Il controllo digitale offre vantaggi significativi in termini di progettazione, come un elevato livello di flessibilità combinato con prestazioni e affidabilità elevate, mentre i convertitori risonanti LLC aumentano l'efficienza riducendo significativamente la potenza dissipata dai MOSFET in un convertitore DC/DC.
Insieme, queste tecnologie possono aiutare le aziende a raggiungere gli obiettivi di efficienza stabiliti da iniziative come l'ENERGY STAR Data Center Energy Efficiency Initiative e l'80 PLUS® Initiative. L'ENERGY STAR Data Center Energy Efficiency Initiative si rivolge ad apparecchiature e infrastrutture IT, gruppi di continuità (UPS) e altre apparecchiature responsabili di un elevato consumo energetico.
L'iniziativa 80 PLUS® affronta il problema del fatto che alcuni alimentatori trascorrono una parte significativa del loro tempo operando a carichi ben al di sotto del loro livello di efficienza ottimale. Questa iniziativa stabilisce che un'efficienza dell'80% debba essere il minimo per un alimentatore da 115 V che opera al 20%, 50% e 100% del suo carico nominale. Le certificazioni Platinum, Gold, Silver e Bronze possono essere assegnate quando un alimentatore supera questi livelli di efficienza. Ad esempio, per ottenere una certificazione Bronze, un alimentatore da 230 V deve raggiungere un'efficienza dell'81% al 20% e al 100% del suo carico nominale e un'efficienza dell'85% al 50% del suo carico nominale. Il maggiore impulso all'aumento dell'efficienza energetica proviene dagli utenti finali, che includono sempre più spesso la certificazione degli alimentatori secondo queste iniziative tra i requisiti di acquisto.
I progettisti possono realizzare alimentatori a basso consumo energetico combinando l'efficienza di un convertitore risonante LLC con il controllo digitale avanzato offerto dai controllori di segnale digitale (DSC) come la famiglia dsPIC® di Microchip Technology. Questi DSC a basso numero di pin offrono potenti capacità di elaborazione del segnale digitale (DSP) e periferiche di alimentazione intelligenti ottimizzate per il controllo digitale dell'alimentazione.
Principi fondamentali dei convertitori risonanti:
operando in modalità risonante, nel punto in cui l'impedenza tra l'ingresso e l'uscita del circuito è minima, si ottiene una maggiore efficienza. Ad esempio, la potenza dissipata dai MOSFET in un convertitore risonante LLC può essere significativamente ridotta alimentando il MOSFET con una tensione o corrente sinusoidale e commutandolo in prossimità del punto di attraversamento dello zero della tensione o corrente sinusoidale. La commutazione del MOSFET quando la tensione drain-source è prossima allo zero (commutazione a tensione zero, o ZVS) e durante la transizione da uno stato del MOSFET all'altro mentre la corrente che lo attraversa è zero (commutazione a corrente zero, o ZCS) minimizza le perdite di commutazione del MOSFET. Questa tecnica di commutazione dolce 
riduce anche il rumore di sistema e fornisce una migliore risposta alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Per sistemi ad alta potenza e alta tensione, la topologia ZVS è la più adatta.
In un convertitore a commutazione risonante, la tensione o la corrente sinusoidale viene generata da elementi reattivi come condensatori e induttori. Le tre principali classi di convertitori risonanti sono: il convertitore risonante in serie (SRC), il convertitore risonante in parallelo (PRC) e una combinazione di entrambi, il convertitore risonante serie-parallelo (SPRC). La Figura 1 mostra lo schema a blocchi del convertitore risonante di alto livello e i tre tipi di circuiti risonanti.
Nel convertitore risonante in serie, il carico è collegato in serie con l'induttore e il condensatore del circuito risonante. Il guadagno del circuito risonante è pari a 1. Sebbene il convertitore risonante in serie possa funzionare senza carico, la sua tensione di uscita non può essere regolata. Per i sistemi a tensione zero (ZVS), il circuito deve operare al di sopra della frequenza di risonanza nella regione induttiva. Con una bassa tensione di rete, il convertitore risonante in serie opera più vicino alla frequenza di risonanza.
Nel PRC, il carico è collegato in parallelo con il condensatore risonante. Il PRC può funzionare senza carico in uscita e, a differenza dell'SRC, la sua tensione di uscita può essere regolata senza carico. Per la commutazione a tensione zero (ZVS), il PRC deve anche funzionare al di sopra della risonanza nella regione induttiva. Analogamente all'SRC, a basse tensioni di linea il PRC opera più vicino alla frequenza di risonanza; tuttavia, il PRC si differenzia per la sua capacità di condurre correnti elevate. L'induttore in serie e il condensatore in parallelo forniscono protezione dai cortocircuiti.
In un SPRC, il circuito risonante è una combinazione di convertitori in serie e in parallelo e può operare in configurazione LCC o LLC. Analogamente agli SRC e PRC, un progetto SPRC LCC non può essere ottimizzato con un'elevata tensione di ingresso. Di conseguenza, la migliore alternativa per molte applicazioni è un LLC, come mostrato in Figura 1.
Il convertitore LLC può funzionare in risonanza, alla tensione di ingresso nominale e in condizioni di funzionamento a vuoto. Inoltre, può essere progettato per funzionare su un'ampia gamma di tensioni di ingresso. Sia la commutazione a tensione zero che quella a corrente zero sono possibili su tutto il campo di funzionamento.
Le prestazioni di un convertitore risonante sono misurate da diversi parametri. Il fattore di qualità (Q) di un circuito risonante è un parametro adimensionale che descrive il grado di smorzamento del circuito. È definito come il rapporto tra la potenza immagazzinata e la potenza dissipata nel circuito. Un valore di Q elevato indica una larghezza di banda più stretta per il circuito risonante.
La qualità è un parametro chiave nel guadagno di un circuito risonante ed è anche chiamata rapporto di conversione di tensione (M). Valutando le famiglie di curve M generate variando λ, la frequenza normalizzata, o Q, è possibile ottenere un'indicazione delle prestazioni di un convertitore risonante prima di calcolare tutti i parametri. M è definito come:
M(fsw ) = f ( fn, l, Q)
Dove:
fN = frequenza normalizzata, f/fr
l = rapporto di induttanza, Lr/LM
Q = qualità, una funzione dell'impedenza di uscita
Come mostrato in Figura 2, il circuito LLC per Q come parametro ha due frequenze di risonanza: una dovuta alla presenza di Lr e Cr, l'induttore e il condensatore in serie a 0,5; e la seconda dovuta all'induttore in parallelo Lm. Lr e Cr hanno una frequenza di risonanza a fn = 1 (fr) e Lm + Lr e Cr hanno una frequenza di risonanza a fn ~ 0,5.
Le diverse modalità operative del LLC includono: in risonanza; al di sotto della risonanza; o al di sopra della risonanza. In risonanza, i MOSFET commutano alla frequenza di risonanza entro una finestra temporale molto ristretta, determinata dai componenti selezionati, per generare perdite minime.
Al di sotto della risonanza, il comportamento del circuito è simile a quello in risonanza, ma la corrente del circuito risonante è limitata dalla corrente di magnetizzazione durante una parte del ciclo. Se per la rettifica sincrona sul lato secondario si utilizzano MOSFET anziché diodi, i gate devono essere spenti al momento opportuno. Ciò generalmente richiede una tecnica di rilevamento della corrente, come la misurazione della caduta di tensione ai capi dei MOSFET.
Al di sopra della risonanza, anziché essere limitata dalla corrente di magnetizzazione, la corrente del circuito risonante è maggiore della corrente di magnetizzazione. In questa regione, gli interruttori sincroni possono essere azionati simultaneamente con gli interruttori sul lato primario per semplificare il controllo.
Poiché viene utilizzata la commutazione a tensione zero, le sorgenti risonanti LLC sono intrinsecamente caratterizzate da bassi livelli di interferenza elettromagnetica e radio.
Topologia di controllo digitale per aumentare l'efficienza.
Il controllo completamente digitale della conversione di potenza e delle funzioni di gestione del sistema di convertitori risonanti LLC può essere facilmente implementato utilizzando i DSC di ultima generazione.
Oltre ai componenti e alle sezioni mostrati in Figura 1, un circuito LLC comprende un ingresso CC, una rete di commutazione, un circuito risonante LLC, un trasformatore, un raddrizzatore, un filtro e un carico. La Figura 3 mostra un anello di retroazione controllato digitalmente per un convertitore risonante LLC in un'applicazione di telecomunicazioni. Il convertitore LLC è spesso utilizzato nelle telecomunicazioni come convertitore CC/CC a valle di un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC) in un sistema CA/CC. La tipica tensione di uscita del PFC, pari a circa 400 V, può essere immessa direttamente nel convertitore LLC. L'ampio intervallo di ingresso consente l'utilizzo di condensatori di accumulo di dimensioni ridotte. Le specifiche di progettazione sono riassunte nella Tabella 1.
Grazie a prestazioni pari a 40 MIPS e periferiche di alimentazione intelligenti, il dsPIC33FJ GS offre una notevole potenza di calcolo digitale all'interno del convertitore risonante. Queste periferiche includono un PWM a 16 bit ad alta velocità con funzionalità quali una risoluzione del periodo di 1 ns e uscite a sfasamento.
Il circuito di commutazione nel progetto di riferimento utilizza una topologia a semiponte, pertanto la tensione del semiponte varia tra 0V e Vd della tensione nominale di 400 V CC. Il circuito risonante include un condensatore, un induttore e l'induttanza di magnetizzazione del trasformatore isolato per ridurre i costi del sistema, eliminando la necessità di un induttore esterno. Questo progetto può anche utilizzare l'induttanza di dispersione del trasformatore come secondo induttore, eliminando un ulteriore induttore esterno e riducendo ulteriormente i costi.
Se correttamente sintonizzato sulla frequenza di commutazione, il circuito risonante presenta un'impedenza finita alla frequenza fondamentale e un'impedenza molto elevata per le altre armoniche. L'impedenza del circuito risonante produce una deriva di fase tra tensione e corrente che abilita la commutazione a tensione zero (ZVS). La Figura 4 mostra la ZVS dei MOSFET nel primario.
Il lato secondario è stato progettato utilizzando un raddrizzatore sincrono, anziché diodi, per ridurre le perdite di conduzione secondarie. Ciò riduce sia la resistenza diretta (Rf) sia le perdite dovute alla tensione diretta del diodo. La Figura 5 mostra la forma d'onda di commutazione del raddrizzatore sincrono.
Per la rettifica sincrona, il controllo digitale avvia la commutazione del FET senza richiedere circuiti per il rilevamento secondario della corrente. Ciò si traduce in una maggiore efficienza e un costo inferiore per la progettazione di un raddrizzatore a onda intera. La Figura 6 mostra l'efficienza per l'intervallo di corrente di carico: l'efficienza LLC per le due tensioni operative di ingresso indica la sua insensibilità alla tensione di ingresso. Si raggiunge un'efficienza dell'80% con una corrente di carico in uscita inferiore a 2 A, mentre per carichi maggiori l'efficienza massima è del 95% e rimane estremamente costante tra 7 e 17 A. Altri vantaggi includono una maggiore flessibilità nella progettazione del compensatore grazie all'utilizzo di un DSC per l'avvio graduale e il controllo del duty cycle.
Grazie alla facilità di controllo della conversione di potenza tramite software riprogrammabile, i progettisti hanno la possibilità di modificare o adattare agevolmente il proprio progetto, oppure di aggiungere nuove funzionalità economiche che creano valore. La precisione del controllo digitale migliora inoltre l'affidabilità dell'alimentatore.
Abstract:
I vantaggi derivanti dalla combinazione di convertitori risonanti LLC e controllo digitale tramite DSC consentono ai progettisti di aumentare l'efficienza energetica dei convertitori DC/DC per le telecomunicazioni e altre applicazioni di media e alta potenza. Mentre i convertitori risonanti LLC possono ridurre le perdite di potenza, il controllo digitale migliora la flessibilità e l'affidabilità intrinseche del convertitore. Il riferimento proposto fornisce le basi per la realizzazione di convertitori più efficienti e tempi di commercializzazione più rapidi.
Per ulteriori informazioni: una descrizione più dettagliata del progetto di riferimento che utilizza il DSC dsPIC è disponibile nella nota applicativa AN1336 di Microchip Technology: DC/DC LLC Resonant Converter Reference Design.
Nota: i nomi e i loghi Microchip e dsPIC sono marchi registrati di Microchip Technology Inc. negli Stati Uniti e in altri paesi. Tutti gli altri marchi citati appartengono alle rispettive società.
