Sélection d'inducteurs et de transformateurs dans la conception de convertisseurs LLC

Créé: Mai 20, 2021
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Cet inducteur est l'un des nombreux composants dont vous aurez besoin dans la conception de votre convertisseur LLC

Tous les appareils électroniques nécessitent des alimentations et une régulation de puissance, qu'ils soient de grands systèmes industriels ou de petits dispositifs portables. Si vous concevez des unités de gestion de puissance automobile, des convertisseurs de puissance pour appareils ménagers, ou des systèmes d'alimentation industriels, alors vous utiliserez probablement une conception de convertisseur LLC pour la conversion et la régulation DC-DC. Cette topologie offre une efficacité de conversion de puissance élevée avec un schéma de régulation simple, mais tout dépend de la sélection des bons composants.

Les deux composants principaux qui sont critiques dans une conception de convertisseur LLC sont les inducteurs et les transformateurs. Ces deux composants régissent la conversion de puissance et déterminent collectivement le comportement résonant du côté primaire de l'étage du convertisseur. Lorsqu'ils sont conçus aux côtés d'un circuit PFC et de boucles de contrôle, vous obtiendrez un convertisseur de puissance à haute efficacité pour une gamme d'applications.

Composants pour une conception de convertisseur LLC

Un convertisseur résonant LLC est un convertisseur DC-DC à commutation où la tension de sortie est contrôlée en ajustant la fréquence de conduite d'un circuit demi-pont ou pont complet avec MOSFETs de puissance. Le courant de sortie du circuit de pont circule dans un réservoir résonant LC connecté en série avec un transformateur. Le transformateur élève ou abaisse ensuite la tension pulsée sur le côté secondaire.

Le côté secondaire du convertisseur contient un circuit de redresseur en pont (construit à partir de diodes ou de MOSFETs), qui redresse la tension/sortie de courant à un niveau DC stable. Un banc de condensateurs stabilise davantage la tension de sortie et réduit l'ondulation à une valeur DC à faible bruit. Ces convertisseurs ont une topologie complexe, mais la méthode de contrôle est assez simple et les blocs fonctionnels requis dans le convertisseur peuvent être construits à partir d'une gamme de composants disponibles dans le commerce. La topologie de base d'une conception de convertisseur LLC est montrée ci-dessous.

Topologie d'une conception de convertisseur LLC demi-pont.

Contrairement à d'autres convertisseurs à commutation, qui nécessitent de changer le rapport cyclique d'un signal PWM pour contrôler la tension de sortie, un convertisseur LLC nécessite de changer la fréquence (modulation de fréquence d'impulsion, ou MFI) pour régler la tension de sortie à la valeur requise. Les transistors Q1 et Q2 dans la conception de convertisseur LLC demi-pont ci-dessus sont commutés à 180 degrés hors phase. Lorsque le transistor côté haut est activé, le courant s'écoule vers le condensateur Cr et le charge. Une fois Q1 éteint et Q2 activé, Cr se décharge. Les deux cycles induisent un courant du côté secondaire, qui est ensuite redressé en une tension DC. Un banc de condensateurs sur le côté de sortie lisse ensuite la tension de sortie à une valeur stable.

En exploitant le gain dans la section du réservoir résonant (le circuit LLC dans le diagramme ci-dessus), la tension du côté primaire peut être ajustée et maintenue à la valeur souhaitée. La tension mesurée à travers la boucle de rétroaction est utilisée pour ajuster le signal PFM provenant du circuit de commande de porte, qui exploite plus ou moins de gain dans le réseau LLC du côté primaire. C'est là que le transformateur et l'inducteur deviennent critiques et doivent être sélectionnés pour fournir la bonne plage de gain.

Critères de sélection de l'inducteur et du transformateur

L'inducteur et le transformateur doivent répondre à des critères particuliers pour fonctionner correctement dans une conception de convertisseur LLC :

Valeur d'inductance de la bobine : Les valeurs d'inductance des deux bobines dans l'étage du convertisseur LLC dépendent de la valeur du condensateur Cr. Une valeur typique de condensateur est Cr ~ 100 nF à 1 uF, donc l'inducteur du côté primaire (Lr) sera ~0.1 mH pour un fonctionnement près de 100 kHz (fréquences typiques de commande de porte). L'inductance de la bobine côté primaire du transformateur (Lm) est normalement d'environ 5-10% de la valeur de Lr.
Résistance de la bobine et évaluation du courant : La résistance du conducteur influence l'évaluation du courant dans le transformateur/inducteur. Idéalement, la résistance de la bobine devrait être aussi basse que possible pour réduire la génération de chaleur.
Capacité d'enroulement. Ce parasite déterminera la susceptibilité au bruit, ce qui devient important si le convertisseur alimente d'autres blocs de circuits numériques à haute vitesse. Les inducteurs et transformateurs physiquement plus petits auront une plus grande capacité d'enroulement.
Bobines supplémentaires côté primaire ou secondaire : Le transformateur peut avoir plusieurs bobines du côté primaire pour abaisser la tension à ~5 V ou ~3.3 V pour alimenter les périphériques dans la boucle de rétroaction et d'autres composants dans le système.
Empreinte : Un convertisseur LLC conçu pour une opération à haute puissance aura des composants volumineux. Les empreintes peuvent être de ~5-10 cm de taille dans les convertisseurs de ~1 kW.

Un exemple d'inducteur courant dans les conceptions de convertisseurs LLC à haute puissance est la série 2300HT d'inducteurs de puissance de Bourns. Ces inducteurs ont une petite empreinte (jusqu'à 1,28 pouces de diamètre) et peuvent supporter des courants de 2,9 à 38,7 A. Ils sont spécifiquement conçus pour résister aux hautes températures qui peuvent survenir dans les convertisseurs à haute puissance dans des environnements extrêmes, avec une température de fonctionnement nominale de -55 à +200 °C. Ils sont également disponibles en styles de montage vertical ou horizontal, offrant aux concepteurs une option à profil bas si nécessaire.

Photographie et dessins mécaniques de la série d'inducteurs 2300HT. Tirés de la fiche technique 2300HT.

La gamme de transformateurs d'impulsion de Würth Elektronik est une option pour une utilisation dans les conceptions de convertisseurs LLC à haute puissance. Ces transformateurs fournissent la faible inductance et l'évaluation de courant élevé requises dans les systèmes de puissance modérée. Ils disposent également d'une gamme de terminaux pour sélectionner les valeurs de tension/courant de sortie dans un emballage relativement petit.

Exemple de données d'empreinte pour le transformateur d'impulsion 750311591 de Würth Elektronik. Extrait de la fiche technique 750311591.

Autres composants pour la conception de convertisseur résonant LLC

En combinant l'inductance de la bobine du transformateur et la valeur de l'inducteur primaire, vous pouvez sélectionner la plage de fréquences utilisables dans votre conception de convertisseur LLC. Certains autres composants devront apparaître dans la boucle de rétroaction dans l'étage résonant LLC montré ci-dessus, ainsi que dans la boucle de rétroaction et de contrôle utilisée dans votre circuit PFC. Certains de ces composants incluent :

Que vous travailliez sur une conception de convertisseur LLC ou une autre topologie de convertisseur de puissance, vous pouvez trouver les pièces dont vous avez besoin grâce aux fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données des distributeurs et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page sur les circuits intégrés de gestion de l'énergie pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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