indirecek şekilde optimize eder. Sabit frekans ve faz kaydırma kontrolü kullanmak, frekansı düşürmeden yüksek DC voltaj kazancı sağlayabilir. 350 V ~ 500 V girişli ve 200 V / 5 A çıkışlı bir prototip tasarlandı.İlk olarak analizin güvenilirliğini doğrulamak için Sabre yazılımı kullanıldı.Son olarak prototip, şemanın doğruluğunu kanıtlayan deneylerle doğrulandı.
1 LLC rezonant dönüştürücünün prensibi ve analizi
1.1 LLC rezonant dönüştürücünün ana topolojisi
LLC rezonans dönüştürücü Şekil 1'de gösterilmektedir. Geleneksel rezonant dönüştürücüden farkı, LLC dönüştürücünün bir doğrultucu köprü kolundaki iki doğrultucu diyotun SR anahtarları ile değiştirilmesidir. SR anahtarı ve birincil taraf anahtarı, ikincil taraf anahtarının iletim kaybını azaltmak için frekans modülasyonu ile senkronize edilir.
Harmonik yaklaşım yöntemi kullanılarak, LLC rezonant dönüştürücünün DC çıkış voltajı kazancı şu şekilde elde edilebilir:
Denklemden (1), rezonant dönüştürücünün farklı Q değerleri altında karşılık gelen kazanç eğrisi elde edilebilir. Şekil 2'de görüldüğü gibi, farklı yükler altında çalıştığında, anahtarlama frekansı daha küçük bir aralığa sahiptir ve hafif yük düzenleme sorunu yoktur. Frekans dönüştürme kontrolü kullanılırsa, çalışma frekansı aralığı nispeten geniş olacaktır ve yüksüz durumda voltaj dengesizliği meydana gelebilir. Bu metin, yük voltajındaki değişikliğe göre sabit frekans kontrolünü benimser, çıkış voltajını stabilize etmek için anahtar borusunun tahrik sinyalinin görev oranını veya faz kaydırma açısını ayarlar.
1.2 Çalışma modunun analizi
Bu metin, Şekil 3'te gösterildiği gibi sabit frekanslı faz kaydırma kontrol modunu benimser.
Yani, yüksek voltaj girildiğinde, SR anahtarı birincil yan anahtarla senkronize olarak açılır, çünkü akım daha küçük bir açık dirence sahip olan ikincil anahtar kanalından geçer ve ikincil redresörün iletim kaybı azalır. SR anahtarının kapatılmasına gerek kalmadan önce, doğrultucu akımı doğrudan sıfır olur. Akım, seri doğrultucu diyot ve SR anahtarından geçtiği için, doğrultucu diyot, doğrultulmuş akımın negatif olmasını önler ve SR anahtarının pozitif bir yarım döngüde çalışmasını sağlar. Anahtarlama frekansı rezonans frekansından küçük ve rezonans frekansına yakın olduğunda, LLC kesintili modda çalışır LLC rezonant konvertörünün çalışma modu, burada ayrıntılı olarak açıklanmayacak olan geleneksel rezonant konvertörünkine benzer.
Dönüştürücünün giriş voltajı düşük olduğunda, faz kaydırma kontrolü benimsenir, yani ikincil taraf SR anahtarı, kapı sinyalinin faz kaymasını kontrol eder, böylece dönüştürücü, anahtarlama frekansını düşürmeden yüksek voltaj kazancı elde edebilir. Konvertörün dar çalışma frekansı aralığı nedeniyle, transformatör çekirdeğinin boyutunu ve iletim kaybını azaltmak ve tüm yükün verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için küçük bir transformatör seçilebilir. Faz kaydırma modundaki anahtar dalga formu diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
Anahtar modu 1 (t0 ~ t1): Q1 açılır, Lr üzerindeki voltaj Vin-VCr'dir, rezonans akımı drenajdan kaynağa akar ve rezonans boşluk akımı iLr doğrusal olarak artar. Rezonans akımı ile uyarma akımı arasındaki enerji farkı, ikincil düzeltme yoluyla yüke aktarılır. SR2 iletmeye devam ettiğinden, mıknatıslama endüktansı boyunca uygulanan voltaj sıfırdır.
Anahtar modu 2 (t1 ~ t2): SR2 kapatılır ve Cr'den Lr'de depolanan enerji, DR1 ve SR2'den C0 kapasitörüne çıkar. Transformatör mıknatıslama endüktansı boyunca gerilim, bu sırada VLm = nVout olarak kenetlenir. iLm doğrusal olarak artar ve rezonans boşluk akımı iLr, (Vin-VCr-nVout) / Lr eğimiyle azalır ve son olarak mıknatıslayıcı endüktanstaki akıma, yani iLr = iLm'ye eşittir.
Anahtar modu 3 (t2 ~ t3): Dr1 kapalıdır, çünkü SR1 sürekli açık olduğundan, transformatörün ikincil tarafı birincil tarafa yansıtılmayacaktır. Lr ve Lm'den oluşan rezonans ağındaki voltaj Vin-VCr'dir, bu sırada Lr ve Lm aynı anda artar. Çıkış filtre kondansatörü C0 yüke enerji sağlar.
Anahtar modu 4 (t3 ~ t4): Q1 kapalı, Q2 açık değil ve ölü zamanı giriyor. SR2 açık kaldığında, Cr Lr'yi boşaltmaya devam eder ve boşluk akımı doğrusal olarak artar. Bu sırada, Q2'nin parazitik kapasitansı deşarj olmaya başlar ve Q2'nin ZVS'sinin açılması için hazırlanır.
Anahtarlama modu 5 (t4 ~ t5): Faz 5, faz 1 ile simetriktir ve burada tekrarlanmayacaktır.Kalan anahtarlama zamanı dönüştürücülerinin çalışma modları yukarıdakilerle simetriktir.
2 LLC rezonans dönüştürücü tasarımı
2.1 Ana devrenin temel parametrelerinin tasarımı
Rezonant ağ parametrelerinin optimal tasarımı, dönüştürücünün güvenilir olup olmadığını belirlemenin önemli bir parçasıdır. Tasarım parametreleri: Rezonans dönüştürücünün giriş voltajı 350 V ~ 500 V; nominal voltaj Uin = 450 V; çıkış voltajı V0 = 200 V; fr = 100 kHz. Giriş 450 V ile 500 V arasında olduğunda, rezonans dönüştürücü rezonans frekansının yakınında çalışır Giriş 350 V ile 450 V arasında olduğunda ikincil taraf SR, anahtarlama frekansını düşürmeden faz kaydırma kontrolünü kullanır.
(1) Transformatör oranı:
Kazanç aralığı 0,91 ~ 1,30'dur. Parametreleri tasarlarken, kazanç gereksinimlerini karşılamaya ek olarak, birincil ikincil akımın etkin değeri ve frekans modülasyon aralığı mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Prototip parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
2.2 Transformatör tasarımı
Transformatörün uygun şekilde tasarlanıp tasarlanmadığı, anahtarlama güç kaynağının verimliliğini ve performansını etkiler. Dönüştürücü sabit frekans modunda çalışırken, LLC rezonans frekansının yakınında çalışır ve maksimum manyetik akı yoğunluğu:
Formül (6) 'dan giriş voltajı arttığında D'nin azaldığı görülmektedir. Önceki analize göre, mıknatıslama endüktansı boyunca voltaj, faz kayması sırasında sıfırdır ve çıkış voltajı, giriş voltajı düştüğünde sabit frekans faz kayması ile artar. D'nin artışı iLm'nin genliğini azaltır LLC rezonant dönüştürücü minimum voltaj girişinde maksimum manyetik akı yoğunluğuna sahip olduğundan, transformatör, transformatör çekirdek kaybını azaltmak ve güç yoğunluğunu artırmak için mümkün olduğunca küçük bir manyetik çekirdek seçebilir.
Bu tasarımda, transformatör EI25 tipi manyetik çekirdek, manyetik çekirdek kesit alanı Ae = 0.41 cm2 ve manyetik akı yoğunluğu Bw = 2140 Gauss kullanır.
2.3 Yazılım parçası tasarımı
Ana program akış şeması ve ADC kesinti programı akış şeması, sırasıyla Şekil 6'daki (a) ve (b) 'ye karşılık gelir.Yazılım, yüksek voltaj çıkışı elde etmek için ikincil tarafta faz kayması gerçekleştirir ve ayrıca çıkış voltajının kararlı bir değere ulaşmasını sağlamak için kapalı döngü voltaj regülasyonu gerçekleştirir. . DSP yongasının içinde bir ADC modülü olduğundan, LEM örnekleme, çıkış voltajını DSP ADC modülüne geri besler, AD kesinti programındaki örnekleri okur, çıkış sinyalini okur ve örnekleme sonuçlarını saklar ve ardından dijital filtrelemeden sonra PID kontrol algoritmasını gerçekleştirir Hesaplanan hataya göre, gerekli kontrol miktarı için PWM sürücü sinyali güncellenir ve sonunda faz açısı belirlenir.
3 Simülasyon ve deneysel analiz
Yukarıdaki analize ve prototipin parametre tasarımına göre, bu belgede tasarlanan dijital LLC rezonant dönüştürücünün doğruluğunu ve kararlılığını ön olarak doğrulayan bir Sabre simülasyon modeli oluşturulmuştur.
Şekil 7 ve 8, LLC rezonans dönüştürücüsünün sırasıyla sabit frekans ve faz kaydırma modlarında rezonant tank akımı dalga biçimleridir.Mıknatıslanma endüktansından geçen akımın küçük olduğu, dolayısıyla birincil tarafın iletim kaybının, ZVS'nin açık olduğu öncülüne göre nispeten yüksek olduğu görülebilir. küçük. Yük aralığında iLm ve iLr arasındaki fark maksimize edilebilir ve dönüştürücünün verimliliğini etkin bir şekilde artıran ikincil yan düzeltme yoluyla yüke aktarılabilir.
Şekil 9'dan, yük çıkış voltajının yaklaşık 200 V olduğu, dalgalanma genliğinin 0,2 V'un altında olduğu, çıkış voltajının nispeten kararlı olduğu ve doğruluk gereksinimlerini karşıladığı görülebilir.
Yazılım kısmında hata ayıklamanın anahtarı, PWM sürücü sinyalinde hata ayıklamaktır Şekil 10, aynı köprü kolu MOSFET'in ölü bölgesi ile PWM sürücü sinyalinin dalga şeklini gösterir. Aynı köprü kolunun eşzamanlı iletimini etkin bir şekilde önleyebilen tasarım prototipinin parametreleriyle tutarlı olan, sürüş devresi tarafından PWM sinyal çıkışının süresinin 10 s olduğu, yani anahtarlama frekansının 100 kHz olduğu ve ölü sürenin yaklaşık 300 ns olduğu şekilden görülebilir. fenomen.
Teorik analiz ve hata ayıklama sonuçları, gecikmeli köprü kolu ZVS'yi gerçekleştirebildiği sürece, şarj modülünün tüm anahtar tüplerinin ZVS'yi gerçekleştireceğini göstermektedir. Şekil 11'de gösterildiği gibi, gecikmeli köprü kolunun MOS tüpü kapatıldığında, Vds'nin yükselmesi sıfır voltaj kapanmasını gösterir. Miller etkisinin ve kaçak endüktansın etkisine bağlı olarak, Vds maksimum değere yükselmeden önce bir hızlanma aşaması olacak ve gecikmeli köprü kolunun MOSFET'inin Vds'si sıfıra düştüğünde PWM sürücü sinyali açılarak sıfır voltaj açılmasına ulaşılır.
Sırasıyla donanım ve yazılım parçaları üzerinde ilgili testler yapılır ve ardından sistemler birlikte ayarlanabilir. Sistem başarılı bir şekilde entegre edildikten ve ayarlandıktan sonra, farklı giriş yüklerinin verimliliği test edilir Verimlilik eğrisi Şekil 12'de gösterilmiştir. Deney, LLC rezonant dönüştürücünün tam yük aralığında yüksek verimli çalışmayı başarabildiğini kanıtlar ve bu da planın güvenilirliğini doğrulamaktadır.
4. Sonuç
Bu makale, LLC rezonans dönüştürücüsüne dayalı bir dijital şarj şeması sunar. Farklı giriş voltajlarının sabit frekans ve faz kaydırma kontrolü sayesinde, birincil tarafın iletim kaybı etkili bir şekilde azaltılır ve yüksek voltaj kazancı elde edilir. Tasarlanan devre Sabre simülasyon yazılımı ile doğrulanır ve son olarak deney yapılarak performans göstergeleri test edilir ve ilgili dalga formları detaylı olarak analiz edilir. Sonuçlar, şarj prototipinin tüm anahtarlama tüplerinin geniş bir voltaj girişi aralığı altında ZVS'ye ulaşabildiğini, anahtarlama kayıplarını azalttığını ve prototip verimliliğinin% 92'den fazla olduğunu, bu da teorik analizin doğruluğunu doğruladığını ve şarj cihazının şarj gereksinimlerini karşıladığını göstermektedir.
Referanslar
KIM J W, MOON G W. Dar anahtarlama frekansı varyasyonuna ve azaltılmış iletim kayıplarına sahip yeni bir LLC serisi rezonant konvertör IEEE, Trans on Power Electron, 2014, 29 (8): 4278-4287.
Li Ju, Ruan Xinbo. Tam köprü LLC rezonans dönüştürücü için hibrit kontrol stratejisi. Journal of Electrotechnical Engineering, 2015 (9): 2272-2278.
Hua Tao. Sabit frekans kontrollü tam köprü LLC rezonans dönüştürücü üzerine araştırma. Nanjing: Nanjing Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2012.
Cai Yingying, Wang Cong, Wang Yanqiu. Yüksek frekanslı izole edilmiş LLC rezonant çift yönlü DC dönüştürücünün uygulanması Güç Elektroniği Teknolojisi, 2014, 482 (6): 51-52.
Chen Qichao, Wang Jianzhen, Ji Yanchao. LLC rezonant dönüştürücüsüne dayanan güç elektroniği transformatörü Güç Sistemi Otomasyonu, 2014, 38: 41-46.
Hao Bingwen, Zheng Sheng.Artan PID'ye dayalı güç kaynağını anahtarlamak için paralel akım paylaşım sisteminin tasarımı Bilim Teknolojisi ve Mühendisliği, 2013, 13 (8): 2086-2096.
