İki aşamalı yüksek hafif yük verimliliğine sahip dijital güç dönüştürücü üzerine araştırma
Shi Yongsheng, Tian Weidong, Gao Jingru, Li Li, Gao Danyang
(Elektrik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Shaanxi Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Xi'an, Shaanxi 710021)
Hafif yükte düşük güç kaynağı verimliliği sorununu hedefleyen dijital (DSP) entegre bir kontrol yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem aynı anda PFC düzeyinde DC çıkış veriyolu voltajını ve tam köprü kısmının anahtarlama zamanlamasını kontrol eder Hafif yükte, anahtarlama kaybı ve döngü akımı kaybı, bara voltajı ayarlanarak ve anahtarlama frekansı düşürülerek azaltılır. Deneysel sonuçlar, dönüştürücünün verimliliğinin% 10 nominal yük altında% 90'a ulaşabildiğini ve% 5 nominal yük altında verimliliğin hala% 80'in üzerinde olduğunu göstermektedir.
Güç kaynağının hafif yük verimliliği, bilgi çağında güç ekipmanının daha da geliştirilmesi için gerekli endişelerden biridir.
Hafif yükün verimliliğini artırmak için birçok yöntem önerilmiştir: faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücüler için literatür, ölü zaman perspektifinden başlar, yardımcı devreler sunar veya ölü zamanı doğrudan genişletir, bu da hafif yük verimliliğini artırır, ancak devre karmaşıklığı ve Yükün gerçek zamanlı esnekliği ve ek kayıplar azaltılır, bu da verimliliğin daha da iyileştirilmesini sınırlar; literatür, veri yolu voltajını dinamik olarak ayarlayarak anahtarlama kaybını azaltır, ancak sonraki devre üzerinde daha fazla araştırma yapılmaz; literatür, DC / DC'yi alt mod kontrolü aracılığıyla iyileştirir Hafif yük verimliliğinin bir parçasıdır, ancak bara voltajının verimlilik üzerindeki etkisini dikkate almaz.
Bu yazıda incelenen iki aşamalı dönüştürücü Şekil 1'de gösterilmektedir. Hafif yük koşullarında, bara voltajının dinamik ayarı, faz kaydırmalı tam köprünün görev döngüsünü maksimumda tutarken anahtar tüpünün gerilimini azaltır ve tam köprü kısmı, PWM kontrolü ve PWM Burst kontrol modunda, anahtarlama kaybını ve döngü akımı kaybını daha da azaltmak için; yük belirli bir değere yükseldiğinde, tam köprü dönüştürücü faz kaydırma kontrolünü kullanır. Son olarak, TI'nin DSP platformuna (TMS320F28335) dayalı olarak, kontrol yönteminin doğruluğunu ve etkinliğini doğrulamak için 600 W'lık bir test prototipi tasarlandı.
1 İki seviyeli yapı ve entegre kontrol sistemi tasarımı
Sunucu sistem mimarisi (SSI) standardına göre, güç sistemi, Şekil 1'de gösterildiği gibi, ön aşama AC / DC dönüştürücü ve ikinci aşama DC / DC dönüştürücü olmak üzere iki aşamaya ayrılmıştır. Ön kademe PFC, Yükseltici dönüştürücü yapısını yaygın olarak kullanır ve akım harmonikleri için EN61000-3-2 gereksinimlerini karşılamalıdır.Aynı zamanda, güç faktörü düzeltme amacına ulaşmak için, giriş voltajı örneklenir ve giriş yapmak için giriş akımının referans değeri olarak kullanılır Akım, giriş voltajı ile aynı fazdadır; faz sonrası kaydırmalı tam köprü (PSFB), yardımcı bileşenler olmadan sıfır voltaj anahtarlamayı tamamlar ve DC / DC bölümünde yaygın olarak kullanılmasını sağlayan büyük ve orta güç uygulamaları için uygundur.
Şekil 1 İki aşamalı güç dönüştürücünün yapı şeması
Şekil 2, çıkış akımı değerine göre üç moda bölünmüş entegre kontrol dizisi diyagramıdır: mod 1, aşırı hafif yük (% 0 % 5), veri yolu voltajı düşük seviyede tutulur (340 V) ve PWM doğrudan kullanılır Sürücü sinyali Bu sırada, birincil ve ikincil taraflardaki akım çok küçüktür, doğrultucu gövde diyotunun iletim kaybı çok küçüktür ve birincil tarafta neredeyse hiç dolaşım akımı yoktur; Mod 2, hafif yük (% 5 -% 20), PWM Burst kontrol moduna girin, Bu modda, veri yolu voltajı hala düşük bir seviyede (340 V) tutulur.Çıkış voltajı nominal değerinin% 1'ini aştığında, yanda bir sürüş sinyali olup olmadığına ve bu moddaki anahtarlama frekansının daha düşük olmasına bakılmaksızın hiçbir sürüş sinyali gönderilmez. Normal çalışma anahtarlama frekansı ve düşük bara voltajı değeri, hafif yükün ana anahtarlama kaybını büyük ölçüde azaltır; Mod 3, faz kaydırma kontrol moduna girin, bu modda, sıfır voltaj anahtarlaması doğal olarak gerçekleştirilebilir ve veri yolu voltajı dinamik olarak ayarlanır. Boşta oranı maksimum değerde tutulur, böylece kayıp azaltılır ve genel verimlilik arttırılır Yük ağır olduğunda (% 70 ila% 100), bara voltajı, ağır yük tutma süresinin gereksinimlerini karşılamak için 400 V'ta tutulur.
Şekil 2 Entegre kontrolün zamanlama diyagramı
Şekil 3, kendi kendini ayarlayan bara voltajının bir akış şemasıdır Bara voltajının sürekli olarak ayarlanması, faz kaydırmalı tam köprünün görev döngüsünü maksimum 0,48T değerinde tutar. 0,2T süresi, geçici marj ve ölü zamandır.
Şekil 3 Bara voltajı uyarlamalı ayar akış şeması
2 Kayıp analizi
Faz kaydırma kontrolü ve PWM kontrolü altındaki tam köprü dönüştürücünün kayıpları sırasıyla analiz edilir.
2.1 Faz kaydırma kontrolü altında tam köprü dönüştürücü kaybı
Referansa göre, birincil yan anahtar borusunun kapama kaybı Poff_p:
Formülde, td (kapalı), anahtarın kapanma süresidir, Coss_p, birincil anahtarın eşdeğer paralel kapasitansıdır ve IPP, birincilin tepe akımıdır.
Birincil yan anahtar tüpünün açılma kaybı Pon_p'dir:
Bunların arasında Ip2 birincil indüktör serbest dönme sonlandırma akımıdır.
Birincil taraf PMOSFET_con_p üzerinde tek bir anahtarın durumundaki kaybı:
Formülde, I1, rms, normal çalışma sırasında transformatörün primer yan akımının efektif değeri ve primer taraf dolaşım akımı periyodunun efektif değeridir.
Senkron doğrultucu PMOSFET_con_s'de durum kaybı:
IDS_s_rms, borudan akan akımın etkin değeri, endüktans ve trafo durumundaki kayıp Pinductor_con, PTR_con:
IL, rms, indüktör akımının etkin değeridir.
Çekirdek kaybı Pcore:
2.2 PWM kontrolü altında tam köprü dönüştürücü kayıpları
Birincil yan anahtar tüpü anahtarlama kaybı PSW_loss, p:
İkincil anahtarlama kaybı PSW_loss, s:
Anahtar tüpü PMOSFET_con_p için durum kaybı:
Trafo durum kaybı PTR_con:
Endüktans ve çekirdek kaybı denklem (5) ve (7) 'de gösterilmektedir.
2.3 Kayıp dağılımı ve karşılaştırma
Şekil 4, genel faz kaydırma kontrolü ile bu makaledeki entegre kontrol altındaki kayıpların hafif yükte ve çok hafif yükte karşılaştırılmasını göstermektedir Entegre kontrol altındaki verimlilik% 2,14 artmıştır.
Şekil 4 Hafif yük ve çok hafif yük modunda faz kaydırma kontrolü ve entegre kontrol kaybı
Şekil 2'den bilerek, hafif yük ve aşırı hafif yük modu altında, dönüştürücü anahtar borusunun etkin çalışma sırası PWM sinyalidir. Şekil 5'teki dönüştürücünün teorik verimlilik eğrisi ile birleştirildiğinde, PWM tam köprü dönüştürücünün, hafif yük ve çok hafif yük koşulları altında dönüştürücünün hafif yük verimliliğini gerçekten artırabildiği görülebilir.
Şekil 5 Verimlilik eğrisi
3 Simülasyon ve deneysel analiz
İlk olarak devre Psim9.0'a göre simüle edilir. Ana deneysel parametreler şu şekilde tasarlanmıştır: rezonans endüktansı Lr = 48 trafo oranı n = 54: 8, anahtarlama frekansı fs = 100 kHz, ölü zaman tdead = 300 ns.
Şekil 6 ve Şekil 7, sırasıyla hafif yük ve aşırı hafif yük koşullarında çalışan dalga biçimlerini göstermektedir.Simülasyon temelinde 600 W deneysel bir prototip oluşturulmuştur. Deneyler, konvertörün yüksek hafif yük verimliliği sağlarken daha geniş bir yük aralığında ZVS'ye ulaşabildiğini göstermektedir. Şekil 8, Q1 sürücü dalga biçimini gösterir, diğer sürücü dalga biçimleri benzerdir.
Şekil 6 Hafif yük çalışma dalga formu
Şekil 7 Çok hafif yük çalışma dalga formu
Şekil 8 Q1 sıfır gerilim dönüşümü
Şekil 9, bu makaledeki entegre kontrol altındaki dönüştürücünün genel verimliliğini geleneksel tam köprülü dönüştürücü ile karşılaştırmaktadır. Anma yükü% 5'ten düşük olduğunda verimin% 70'in üzerinde tutulabildiği ve nominal yük% 5 -% 20 olduğunda verimin% 90'ın üzerine çıkabildiği görülmektedir ki bu, geleneksel tam köprü dönüştürücünün verimliliğinden çok daha yüksektir. Bunun nedeni, bu kağıdın ayarlanabilir çıkış voltajı ve alt mod kontrol dönüştürücülü PFC ile eşleştirilmesidir, böylece dönüştürücü daha yüksek hafif yük verimliliğine sahiptir. Ek olarak, dijital kontrol, kontrol döngüsü bileşenlerini azaltır ve genel kaybı azaltır.
Şekil 9 Genel verimlilik
4. Sonuç
Bu makale, iki aşamalı güç dönüştürücünün hafif yük verimliliğine odaklanır ve dijital kontrol teknolojisine dayalı entegre bir kontrol stratejisi önerir. Verimlilik, hafif yükte ve% 10 nominal yükte sırasıyla% 6,9 ve% 10,0 artar, bu da sunucular ve adaptörler gibi güç kaynaklarının geliştirilmesini daha da teşvik edebilir.
Referanslar
KIM Y D, CHO K M, KIM D Y, ve diğerleri. Dolaşan akımın neden olduğu düşük iletim kaybına sahip geniş aralıklı ZVS faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücü.IEEE Güç Elektroniği İşlemleri, 2013, 28 (7): 3308-3316.
ZHONG C, SHASHA L, LIANGCHEN S. Geniş bir yük aralığında azaltılmış parazitik salınım ile yumuşak anahtarlamalı tam köprü dönüştürücü Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2014, 29 (2): 801-811.
KIM D Y, KIM C E, MOON G W. Hafif yük koşullarında daha düşük güç tüketimi için faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücüde değişken gecikme süresi yöntemi Power Electronics IEEE İşlemleri, 2013, 28 (11): 5120-5127.
LAI YS, SU Z J. İki aşamalı sunucu güç verimliliğini iyileştirmek için yeni çevrimiçi maksimum görev noktası izleme tekniği ve bekleme süresi üzerindeki etkisinin araştırılması. IEEE İşlemleri Endüstriyel Elektronik, 2014, 61 (5): 22522263.
Shi Yongsheng, Gao Danyang, Liu Yanxin, ve diğerleri.Dijital olarak kontrol edilen DC / DC dönüştürücülerin hafif yük verimliliği üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2015, 41 (8): 113-116.
Shi Yongsheng, Yu Bin, Wang Xifeng, vb DSP'ye dayalı yüksek hafif yük verimliliğine sahip dijital DC / DC dönüştürücü Elektronik Cihazlar, 2015, 38 (2): 338-342.
Li Dong, Ruan Xinbo.Üç sunucu güç sisteminin karşılaştırmalı analizi.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2006, 26 (13): 68-73.
JANG Y, JOVANOVIO M M.A Optimize edilmiş manyetik kullanıma sahip köprüsüz PFC güçlendirici doğrultucu Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2009, 24 (1): 85-93.
LAI Y S, YEH CA, HO K M. Sınır akım modu kontrolü altında tahmini dijital kontrollü PFC ailesi. IEEE İşlemleri Endüstriyel Elektronik, 2012, 8 (3): 448-458.
Zhang Yuncheng Akım ikiye katlayan eşzamanlı düzeltme ve faz değiştiren tam köprü DC dönüştürücü üzerine araştırma Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2014: 11-18.
LAI YS, SU ZJ, CHEN W S. İki aşamalı sunucu gücü için bekleme süresi gereksinimini karşılarken hafif yük verimliliğini artırmak için yeni hibrit kontrol tekniği.IEEE İşlemleri, 2014, 29 (9): 4763-4775 .
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
