Еще одна разработка которая выпала мне - это повышающий преобразователь с высоким КПД для зеленой энергетики.
Параметры преобразователя:
- Vin nom - 50V
- Vout nom - 360V
- Pout max - 1500W
- Efficiency - >95%
- Защита от кз, превышения тока, переполюсовки входа, перегрева, повышенного/пониженного входного напряжения.
- Возможность объединения нескольких преобразователей в параллель.
Так же преобразователь должен быть компактным, и легко обслуживаемым.
Пара слов о топологии LLC
LLC топология, это резонансная топология, позволяющая получить самый высокий КПД в сравнении с другими топологиями. Высокий КПД тут получается за счет обеспечения мягкого переключения для всех силовых элементов в источнике, как для первичных транзисторов, так и для вторичного выпрямителя. Первичные транзисторы работают с мягким переключением в "нуле напряжения" - ZVS. Вторичный выпрямитель переключается в нулях тока - ZCS. Данное обстоятельство обеспечивает очень малые потери при переключении полупроводников. В результате основные потери в полупроводниках - это статичные потери проводимости.
В LLC используется ЧИМ (частотно-импульсная ) модуляция, и такой преобразователь осуществляет регулировку выходных параметров путем изменение частоты переключения на первичной стороне. При этом силовые транзисторы работают всегда с к.заполнения = 50%.
Первичный LLC контур состоит из трех элементов:
- Сr - резонансной емкости
- Lr - резонансной индуктивности
- Lm - индуктивности намагничивания силового трансформатора
Типичная схема включения для LLC - полумост:
АЧХ LLC характеризуется двумя резонансными пиками . Первая резонансная частота LLC формируется индуктивностью Lr и емкостью Cr
Вторая резонансная частота получается за счет учета индуктивности намагничивания Lm:
График АЧХ имеет примерно следующий вид:
На графике пунктирная линия разделяет рабочие области на индуктивную и емкостную зоны работы. Qe - добротность контура Lr+Cr с учетом сопротивления нагрузки. Ln - отношение Lm/Lr. Mg - к. усиления /передачи контура Lr+Cr. Для мягкой коммутации полупроводников необходимо соблюсти несколько условий:
- параметры LLC должны рассчитываться с учетом максимальной нагрузки так, чтоб рабочая точка преобразователя всегда находилась в индуктивной зоне.
- энергия накопленная в Lr на момент коммутации должна быть больше чем энергия удвоенной паразитной емкости ключей первички.
- Мертвое время между переключением ключей должно быть больше времени перезаряда паразитной емкости ключей энергией из Lr .
Рисунок поясняющий момент ZVS ниже
Транзисторы для первичной стороны стоит выбирать с минимальной емкостью Cds (сток-исток).
Первичный анализ, выбор Cr Lr Lm
Особенность передаточной хар. LLC в том что контур LrCr работает как фильтр для первички трансформатора - Lm, пропуская только первую гармонику из входного напряжения, по этой причине ток в цепи Lr Cr Lm практически всегда синусоидальной формы. Из этого так же следует что на резонансной частоте к.усиления LrCr = 1 и к первички трансформатора Lm прикладывается все входное напряжение. Если частота коммутации Fsw выше резонансной Fr, импеданс LrCr начинает расти приводя к ослаблению сигнала, к.усиления падает. Если Fsw < Fr, в резонансе начинает участвовать и Lm, в результате общий к.усиления LrLmCr растет и может быть больше 1. В таком случае напряжение развиваемое на первичке трансформатора может быть больше напряжения источника питания.
Вывод из вышесказанного:
- Для повышения напряжения на выходе LLC преобразователя - Fsw < Fr
- При номинальном Vin Vout - Fsw = Fr
- Для понижения выходного напряжения - Fsw > Fr
Основная доля расчетов преобразователя сводится к нахождению трех неизвестных: резонансной индуктивности Lr, резонансной емкости Cr и индуктивности намагничивания трансформатора ( первички) Lm
Есть множество методик нахождения этих параметров, все они описаны в апнотах производителей контроллеров для LLС.
Свой анализ я начал с нахождения минимального и максимального к.усиления LLC при минимальном и максимальном входном напряжении - Mg.
Далее был выбран сердечник для трансформатора. Я планирую выполнить трансформатор планарным, и для мощности в 1500Вт был выбран сердечник ELP43. Однако расчет так же был выполнен и для ELP58
Сердечник необходимо обсчитывать при работе на номинальное напряжение на номинальной частоте. В случае полумоста Vin=Vin/2, Fsw = 120KHz. Тогда по формуле Bm = (Vin/2)*ton/Ae*N можно найти число витков первички. В моем случае N=4.
Следующим этапом находим сопротивление отраженной нагрузки
Зная сопротивление нагрузки, тип сердечника для Lm и кол. витков первички можно начинать подбирать Lr и Сr.
Процесс этот не быстрый и требует нескольких пересчетов.
Вводные для данного анализа это отношение резонансной индуктивности к индуктивности намагничивания, максимальная добротность на максимальной нагрузке обеспечивающая Mg_min, контурный ток в LLC, практически применимые номиналы Lr и Сr, желаемая рабочая частотная полоса. Свой анализ я провожу в LTspice, путем подбора параметров контура так, чтоб получить минимальную резонансную емкость Cr при заданных к.усиления в заданной полосе частот.
Пример моделирования такой цепи на сердечнике ELP58 с зазором ниже:
Получив требуемые значения элементов контура LLC, можно начинать подбор элементной базы.
В моем случае для сердечника ELP43 потребуется 4 витка первички и 30 для вторички, и зазор в 2,5мм. Номинал резонансной емкости должен быть в пределах 3мкФ, и данная емкость должна быть рассчитана на ток в 120А на частоте 120КГц!.
Такую емкость я планирую набрать из чип-керамических конденсаторов с диэлектриком NP0. В отличии от пленочных - тут размер всей батареи будет со спичечный коробок, а потери в 10 раз меньше.
Для первых тестов платы делаю сам на фрезерном станке. Ниже пример первичной обмотки для трансформатора ELP43 на 4 витка. Рядом с трансформатором первичный полумост с полевыми транзисторами IAUT300N08S5N01A. печатная обмотка как и плата для полумоста выполнены на двухстороннем текстолите FR4 с фольгой 50мкм.
Пример компоновки трансформатора с полумостом ниже. В качестве резонансной индуктивности используется собственная индуктивность рассеяния трансформатора. Собственно для этой цели в том числе был выбран сердечник с зазором.
Резонансная емкость Cr будет располагаться на обратной стороне платы с ключами. Так же драйвер с контроллером будет под силовой платой с ключами. Соединение двух плат через гребенку с шагом 1,27мм ( полюбилась мне эта гребенка).
Компоновка первичных элементов LLC сформирована таким образом, чтоб обеспечить минимальную паразитную индуктивность на всем пути первичного тока.
Радиатор предполагается устанавливать сверху, через термопрокладку с теплопроводностью - 6.0 W/mK. У КПТ-8 теплопроводность хуже :\
На этом пока все.
Продолжение следует.
П.с. При создании данной статьи я руководствовался материалом от TI - Designing an LLC Resonant Half-Bridge Power Converter
