Для обеспечения хорошей окупаемости инвестиций эти преобразователи мощности должны обладать очень высокой эффективностью (в дополнение к повышенной эффективности источника света) и длительным сроком службы (из-за высокой стоимости и часто удаленного или труднодоступного расположения). LLC-преобразователь, работающий совместно с высокоэффективным усилительным каскадом PGC, обеспечивает наилучшую эффективность при мощности выше 100 Вт, но также создает некоторые проблемы, прежде чем можно будет создать надежную конструкцию.
LLC-преобразователь — это резонансный импульсный преобразователь, в котором полумостовой переключатель соединен последовательно с резонансным контуром. В LLC-преобразователе выводы высокого и низкого напряжения соединены в полумостовой конфигурации с трансформатором через последовательно включенный конденсатор. Индуктивность трансформатора и конденсатора сжимает резонансную нагрузку, в то время как два транзистора управления полумостом проводят ток попеременно, создавая мертвое время между каждой фазой проводимости.
Изменения параметров проводимости и паразитных компонентов в затворах полумостовых MOSFET-транзисторов могут приводить к временным задержкам и потенциально вызывать срабатывание и катастрофический отказ MOSFET-транзисторов, как показано на рисунке 1. Риск срабатывания является основным ограничением частоты переключения в схемах LLC.
Компания Power Integrations (PI) решила эти проблемы с помощью нового семейства продуктов под названием HiperLCS™. Интегральные схемы HiperLCS объединяют все необходимые функции и схемы защиты, необходимые для LLC-преобразователя, в монолитное семейство интегральных схем, способное обеспечить выходную мощность до 440 Вт.<sup>1</sup> Устройства включают в себя два силовых MOSFET-транзистора на 530 В, драйверы высокого и низкого напряжения, драйвер LLC, защиту от УФ-излучения и перенапряжения, а также защиту от просадки напряжения.
В интегральных схемах HiperLCS высоковольтные выходные MOSFET-транзисторы, а также драйверы, преобразователь уровня и контроллер тесно связаны на одном кремниевом блоке. Это позволяет точно контролировать изменения в системе управления, обеспечивая компенсацию всех паразитных элементов. Кроме того, мертвое время и коэффициент заполнения регулируются для каждого устройства отдельно в процессе производства, обеспечивая сбалансированные коэффициенты заполнения в пределах ±1 процента.
Точное управление временем проводимости позволяет интегральным схемам HiperLCS поддерживать номинальный установившийся режим работы при частоте переключения 500 кГц и максимальной рабочей частоте 1 МГц. Эта высокая частота переключения важна, поскольку позволяет использовать недорогие керамические SMD-конденсаторы в выходной цепи вместо громоздких электролитических конденсаторов. Керамические конденсаторы также предпочтительны в приложениях с длительным сроком службы, таких как зональное освещение, поскольку они не подвержены дрейфу параметров или преждевременному выходу из строя — в отличие от электролитических конденсаторов, которые часто выходят из строя при повышенных температурах.
Дополнительным преимуществом использования высокой частоты переключения является то, что требуются значительно меньшие трансформаторы и выходные индукторы, что позволяет создавать низкопрофильные конструкции высотой всего 11 мм.
Точная регулировка коэффициента заполнения обеспечивает корректное переключение коэффициента заполнения между двумя выходными диодами и между каждой половиной вторичной обмотки трансформатора. Поэтому нет необходимости завышать номинал выходных диодов для компенсации дисбаланса тока.
Если коэффициент заполнения становится несбалансированным, выходные диоды должны быть рассчитаны на максимальный пиковый ток. Трансформатор также должен быть спроектирован для работы с более высоким током. Очевидно, что эффективность может снизиться из-за потерь I²R, возникающих в результате этих более высоких пиковых токов.
На рисунке 6 показаны основные элементы полного источника питания с выходным устройством HiperLCS. На входе переменного тока микросхема разрядного конденсатора X CAPZero™ экономит энергию, предотвращая утечку постоянного тока через резисторы защиты от разряда. Микросхема высокоэффективного корректора коэффициента мощности HiperPFS™ подает 380 В постоянного тока на выходной каскад устройства HiperLCS. Устройства семейства TOPSwitch™-JX обеспечивают очень маломощный источник питания в режиме ожидания, который служит двум целям: во-первых, он обеспечивает такие функции, как дистанционное переключение питания основного источника, и, во-вторых, он подает 12 В постоянного тока на устройства HiperPFS и HiperLCS, когда основной источник питания находится в режиме ожидания.
Эффективность:
Интегральные схемы HiperLCS имеют два режима использования. Для высокопроизводительных разработок их резонансная схема управления обеспечивает низкие потери мощности, позволяя создавать схемы с эффективностью более 97% при номинальной частоте переключения 66 кГц. Если определяющими критериями проектирования являются стоимость и размер, то требуется более высокая частота переключения. В этом случае эффективность остается высокой — например, 96% при 250 кГц, частоте, на которой достигается максимальная мощность.
При подключении к входному контакту корректора коэффициента мощности HiperPFS, как показано на рисунке 6, конструкция достигает общей эффективности более 89% при полной нагрузке.
Моделирование:
Интегральные схемы HiperLCS позволяют разработчику оптимизировать конструкцию, устанавливая такие параметры, как максимальная и минимальная частоты переключения и время задержки, в соответствии с потребностями поезда в электроэнергии.
Также можно регулировать частоту, с которой источник питания переходит в импульсный режим. Это позволяет оптимизировать силовую установку для достижения максимальной эффективности при сохранении регулирования при нулевой нагрузке во время повышения входного напряжения.
При наличии всех этих возможностей, доступных разработчику, крайне важно использовать точный инструмент моделирования для имитации поведения схемы и автоматизации проектирования трансформатора и индукторов. Программное обеспечение Xls Expert Suite Version 8 от Power Integrations, инструмент проектирования и моделирования в реальном времени, полностью совместимо с проектами HiperLCS. Программа обеспечивает полные возможности проектирования на первом этапе, как для трансформатора, так и для резонансной силовой установки. Уникальная модель переключения в Xls имеет точность до 3%. Это значительное улучшение по сравнению с большинством упрощенных моделей переменного тока, точность которых составляет всего 15%. Повышенная точность значительно сокращает цикл проектирования, исключая многоэтапное прототипирование. В примечании к применению AN-55, опубликованном Power Integrations, содержится пошаговая процедура использования Xls при проектировании приложений HiperLCS.
Оптимизация конструкции:
При работе с высокими токами переключения на частотах 500 кГц крайне важно понимать, что размещение компонентов и проводки требует тщательного подхода для достижения максимальной производительности. Некоторые выводы микросхемы HiperLCS, такие как вывод обратной связи и вывод мертвого времени/частоты импульса, чувствительны к шуму и поэтому требуют развязки. Трансформатор является источником как высоких сигналов di/dt, так и шума dv/dt. Сигналы di/dt могут магнитно связываться с чувствительными схемами, в то время как сигналы dv/dt могут создавать шум за счет электростатической связи. Электростатическую шумовую связь можно уменьшить, заземлив сердечник трансформатора, но это экономически нецелесообразно для уменьшения магнитного поля рассеяния вокруг трансформатора без существенного снижения его эффективности. Дорожки и чувствительные компоненты (например, оптический ответвитель) следует располагать на некотором расстоянии от трансформатора, чтобы избежать наводок шума.
В техническом описании HiperLCS содержится более подробная информация о том, как решать проблемы размещения компонентов и проектирования дорожек. На рисунке 7 показан пример.
В «Отчете о эталонном проекте Power Integrations RDR-239» описывается полная конструкция HiperLCS, подходящая для наружного освещения. Преобразователь генерирует выходной ток 6,25 А при напряжении 24 В с КПД > 95% при полной нагрузке (3). Комплект эталонного проекта RDK-239 включает в себя источник питания, измерительные приборы, понятную схему печатной платы, техническое описание, подробный инженерный отчет, программное обеспечение для проектирования PI Exper и другую сопутствующую документацию.
Благодаря технологии HiperLCS компания Power Integrations упростила и ускорила проектирование высокоэффективных LLC-преобразователей. Интегрированное устройство обеспечивает синхронизацию и контроль помех, а прилагаемые примеры для оценки позволяют разработчикам быстро освоиться. Технология HiperLCS — это новый инструмент для ввода в эксплуатацию светодиодного уличного и зонального освещения, использующий высокоэффективные преобразователи для достижения еще большей экономии энергии.
Ссылки:
1. LCS700-708 HiperLCS™ Family Integrated LLC Controller, High-Voltage Power MOSFETs and Drivers. Июнь 2011 г. www.powerint.com
2. Application Note AN-55 HiperLCS Family Design Guide. Июнь 2011 г. www.powerint.com
3. Reference Design Report for a 150 W LLC High-Voltage DC-DC Resonant Converter Using HiperLCS™ LCS702HG. 13 сентября 2011 г. www.powerint.com
