Controlul digital avansat creşte eficienţa energetică în aplicaţiile de putere medie şi mare

Un proiect de referinţă este propus de Alex Dumais de la Microchip Technology Inc.


Combinaţia dintre flexibilitatea controlului energetic digital şi eficienţa îmbunătăţită a convertoarelor rezonante LLC (Inductor, Inductor, Condensator) poate ajuta telecomunicaţiile sau alte medii cu aplicaţii de mare putere să minimizeze consumul energetic şi costurile de operare ale echipamentelor de răcire.
Controlul digital oferă avantaje de proiectare semnificative, precum un înalt nivel de flexibilitate cuplat cu înalte performanţe şi siguranţă mare de funcţionare, în vreme ce convertoarele rezonante LLC cresc eficienţa prin reducerea semnificativă a puterii disipate de MOSFET-uri în cadrul convertoarelor DC-DC. Împreună, aceste tehnologii pot ajuta companiile să îndeplinească noile nivele de eficienţă prin iniţiative precum ENERGY STAR Data Center Energy Efficiency Initiative şi 80 PLUS® Initiative. Prima dintre ele are drept ţintă echipamentele şi infrastructura pentru tehnologia informaţiei (IT), sursele de tensiune neîntreruptibile (UPS) şi alte echipamente cu nivele ridicate de consum energetic.
Iniţiativa 80 PLUS® se adresează de fapt multor surse de alimentare cu operare în timp, care petrec un timp considerabil la sarcini mult sub nivelul la care au eficienţă maximă. Această iniţiativă prevede ca un randament de 80% să fie minimul pentru sursele de tensiune de 115V ope­rând la 20%, 50% şi 100% din sarcina nominală. Clasările Platinum, Gold, Silver şi Bronze pot fi alocate atunci când o sursă depăşeşte aceste randamente ţintă. De exemplu, pentru a primi clasificarea Bronze, o sursă de 230V trebuie să ofere un randament de 81% la 20% şi 100% din sarcina sa nominală şi un randament de 85% la 50% din sarcina nominală. Un imbold mai mare pentru creşterea eficienţei vine din partea utilizatorilor finali, care includ în contractele de achiziţie cerinţe ca sursele de alimentare să fie certificate conform acestor iniţiative.
Pentru proiectant, sursele de tensiune economice pot fi realizate prin combinarea dintre eficienţa unui convertor rezonant LLC şi un control digital avansat oferit de controlere de semnal digital (DSC) precum familia dsPIC® de la Microchip Technology. Aceste DSC-uri cu număr mic de pini oferă capabilitate puternică de procesare a semnalelor digitale (DSP) suplimentar controlului energetic digital optimizat.

Elemente de bază despre convertoarele rezonante


Operarea unui convertor în mod rezonant, în punctul în care impedanţa dintre intrarea şi ieşirea circuitului este minimă, oferă un randament îmbunătăţit. De exemplu, puterea disipată de MOSFET-uri într-un convertor rezonant LLC poate fi semnificativ redusă prin alimentarea MOSFET-ului cu o tensiune sinusoidală sau un curent sinusoidal, şi comutarea în trecerea prin zero a tensiunii sau curentului.
Comutarea MOSFET-ului când tensiunea scursă către sursă este aproape de zero, ZVS (Zero Voltage Switching), şi transferul de la o stare a MOSFET-ului la alta când curentul în comutaţie este zero, ZCS (Zero Current Switching), minimizează pierderile de comutaţie a MOSFET-ului. Această abordare de comutare lină reduce de asemenea zgomotul în sistem şi oferă performanţe îmbu­nătăţite EMI (electromagnetic interference).

Figura 1: Opţiuni de circuite rezonante
Pentru sisteme de înaltă tensiune, înaltă putere, ZVS ar trebui să fie topologia preferată.
Într-un convertor rezonat cu comutaţie, tensiunea sau curentul sinusoidal sunt generate de elemente reactive precum condensatoare şi inductoare. Cele trei clase principale de convertoare rezonante sunt: SRC (series resonant converter), PRC (parallel resonant converter) şi o combinaţie a celor două SPRC (series-parallel resonant converter). Figura 1 prezintă diagrama bloc a unui convertor rezonant de înalt nivel şi trei tipuri de circuite rezonante. Într-un convertor rezonant serie, sarcina este conectată în serie cu inductorul şi condensatorul circuitului. Amplificarea cu acest circuit rezonant este ≤ 1. În vreme ce SRC poate opera fără sarcină, tensiunea sa de ieşire nu poate fi stabilizată. Pentru ZVS, circuitul trebuie să ope­reze peste rezonanţă în regiunea inductivă. La tensiune de linie joasă, SRC operează în apro­pierea frecvenţei de rezonanţă.
În cazul PRC, sarcina este conectată în paralel cu condensatorul circuitului rezonant. PRC poate opera fără sarcină pe ieşire şi, spre deosebire de SRC, tensiunea sa de ieşire poate fi stabilizată fără sarcină. Pentru ZVS, PRC trebuie de asemenea să opereze deasupra rezonanţei în regiunea inductivă. Similar cu SRC, la tensiunile de linie mici, PRC operează în apropierea frecvenţei de rezonanţă, totuşi, PRC diferă prin faptul că au curenţi de circulaţie mai mari. Inductorul serie şi condensatorul paralel oferă protecţie la scurtcircuit.
În cazul SPRC, circuitul este o combinaţie de convertoare serie şi paralel, putând fi configurat fie ca LCC fie ca LLC. Similar cu SRC şi PRC, un design SPRC LCC nu poate fi optimizat la tensiuni de intrare ridicate. Ca rezultat, alternativa preferată pentru multe aplicaţii este configuraţia LLC, prezentată în figura 1.
Convertorul LLC poate opera la rezonanţă, la tensiunea de intrare nominală, şi poate opera fără sarcină. Suplimentar, el poate fi proiectat pentru a opera pe o gamă largă de tensiuni de intrare. Pe întreg domeniul de operare pot fi obţinute comutaţie de tensiune zero şi de curent zero.
Performanţele unui convertor rezonant sunt măsurate prin câţiva parametri. Factorul de calitate (Q) al unui circuit rezonant este un parametru adimensional ce descrie amortizarea din circuit. El este definit ca raportul dintre puterea stocată şi cea disipată în circuit. Un factor Q mai ridicat indică o lăţime de bandă mai îngustă pentru circuitul rezonant.
Factorul de calitate este un parametru cheie în amplificarea circuitului, care este de asemenea numită raportul de conversie a tensiunii sau M. Prin considerarea familiilor de curbe M ce sunt generate variind l, frecvenţa normalizată sau Q, este posibil să se obţină o indicaţie cu privire la performanţele convertorului înainte ca toţi parametrii să fie calculaţi. M este definit ca:

M (fsw ) = f (fn, l, Q)

unde:
fn = frecvenţa normalizată, f/fr
l = raportul inductanţelor, Lr/Lm
Q = calitate, o funcţie de impedanţa de ieşire

După cum se poate observa în figura 2, circuitul LLC pentru Q parametru are două frecvenţe de rezonanţă: una datorată prezenţei Lr şi Cr, inductorul şi condensatorul

Figura 2: Factorul de calitate (Q) afectează amplificarea dată de circuitul M, prezentată pe axa Y. Toate curbele Q se intersectează la frecvenţa de rezonanţă (fn = 1)
serie la 0,5; şi a doua datorată inductorului paralel, Lm. Lr şi Cr au o frecvenţă de rezonanţă la fn = 1 (fr) şi Lm + Lr şi Cr au o frecvenţă de rezonanţă la fn ~ 0,5.
Modurile de operare ale LLC cuprind: la rezonanţă; sub rezonanţă sau peste rezonanţă. La rezonanţă, MOSFET-urile sunt comutate la frecvenţa de rezonanţă într-o fereastră de timp foarte îngustă, determinată de componentele selectate, pentru a produce pierderi foarte mici.
Sub rezonanţă, comportamentul circuitului este similar cu cel de la rezonanţă, dar curentul prin circuit este limitat de curentul de magnetizare pentru o porţiune a ciclului. Dacă MOSFET-urile sunt utilizate pentru redresare sincronă în secundar în loc de diode, porţile trebuie închise la va­lori de timp corecte. Acest lucru necesită uzual o tehnică de detecţie curent, precum măsurarea tensiunii căzute pe MOSFET-uri.
Peste rezonanţă, în loc să fie limitat de curentul de magnetizare, curentul circuitului este mai mare decât cel de magnetizare. În această regiune, comutatoarele sincrone pot fi pornite şi oprite în acelaşi timp cu comutarea primară pentru a simplifica controlul.
De vreme ce este utilizată comutaţia la tensiune zero, sursele bazate pe circuite rezonante LLC au în mod firesc interferenţe mici radio şi electromagnetice.

Topologie de control digital pentru eficienţă crescută


Controlul digital complet al funcţiilor de management al sistemului şi conversie de putere pentru convertoarele rezonante LLC pot fi implementate cu uşurinţă utilizând cele mai noi generaţii de DSC-uri.
Suplimentar componentelor şi secţiunilor prezentate în figura 1, un circuit LLC include o intrare DC, reţea de comutaţie, circuit LLC rezonant, transformator, redresor, filtru şi sarcină.

Figura 3: Buclă de reacţie controlată digital pentru un convertor rezonant LLC
În figura 3 este prezentată o buclă de reacţie controlată digital pentru un convertor rezonant LLC, utilizat în aplicaţii de telecomunicaţii. În acest domeniu, convertorul LLC este larg utilizat ca şi convertor DC/DC urmând unui circuit de corecţie a factorului de putere (PFC) într-un sistem AC-DC. Tensiunea de ieşire tipică a PFC de aproximativ 400V poate fi direct aplicată convertorului LLC. Domeniul larg de intrare permite utilizarea unui număr mic de condensatoare. Specificaţiile de proiectare sunt prezentate în Tabelul 1.

Tabel 1: Specificaţii pentru proiectul de referinţă sursă de tensiune pentru telecomunicaţii
Cu performanţe de 40 MIPS şi periferice de pute­re inteligente, un dsPIC33FJ GS furnizează pute­rea de calcul digital în convertorul rezonant.
Perifericele includ un PWM pe 16 biţi de mare viteză, printre caracteristicile căruia pot fi menţionate rezoluţia perioadei de 1 ns şi ieşiri cu modificarea fazei.
Circuitul de comutaţie al proiectului de referinţă utilizează o topologie în jumătate de punte (half-bridge) astfel încât tensiunea half-bridge oscilează între 0V şi Vd din 400 Vdc nominal. Circuitul rezonant constă dintr-un condensator, un inductor, şi inductanţa magnetică a transformatorului de izolare pentru a reduce costul sistemului prin eliminarea necesităţii unui inductor extern. Acest proiect poate de asemenea utiliza inductanţa de dispersie a transformatorului ca inductor secundar şi elimină alt inductor extern, economisind astfel cheltuieli suplimentare.

Figura 4: ZVS a MOSFET-ului primar

Figura 5: Forma de undă de comutaţie pentru redresorul sincron

Figura 6: Randament pe domeniul curentului de sarcină
Dacă este reglat corect la frecvenţa de comutaţie, circuitul rezonant prezintă o impedanţă finită a frecvenţei fundamentale şi o impedanţă foarte mare a tuturor celorlalte armonici. Impedanţa circuitului cauzează o variaţie a fazei între tensiune şi curent, ce permite apariţia ZVS. Figura 4 prezintă ZVS a MOSFET-ului primar.
Partea secundară a fost proiectată utilizând un redresor sincron, în loc de diode pentru a reduce pierderile de conducţie în secundar.
Acesta reduce atât rezistenţa directă (Rf) şi pierderile datorate tensiunii directe pe diode.
Figura 5 prezintă forma de undă de comutaţie pentru redresorul sincron.
Pentru redresare sincronă, controlul digital iniţiază comutarea FET-urilor fără a necesita circuit de detecţie a curentului în secundar. Aceasta conduce la un randament îmbunătăţit şi un cost redus. Figura 6 prezintă randamentul în funcţie de domeniul curentului de sarcină: randamentul LLC la două tensiuni de operare de intrare diferite arată lipsa de sensibilitate la tensiunea de intrare. Un randament de peste 80% este atins cu un curent de sarcină de ieşire de sub 2A, în vreme ce, la sarcini mai mari, randamentul maxim este de maxim 95% şi extrem de plat de la 7 la 17A.
Printre avantajele suplimentare poate fi men­ţionată flexibilitatea extinsă pentru compensator, prin utilizarea DSC-ului pentru implementarea unui start lin pentru controlul factorului de umplere.
Deoarece controlul conversiei de putere este implementat cu software uşor programabil, el oferă proiectanţilor abilitatea de adaptare sau modificare simplă a proiectului, sau de adăugare de noi caracteristici economice şi valoroase.
Precizia controlului digital îm­bunătăţeşte de asemenea sigu­ranţa de funcţionare a surselor de tensiune.

Concluzie

Proiect de referinţă: CONVERTOR REZONANT LLC DC/DC
Avantajele combinate ale convertoarelor rezonante LLC şi controlul digital prin DSC-uri permit proiectanţilor să crească eficienţa energetică pentru convertoarele DC-DC utilizate în telecomu­nicaţii sau alte medii cu aplicaţii de mare putere.
În vreme ce convertoarele rezonante LLC pot reduce pierderile de putere, controlul digital creşte flexibilitatea şi siguranţa de funcţionare a convertoarelor. Schema de referinţă propusă furnizează o bază cu ajutorul căreia proiectanţii pot obţine convertoare cu randamente mai mari şi un timp mai rapid de lansare pe piaţă. n
Mai multe informaţii: O descriere mai detaliată a schemei de referinţă utilizând dsPIC DSC este disponibilă în nota de aplicaţie AN1336 de la Microchip Technology:
www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en549701

www.microchip.com