LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの基板設計

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの基板設計をまとめておきます。

 

まず、回路図です。

PFC入力のUCC256404のWEBENCHの回路図に基づいています。

 

次に、配線図です。

LLC用トランスの760895651が基板の大部分を占めます。

MOSFETは、IPA60R170CFD7

2次側整流ダイオードは、STPS30M100S

2次側オプトカプラ・ドライバは、LT4430,

デジタル・アイソレータに、Si8710AC-B-ISを想定しています。

 

 

基板上面のベタパターンです。

スイッチングノードが小さくなるように配置しています。

 

基板下面のベタパターンです。

パワーグランドとシグナルグランドを1点で分離しています。

 

1次側、2次側ともに部品数も少なく、

すっきり配置できています。

臨界モードPFCの基板設計

臨界モードPFCの基板設計をまとめておきます。

 

まず、回路図です。

UCC38050のWEBENCHの回路図に基づいています。

 

基板レイアウトです。

PFC Choke(760805410)の形が独特なのと、

基板自立形電解コンデンサ(VXH)が大きいので、

こんな感じになりました。

 

基板上面のベタパターンです。

スイッチングノードが小さくなるように配置しています。

 

基板下面のベタパターンです。

シグナルグランドとパワーグランドを分けています。

 

部品数が少ないので、基板設計そのものは難しくないと思います。

臨界モードPFCの回路設計

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータのフロントエンドに使う、

臨界モードPFCの回路設計をまとめておきます。

 

こちらが参考になります。

グリーン・エレクトロニクス No.13 ディジタル制御電源の実践研究

臨界モードPFCコントローラ UCC38050

 

電流臨界モードは、

整流ダイオードを流れる電流がゼロになったときに

スイッチング・トランジスタをONするため、

ダイオードのリバース・リカバリ電流が流れず、

ノイズが少ないのが特徴です。

一方、チョークコイルを流れる

ピーク電流は入力電流の2倍になるため、

リプル電流が大きく、

トランジスタの電流定格を大きくする必要があります。

 

WEBENCH Power Desginerで、

設計するとこんな感じです。

 

200Wで設計していますが、その他の主要部品としては

PFCチョーク:WE-PFC PFC Choke 760805410

整流ダイオード:Turbo 2 ultrafast high voltage rectifier STTH12S06

スイッチング・トランジスタ:600V CoolMOS P7 Power Device IPA60R060P7

を検討しています。

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータのLTspiceシミュレーション

InfineonのApplication Noteを参考にLLC共振タンクの最適設計と

LTspiceシミュレーションを行っています。

 

Part I: LLC calculator

Infineonのサポートに問い合わせたところ、LLC calculatorのExcelシートも入手できました。

 

Part II: Using the LLC calculator with rules of thumb (ROT) and fast verification with LTspice

LLC ConverterのLTspice Simulation Modelを参考に、

LTspiceの過渡解析を実行してみました。

目的のコンバータは+-50V のブリッジ整流なので、

LTspiceのモデルを変更しています。

共振タンクのコイル(Lr)の

電流(緑、正弦波状の波形)と

電圧(赤、三角波状の波形)の過渡応答の様子です。

ここでの最適設計のゴールは、

ブーストモードで動作させて、

共振タンクのサイズ(RMS)を最小にすることにあります。

また、リップルの要件次第ですが、

出力フィルタのインダクタンスを不要にすることも可能です。

 

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの最適設計

LLC共振回路の最適設計に関する資料をまとめておきます。

AN_201709_PL52_029, Part I: LLC calculator – FHA analysis vased on a vector algorithm

The essence of the vector method is to follow the angle between voltage and cuurent on the primary side of the LLC converter. The major benefit of this method is simplicity and clarity.

The vecor method is based on the basic FHA and AC circuit analysis. The critical transfer point between inductive and capacitive mode is identified as a simple vector criteria where the inverse transfer function vector and the vecrot of serial combinations of load components are orthogoal.

Then the calculation procedure becomes straightforward. Key formlas are derived by using simple trigonometry, and the minimum operating frequency (omega_0) is such that it gives a minimum size for the resonant tank. Simple calculations further enable the design procedure:

1. Select the topology (half-bridge or full-bridge).

2. Provide I/O voldatge ranges.

3. Use nominal input voltage to set operating modes (boost + buck, or boost only)

4. Provide the output current requirement.

5. Select nominal operating frequency.

6. The optimum minimum operating frequnecy will be selected by the calculator.

7. The LLC calculator will give LLC converter components.

8. In order to have Cr as a standard value, the calculator slider enables fine-tuning.

The transfer function variation as a function load is also provided. It enables investigation of the min./max. load conditions.

 

AN_1802_PL52_1803_235257, Part II: Using the LLC calculator with Rules of Thumb(ROT) and fast verification with LTspice, Aguide for adapting the LLC calculator to design rules based on exact mode analysis of LLC converter

A number of key points were driving the development of this technique, in consideration of the improvements in both the desig process and the results:

* FHA misses important time-domain behavior at the heart of LLC functioning – the resonant mode charge pump formed with Cr.

* FHA under-predicts the output capability, and predicts a lower Q required, resulting in higher Cr, lower Lr and lower Lm, increasing primary-side losses.

* FHA models assume variable-frequency sine wave and miss the RMS factor increase in current on the secodary when using m-ratios with large values in order to “optimize” the primary-side current with FHA.

* Reverse FHA analysis does not accurately predict the gain capability and power margin of the LLC tank, and flags designs with more efficient tank designs in the real world – the bumble bee can fly well, and with lower losses overall with the correct tank configuration.

* With the use of some design ROT, the LLC calculator based on vector analysis calculations can be used to visualize and propose more optimimum LLC tank designs than a conventional FHA approach, and runs well in an Excel environment.

* LTspice and other non-linear capable tools will tell the truth in verification and, using the right model format, do so quite quickly to confirms the main LLC converter parameters.

* Two high-performance alternative tank alignments have been presented for the Infineon/Finepower 12V 600W LLC converter using the existing transformer turns ratio n=16:

– one focused on improving light-load efficiency

– one focused on minimizing secondary-side RMS current in the converter at low-line operation as well as any input voltage

– both had lower RMS operating currents than the original design at any operating point, but with different end-point optimizations.

* A wide input range 12V 600W example has been proposed for WBG semiconducters using a transformer turns ratio of n=17, illustrating how with wide input range capability, components might be reduced in size for the complete SMPS, with improved efficiency and power density, while demonstrating how ROT works with the LLC calculator gain results, and coparing these results to detailed exact mode calculations.

* The use of LTspice with a specifically designed simulation methodology is shown, which can verify tank behavior in under 30 seconds in typical cases with a high-performance notebook computer.

 

AN_2017_03_PL52_019: Design of a 600W half-bridge LLC converter using 600V CoolMOS P7 SJ MOSFET

600W LLCハーフブリッジ・コンバータのデモ基板

UCC2640x Design Calculator(Rev. B)

FHAに基づくLLC共振ハーフブリッジ・コンバータ設計用エクセルシート

 

 

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの回路設計

UCC256404によるLLC共振ハーフブリッジ・コンバータの回路設計をまとめておきます。

 

TIはいろいろな設計ツールを提供していますが、

WEBENCH POWER DESIGNERが一番、手っ取り早いようです。

整流方式と入力電圧、出力電圧と電流を指定するだけで、

回路図と部品表がブラウザに表示され、

PDFのデザインレポートとしてもダウンロードできます。

 

UCC256404の特徴をデータシートから引用しておきます。

•最適化された低消費電力モードおよびバースト・モード・アルゴリズム
– ソフトオン/ソフトオフ期間付きバースト・モード
– 無負荷時およびスタンバイ時の可聴ノイズを最小化
– バースト・モードをディセーブルするユーザー・オプション– フォトカプラの低消費電力動作
– DoE レベルVI およびEU CoC Tier-2 外部電源規格を上回る効率性能
• ハイブリッド・ヒステリシス制御(HHC)
– クラス最高の過渡応答
– バースト・モードの高速終了
• 堅牢なアダプティブ・デッドタイム制御
• ソース電流0.6A、シンク電流1.2A の駆動能力を備えた高電圧ゲート・ドライバ内蔵
• 堅牢な容量性領域(ZCS) 回避方式
• 過熱、出力過電圧、入力低電圧保護、3 つのレベルの過電流保護
• 高電圧起動機能内蔵
• アクティブX コンデンサ放電機能

 

LLCに特化した制御(HCC)、

ZCSの回避、

アダプティブ・デッドタイム制御、

ハイサイド・ゲートドライバも内蔵しているので、

部品数も少なくてすみます。

 

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータのパラメータ設計

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータのパラメータ設計の資料をまとめておきます。

SLUP263: Designing an LLC Resonant Half-Bridge Power Converter

SLUS846C: UCC25600 8-Pin High-Performance Resonant Mode Controller

SLUU361A: Usingthe UCC25600EVM

AN2012-09: Resonant LLC Converter: Operation and Design250W 33Vin 400Vout Design Example

 

SLUP263より要点を引用しておきます。

トランスの1次側にCr, Lr, Lmによる共振回路を構成して、

スイッチング回路による矩形波から正弦波に近い共振波形を得られるようにする。

FHA(First Harmonic Approximation)メソッドによる線形近似モデルで、

LLC共振回路のパラメータを決める。

LLC共振コンバータのメリットは、

ZVSによるスイッチングノイズの低減と

出力波形が正弦波に近いため出力フィルタが簡素化できる点にあります。

 

ハーフブリッジ・トポロジーのバリエーション

商用電源(AC115/230V)から+-50Vの正負電源を得る

オフライン・コンバータ(SMPS)のトポロジーとして、

ハーフブリッジ・コンバータが適用できますが、

バリエーションとして、

ハードスイッチング(対称HB、プッシュプル)、

ソフトスイッチング(非対称HB、アクティブクランプ)、

LLC(共振型HB、プッシュプル)の

3つあるようです。

 

以下の資料が参考になります。

Power Converter Topoology Trends

Power Topologies Handbook

Power Topologies Poster

 

800W, +-50VのLLCハーフブリッジの既製品を参考としてあげておきます。

SMPS800RE