Le crescenti esigenze di prodotti elettronici più leggeri, più piccoli e più efficienti richiedono ai progettisti di alimentatori lo sviluppo di convertitori CA-CC e CC-CC ad alta densità di potenza ed efficienza. L'alta frequenza di commutazione e l'alta efficienza sono i due metodi utilizzati per migliorare la densità di potenza e il profilo degli alimentatori a commutazione (SMPS).
Lo sforzo di ottenere una densità di potenza sempre maggiore in un SMPS è stato limitato dalle dimensioni dei componenti passivi. Il funzionamento a frequenze più elevate riduce notevolmente le dimensioni dei componenti passivi, come trasformatori e filtri; tuttavia, le perdite di commutazione hanno rappresentato un ostacolo al funzionamento ad alta frequenza.
Le tecniche di risonanza sono utilizzate per ridurre le perdite di commutazione nei dispositivi a semiconduttore e per consentire il funzionamento ad alta frequenza. Queste tecniche elaborano la potenza in modo sinusoidale e i dispositivi di commutazione sono a commutazione morbida. Pertanto, le perdite di commutazione e il rumore possono essere drasticamente ridotti grazie alle caratteristiche di commutazione morbida. Le tecniche risonanti sono utilizzate sia nei convertitori a mezzo ponte che in quelli a ponte intero.
I tre convertitori a risonanza più diffusi sono,
- Convertitore risonante in serie
- Convertitore risonante parallelo
- Convertitore risonante LLC
Convertitore risonante in serie
In un convertitore risonante in serie (SRC), l'induttore risonante (Lr) e il condensatore risonante (Cr) sono in serie e posti in serie al carico. Il serbatoio risonante e il carico agiscono come un partitore di tensione.
L'impedenza del serbatoio risonante può essere modificata variando la frequenza della tensione di pilotaggio (Va).
La tensione di ingresso sarà suddivisa tra questa impedenza e il carico riflesso. Trattandosi di un partitore di tensione, il guadagno in corrente continua di un SRC è sempre inferiore a 1 (il guadagno massimo si ha alla frequenza di risonanza).
In condizioni di carico leggero, l'impedenza del carico sarà molto grande rispetto all'impedenza della rete risonante e tutta la tensione di ingresso sarà imposta sul carico. Ciò rende difficile la regolazione dell'uscita in condizioni di carico leggero. In teoria, la frequenza dovrebbe essere infinita per regolare l'uscita a vuoto.
Vantaggi
- Riduzione delle perdite di commutazione e delle interferenze elettromagnetiche grazie alla commutazione a tensione zero e al miglioramento dell'efficienza.
- Riduzione delle dimensioni dei componenti magnetici grazie al funzionamento ad alta frequenza
Svantaggi
- In presenza di una tensione di ingresso elevata, si verificano un'elevata energia di circolazione e un'alta perdita di commutazione. Non sono adatti ad applicazioni come quelle del front-end DC/DC.
- La corrente di raddrizzamento pulsante del condensatore di uscita è una limitazione per le applicazioni ad alta corrente di uscita.
- Non è possibile regolare l'uscita in condizioni di assenza di carico.
Convertitore risonante parallelo
In un convertitore risonante parallelo (PRC), il condensatore risonante (Cr) è posto in parallelo al carico, richiedendo inevitabilmente grandi quantità di corrente circolante. Ciò rende difficile l'uso di topologie risonanti parallele in applicazioni con alta densità di potenza o grandi variazioni di carico.
L'impedenza del serbatoio risonante può essere modificata variando la frequenza della tensione di pilotaggio (Va). Il lato primario del trasformatore è un condensatore, quindi viene aggiunto un induttore sul lato secondario per adeguare l'impedenza.
Vantaggi
- Nessun problema di regolazione dell'uscita a vuoto
- Corrente di raddrizzamento continua dall'induttore di uscita, quindi è adatto per applicazioni ad alta corrente di uscita
Svantaggi
- La corrente sul lato primario è quasi indipendente dalle condizioni di carico, ma una corrente significativa può circolare attraverso la rete risonante, anche a vuoto.
- In presenza di una tensione di ingresso elevata, si verificano un'elevata energia di circolazione e un'alta perdita di commutazione. Non sono adatti per applicazioni quali (front-end DC/DC).
Convertitore risonante LLC a mezzo ponte
La topologia LLC a mezzo ponte è composta da un generatore di onde quadre, un serbatoio risonante in serie, un trasformatore, un circuito raddrizzatore di uscita e un filtro di uscita.
Il serbatoio risonante serie è composto da un induttore risonante serie Lr, un condensatore risonante in serie Cr, e la Lm formata dall'induttanza di magnetizzazione del trasformatore T1. L'induttore di risonanza in serie può essere un componente esterno o l'induttanza di perdita di T1. Il circuito raddrizzatore che comprende D1 e D2 converte la corrente di risonanza in una corrente unidirezionale. Il filtro di uscita Co modula la corrente di ondulazione ad alta frequenza.
Il convertitore risonante LLC utilizza l'induttanza di magnetizzazione del trasformatore per generare un'ulteriore frequenza di risonanza, molto più bassa della frequenza di risonanza principale che comprende il serbatoio risonante. Lr e Cr. Il convertitore risonante LLC è progettato per funzionare a una frequenza di commutazione superiore alla frequenza di risonanza del serbatoio risonante. Lr e Cr.
Interruttori S1 e S2 funzionano con un duty cycle di 50% e la tensione di uscita viene regolata variando la frequenza di commutazione del convertitore. Il convertitore ha due frequenze di risonanza: una frequenza di risonanza più bassa Fr2 (dato da Lm, Lr, e Cr) e una frequenza di risonanza fissa della serie superiore Fr1 (dato da Lr e Cr solo).
La risposta in frequenza tipica di un convertitore risonante LLC è:
Le due frequenze di risonanza sono:
Il fattore di qualità del serbatoio risonante è:
CCR = Resistenza CA equivalente, n = Rapporto di rotazione
Le caratteristiche di un convertitore risonante LLC possono essere suddivise in tre regioni in base al funzionamento.
Regione 1 è simile al funzionamento SRC. Quando la frequenza di commutazione è superiore a Fr1, Il convertitore funziona nella regione ZVS e l'induttanza magnetizzante non partecipa alla risonanza. In questa regione, chiamata anche regione di carico induttivo, il guadagno di tensione del convertitore risonante LLC è sempre inferiore a uno.
Regione 2 è la regione del convertitore multirisonante (MRC). Tra Fr1 e Fr2, La condizione di carico determina il funzionamento del convertitore in condizioni di ZVS e ZCS, il guadagno di tensione del convertitore raggiunge il suo valore massimo. In questa regione, l'energia immagazzinata nei componenti magnetici causa ZVS per il dispositivo di commutazione opposto.
Regione 3 è la regione di sovraccarico. Quando la frequenza di commutazione è superiore a Fr2, il convertitore funziona sempre in condizione ZCS. Questa regione è chiamata regione di modo capacitivo, con interruttori S1 e S2 sono sottoposti a una commutazione dura e presentano elevate perdite di commutazione. Pertanto, il funzionamento dello ZCS deve essere sempre evitato.
In generale, il convertitore risonante LLC è progettato per funzionare nelle regioni 1 e 2 a causa della regolazione dell'uscita e del funzionamento ZVS. Interruttori S1 e S2 può essere commutata in modo soft per l'intero intervallo di carico facendo funzionare il convertitore in modalità di carico induttivo (regione ZVS). Può essere sia al di sopra che al di sotto della frequenza di risonanza. Fr1. Il guadagno richiesto è determinato dalla relazione tra la tensione di ingresso e quella di uscita, che può essere rappresentata da:
g = Guadagno di tensione per il convertitore risonante LLC
Vo = Tensione di uscita
VIN = Tensione d'ingresso
Da questa equazione si evince che più bassa è la tensione di ingresso, più alto è il guadagno di tensione.
Vantaggi
- La stretta variazione di frequenza su un'ampia gamma di linee e carichi rende questa topologia la scelta migliore per le applicazioni DC-DC front-end.
- Capacità ZVS per l'intero intervallo di carico, bassa corrente di spegnimento, quindi perdita di commutazione molto bassa.
- Commutazione a tensione zero anche a vuoto
- Tutti gli elementi parassiti essenziali, comprese le capacità di giunzione di tutti i dispositivi a semiconduttore e l'induttanza di dispersione del trasformatore, vengono utilizzati per ottenere una commutazione morbida.
- Non è necessaria un'induttanza di uscita, con conseguente risparmio di costi
- Magnetica integrata: Quando si utilizza un trasformatore in un convertitore LLC, l'induttanza magnetizzante e l'induttanza di dispersione possono essere utilizzate nel circuito risonante invece di utilizzare un induttore esterno separato.
- Alta efficienza > 96% e alto livello di potenza fino a 1 kW.
Svantaggi
- Corrente di ripple più elevata sul secondario, per cui sono necessari condensatori ESR più bassi
Applicazioni
- Televisori LED e LCD
- Computer e portatili
- Illuminazione industriale a LED
- Audio di alto livello
- Elettrodomestici
- Caricabatterie industriali
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