Selección de Inductores y Transformadores en el Diseño de Convertidores LLC

Este inductor es uno de los muchos componentes que necesitarás en tu diseño de convertidor LLC

Todos los electrónicos necesitan fuentes de alimentación y regulación de energía, ya sean sistemas industriales grandes o dispositivos portátiles pequeños. Si estás diseñando unidades de gestión de energía automotriz, convertidores de energía para electrodomésticos o sistemas de energía industriales, entonces es probable que estés utilizando un diseño de convertidor LLC para la conversión y regulación DC-DC. Esta topología proporciona una alta eficiencia en la conversión de energía con un esquema de regulación simple, pero todo depende de seleccionar los componentes adecuados.

Los dos componentes primarios que son críticos en un diseño de convertidor LLC son los inductores y transformadores. Estos dos componentes gobiernan la conversión de energía y colectivamente determinan el comportamiento resonante en el lado primario de la etapa del convertidor. Cuando se diseñan junto a un circuito PFC y bucles de control, tendrás un convertidor de energía de alta eficiencia para una gama de aplicaciones.

Componentes para un Diseño de Convertidor LLC

Un convertidor resonante LLC es un convertidor DC-DC de conmutación donde el voltaje de salida se controla ajustando la frecuencia de conducción de un circuito de medio puente o puente completo con MOSFETs de potencia. La corriente de salida del circuito del puente fluye hacia un tanque resonante LC conectado en serie con un transformador. El transformador luego aumenta o reduce el voltaje pulsado hacia el lado secundario.

El lado secundario del convertidor contiene un circuito rectificador de puente (construido a partir de diodos o MOSFETs), que rectifica el voltaje/corriente de salida a un nivel DC estable. Un banco de capacitores estabiliza aún más el voltaje de salida y reduce el rizado a un valor DC de bajo ruido. Estos convertidores tienen una topología compleja, pero el método de control es bastante simple y los bloques funcionales requeridos en el convertidor pueden construirse a partir de una gama de componentes disponibles comercialmente. La topología básica de un diseño de convertidor LLC se muestra a continuación.

Topología de un diseño de convertidor LLC de medio puente.

A diferencia de otros convertidores de conmutación, que requieren cambiar el ciclo de trabajo de una señal PWM para controlar el voltaje de salida, un convertidor LLC requiere cambiar la frecuencia (modulación de frecuencia de pulso, o PFM) para establecer el voltaje de salida al valor requerido. Los transistores Q1 y Q2 en el diseño de convertidor LLC de medio puente anterior se conmutan 180 grados fuera de fase. Cuando el transistor de lado alto se activa, la corriente fluye hacia el capacitor Cr y lo carga. Una vez que Q1 se apaga y Q2 se activa, Cr se descarga. Ambos ciclos inducen una corriente en el lado secundario, que luego se rectifica a un voltaje DC. Un banco de capacitores en el lado de salida luego suaviza el voltaje de salida a un valor estable.

Al explotar la ganancia en la sección del tanque resonante (el circuito LLC en el diagrama anterior), el voltaje en el lado primario puede ajustarse y mantenerse en el valor deseado. El voltaje medido a través del bucle de retroalimentación se utiliza para ajustar la señal PFM del circuito controlador de puerta, que explota más o menos ganancia en la red LLC del lado primario. Aquí es donde el transformador y el inductor se vuelven críticos y necesitan ser seleccionados para proporcionar el rango de ganancia adecuado.

Criterios de Selección de Inductores y Transformadores

El inductor y el transformador necesitan cumplir con criterios particulares para funcionar correctamente en un diseño de convertidor LLC:

• Valor de inductancia de la bobina: Los valores de inductancia de las dos bobinas en la etapa del convertidor LLC dependen del valor del capacitor Cr. Un valor típico de capacitor es Cr ~ 100 nF a 1 uF, por lo que el inductor del lado primario (Lr) será ~0.1 mH para operación cerca de 100 kHz (frecuencias típicas de controladores de puerta). La inductancia de la bobina del lado primario del transformador (Lm) es normalmente alrededor del 5-10% del valor de Lr. 

• Resistencia de la bobina y calificación de corriente: La resistencia del conductor influye en la calificación de corriente en el transformador/inductor. Idealmente, la resistencia de la bobina debería ser lo más baja posible para reducir la generación de calor. 

• Capacitancia de bobinado. Este parásito determinará la susceptibilidad al ruido, lo cual se vuelve importante si el convertidor está alimentando otros bloques de circuitos digitales de alta velocidad. Los inductores y transformadores físicamente más pequeños tendrán una mayor capacitancia de bobinado. 

• Bobinas adicionales en el lado primario o secundario: El transformador puede tener múltiples bobinas en el lado primario para reducir el voltaje a ~5 V o ~3.3 V para alimentar periféricos en el bucle de retroalimentación y otros componentes en el sistema. 

• Huella: Un convertidor LLC diseñado para operación de alta potencia tendrá componentes voluminosos. Las huellas pueden ser de ~5-10 cm de tamaño en convertidores de ~1 kW. 

Un ejemplo de inductor común en diseños de convertidores LLC de alta potencia es la serie 2300HT de inductores de potencia de Bourns. Estos inductores tienen una huella pequeña (hasta 1.28 pulgadas de diámetro) y pueden soportar corrientes de 2.9 hasta 38.7 A. Están específicamente diseñados para resistir las altas temperaturas que pueden surgir en convertidores de alta potencia en entornos extremos, con una temperatura de operación nominal de -55 a +200 °C. También vienen en estilos de montaje vertical u horizontal, ofreciendo a los diseñadores una opción de bajo perfil si es necesario.

Fotografía y dibujos mecánicos del inductor de la serie 2300HT. Del datasheet de 2300HT.

La línea de transformadores de pulso de Würth Elektronik es una opción para usar en diseños de convertidores LLC de alta potencia. Estos transformadores proporcionan la baja inductancia y alta calificación de corriente requeridas en sistemas de potencia moderada. También tienen una gama de terminales para seleccionar valores de voltaje/corriente de salida en un paquete relativamente pequeño. 

Ejemplo de datos de huella para el transformador de pulso 750311591 de Würth Elektronik. Del datasheet 750311591.

Otros Componentes para el Diseño de Convertidores Resonantes LLC

Combinando la inductancia de la bobina del transformador y el valor del inductor primario, puedes seleccionar el rango de frecuencias utilizables en tu diseño de convertidor LLC. Algunos otros componentes necesitarán aparecer en el bucle de retroalimentación en la etapa resonante LLC mostrada arriba, así como en el bucle de retroalimentación y control utilizado en tu circuito PFC. Algunos de estos componentes incluyen:

• Amplificadores de detección de precisión para medición de voltaje/corriente

• Inductores y choques de modo común

• Reguladores de bajo voltaje para alimentar periféricos

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