Некоторые особенности работы LLC-преобразователей

Статья не претендует на полноту изложения, может считаться частью конспекта автора, написанной во время изучения принципов работы LLC-преобразователей

Во многих импульсных блоках питания средней и малой мощности используются преобразователи с ШИМ-контроллером, управляющим силовыми ключами, накачивающими энергией катушку индуктивности.

Из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей электронных элементов и печатной платы, источники питания с ШИМ-регулированием имеют определенный предел повышения рабочей частоты, при достижении которого возникает множество проблем, теряется эффективность.

Паразитные емкости и и индуктивности в импулсьном DC-DC преобразователе:

Помимо потерь, растущих с увеличением частоты преобразования, дополнительную лепту в потери вносят демпферные/снабберные цепи, компенсирующие выбросы на индуктивностях в момент переключения/чередования импульсов.

Снабберные и демпфирующие цепи в импульсном источнике питания с обратноходовым DC-DC преобразованием (элементы R2,C2,D1 и R3C3):

Значительно уменьшить влияние переходных процессов, а также увеличить рабочую частоту преобразования можно, учитывая общую индуктивность цепей преобразователя, (в том числе паразитные LC-параметры) при резонансном преобразовании:

В блоках питания с резонансным преобразованием используются LLC или LCC конвертеры с управлением силовыми ключами посредством частотно-импульсной модуляции (PFM, pulse-frequency modulation).

Цепи, соединяющие силовые ключи с первичной обмоткой трансформатора DC-DC преобразователя, имеют собственную частоту резонанса. Если частота импульсов, накачивающих трансформатор энергией, будет примерно равна этой частоте, то такой преобразователь будет иметь наименьшие потери. Использование резонансных конвертеров позволяет увеличить КПД, уменьшить количество электронных элементов, а также сделать трансформатор преобразователя более компактным.

Чаще всего при резонансном преобразовании используется топология с двумя катушками индуктивности LL и одним конденсатором C (LLC-конвертер):

На небольших мощностях может также использоваться LCC-топология:

В LCC-преобразователях ток в первичной цепи (Ipri) при одинаковом входном напряжении (Vin=400V) намного выше, чем у LLC-конвертеров:

Потери мощности (P=I²R) LCC-преобразователя квадратично возрастают с ростом тока, поэтому в мощных устройствах предпочтительнее использовать именно LLC топологию.

Особенности работы DC-DC LLC-преобразователя

При LLC преобразовании импульсы постоянного тока, поступающие с ключевого каскада поступают на последовательный колебательный контур, образованный конденсатором Cr и катушкой индуктивности Lr (это может быть Lрассеивания обмоток трансформатора или отдельная катушка), включенными перед первичной обмоткой трансформатора, имеющей собственную индуктивность намагничивания Lm:

Колебательный контур такого преобразователя образован одной емкостью и двумя индуктивностями, поэтому сокращенно его обозначают LLC-конвертером.

Прямоугольные импульсы, поступающие с силовых ключей, на колебательном контуре преобразуются в синусоидальную форму. Благодаря этому уменьшаются переходные выбросы, а также появляется возможность осуществлять переключение ключей в момент перехода синусоидального напряжения через ноль:

Это снижает потери и позволяет увеличить частоту работы преобразователя — уменьшить габариты трансформатора.

Накачка резонансного LLC-контура энергией осуществляется силовыми ключами, которые могут работать по полумостовой или мостовой схемам. На больших мощностях (более 1000 ватт) обычно используют мостовую схему:

Резонансные преобразователи обеспечивают очень высокий КПД благодаря работе с синусоидальным током на частоте, близкой к резонансу LC-элементов устройства.

Переключение силовых ключей осуществляется при нулевом мгновенном значении вольтажа (Zero Voltage Switching, ZVS) синусоиды, что значительно снижает потери при коммутации.

В режиме ZVS (мягкое переключение) потери на ключевом транзисторе минимальны:

LLC-преобразователь работает циклично, чередуя четыре состояния:

1.Передача энергии на резонансный контур через открытый транзистор S1:

2. Транзистор S1 закрывается, ток в контуре LrLmCr течет через внутренний диод ключевого транзистора S2:

3. Энергия, накопленная в контуре, передается во вторичную цепь:

4. Резонансный контур разряжается на источник питания через внутренний диод ключевого транзистора S1:

Потери на силовых элементах преобразователя при переключении в основном обусловлены наличием паразитной емкости между стоком и истоком полевого транзистора (потери возрастают с увеличением частоты), а также запаздыванием запирания диодов при чередовании импульсов:

Конструирование/наладка (и, в случае необходимости, ремонт) LLC-преобразователей достаточно сложна: нужно точно подобрать величины Lr, Lm, Cr, коэффициент трансформации для заданного достаточно узкого диапазона входных и выходных напряжений, выбрать оптимальную частоту работы PFM-контроллера, а также обеспечить работу силовых ключей в режиме ZVS.

Управление силовыми ключами резонансного преобразователя в штатном режиме осуществляется с помощью изменения частоты, как правило, сигналом с частотно-импульсной модуляцией со скважностью 50%.

Различия между ШИМ (PWM) и ЧИМ (PFM) модуляцией:

Контроль частоты работы резонансного преобразователя осуществляется с помощью схем обратной связи, например, через токовый трансформатор или шунт:

Эффективность работы LLC контура напрямую связана с точной настройкой в резонанс и величины приложенной нагрузки. Наибольшая эффективность наблюдается в районе частоты резонанса:

Резонансный контур с двумя катушками индуктивности, включенными параллельно (Lm) и последовательно (Lr), имеет две резонансных частоты:

Пример частотно-волновой характеристики контура LmCr (наибольшая эффективность при малой нагрузке на частоте порядка 50 kHz):

Пример частотно-волновой характеристики контура LrCr (самая высокая эффективность на частоте порядка 70-80 kHz при любой нагрузке):

Величина отдаваемой LLC-преобразователем мощности (выходного напряжения) может регулироваться в достаточно узких пределах путем изменения частоты работы силовых ключей:

Как видно из графика, LLC-конвертер эффективно работает только в узком диапазоне частот, что соответствует высокой и средней нагрузке.

Так как LLC преобразователь может работать в узком диапазоне частот (между частотами резонанса контуров LrCr и LmCr), на его входе должен поддерживаться достаточно постоянный уровень напряжения Vin, выходное напряжение Vout также должно быть константой, что хорошо подходит для компьютерных ATX БП. LLC блоки питания на входе обычно имеют блок активной коррекции мощности (в AC-сети с вольтажом 220-230 вольт он обеспечивает накачку накопительного конденсатора энергией до напряжения порядка +380 вольт).

LCC-конвертер достаточно эффективно работает на всех частотах выше резонансной даже при большом разбросе значений Vin/Vout:

При небольшом потреблении тока (например, в зарядных устройствах, светодиодном освещении и т. д.), когда токовые потери в первичной цепи невелики, использование LCC-преобразователей является оправданным. На больших нагрузках их эффективность падает пропорционально квадрату потребляемого тока, поэтому при мощности более 100-150 ватт лучше использовать LLC-топологию.

При большой нагрузке на режим работы LLC-преобразователя (частоту резонанса) большее влияние оказывают конденсатор Cs и индуктивность рассеивания Ls. Это связано с уменьшением общего сопротивления трансформатора Z2(s), образованного индуктивностью Lm и сопротивлением активной нагрузки Rac (оно становиться меньше). При маленькой нагрузке влияние индуктивности трансформатора (Lm+Rac) на частоту резонанса увеличивается (влияние параметра Rac снижается):

Таким образом, отдаваемая мощность и частота работы резонансного преобразователя взаимно связаны. На большой мощности частота работы уменьшается до минимума, а на маленькой — увеличивается до максимума.

График зависимости частоты работы LLC-преобразователя в зависмости от отдаваемой мощности:

Как видно из графика, при малой нагрузке частота преобразования значительно отличается от резонансной, что негативно сказывается на эффективности. В связи с этим, при низком токе нагрузки, преобразователь может переключаться в режим работы с ШИМ-регулированием (как, например, контроллер CM6901).

Учитывая особенности, описанные выше, LLC-схемотехника часто применяется в блоках питания мощностью 150-1800 ватт с эффективностью порядка 95%. Для питания более мощной нагрузки предпочтительнее использовать топологию полный мост с фазовым сдвигом между полумостами (PSFB).

Зависмость эффективности/цены преобразователей различных топологий от их мощности:

Схемотехника LLC преобразователя импульсного источника питания

Частотно-импульсный преобразователь состоит из четырех основных функциональных блоков:

силовые ключи, передающие прямоугольные импульсы DC-напряжения, поступающего от входного выпрямителя (корректора мощности) на резонансный контур (так он накачивается энергией). Управление ключами осуществляется частотно-импульсным сигналом (PFM), формирующимся контроллером блока питания на основе сигнала обратной связи;

резонансный LLC контур, состоящий из индуктивности и емкости рассеивания (Lr и Cr) и катушки намагничивания (Lm) — является нагрузкой силового каскада, преобразует прямоугольные импульсы в синусоидальную форму. В преобразователе с ключами, работающими в полумостовом режиме синусоидальное пиковое напряжение на LLC-контуре равно входному Vin, в полномостовом оно удвоено;

силовой трансформатор — обеспечивает понижение синусоидального напряжения, поступающего с LLC-контура и гальваническую развязку первичных цепей блока питания от вторичных;

выходной выпрямитель на диодах Шоттки или синхронный выпрямитель на MOSFET-транзисторах с низким сопротивлением открытого канала RDSon — обеспечивает выпрямление тока, поступающего с силового трансформатора. Сглаживание импульсов с выпрямителя для формирования постоянного выходного напряжения Vout осуществляется конденсатором Cout:

Силовые ключи в резонансном преобразователе, как правило, работают по полномостовой или полумостовой схеме:

Полномостовая схема чаще используется в очень мощных БП, так как упрощается конструкция трансформатора (не нужен средний вывод), уменьшается необходимый коэффициент трансформации, что снижает его размеры и потери энергии на проводниках обмотки.

Для уменьшения потерь во вторичной цепи импульсного источника питания вместо выпрямительных диодов обычно используется синхронный выпрямитель (SR).

В блоках питания с резонансным конвертером и синхронным выпрямителем часто используют микросхему, объединяющую в одном корпусе PFM-контроллер и схему управления синхронным выпрямителем на полевых транзисторах, например, в блоках питания BeQuiet Dark Power Pro серии 11 установлен чип Champion CM6901:

Некоторые контроллеры, используемые в резонансных преобразователях:

Упрощенная схема блока питания с LLC-преобразователем с полумостовой схемой включения силовых ключей:

Практическая схемотехника цепей резонансного LLC-преобразования в блоках питания

Пример схемы резонансного преобразователя с LLC-контуром, образованным первичной обмоткой трансформатора T1 (катушка намагничивания), индуктивностью рассеивания L5 на 80mH и конденсатором рассеивания C3 0.1mF 630V (блок питания GoldenField LL1800W):

В данной схеме накачка трансформатора энергией осуществляется MOSFET-транзисторами Q2,Q3,Q6,Q9 (21N50, Vds=500V, Id=21A, RDSon=0,2Ohm).

Они включены по схеме Full Bridge, управляются контроллером IC4 (контроллер резонансного инвертора и синхронного выходного выпрямителя CM6901) через микросхему IC3 (драйвер Texas Instruments UCC27324) и трансформаторы T3, T4 (по одному на каждую диагональ выпрямительного моста).

Первичная обмотка токового трансформатора T5 используется для контроля тока в резонансном контуре. Выпрямленный диодами D18-D20 (FR107) cигнал (вольтаж порядка 1V) с его вторичной обмотки через резистор R33 подается на микросхему CM6901, вывод 8 ILIM (вход токового компаратора внутри микросхемы).

Фрагмент типовой схемы резонансного преобразоваетля согласно Datasheet FM + 2 PWMING контроллера CM6901: