¿Cuál es la composición y el principio de funcionamiento de la topología de resonancia de la serie LC, cómo diseñar una fuente de alimentación de alto voltaje? ¿Existe un método mejor?
La topología de resonancia de la serie LC se utiliza a menudo en el diseño y desarrollo de cargadores y fuentes de alimentación de alto voltaje. Debido a sus ventajas de transmisión eficiente de energía, selectividad de frecuencia, miniaturización y confiabilidad, se usa ampliamente en fuentes de alimentación de carga de alto voltaje, fuentes de alimentación de electretos electrostáticos, fuentes de alimentación de alto voltaje con precipitadores electrostáticos y otros equipos.
La estructura del circuito y el principio de funcionamiento del convertidor resonante de la serie LC son principalmente los siguientes:
Composición de la topología
Tomando la potencia de carga de alto voltaje del LC. Proporcionemos como ejemplo el circuito. Se explica la estructura de la topología.
El cargador de alto voltaje LC incluye un circuito resonante en serie de puente completo LC del lado primario, un transformador y un circuito rectificador del lado secundario; consulte la figura siguiente.
Los circuitos secundarios de uso común incluyen circuitos rectificadores de puente completo y circuitos rectificadores duplicadores de voltaje (como se muestra a continuación). La rectificación de puente completo es adecuada para escenarios de corriente grande, y se puede utilizar un circuito rectificador duplicador de voltaje para aplicaciones de corriente pequeña.
Circuito primario de puente completo: incluye fuente de CC de entrada Vin, condensador de entrada Cin, dispositivo de conmutación de potencia (Q1~Q4), inductor resonante Lr y condensador resonante Cr, entre los que se encuentra el diodo del cuerpo (D1~D4). y La capacitancia de unión parásita (C1~C4) es una parte inherente del dispositivo de conmutación de energía.
Circuito secundario: incluye diodos rectificadores (DR1~DR10) y carga (Cd), etc.
Modo de funcionamiento
Hay dos frecuencias clave durante el funcionamiento del circuito resonante de la serie LC: la frecuencia de conmutación fs y la frecuencia resonante fr.
La frecuencia de conmutación se refiere a la frecuencia de la señal de control del dispositivo de conmutación del circuito, y la frecuencia de resonancia está relacionada con la inductancia resonante y la capacitancia resonante del circuito:
Según la relación entre la frecuencia de conmutación fs del circuito y la frecuencia resonante fr, el circuito de topología resonante de la serie LC se divide en tres modos de trabajo:
Modo de trabajo 1: 0lt;0.5fr
El circuito funciona en modo de trabajo de corriente discontinua (DCM), resonante. La forma de onda actual es como se muestra a continuación.
En este modo, los dispositivos de conmutación Q1~Q4 se encienden con corriente cero (en t=0 y t3) y se apagan con corriente cero (en t1 y t4). Encendido y apagado con baja pérdida. En este modo, las pérdidas de conmutación son bajas y la interferencia electromagnética es pequeña.
Modo de funcionamiento 2: 0.5frlt; fslt; fr
El circuito funciona en modo de corriente continua (CCM), el circuito resonante es capacitivo y la forma de onda de la corriente resonante es como se muestra a continuación. .
En este modo de trabajo, Q1~Q4 se encienden de manera forzada (momentos t2 y t4) y se apagan con corriente cero (momentos t1 y t3). Para reducir la corriente de recuperación inversa, los diodos D1~D4 deben tener buenas características de recuperación inversa.
Las pérdidas y las interferencias electromagnéticas son relativamente grandes en este modo de trabajo.
Modo de trabajo 3: frlt; fs
El circuito funciona en modo de corriente continua (CCM), el circuito resonante es inductivo y la forma de onda de la corriente resonante es como se muestra a continuación.
En este modo de trabajo, S1~S4 se encienden con corriente cero (momentos t1 y t3) y se apagan por completo (momentos t2 y t4), provocando mayores pérdidas e interferencias electromagnéticas en la salida. Las características se desvían de las de la fuente de corriente constante.
2. Principio de funcionamiento
En la ingeniería real, el modo de trabajo 1 y el modo de trabajo 3 se utilizan ampliamente. Entre ellos, el modo de trabajo 1 es la resonancia en serie de modulación de frecuencia de pulso (PFM). es la resonancia en serie de modulación de ancho de pulso (PWM).
Aquí tomamos la estructura del circuito rectificador de onda completa del lado secundario como ejemplo para analizar el principio de funcionamiento del circuito en estos dos modos de trabajo.
Principio del modo NO.1PFM
En medio ciclo de conmutación, un par de dispositivos de conmutación y diodos de rueda libre del circuito resonante LC completarán una resonancia, y cada resonancia contiene dos tareas. El proceso, la forma de onda del circuito, se muestra a continuación.
Entre ellos, Q1 ~ Q4 son las señales de control del dispositivo de conmutación, iLr es la corriente del inductor resonante, v1 es el voltaje a través del capacitor resonante y v2 es el voltaje equivalente del capacitor de carga al terminales originales.
t0~t1: En este momento, Q1 y Q4 están encendidos, la corriente del inductor es mayor que cero, la corriente primaria fluye a través de Q1, Lr, Cr y Q4, cargando Cr y la secundaria. Los extremos del transformador DR1 y DR4 se encienden. La corriente carga el condensador de carga Cd a través de DR1 y DR4: la corriente del inductor se invierte en t1, el lado primario D1 y D4 conducen libremente. Cr se descarga, y los extremos secundarios del transformador DR2 y DR3 conducen, la corriente carga el capacitor de carga Cd a través de DR2 y DR3;
El proceso de resonancia en la segunda mitad del ciclo es similar a la primera mitad. del ciclo, por lo que no entraré en detalles aquí.
Se puede ver que cada vez que el circuito resuena, cargará el capacitor de carga, lo que hará que el voltaje en ambos extremos aumente en un paso. Este método de carga también se llama carga en pasos iguales.
Principio del modo PWM NO.2
La resonancia en serie del modo PWM aprovecha al máximo las ventajas de la tecnología PWM y la conversión resonante, y se ha convertido en un tema de investigación candente en los últimos años.
Debido a la alta frecuencia de resonancia y frecuencia de conmutación del circuito, el cambio de voltaje del capacitor de carga es muy pequeño durante un ciclo resonante. Por lo tanto, se puede estudiar el proceso de funcionamiento en estado estacionario con voltaje de salida constante bajo el modo de control PWM.
t0~t1: En este momento, Q1 y Q4 están encendidos, la corriente primaria fluye a través de Q1, Lr, Cr y Q4 para cargar Cr, los extremos secundarios del transformador DR1 y DR4 están girados. encendido, y la corriente fluye a través de DR1 y DR4. El condensador de carga Cd se carga; t1 ~ t2: Q1 y Q4 se apagan en t1, el lado primario D2 y D3 se encienden para funcionamiento libre. la corriente resonante disminuye gradualmente, los extremos secundarios del transformador DR1 y DR4 se encienden y la corriente El condensador de carga Cd se carga a través de DR1 y DR4;
t2~t3: la corriente resonante cae a cero en t2, Q2 y Q3 no han recibido la señal de activación y ningún dispositivo en el circuito está encendido. En el estado de circuito abierto, el voltaje a través de la carga Cd permanece básicamente sin cambios.
Circuito rectificador secundario
Si la fuente de alimentación resonante de la serie LC tiene una salida de bajo voltaje (voltaje de salida inferior a 20 kV), el circuito rectificador se puede utilizar directamente. como se muestra en la figura.
Suponiendo que U1 es el voltaje de salida más alto, el voltaje soportado inverso de CC de la pila de diodo/silicio D1 ~ D4 debe ser 2U1, y la capacidad de flujo de corriente I de la pila de silicio rectificador debe ser mayor que o igual a 5 veces el valor de la corriente de salida. Por ejemplo, cuando U1 es de 20kV, el diodo puede hacer referencia al modelo 2CL40kV/5A.
En el escenario de aplicación de carga de corriente pequeña, se puede utilizar un circuito rectificador duplicador de voltaje de múltiples etapas para obtener alto voltaje de CC. El circuito está compuesto por condensadores y diodos. El circuito de referencia de rectificación de voltaje 10x se muestra a continuación.
U1 es el voltaje de entrada del circuito duplicador de voltaje y U2 es el voltaje de salida del circuito duplicador de voltaje. La relación entre los dos y el nivel de multiplicación de voltaje n es: U2=nU1 (n=10 aquí).
Cabe señalar que la tensión soportada del diodo debe dejar un margen de 3~4 veces, es decir, la tensión soportada de cada diodo no debe ser inferior a (3~4)U2/n. , y el valor de referencia actual del diodo es 5nIo. Es necesario utilizar un diodo de recuperación rápida y, para evitar que el diodo se queme debido a un cortocircuito, la sobretensión máxima del diodo seleccionado debe ser lo más grande posible.
El valor de tensión soportada del condensador se puede considerar con un margen de 2,5~3 veces, es decir, (2,5~3)U2/n. El valor de capacitancia debe considerarse en función de factores integrales como la frecuencia de conmutación fs.
De acuerdo con la cantidad de carga Q=C·U=I·t, podemos obtener:
Entonces el valor de referencia de capacitancia debe ser mayor que Ion2/0.1U2fs.
Entre ellos, Io es el valor de la corriente de salida, n es el nivel de multiplicación de voltaje, U2 es el voltaje de salida y fs es la frecuencia de conmutación.
Además, hasta donde yo sé, hay un chip de control (PPEC-86CA3H) utilizado en la topología de fuente de alimentación resonante de la serie LC, que puede proporcionar una solución de control de fuente de alimentación de alto voltaje aislada, estable y confiable. para la investigación y el desarrollo del suministro de energía. Puede acortar el tiempo de desarrollo. Debería ser útil para el diseño de su proyecto.