High Efficiency LLC Rezonant Çeviricinin Sabit Frekans Faz Kayması Kontrolü Üzerine "Academic Paper" Araştırması
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, yalnızca buck-boost durumunda kullanılamaz, aynı zamanda rezonans tankı 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 aralığı ile yeni bir LLC topolojisi önermektedir. Literatür, bir hibrit kontrol LLC yöntemi önermektedir.Farklı giriş voltajları altında çalıştığında, sırasıyla frekans dönüştürme ve faz kaydırma kontrolü kullanılmaktadır. Literatür, geniş bir giriş voltaj aralığına sahip bir sabit frekans kontrolü 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 mıknatıslama endüktansına 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 frekansı aralığına sahiptir.
Bu makale LLC topolojisinin ilkelerini ve özelliklerini analiz eder ve ana devrenin tasarımını optimize eder, böylece çalışma voltajı ve tam yük aralığı içindeki tüm anahtarlama tüplerinin sıfır voltaj anahtarlamasını sağlayabilir ve anahtarlama tüplerinin voltaj stresini en aza indirebilir. Sabit frekanslı faz kaydırma kontrolü, frekansı düşürmeden yüksek DC voltaj kazancı elde edebilir. 350 V ~ 500 V giriş ve 200 V / 5 A çıkışa sahip bir prototip tasarlandı Analizin güvenilirliğini ön olarak doğrulamak için Sabre yazılımı kullanıldı.Son olarak, prototip şemanın doğruluğunu kanıtlamak için 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 gösterildiği gibi, farklı yükler altında çalıştığında, anahtarlama frekansı daha küçük bir aralığa sahiptir ve hafif yük düzenleme sorunu olmayacaktır. Frekans dönüştürme kontrolü benimsenirse, çalışma frekansı aralığı nispeten geniş olacaktır ve yüksüz durumda voltaj dengesizliği meydana gelebilir. Bu metin, yük voltajındaki değişime 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 anahtarla senkronize olarak açılır, çünkü akım, daha küçük bir açık dirence sahip olan ikinci ölçümün anahtar kanalından akar 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 yarım döngüde çalışmasını sağlar. Anahtarlama frekansı rezonans frekansından düşük ve rezonans frekansına yakın olduğunda, LLC kesintili modda çalışır. LLC rezonant dönüştürücünün çalışma modu, burada ayrıntılı olarak açıklanmayacak olan geleneksel rezonant dönüştürücününkine benzerdir. Ana dalga biçimleri Şekil 4'te gösterilmiştir.
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 yan 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'ye depolanan enerji, DR1 ve SR2'den C0 kapasitörüne çıkar. Transformatör mıknatıslama endüktansı boyunca gerilim, bu sırada VLm = nVout olarak kenetlenir. İLm doğrusal olarak arttığında, rezonans boşluk akımı iLr (Vin-VCr-nVout) / Lr eğimi ile azalır ve nihayet mıknatıslayıcı endüktanstaki akıma eşittir, yani iLr = iLm.
Anahtarlama 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 ve 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 zaman 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 düştüğü 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 girildiğinde en büyük manyetik akı yoğunluğuna sahip olduğundan, transformatör, transformatör çekirdek kaybını azaltmak ve güç yoğunluğunu artırmak için olabildiğince 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 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 makalede tasarlanan dijital LLC rezonant dönüştürücünün doğruluğunu ve kararlılığını ön olarak doğrulayan bir Sabre simülasyon modeli oluşturulmuştur.
Şekil 7 ve Şekil 8, LLC rezonant konvertörünün sırasıyla sabit frekans ve faz kaydırma modunda rezonant tank akım dalga formlarıdır.Mıknatıslanma endüktansı boyunca akan akımın küçük olduğu, bu nedenle 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'nin altında olduğu ve 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. Şekilden, sürücü devresi tarafından PWM sinyal çıkışının periyodunun 10 s olduğu, yani anahtarlama frekansının 100 kHz olduğu ve ölü zamanın yaklaşık 300 ns olduğu, aynı köprü kolunun eşzamanlı iletimini etkin bir şekilde önleyebilen tasarım prototipinin parametreleriyle tutarlı olduğu 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'deki artış, sıfır voltaj kapanmasını gösterir. Miller etkisinin ve kaçak endüktansın etkisine bağlı olarak, Vds maksimum değere yükselmeden önce bir hızlanma fazı olacaktır 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 testleri gerçekleştirin, ardından sistemler birlikte ayarlanabilir. Sistem başarılı bir şekilde entegre edildikten sonra, farklı giriş yüklerinin verimliliği test edilir Verimlilik eğrisi Şekil 12'de gösterilmektedir. Deney, LLC rezonant dönüştürücünün tam yük aralığında yüksek verimli çalışmayı başarabildiğini kanıtlamaktadır, 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 deneyler 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'nin üzerine çıktığını, bu da teorik analizin doğruluğunu ve şarj cihazının şarj gereksinimlerini karşıladığını göstermektedir.
