Selezione di induttori e trasformatori nel progetto di convertitori LLC

Creato: maggio 20, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Questo induttore è uno dei molti componenti di cui avrai bisogno nel tuo progetto di convertitore LLC

Tutti gli apparecchi elettronici necessitano di alimentatori e di regolazione della potenza, sia che si tratti di grandi sistemi industriali o di piccoli dispositivi indossabili. Se stai progettando unità di gestione della potenza per l'automotive, convertitori di potenza per elettrodomestici o sistemi di potenza industriali, allora è probabile che tu stia utilizzando un progetto di convertitore LLC per la conversione e la regolazione DC-DC. Questa topologia fornisce un'alta efficienza nella conversione di potenza con uno schema di regolazione semplice, ma tutto dipende dalla selezione dei componenti giusti.

I due componenti principali che sono critici in un progetto di convertitore LLC sono induttori e trasformatori. Questi due componenti governano la conversione di potenza e determinano collettivamente il comportamento risonante sul lato primario dello stadio del convertitore. Quando progettati insieme a un circuito PFC e a loop di controllo, avrai un convertitore di potenza ad alta efficienza per una gamma di applicazioni.

Componenti per un Progetto di Convertitore LLC

Un convertitore risonante LLC è un convertitore DC-DC a commutazione dove la tensione di uscita è controllata regolando la frequenza di guida di un circuito a mezzo ponte o a ponte completo con MOSFET di potenza. La corrente di uscita dal circuito a ponte fluisce in un serbatoio risonante LC connesso in serie a un trasformatore. Il trasformatore poi aumenta o riduce la tensione pulsata sul lato secondario.

Il lato secondario del convertitore contiene un circuito raddrizzatore a ponte (costruito con diodi o MOSFET), che raddrizza la tensione/corrente di uscita a un livello DC stabile. Un banco di condensatori stabilizza ulteriormente la tensione di uscita e riduce l'ondulazione a un valore DC a basso rumore. Questi convertitori hanno una topologia complessa, ma il metodo di controllo è piuttosto semplice e i blocchi funzionali richiesti nel convertitore possono essere costruiti con una gamma di componenti disponibili commercialmente. La topologia di base di un progetto di convertitore LLC è mostrata di seguito.

Topologia di un progetto di convertitore LLC a mezzo ponte.

A differenza di altri convertitori a commutazione, che richiedono la modifica del ciclo di lavoro di un segnale PWM per controllare la tensione di uscita, un convertitore LLC richiede la modifica della frequenza (modulazione di frequenza degli impulsi, o PFM) per impostare la tensione di uscita al valore richiesto. I transistor Q1 e Q2 nel progetto di convertitore LLC a mezzo ponte sopra citato sono commutati a 180 gradi fuori fase. Quando il transistor lato alto è acceso, la corrente fluisce verso il condensatore Cr e lo carica. Una volta che Q1 si spegne e Q2 si accende, Cr si scarica. Entrambi i cicli inducono una corrente sul lato secondario, che viene poi raddrizzata a una tensione DC. Un banco di condensatori sul lato di uscita poi liscia la tensione di uscita a un valore stabile.

Sfruttando il guadagno nella sezione del serbatoio risonante (il circuito LLC nel diagramma sopra), la tensione sul lato primario può essere regolata e mantenuta al valore desiderato. La tensione misurata attraverso il ciclo di feedback viene utilizzata per regolare il segnale PFM dal circuito del driver del gate, che sfrutta più o meno guadagno nella rete LLC del lato primario. Qui è dove il trasformatore e l'induttore diventano critici e devono essere selezionati per fornire il giusto intervallo di guadagno.

Criteri di Selezione di Induttore e Trasformatore

L'induttore e il trasformatore devono soddisfare criteri particolari per funzionare correttamente in un design di convertitore LLC:

Valore dell'induttanza della bobina: I valori di induttanza delle due bobine nella fase del convertitore LLC dipendono dal valore del condensatore Cr. Un valore tipico del condensatore è Cr ~ 100 nF a 1 uF, quindi l'induttore sul lato primario (Lr) sarà ~0.1 mH per un funzionamento vicino ai 100 kHz (frequenze tipiche dei driver dei gate). L'induttanza della bobina sul lato primario del trasformatore (Lm) è normalmente circa il 5-10% del valore di Lr.
Resistenza della bobina e valutazione della corrente: La resistenza del conduttore influisce sulla valutazione della corrente nel trasformatore/induttore. Idealmente, la resistenza della bobina dovrebbe essere il più bassa possibile per ridurre la generazione di calore.
Capacità di avvolgimento. Questo parassita determinerà la suscettibilità al rumore, che diventa importante se il convertitore alimenta altri blocchi di circuiti digitali ad alta velocità. Induttori e trasformatori fisicamente più piccoli avranno una maggiore capacità di avvolgimento.
Bobine aggiuntive sul lato primario o secondario: Il trasformatore può avere più bobine sul lato primario per ridurre la tensione a ~5 V o ~3.3 V per alimentare periferiche nel ciclo di feedback e altri componenti nel sistema.
Impronta: Un convertitore LLC progettato per un funzionamento ad alta potenza avrà componenti ingombranti. Le impronte possono essere di ~5-10 cm in convertitori da ~1 kW.

Un esempio di induttore comune nei design di convertitori LLC ad alta potenza è la serie 2300HT di induttori di potenza di Bourns. Questi induttori hanno un'ingombro ridotto (fino a 1,28 pollici di diametro) e possono sopportare correnti da 2,9 fino a 38,7 A. Sono specificamente progettati per resistere alle alte temperature che possono sorgere nei convertitori ad alta potenza in ambienti estremi, con una temperatura operativa nominale da -55 a +200 °C. Sono disponibili anche in stili di montaggio verticale o orizzontale, offrendo ai progettisti un'opzione a basso profilo se necessario.

Fotografia dell'induttore della serie 2300HT e disegni meccanici. Dal datasheet 2300HT.

La linea di trasformatori a impulsi di Würth Elektronik è un'opzione per l'uso nei design di convertitori LLC ad alta potenza. Questi trasformatori forniscono la bassa induttanza e l'alta valutazione della corrente richieste nei sistemi di potenza moderata. Hanno anche una gamma di terminali per selezionare i valori di tensione/corrente di uscita in un pacchetto relativamente piccolo.

Esempio di dati dell'impronta per il trasformatore a impulsi 750311591 di Würth Elektronik. Dal datasheet 750311591.

Altri Componenti per il Design del Convertitore Risonante LLC

Combinando l'induttanza della bobina del trasformatore e il valore dell'induttore primario, puoi selezionare l'intervallo di frequenze utilizzabili nel tuo design del convertitore LLC. Alcuni altri componenti dovranno apparire nel loop di feedback nella fase risonante LLC mostrata sopra, così come nel loop di feedback e controllo utilizzato nel tuo circuito PFC. Alcuni di questi componenti includono:

Se stai lavorando su un design di convertitore LLC o su un'altra topologia di convertitore di potenza, puoi trovare i componenti di cui hai bisogno grazie alle funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio di Octopart. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso ai dati dei distributori e alle specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati di gestione della potenza per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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