Выбор индуктора и трансформатора в дизайне преобразователя LLC

Создано: 20 Мая, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Этот индуктор является одним из многих компонентов, которые вам понадобятся в вашем дизайне преобразователя LLC

Всем электронным устройствам необходимы источники питания и регулирование мощности, будь то крупные промышленные системы или маленькие носимые устройства. Если вы разрабатываете блоки управления питанием для автомобилей, преобразователи мощности для бытовой техники или промышленные энергосистемы, то, скорее всего, вы будете использовать дизайн преобразователя LLC для преобразования и регулирования постоянного тока. Эта топология обеспечивает высокую эффективность преобразования мощности с простой схемой регулирования, но все зависит от выбора правильных компонентов.

Два основных компонента, которые критически важны в дизайне преобразователя LLC, - это индукторы и трансформаторы. Эти два компонента управляют преобразованием мощности и совместно определяют резонансное поведение на первичной стороне стадии преобразователя. Когда они разработаны вместе с схемой PFC и контурными петлями, у вас получится высокоэффективный преобразователь мощности для широкого спектра приложений.

Компоненты для дизайна преобразователя LLC

Резонансный преобразователь LLC - это коммутируемый преобразователь постоянного тока в постоянный, где выходное напряжение регулируется путем изменения частоты управления полумостовой или полномостовой схемы с силовыми MOSFET. Выходной ток из мостовой схемы поступает в резонансный LC-контур, соединенный последовательно с трансформатором. Затем трансформатор повышает или понижает пульсирующее напряжение на вторичную сторону.

На вторичной стороне преобразователя находится мостовая выпрямительная схема (собранная из диодов или MOSFET), которая выпрямляет выходное напряжение/ток до стабильного уровня постоянного тока. Банк конденсаторов дополнительно стабилизирует выходное напряжение и снижает пульсации до низкошумного значения постоянного тока. Эти преобразователи имеют сложную топологию, но метод управления довольно прост, и необходимые функциональные блоки в преобразователе могут быть построены из широкого спектра коммерчески доступных компонентов. Базовая топология дизайна преобразователя LLC показана ниже.

Топология дизайна полумостового преобразователя LLC.

В отличие от других коммутируемых преобразователей, которые требуют изменения скважности сигнала ШИМ для управления выходным напряжением, преобразователь LLC требует изменения частоты (модуляция частоты импульсов, или ЧИМ) для установки выходного напряжения на требуемое значение. Транзисторы Q1 и Q2 в вышеупомянутом дизайне полумостового преобразователя LLC переключаются с разностью фаз в 180 градусов. Когда включается верхний транзистор, ток течет к конденсатору Cr и заряжает его. Как только Q1 выключается и Q2 включается, Cr разряжается. Оба цикла индуцируют ток на вторичной стороне, который затем выпрямляется в постоянное напряжение. Банк конденсаторов на выходной стороне затем сглаживает выходное напряжение до стабильного значения.

Используя усиление в резонансном контуре (схема LLC на приведенной выше диаграмме), напряжение на первичной стороне может быть отрегулировано и поддержано на желаемом значении. Напряжение, измеренное через обратную связь, используется для корректировки сигнала PFM от схемы управления затвором, которая использует большее или меньшее усиление в сети LLC на первичной стороне. Здесь трансформатор и индуктор становятся критически важными и должны быть выбраны так, чтобы обеспечить правильный диапазон усиления.

Критерии выбора индуктора и трансформатора

Индуктор и трансформатор должны соответствовать определенным критериям, чтобы правильно функционировать в дизайне преобразователя LLC:

Значение индуктивности катушки: Значения индуктивности двух катушек на стадии преобразователя LLC зависят от значения конденсатора Cr. Типичное значение конденсатора составляет Cr ~ 100 нФ до 1 мкФ, так что индуктивность индуктора на первичной стороне (Lr) будет ~0.1 мГн для работы около 100 кГц (типичные частоты управления затвором). Индуктивность катушки первичной стороны трансформатора (Lm) обычно составляет около 5-10% от значения Lr.
Сопротивление катушки и номинальный ток: Сопротивление проводника влияет на номинальный ток в трансформаторе/индукторе. Идеально, чтобы сопротивление катушки было как можно ниже, чтобы уменьшить выделение тепла.
Емкость обмотки. Этот паразитный параметр определяет восприимчивость к помехам, что становится важным, если преобразователь питает другие высокоскоростные цифровые блоки схем. Физически меньшие индукторы и трансформаторы будут иметь большую емкость обмотки.
Дополнительные катушки на первичной или вторичной стороне: Трансформатор может иметь несколько катушек на первичной стороне для понижения напряжения до ~5 В или ~3.3 В для питания периферийных устройств в контуре обратной связи и других компонентов в системе.
Размер: Преобразователь LLC, разработанный для работы на высокой мощности, будет иметь громоздкие компоненты. Размеры могут быть ~5-10 см в преобразователях мощностью ~1 кВт.

Один из примеров индуктора, который часто используется в дизайнах преобразователей LLC высокой мощности, - это серия индукторов 2300HT от Bourns. Эти индукторы имеют небольшой размер (до 1,28 дюйма в диаметре) и могут выдерживать токи от 2,9 до 38,7 А. Они специально разработаны для выдерживания высоких температур, которые могут возникнуть в преобразователях высокой мощности в экстремальных условиях, с рабочей температурой от -55 до +200 °C. Также они предлагаются в вертикальном или горизонтальном вариантах монтажа, что дает дизайнерам возможность выбора компонентов с низким профилем, если это необходимо.

Фотография и механические чертежи серии индукторов 2300HT. Из

данных технического описания 2300HT.

Линейка импульсных трансформаторов от Würth Elektronik является одним из вариантов для использования в дизайнах преобразователей LLC высокой мощности. Эти трансформаторы обеспечивают низкую индуктивность и высокий номинальный ток, необходимые в системах умеренной мощности. Они также имеют ряд выводов для выбора значений выходного напряжения/тока в относительно компактном корпусе.

Пример данных о посадочном месте для импульсного трансформатора 750311591 от Würth Elektronik. Из технического описания 750311591.

Другие компоненты для проектирования резонансного преобразователя LLC

Сочетая индуктивность катушки трансформатора и значение первичного индуктора, вы можете выбрать диапазон рабочих частот для вашего резонансного преобразователя LLC. Некоторые другие компоненты должны быть включены в обратную связь на резонансном этапе LLC, показанном выше, а также в петлю обратной связи и управления, используемую в вашей схеме PFC. К ним относятся:

Независимо от того, работаете ли вы над проектированием резонансного преобразователя LLC или другой топологией преобразователя мощности, вы можете найти необходимые детали благодаря расширенным функциям поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к данным дистрибьюторов и спецификациям деталей, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами управления питанием, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.