Seleção de Indutor e Transformador no Projeto de Conversor LLC

Este indutor é um dos muitos componentes que você precisará no seu projeto de conversor LLC

Todos os eletrônicos precisam de fontes de alimentação e regulação de energia, seja em sistemas industriais de grande porte ou dispositivos vestíveis pequenos. Se você está projetando unidades de gerenciamento de energia automotiva, conversores de energia para eletrodomésticos ou sistemas de energia industrial, então é provável que você esteja usando um projeto de conversor LLC para conversão e regulação DC-DC. Esta topologia fornece alta eficiência na conversão de energia com um esquema de regulação simples, mas tudo depende da seleção dos componentes certos.

Os dois componentes primários que são críticos em um projeto de conversor LLC são indutores e transformadores. Esses dois componentes governam a conversão de energia e determinam coletivamente o comportamento ressonante no lado primário do estágio do conversor. Quando projetado junto com um circuito PFC e laços de controle, você terá um conversor de energia de alta eficiência para uma gama de aplicações.

Componentes para um Projeto de Conversor LLC

Um conversor ressonante LLC é um conversor DC-DC chaveado onde a tensão de saída é controlada ajustando a frequência de acionamento de um circuito de meia-ponte ou ponte completa com MOSFETs de potência. A corrente de saída do circuito da ponte flui para um tanque ressonante LC conectado em série com um transformador. O transformador então aumenta ou reduz a tensão pulsada para o lado secundário.

O lado secundário do conversor contém um circuito retificador de ponte (construído a partir de diodos ou MOSFETs), que retifica a tensão/corrente de saída para um nível DC estável. Um banco de capacitores estabiliza ainda mais a tensão de saída e reduz o ripple para um valor DC de baixo ruído. Esses conversores têm uma topologia complexa, mas o método de controle é bastante simples e os blocos funcionais necessários no conversor podem ser construídos a partir de uma gama de componentes disponíveis comercialmente. A topologia básica de um projeto de conversor LLC é mostrada abaixo.

Topologia de um projeto de conversor LLC de meia-ponte.

Ao contrário de outros conversores chaveados, que requerem a mudança do ciclo de trabalho de um sinal PWM para controlar a tensão de saída, um conversor LLC requer a mudança da frequência (modulação de frequência de pulso, ou PFM) para definir a tensão de saída no valor necessário. Os transistores Q1 e Q2 no projeto de conversor LLC de meia-ponte acima são chaveados 180 graus fora de fase. Quando o transistor do lado de alta é ligado, a corrente flui para o capacitor Cr e o carrega. Uma vez que Q1 desliga e Q2 liga, Cr descarrega. Ambos os ciclos induzem uma corrente no lado secundário, que é então retificada para uma tensão DC. Um banco de capacitores no lado de saída então suaviza a tensão de saída para um valor estável.

Ao explorar o ganho na seção do tanque ressonante (o circuito LLC no diagrama acima), a tensão no lado primário pode ser ajustada e mantida no valor desejado. A tensão medida através do loop de feedback é usada para ajustar o sinal PFM do circuito do driver de gate, que explora mais ou menos ganho na rede LLC do lado primário. É aqui que o transformador e o indutor se tornam críticos e precisam ser selecionados para fornecer a faixa de ganho correta.

Critérios de Seleção de Indutor e Transformador

O indutor e o transformador precisam atender a critérios particulares para funcionar adequadamente em um design de conversor LLC:

• Valor da indutância da bobina: Os valores de indutância das duas bobinas na etapa do conversor LLC dependem do valor do capacitor Cr. Um valor típico de capacitor é Cr ~ 100 nF a 1 uF, então o indutor do lado primário (Lr) será ~0.1 mH para operação próxima a 100 kHz (frequências típicas de drivers de gate). A indutância da bobina do lado primário do transformador (Lm) é normalmente cerca de 5-10% do valor de Lr.

• Resistência da bobina e classificação de corrente: A resistência do condutor influencia a classificação de corrente no transformador/indutor. Idealmente, a resistência da bobina deve ser a mais baixa possível para reduzir a geração de calor.

• Capacitância de enrolamento. Esse parasita determinará a suscetibilidade ao ruído, o que se torna importante se o conversor estiver alimentando outros blocos de circuito digital de alta velocidade. Indutores e transformadores fisicamente menores terão maior capacitância de enrolamento.

• Bobinas adicionais no lado primário ou secundário: O transformador pode ter várias bobinas no lado primário para reduzir a tensão para ~5 V ou ~3.3 V para alimentar periféricos no loop de feedback e outros componentes no sistema.

• Dimensões: Um conversor LLC projetado para operação de alta potência terá componentes volumosos. As dimensões podem ser de ~5-10 cm em conversores de ~1 kW.

Um exemplo de indutor comum em designs de conversores LLC de alta potência é a série 2300HT de indutores de potência da Bourns. Esses indutores têm dimensões pequenas (até 1,28 polegadas de diâmetro) e podem suportar correntes de 2,9 até 38,7 A. Eles são especificamente projetados para suportar as altas temperaturas que podem surgir em conversores de alta potência em ambientes extremos, com uma temperatura operacional nominal de -55 a +200 °C. Eles também estão disponíveis em estilos de montagem vertical ou horizontal, oferecendo aos designers uma opção de baixo perfil, se necessário.

Fotografia e desenhos mecânicos da série de indutores 2300HT. Do datasheet do 2300HT.

Linha de transformadores de pulso da Würth Elektronik é uma opção para uso em designs de conversores LLC de alta potência. Esses transformadores fornecem a baixa indutância e alta classificação de corrente necessárias em sistemas de potência moderada. Eles também têm uma gama de terminais para selecionar valores de tensão/corrente de saída em um pacote relativamente pequeno.

Exemplo de dados de footprint para o transformador de pulso 750311591 da Würth Elektronik. Do datasheet 750311591.

Outros Componentes para o Design de Conversores Ressonantes LLC

Ao combinar a indutância da bobina do transformador e o valor do indutor primário, você pode selecionar a faixa de frequências utilizáveis no seu design de conversor LLC. Alguns outros componentes precisarão aparecer no loop de feedback no estágio ressonante LLC mostrado acima, bem como no loop de feedback e controle usado no seu circuito PFC. Alguns desses componentes incluem:

• Amplificadores de detecção de precisão para medição de tensão/corrente

• Indutores e filtros de modo comum

• Reguladores de baixa tensão para alimentação de periféricos

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