LLC Резонансный ИИП на базе IRS27952 [2018]

В этой статье речь пойдет о LLC резонансном импульсном источнике питания (ИИП), для УМЗЧ на базе контроллера IRS27952 (он же IRS27951), так же будет подробно описан упрощенный метод расчета всех элементов для данного импульсного блока питания. Сразу хочется обратить внимание на то, что процесс расчета и изготовления резонансного ИИП весьма сложен и не каждый сможет с ним справиться, поэтому не рекомендуется браться за построение данного блока питания малоопытным радиолюбителям, правильно оценивайте свои силы. Само собой, для изготовления подобного источника питания, в наличии должен быть осциллограф и прибор, позволяющий измерять емкость и индуктивность (LC-метр). Описанный в статье метод расчета — упрощенный, он не учитывает всех нюансов и тонкостей, но его достаточно чтобы построить работоспособный резонансный импульсный источник питания. В статье не будет подробного описания принципа работы резонансных импульсных преобразователей, основной упор будет сделан на описание процесса расчета и изготовления резонансного ИИП.

 

В чем же преимущества резонансного ИИП в сравнении с «классическим импульсником»? Преимущества резонансного режима — это низкие потери и электромагнитные помехи (которые гораздо проще поддаются контролю и фильтрации), ниже потери восстановления выпрямительных диодов, меньше нагрузка на все элементы блока питания, что дает повышенную надежность и долговечность относительно «классических ИИП», возможность работы на гораздо более высоких частотах без ущерба эффективности, надежности и стоимости. И самый главное преимущество: резонансник — это модно 😀 

Далее приведу некоторые технические характеристики, моего экземпляра резонансного ИИП на базе IRS27952:

• Выходная мощность (расчетная) = 250Вт
• Выходная мощность (максимально испытанная) = 276Вт
• Выходное напряжение (в диапазоне от 0Вт до 276Вт) = +/- 40В (+/-0.1В)
• КПД (при выходной мощности 276Вт) = 92% 

Осциллограммы формы тока через первичную обмотку резонансного трансформатора (при разных значениях выходной мощности):

Описываемый ИИП имеет в наличии софт-старт, защиту от короткого замыкания в нагрузке и стабилизацию выходного напряжения, которая точно поддерживает выходное напряжение преобразователя на одном уровне, во всем диапазоне выходных мощностей.

При работе на выходной мощности до 200Вт, нет никакого ощутимого нагрева, ни одного из элементов блока питания. Силовые ключи на радиатор не устанавливались. При выходной мощности 276Вт, ключи становятся едва ощутимо теплыми, но уже ощутимо начинает разогреваться первична обмотка трансформатора. Защита от КЗ работает исправно. При замыкании выхода преобразователя, прекращается генерация, блок питания переходит в спящий режим и находится в нем до того момента пока короткое замыкание не будет устранено. После устранения короткого замыкания, по прошествии определенного времени, блок питания самостоятельно перезапускается и продолжает работу в нормальном режиме. 

Схема резонансного импульсного источника питания на базе IRS27952:

Подробно описывать принцип работы схемы не буду, остановлюсь лишь на отдельных моментах. Первоначальный запуск преобразователя происходит через цепь из резисторов R16, R10, R7 и R6. Дальнейшее питания контроллера осуществляется от цепи самопитания (R14, C8, VD4, VD7).  Стабилитрон VD2 поддерживает напряжение питания контроллера на одном уровне — 16В. Хочу обратить внимание, что IRS27952, в отличает от например IR2153 и IR2161, не имеет встроенного стабилитрона, поэтому применение внешнего стабилитрона строго обязательно, иначе контроллер гарантированно выйдет из строя. Конденсаторы C3 и C5 сглаживают пульсации и устраняют помехи в цепи питания IRS27952. Цепочки резисторов R1, R2, R3 и R5, R9, R15 — предназначены для разрядки конденсаторов после отключения сетевого питания преобразователя. Отдельное внимание следует уделить следующим элементам: Rfmin, Rfmax, Rfss, Ct, Css — это частото и время задающие элементы преобразователя, их номиналы необходимо рассчитывать под ваши конкретные задачи, об этом будет далее. Стабилитроны VD10 и VD13, так же подбираются под необходимое вам выходное напряжение: суммарное напряжение стабилизации двух стабилитронов должно быть равно расчетному значению выходного напряжения одного плеча, в данном случае для получения выходного напряжения +/-40В, применены два стабилитрона по 20В.

Пожалуй это все что можно рассказать о схеме, принципиально она мало отличается от любой из схем импульсного преобразователя, выполненного на контроллерах от International Rectifier (теперь уже — Infineon). Самое время перейти к расчету.

Расчет резонансной цепи. Для расчета нам потребуется программа ResonantSMPS из состава пакета All In One, авторства Старичка. Сразу скажу, что метод расчета описанный далее, является упрощенным и опытный глаз сможет найти в нем некоторые упущения, сделано это намерено, ради того чтобы максимально упростить расчет, чтобы максимальное числом неподготовленных радиолюбителей смогло повторить данный резонансный ИИП. И так, открываем программу и вводим исходные данные:

На первом этапе вводим все исходные данные как на скриншоте выше (дальше мы будем их корректировать). Все что вам нужно выбрать самостоятельно — это выходное напряжение. В окошке напротив «Номинальное напряжение, В», вводим необходимое вам напряжение. Например, если вам необходимо двухполярное выходное напряжения +/-40В, то вводим 80В (80В=40В+40В). Повторюсь: необходимо подобрать номиналы стабилитронов VD10 и VD13, таким образом, чтобы их суммарное напряжение стабилизации было примерно равно необходимому вам выходному напряжению ИИП (напряжению одного плеча). То есть, если вам необходимо выходное напряжение +/-40В, то необходимо использовать два стабилитрона по 20В, если необходимо например +/-35В, то стабилитрон VD10 на 30В и стабилитрон VD13 на 5,1В. Номинальный ток вычисляем из необходимой нам выходной мощности блока питания и напряжения. Допустим мы хотим получить ИИП с выходной мощностью 200Вт, значит нам необходимо желаемые 200Вт разделить на номинальное напряжение, в нашем случае 200Вт/80В и получится номинальный ток = 2,5А — это значение вписываем в соответствующее окошко программы. Прямое падение на диодах указываем 1В. Если вы знаете точное значение падения напряжения на диоде, то указывайте его, но в любом случае можно указывать прямое падение на диодах равно одному вольту, на точность расчета это почти никак не повлияет, на работоспособность тем более.

Далее выбираем тип выпрямления — мостовое. И вводим желаемые диаметры проводов, которыми вы будете наматывать трансформатор. Диаметр провода не должен быть более 0,5мм, лучше использовать более тонкий провод и мотать в несколько жил. После этого выбираем подходящий сердечник:

Я использовал сердечник ETD29 и поэтому на плате посадочное место сделано под этот тип и размер сердечника, под любой другой сердечник придется корректировать печатную плату. А вам необходимо выбрать такой сердечник, чтобы он подходил по габаритной мощности и вся обмотка уместилась на его каркасе. После выбора сердечника, жмем кнопку «Рассчитать» и смотрим что у нас получилось:

Сразу нужно выставить минимально возможную величину немагнитного зазора, равную той, что предлагает программа (в моем случае 0,67мм) и снова нажать кнопку «рассчитать». После этого смотрим только на одну строку — это «емкость резонансного конденсатора». Чтобы упростить себе жизнь и не тратить свое время и силы на подбор нестандартной емкости из нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов, меняем значение резонансной частоты в соответствующем окошке программы, таким образом, чтобы емкость резонансного конденсатора получилась равна какому-либо стандартному значению емкости.

В моем случае емкость резонансного конденсатора получилась 28нФ, ближайшее стандартное значение 33нФ, к этому значению и будем стремиться. 

При манипуляциях с резонансной частотой, величину зазора всегда нужно устанавливать минимальной или очень близкой к минимальному значению что предлагает программа. Резонансную частоту я рекомендую выбирать в диапазоне 85 — 150кГц.. В моем случае резонансная частота, соответствующая «удобной» резонансной емкости, получилась 90кГц. Все самые главные цифры которые вам нужно запомнить, записать, заскринить, которые понадобятся в дальнейшем:

Значения в красных прямоугольниках понадобятся вам при намотке трансформатора. Хочу обратить внимание, что число витков вторичной обмотки соответствует введенному значению выходного напряжения — 80В. Если мы хотим получить блок питания с двухполярным выходным напряжением +/-40В, необходимо мотать не одну, а две вторичные обмотки, в данном случае две обмотки по 12-13 витков (полученные 25 витков делим на два).

 Для дальнейших расчетов нам нужно взглянуть на передаточную характеристику (для этого нужно на нажать на соответствующую кнопку в левом верхнем углу окна программы):

Запоминаем значения Fmin и Fmax. У нас они равны: Fmin=54кГц, Fmax=87кГц. Эти значения нам будут нужны для дальнейших расчетов. 

Расчет номиналов обвязки IRS27952. В самом конце этой статьи нужно скачать файл NominaliObvyazki.xlsx. Для открытия его вам потребуется Microsoft Excel. Открываем файл и видим следующее:

Осталось только ввести наши Fmin и Fmax полученные выше и получить все номиналы обвязки IRS27952. Единственное, нам нужно выбрать емкость конденсаторы Ct, который задает величину мертвого времени. По хорошему, для этого потребовался бы достаточно сложный расчет, который необходимо выполнять исходя из параметров применяемых ключей, но поскольку у нас расчет упрощенный, я рекомендую просто использовать в качестве конденсаторы Ct, конденсатор с емкостью 390-470пФ. Этой емкости и соответствующего ему — мертвого времени, будет достаточно чтобы не перейти в режим жесткого переключения, при применении большинства популярных ключей, таких как как IRF740, STP10NK60, STF13NM60 и указанных в схеме 2SK3568. Оптимальная продолжительность софт-старта — 0,1 сек, можно установить большую продолжительность до 0,3 сек, больше не имеет смысла (при выходной емкости конденсаторов ИИП до 10000мкФ). Вводим наши Fmin и Fmax и получаем:

Все номиналы обвязки (кроме емкости конденсатора софт-старта), автоматически округляются до ближайших стандартных значений. Тут же можно видеть фактические значения минимальной, максимальной частот и частоты софт-старта, которые получатся с применяемыми стандартными номиналами обвязки. Емкость конденсатора софт-старта набирается из нескольких конденсаторов, керамических SMD и электролитического, для этого предусмотрено достаточно места на печатной плате. На этом расчет можно считать оконченным. 

Реализация резонансной цепи. В резонансную цепь входят: резонансный трансформатор, резонансная емкость и дополнительный резонансный дроссель (если он необходим). Номинал резонансной емкости нам уже известен. Резонансный конденсатор должен быть пленочным, типа CBB21 или CBB81, допускается так же CL21 (но не рекомендуется). Напряжение конденсатор должно быть не менее 630В, лучше 1000В. Связано это с тем, что максимально допустимое напряжение на конденсаторе зависит от частоты тока через конденсатор, конденсатор на 400В проживет не долго. И теперь самое интересное — резонансный трансформатор. Для его намотки у нас есть все необходимые исходные данные. Как мотать? Вариантов есть несколько. Первый вариант: мотать как обычный трансформатор — мотаем первичку на всю ширину каркаса, после мотаем вторичку на всю ширину каркаса (или наоборот, сначала вторичку, потом первичку). Второй вариант: мотать вторичку на всю ширину каркаса, а первичку на половину или на треть ширины каркаса (или наоборот — первичку на всю ширину, а вторичку на половину или треть ширины каркаса). И третий вариант: использовать секционную намотку, когда первичная и вторичная обмотки полностью разделены. Для этого потребуется либо специальный секционированный каркас или такой каркас придется сделать самому, разделив каркас пластиковой перегородкой. 

Зачем это и что это дает? Первый вариант — самый простой, но дает минимальную индуктивность рассеивания. Второй вариант — очень неудобный в намотке, дает среднюю по величине индуктивность рассеивания. Третий вариант — дает самую высокую и самую предсказуемую величину индуктивности рассеивания, кроме того наиболее удобный в намотке способ. Вы можете выбирать любой из вариантов. После того как вы определились с вариантом намотки и намотали нужное количество витков первичной и вторичной обмоток, необходимо изменить получившуюся индуктивность рассеивания первичной обмотки получившегося трансформатора. Для этого необходимо собрать трансформатор. На этом этапе склеивать части сердечника и вводить зазор не нужно (от величины зазора, наличия его или отсутствия, индуктивность рассеивания не зависит), достаточно временно стянуть сердечник изолентой. Необходимо, с помощью пайки, надежно замкнуть все выводы вторичной обмотки между собой и измерить индуктивность первичной обмотки. Полученное значение индуктивности и будет индуктивностью рассеивания первичной обмотки трансформатора. Допустим у вас получилась индуктивность рассеивания 50мкГн. Сравниваем получившееся значение с расчетным значением Lr, которое вы рассчитали выше:

Не сошлось! Надо 94мкГн, а у нас получилось 50мкГн. Что делать? Главное не паниковать! Такое бывает, обязательно будет у вас и это абсолютно нормально. Устранить это несоответствие нам поможет дополнительный резонансный дроссель. Но, если еще не забыли, чуть выше я писал про три варианта намотки трансформатора?! Так вот, первый способ дает самую низкую индуктивность рассеивания и используя его, вам гарантированно понадобится дополнительный дроссель. Второй вариант дает среднюю по величине индуктивность рассеивания и дроссель скорее всего вам все равно понадобится, но не с такой большой индуктивностью, как при использовании первого варианта. А вот в случае использования третьего варианта, возможно сразу получить необходимую индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора, без использования дополнительно резонансного дросселя. Необходимая индуктивность рассеивания, при третьем варианте намотки, получается правильным выбором соотношения ширины намотки первичной и вторичной обмоток. Возможно даже что вам повезет и вы сможете угадать с шириной намотки первички и вторичек, и сходу получить нужную индуктивность рассеивания (как это получилось у меня). Но если вам не повезло и измеренная индуктивность рассеивания и необходимое расчетное значение не совпали, то необходимо использовать дополнительный резонансный дроссель. Индуктивность дросселя должна быть равна: расчетное значение Lr минус получившееся реальное значение индуктивности рассеивания первичной обмотки. В нашем случае: 94мкГн-50мкГн=44мкГн — именно такой должна быть индуктивность дополнительного резонансного дросселя, который на схеме и на плате показан как Lr. На чем мотать? Мотать правильнее всего на кольце из материала -2 или -14, выглядят такие кольца следующим образом:

Для намотки резонансного дросселя так же допускается использовать ферритовые кольца (зеленые или синие), но обязательно с зазором. Величина зазора выбирается произвольно. Для колец из материала -2 и -14 зазор не нужен. Мотать резонансный дроссель необходимо тем же проводов и тем же количеством жил что и первичную обмотку трансформатора. Количество витков должно быть таким, чтобы получить необходимое значение индуктивности, в нашем случае 44мкГн. И когда дроссель (если он оказался необходим) и резонансный трансформатор намотаны, необходимо подогнать индуктивность его первичной обмотки к расчетному значению. Выше мы уже вычислили какой должна быть полная индуктивность первичной обмотки трансформатора. В случае если реальная индуктивность рассеивания совпала с расчетным значением резонансной индуктивности и дополнительный резонансный дроссель оказался не нужен, то индуктивность первичной обмотки, подбором величины зазора в сердечнике трансформатора, подгоняется под расчетное значение:

То есть, необходимо, постепенно увеличивать зазор между частями сердечника трансформатора, пока измеренная индуктивность первичной обмотки трансформатора не станет равной нашему расчетному значению — 524мкГн. Но это только в случае, если не будет использоваться дополнительный резонансный дроссель. Если дополнительный дроссель будет присутствовать, то из расчетного значения полной индуктивности первичной обмотки, необходимо вычесть индуктивность этого дополнительного дросселя. В нашем случае получается 524мкГн-44мкГн=480мкГн, именно такой должна получится индуктивности первчиной обмотки нашего трансформатора. Индуктивность первичной обмотки измеряется с разомкнутыми вторичными обмотками. После достижения необходимого значения индуктивности первичной обмотки трансформатора, можно считать трансформатор и резонансный дроссель готовыми, а расчет оконченным. 

Как убедиться что все получилось, что получившийся ИИП действительно резонансник? Необходимо с помощью осциллографа смотреть форму тока через первичную обмотку трансформатора. Для этого, в случае наличия дополнительного резонансного дросселя, на него наматывается временная пробная обмотка из 2-3 витков тонкого провода, нагружается на резистор сопротивлением 330-750Ом, а к этой обмотке подключается осциллограф. Форма тока должна быть синусоидальной или близкой к синусоидальной (примерно такой, как показано на моих осциллограммах выше). Если резонансного дросселя нет, то на его место, временно устанавливается токовый трансформатор. Он представляет из себя ферритовое кольцо с обмоткой содержащей 40-50 витков тонкого провода, нагруженная на резистор 330-750Ом, к которой подключается осциллограф и второй обмоткой из одного витка, которая включается на место резонансного дросселя.

Немного фотографий:

В завершении статьи хочу поблагодарить Илью Симонюка за предоставленные для опытов микросхемы IRS27952 и другие SMD элементы!

Спасибо за внимание!

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	LLC Резонансный ИИП на базе IRS27952
R6	Резистор	0 Ом	1	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R4, R11, R13	Резистор	4. 7 Ом	3	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R8, R12	Резистор	22 Ом	2	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R17	Резистор	750 Ом	1	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R18, R19	Резистор	24 кОм	2	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1, R2, R3, R5, R9, R15	Резистор	120 кОм	6	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R7, R10, R16	Резистор	270 кОм	3	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R14	Резистор	4. 7 Ом	1	Выводной, 0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Rfmin	Резистор	*	1	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Rfss	Резистор	*	1	SMD1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Rfmax	Резистор	*	1	Выводной, 0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C2	Конденсатор пленочный	100 нФ	1	CL21, 400В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C4, C7	Конденсатор пленочный помехоподавляющий	100 нФ	2	X2, 275В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C8	Конденсатор керамический	1 нФ	1	630/1000В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C6, C5	Конденсатор керамический	100 нФ	2	SMD1206, 50В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C11, C12, C13, C14, C15, C16	Конденсатор керамический	1 мкФ	6	SMD1206, 50В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C3	Конденсатор электролитический	10 мкФ	1	25В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C1	Конденсатор электролитический	220 мкФ	1	400В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C9, C10, C17, C18	Конденсатор электролитический	1000 мкФ	4	50В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Css	Конденсатор	*	1	SMD1206 и/или электролитический, 10В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Cr	Конденсатор резонансный	*	1	CL21/CBB21/CBB81, 630/1000В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Lr	Дроссель резонансный	*	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
T1	Трансформатор резонансный	*	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD1, VD5, VD6	Выпрямительный диод	LS4148	3	LL4148	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD3, VD4, VD7	Выпрямительный диод	MURS160	3	UltraFast, 600В, 1А	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD8, VD9, VD11, VD12	Выпрямительный диод	SF54	4	UltraFast, 150-200В, 5А	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VDS2	Выпрямительный диод	KBU8M	1	Диодный мост, 6-8А, 1000В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD2	Стабилитрон	BZV55-C16	1	16В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD10, VD13	Стабилитрон	BZV55-B20	2	20В, (выбираются под выходное напряжение ИИП)	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT1, VT2	MOSFET-транзистор	2SK3568	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D1	LLC Resonant Controller	IRS27952	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	* — необходим расчет под ваши условия требования
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• ИИП

Блоки питания PULS

Товар сертифицирован

Выберите город:МоскваЕкатеринбургНовосибирскЛипецкНижний НовгородУфаСанкт-ПетербургВоронежРостов-на-ДонуСамараПермьКазаньТюменьОмскАстраханьСургутВолгоградКалининградВладивосток

Транспортной компанией

Доставка в Москву от 1-2 дней

Стоимость доставки: 2910 ₽*

*Ориентировочная стоимость за 1кг (куб. м)

Гарантия и сервис

Гарантия 12 месяцев

Связаться с нашим менеджером и сообщить о неисправности

• Описание
• Отзывы(0)

Устройства PULS являются импульсными источниками питания.

Модификации

Блоки питания изготавливаются в таких типоисполнениях:

• Silverline,
• Dimension,
• Miniline.

Особенности

Блоки питания обладают такими преимуществами:

• на 50 % меньше по габаритам по сравнению с существующими аналогами других производителей.
• запас по выходной мощности в пределах от 20 % до 50 % в зависимости от модели.
• запатентованной системой фиксации, обеспечивающей простоту монтажа и демонтажа на DIN-рейках.

Технические характеристики

Однофазные источники питания PULS

• Серия MiniLine
  • 23 различных стандартных модели в пластмассовых корпусах с малым потреблением мощности, широкого назначения.
  • Три типоразмера: 22,5 мм, 45 мм, 72,5 мм
  • Выходы: 5 В, 12 В, 15 В, 24 В, 48 В, 15 — 100 Вт
• Серия DIMENSION CS
  • Источники питания с оптимальными характеристиками широкого назначения.
  • Выходы: 24 В, 48 В, 80 — 240 Вт
• Серия DIMENSION QS
  • Источники питания премиум класса с более высоким КПД и более широкими функциональными возможностями
  • Выходы: 12 В , 15 В , 24 В , 30 В , 48 В пост.тока, 80 — 960 Вт

Трёхфазные источники питания PULS

• Серия MiniLine
  • Серия самых компактных источников питания для трёхфазной системы,
  • Вход: двухфазные 380 — 480 В,
  • Выход: 24 — 28 В пост. тока, 90 Вт (NEC — Класс-2), 100 Вт,
• Серия DIMENSION CT,
  • Источники питания с оптимальными характеристиками, широкого назначения,
  • Вход: 380 — 480 В,
  • Выходы: 12 В, 24 В, 48 В пост. тока , 96 — 240 Вт,
• Серия DIMENSION QT,
  • Источники питания с более высоким КПД и расширенными функциями,
  • Вход: 380 — 480 В,
  • Выходы: 24, 36 В, 48 В пост. тока, 480 — 960 Вт.

Трёхфазные источники питания PULS с автоматическим регулированием

• Серия DIMENSION XT
  • Резонансные преобразователи с автоматическим регулирование отличаются сверхкомпактной конструкцией, максимальным КПД и конкурентоспособными ценами,
  • Преобразователи постоянного тока в постоянный (конвертеры DC/DC),
  • Вход: 12 В — 48 В.
• Серия DIMENSION CD
  • Гальванически изолированный выход шести различных стандартных устройств:
  • 24 В 5 В, 40 Вт,
  • 12 В 24 В, 96 Вт,
  • 24 В 12 В, 96 Вт,
  • 24 В 24 В, 92 Вт (NEC Class 2),
  • 24 В 24 В, 120 Вт,
  • 24 В 24 В, 120 Вт с сигнальными выходами,
  • 48 В 24 В, 120 Вт,
  • Преобразователи постоянного тока в постоянный (конвертеры DC/DC),
  • Вход: 85 В — 900 В.
• Серии MiniLine и DIMENSION QS
  • Многие источники питания переменного тока могут также использоваться на входном напряжении постоянного тока,
  • Вход: 85 — 375 В пост. тока (в зависимости от модели),
  • Выход: возможны различные выходные напряжения.
• Серия DIMENSION QTD
  • Источник питания для промежуточной шины приводной системы
  • Вход: 360 — 900 В пост. тока,
  • Выход: 24 — 28 В пост. тока, 480 Вт.

Источники питания PULS с защитным покрытием

Печатные платы с защитным покрытием повышают надежность работы в неблагоприятных условиях, таких как высокая концентрация пыли, загрязнения, вероятность попадания воды, наличия вибраций или термического удара.

• Однофазные
  • ML50.109: 100 — 240Vac, 24 — 28 В 50 Вт,
  • ML100.109: 100 — 240Vac, 24 — 28 В 100 Вт,
  • CS5.241 — C1: 115/230Vac, 24 — 28 В 120 Вт,
  • QS10.241 — C1: 100 — 240Vac, 24 — 28 В 240 Вт,
  • QS20.241 — C1: 100 — 240Vac, 24 — 28 В 480 Вт.
• Трёхфазные
  • SL10.309: 380 — 480Vac, 24 — 28 В 240 Вт,
  • QT20.241 — C1: 380 — 480Vac, 24 — 28 В 480 Вт.

Понимание работы LLC (часть I): силовые выключатели и резонансный резервуар | Статья

Tomas Hudson

ЗАГРУЗИТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц Резонансные преобразователи LLC

стали горячей темой в энергетике электроники, потому что они могут соответствовать жестким требованиям к производительности, предъявляемым к современным конструкциям источников питания. LLC является одним из значительно большего семейства топологий резонансных преобразователей, все из которых основаны на резонансных резервуарах. Резонансные резервуары представляют собой цепи, состоящие из катушек индуктивности и конденсаторов, которые колеблются с определенной частотой, называемой резонансной частотой.

Поскольку они допускают более высокие частоты переключения (f _SW ) и снижают потери при переключении, эти преобразователи постоянного тока в постоянный режим переключения часто используются в мощных и высокоэффективных приложениях. Резонансные преобразователи LLC идеально подходят для энергоснабжения чувствительных систем (например, бытовой электроники высокого класса) или энергоемких операций (например, зарядки электромобилей).

Преобразователь LLC состоит из 4 блоков: силовые ключи, резонансный бак, трансформатор и диодный выпрямитель (см. рис. 1). Во-первых, силовые ключи MOSFET преобразуют входное постоянное напряжение в высокочастотный прямоугольный сигнал. Затем эта прямоугольная волна поступает в резонансный резервуар, который устраняет гармоники прямоугольной волны и выдает синусоидальную волну основной частоты. Синусоидальная волна передается на вторичную обмотку преобразователя через высокочастотный трансформатор, который увеличивает или уменьшает напряжение в зависимости от применения. Наконец, диодный выпрямитель преобразует синусоидальную волну в стабильный выходной сигнал постоянного тока.

Рис. 1. Принципиальная схема упрощенного LLC-преобразователя

Способность LLC-преобразователя поддерживать высокий КПД даже при очень высокой мощности обусловлена ​​его резонансной природой. Резонансная природа LLC-преобразователей обеспечивает мягкое переключение как на первичной, так и на вторичной стороне, повышая эффективность за счет снижения коммутационных потерь.

Кроме того, топология LLC экономит место на плате. Топологии LLC не имеют выходной катушки индуктивности, а это означает, что все катушки индуктивности можно легко интегрировать в единую магнитную структуру для экономии площади и затрат. Когда все индуктивные элементы цепи размещены в одной структуре, улучшается электромагнитная совместимость, так как проще и дешевле экранировать одну структуру, чем три.

Силовые переключатели

Силовые переключатели могут быть реализованы в топологиях полного моста или полумоста, и каждый из них имеет уникальную форму выходного сигнала (см. рис. 2).

Рис. 2. Топологии переключателей питания

Основное различие между этими топологиями заключается в том, что топологии полного моста генерируют прямоугольный сигнал без смещения постоянного тока и с амплитудой, равной входному напряжению (V _IN ). Полумостовые топологии излучают прямоугольную волну, которая смещена на (V _IN /2) и, таким образом, имеет половину амплитуды полной мостовой волны.

У каждой топологии есть свой набор преимуществ и недостатков. Полномостовая топология требует большего количества транзисторов, что делает ее реализацию более дорогой. Более того, добавленные транзисторы имеют повышенное последовательное сопротивление (R _DS(ON) ), что может увеличить потери проводимости. С другой стороны, реализация полного моста снижает необходимый коэффициент трансформации трансформатора (N) вдвое, что минимизирует потери в меди в трансформаторе.

Полумостовая топология более экономична в реализации и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в снижении среднеквадратичного значения тока через конденсатор примерно на 15 %, но при этом также увеличиваются коммутационные потери.

Принимая во внимание эти компромиссы, рекомендуется использовать полумостовую топологию переключателя мощности для приложений с мощностью менее 1 кВт и полный мост для приложений с более высокой мощностью.

Резонаторный резервуар

Резонаторный резервуар состоит из резонансного конденсатора (C _R ) и двух катушек индуктивности: резонансной катушки индуктивности (L _R ), включенной последовательно с конденсатором и трансформатором, и намагничивающей катушки индуктивности (L _M ), параллельно. Роль резервуара состоит в том, чтобы отфильтровать гармоники прямоугольной волны, выводя синусоиду основной частоты переключения на вход трансформатора.

Рисунок 3: Схема LLC-резервуара с первичной нагрузкой

Резонансный резервуар имеет коэффициент усиления, который изменяется в зависимости от частоты и нагрузки, приложенной к вторичной стороне (см. Рисунок 4). Конструкторы должны настроить эти параметры, чтобы обеспечить эффективную работу преобразователя в широком диапазоне нагрузок, задав коэффициент усиления резервуара выше 1 для всех значений нагрузки.

Рис. 4. Резонансная характеристика усиления в диапазоне нагрузок

Преобразователь LLC имеет широкий рабочий диапазон и высокий КПД благодаря двойным индукторам резонансного резервуара. Чтобы понять, как это работает, рассмотрим реакцию бака на тяжелые и легкие нагрузки в зависимости от индуктора.

На рис. 5 показано усиление резонансного резервуара для диапазона нагрузок, если резонансный резервуар состоит только из резонансного конденсатора и намагничивающей катушки индуктивности. При малых нагрузках отчетливо виден пик усиления резонансного резервуара. Однако усиление для тяжелой нагрузки не достигает пика — вместо этого он имеет затухающий отклик и достигает единичного усиления только на очень высоких частотах.

Рисунок 5: Характеристика усиления и схема для LC-контейнера с параллельным индуктором

Если резонатор состоит только из резонансного индуктора (L _R ) последовательно с резонансным конденсатором поведение другое. Коэффициент усиления не превышает 1, но при максимальной нагрузке бак достигает единичного коэффициента усиления гораздо быстрее, чем с параллельным индуктором.

Рис. 6. Характеристика усиления и схема для LC-резервуара с последовательным индуктором

За счет применения обоих индукторов в резонансном резервуаре результирующая характеристика усиления по частоте гарантирует, что преобразователь может адекватно реагировать на гораздо более широкий диапазон нагрузок — кроме того , он может обеспечить стабильное управление для всего диапазона нагрузки (см. рис. 4). Получившийся резервуар LLC имеет две резонансные частоты (f _R и f _M ), рассчитанные по уравнению (1) и уравнению (2) соответственно.

$$f_{R} = \frac {1}{2π \sqrt {L_{R} \times C_{R}}}$$ $$f_{M} = \frac {1}{2π \sqrt {L_{M}+L_{R} \times C_{R}}}$$

Отклик усиления резервуара зависит от трех параметров: нагрузки, нормализованной индуктивности и нормализованной частоты.

Нагрузка выражается через добротность (Q), которая зависит от нагрузки, подключенной к выходу. Однако использование значения нагрузки не является точным, так как между выходом резонансного бака и нагрузкой находится трансформатор и выпрямитель (см. рис. 1). Следовательно, мы должны использовать первичное значение нагрузки, называемое R 92}{π} \times R_{O}$$ $ $ Q = \ frac {\ sqrt {L_ {R} / C_ {R}}} {R_ {AC}} $ $

Нормализованная частота (f _N ) определяется как отношение между частотой переключения MOSFET (f _SW ) и резонансной частотой бака (f _R ). f _N можно рассчитать по уравнению (5):

$$f_{N} = \frac {f_{SW}}{f_{R}}$$

Нормализованная индуктивность (L _N ) выражается как отношение между резонансной и намагничивающей катушками индуктивности, оцененное с помощью (уравнение 6): 92}$$

Обратите внимание, что эти расчеты были выполнены с использованием анализа первой гармоники (FHA). Это применимо, поскольку мы предполагаем, что ООО работает в пределах резонансной частоты (f _R ). Применяя анализ Фурье, вход резонансного резервуара представляет собой прямоугольную волну, состоящую из нескольких синусоид с разными амплитудами и частотами. Поскольку резонансный резервуар отфильтровывает все синусоидальные волны с частотами, отличными от основной частоты f _SW , мы можем игнорировать все волны, кроме основной синусоиды, что значительно упрощает наш анализ.

Мягкое переключение

Одной из популярных особенностей LLC-преобразователей является их способность к мягкому переключению.

Мягкое переключение направлено на снижение коммутационных потерь за счет координации с естественным подъемом и спадом тока, а также напряжения в цепи, чтобы гарантировать, что электронные переключатели включаются и выключаются в наиболее эффективных точках. Если переключение происходит, когда ток приблизительно равен нулю, это называется переключением при нулевом токе (ZCS). Если переключение происходит при низком напряжении, это называется переключением при нулевом напряжении (ZVS). Преобразователи LLC могут выполнять как ZVS, так и ZCS из-за их резонансной природы.

На рис. 7 показаны четыре основных режима работы LLC-преобразователя. Режим 1 и режим 3 показывают стандартную работу LLC, которая уже обсуждалась. В режиме 1 ток подается от источника в резонансный бак и во вторичную обмотку трансформатора (Q1 включен, а Q2 выключен). В режиме 3 оставшаяся мощность, хранящаяся в резонансном баке, передается на вторичную обмотку трансформатора с током, текущим в направлении, противоположном направлению, чем в режиме 1 (Q1 выключен, а Q2 включен). ZVS возникает в режиме 2 и режиме 4, когда оба переключателя выключены. В эти периоды ток протекает через внутренний диод транзистора (например, Q2 в режиме 2 или Q1 в режиме 4), что также называется холостым ходом. 9Рис. 7. Схема рабочего режима LLC Поскольку это происходит, когда оба сигнала затвора низкие, к тому времени, когда схема переходит из режима 2 в режим 3 или из режима 4 в режим 1, напряжение на транзисторе близко к нулю, что минимизирует коммутационные потери.

Рис. 8. Сигналы режима работы LLC

Заключение

Понимание того, как работает LLC-резонатор, имеет решающее значение при разработке LLC-преобразователя. Резонансные характеристики бака делают преобразователь LLC столь популярным, поскольку этот преобразователь может поддерживать эффективную и стабильную работу в широком диапазоне нагрузок и мощностей. Однако этот резонанс также заставляет разработчиков быть очень осторожными при расчете параметров схемы, поскольку характеристика усиления бака зависит от множества параметров, включая нагрузку и рабочую точку преобразователя (см. уравнение (7)).

Инструменты проектирования, такие как MPS LLC Designer, идеально подходят для ускорения проектирования LLC, позволяя пользователям быстро перебирать различные коэффициенты усиления и частоты и рассчитывать значения компонентов, необходимые для их проекта.

_______________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

Технический форум

Получить техническую поддержку

ООО «Резонансные преобразователи» Поднимите планку энергоэффективности

Загрузите эту статью в формате PDF.

Импульсные источники питания (SMPS) известны своей превосходной эффективностью. И хотя они достигают значительного уровня эффективности, поиски ее дальнейшего повышения продолжаются. Одной из разработок, помогающих достичь этой цели, являются резонансные преобразователи LLC. В этих уникальных импульсных источниках питания используются методы резонансных цепей для уменьшения коммутационных потерь.

Однако, чтобы получить какие-либо выгоды от резонансных методов, требуется сложный контроллер. Теперь такие контроллеры доступны, и они обеспечивают дополнительное энергосбережение, что еще больше повышает эффективность.

Что за черт такой резонансный преобразователь LLC?

Переключающие транзисторы подвержены значительным потерям, возникающим во время включения и выключения. Когда транзистор закрыт, мощность не рассеивается. Когда транзистор включен, его низкое сопротивление во включенном состоянии сводит рассеивание мощности к минимуму. Однако во время переключения транзисторы проходят через свою линейную область, где их сопротивление выше, что означает рассеивание мощности. К счастью, переходные периоды короткие. Сокращение времени переключения существенно снижает энергопотребление.

Время переключения определяется характеристиками транзистора, а также другими характеристиками схемы. Кроме того, имейте в виду, что резкие переходы фронта импульса вызывают переходные процессы, которые генерируют шум и электромагнитные помехи (ЭМП). Поэтому ключевой целью проектирования является сокращение времени переключения за счет использования более высокой частоты переключения. Хотя электромагнитные помехи по-прежнему возникают при более высоких скоростях переключения, наблюдается полезное снижение энергопотребления. Использование резонансных методов LLC может привести к желаемому снижению энергопотребления.

LLC, разумеется, относится к использованию двух индуктивностей (L) и конденсатора (C). Эта комбинация создает резонанс на частоте переключения. В результате переключающие транзисторы видят синусоиду и могут переключаться в точках пересечения нуля или вблизи нуля. Это приводит к уменьшению коммутационных потерь в транзисторах.

Преимущества этого пути заключаются в том, что он позволяет использовать более высокие частоты переключения, что, в свою очередь, уменьшает размеры трансформаторов и фильтров (и связанных с ними компонентов), а также минимизирует рассеивание тепла переключающими транзисторами и потребность в больших радиаторах. . Все эти преимущества достигаются при одновременном повышении общей эффективности схемы.

Резонанс Пример

1. В этой упрощенной версии LLC резонансного преобразователя постоянного тока последовательный резонанс зависит от резонансного конденсатора C _r и комбинации резонансных индукторов L _r и L 900 19 м . L _m — намагничивающая индуктивность первичной обмотки трансформатора.

На рис. 1 показан преобразователь постоянного тока, использующий резонансные методы. Полумостовые транзисторы Q1 и Q2 попеременно выключаются и включаются прямоугольными импульсами с коэффициентом заполнения 50%. Это создает входное напряжение, представляющее собой прямоугольную волну переменного тока, которая возбуждает цепь. Индуктор (L _r ) и конденсатор (C _r ) соединены последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Индуктивность намагничивания первичной обмотки L _m включается последовательно с L _r , увеличивая общую последовательную индуктивность. Значения L и C выбраны так, чтобы они резонировали на частоте переключения. Резонансная частота определяется по известной формуле:

f _r = 1/2π √(LC)

Помните, что на резонансной частоте X _L отменяет X _C , оставляя только любое последовательное сопротивление для определения добротности цепи:

Q = X _L /R

Эффективное последовательное сопротивление определяется сопротивлением индуктора и первичной обмотки, добавленным к эквивалентному сопротивление отраженной нагрузки.

В то время как приложенное напряжение представляет собой прямоугольную волну переменного тока, первичная цепь является резонансной и «звонит» или колеблется на резонансной частоте, а ток имеет синусоидальную форму.

Сигналы переключения на транзисторы синхронизированы таким образом, что время переключения происходит в точках пересечения нулевого напряжения или тока. При нулевом токе или минимальном токе ток транзистора равен нулю или очень мал, поэтому рассеиваемая мощность во время переходов включено-выключено равна нулю или минимальна.

Цифровой контроллер для реализации LLC Resonant SMPS

Компания Texas Instruments UCC256301 представляет собой контроллер LLC, работающий в диапазоне частот от 35 кГц до 1 МГц. Он подходит для использования в цифровых телевизорах, электроинструментах, светодиодном освещении, адаптерах переменного и постоянного тока и других современных источниках питания, где эффективность является наиболее важной. Его функции и преимущества включают в себя встроенный высоковольтный запуск, разрядку x-cap, надежную защиту от сбоев и уникальный метод управления.

Рисунок 2 показан LLC-резонансный преобразователь постоянного тока, использующий UCC256301. Обратите внимание на резонансные компоненты L _r , L _m и C _r . Также обратите внимание на вход сигналов VCR и ISNS на микросхему контроллера и обратную связь (FB) с выхода.

2. Этот практичный резонансный преобразователь LLC использует контроллер UCC256301. Показаны сигналы обратной связи от HHC к контроллеру на выводах ISNS, VCR и FB. (Источник: блог TI «Улучшите свою игру с резонансными преобразователями LLC»)

UCC256301 использует технику управления, называемую гибридным гистерезисным управлением (HHC), для улучшения переходной характеристики. Переходная характеристика относится к тому, как преобразователь LLC реагирует на быстрые изменения нагрузки. Чтобы избежать использования больших нагрузочных конденсаторов для минимизации изменений выходного напряжения, UCC256301 использует комбинацию методов обратной связи управления частотой и управления зарядом.