Alors que la demande en convertisseurs CC/CC efficaces ne cesse d’augmenter, cet article examine les convertisseurs résonants LLC.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s ower Systems.
Les convertisseurs CC/CC résonants LLC à large plage sont largement utilisés dans de nombreux scénarios tels que les chargeurs de véhicules électriques et la production d’énergie renouvelable. Ces convertisseurs font partie d’une alimentation électrique à deux niveaux qui comprend un convertisseur CA/CC et un convertisseur CC/CC isolé.
La pénétration croissante des véhicules électriques a entraîné la nécessité de développer des chargeurs de batterie à densité de puissance plus élevée pour lutter contre les longs temps de charge des batteries. En tant qu’interface du flux d’énergie entre le réseau électrique et le véhicule, un chargeur embarqué (OBC) fonctionne pour charger la batterie d’un véhicule électrique avec l’énergie du réseau électrique. La plupart des OBC sur le marché utilisent des IGBT en silicium en raison de leur coût réduit. Cependant, l’introduction de dispositifs à large bande interdite, tels que le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), qui ont un faible courant de récupération inverse et une vitesse de commutation élevée, les rend préférables pour les systèmes électriques compacts des véhicules électriques.
Un système OBC typique comprend deux étages de circuit, un circuit de correction du facteur de puissance (C) tel qu’un convertisseur C à élévation de tension, un convertisseur C à Bipolaire ou un pont de Vienne, et un convertisseur CC/CC isolé avec une commutation à zéro tension intrinsèque (ZVS), comme un convertisseur résonant ou un convertisseur avec décalage de phase. L’objectif d’augmenter le rendement énergétique et d’élargir la plage de fonctionnement du convertisseur CC/CC nécessite un processus de conception détaillé d’un convertisseur CC/CC LLC à haute efficacité utilisant des transistors HEMT GaN et des diodes SiC.
lus précisément, l’utilisation des transistors à effet de champ à haute mobilité d’électrons (HEMT) Infineon CoolGaN au niveau du pont d’entrée et des diodes Schottky CoolSiC au niveau du pont de sortie définit les principes fondamentaux de la conception. Une nouvelle stratégie de commande appelée contrôle de tension de ligne continue variable permet d’étendre la plage de tension de sortie. Elle souligne son avantage par rapport au contrôle conventionnel, tel que justifié par l’analyse d’impact de la tension de ligne continue concernant les pertes de puissance système.
igure 1. Schéma bloc de la stratégie de commande de tension de ligne continue variable à rétroaction linéaire du OBC. Image fournie avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
rocessus de conception du convertisseur résonant LLC
La topologie d’un convertisseur résonant LLC à pont complet est illustrée à la figure 1. Le côté primaire comprend quatre interrupteurs de puissance, Q1-4, et le côté secondaire comprend quatre diodes, 1-4. Notez que les interrupteurs du côté secondaire peuvent être remplacés par un redresseur synchrone pour améliorer encore l’efficacité. Une inductance résonante Lr, un condensateur résonant Cr et l’inductance de magnétisation du transformateur Lm forment le circuit résonant.
La plupart des véhicules électriques sur le marché ont des packs de batteries composés de 80 à 100 batteries lithium-ion de 4 V connectées en série pour fournir une tension nominale de 320 à 400 V. Trois cellules OBC parallèles de 3,7 kW peuvent fournir une puissance de 11 kW pour la batterie du véhicule électrique. Le courant de sortie maximal est supposé être de 12 A.
L’efficacité d’un convertisseur LLC est liée au gain de tension, exprimé comme suit :
Gain = Vout NS / Vdc N. Un convertisseur LLC atteint son maximum au gain unitaire et diminue lorsque le gain est trop élevé ou trop bas en raison de l’augmentation des pertes par effet Joule due au courant plus élevé dans le circuit résonant et à la fréquence plus élevée. Seule Vdc peut être modifiée lorsque l’OBC fonctionne en ajustant la commande du C. Ainsi, le contrôle de tension de ligne continue variable à rétroaction linéaire est utilisé car il permet au LLC de fonctionner à proximité de la fréquence résonante. Le coefficient de rétroaction K est égal au rapport de transformation du transformateur. En modifiant Vdc, le fonctionnement du LLC peut être manuellement assigné plus près du gain unitaire. Un bloc de saturation maintient Vdc_ref entre 198 V – 470 V pour des questions de sécurité et d’efficacité.
Rôle du circuit résonant dans le fonctionnement du convertisseur
Le circuit résonant est un composant clé du circuit car il aide à convertir la tension d’une batterie en une forme pouvant alimenter des dispositifs électroniques. Il contribue à réguler la tension de sortie en stockant et en libérant l’énergie de manière contrôlée. Lorsque les interrupteurs de puissance du circuit sont allumés et éteints, le circuit résonant aide à lisser la forme d’onde de tension, réduisant ainsi la quantité de bruit et de distorsion introduite dans le système. Cela est important pour maintenir le rendement global du convertisseur et réduire les pertes de puissance.
e plus, différentes méthodologies matérielles et logicielles peuvent être utilisées pour optimiser les performances du circuit résonant du convertisseur LLC. Celles-ci comprennent l’ajustement de l’inductance résonante, l’utilisation de topologies de circuit modifiées ou de paramètres de circuit résonant adaptatifs, ainsi que l’utilisation de stratégies de modulation ou de schémas de commande améliorés. Mais le contrôle de tension de ligne continue variable est l’une des méthodologies logicielles optimales qui ajuste la tension d’entrée CC pour assigner le fonctionnement du convertisseur LLC plus près de la fréquence résonante, qui est le point de rendement optimal du convertisseur.
Analyse expérimentale : modèle de perte de puissance du convertisseur LLC
La conception peut être comprise à partir des résultats analytiques du modèle de perte de puissance du convertisseur LLC. La perte de puissance peut être classée en deux types dominants : les pertes magnétiques et les pertes de semi-conducteurs.
igure 2. Résultats de simulation : comparaison de l’efficacité avec un contrôle de tension de ligne continue constante et un contrôle de tension de ligne continue variable. Image fournie avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
Le modèle de perte de puissance de chaque partie est dérivé, et une étude de simulation est effectuée pour valider la conception préliminaire. La perte de composant magnétique est évaluée avec une équation polynomiale du troisième ordre qui correspond à la courbe de Rac/Rdc par rapport à la fréquence. La perte du transistor GaN HEMT est analysée et un prototype T est construit pour caractériser précisément la perte de commutation du dispositif. Le modèle de perte de puissance du transistor GaN HEMT est construit avec une équation polynomiale du second ordre. La perte d’énergie à l’allumage du transistor GaN HEMT se situe à environ 100 μJ, tandis que la perte à l’extinction est inférieure à 10 % de l’Eon. ar conséquent, l’étude montre que la conception actuelle est plus efficace que le contrôle de tension de ligne continue constant conventionnel sur l’ensemble de la plage de fonctionnement.
Les résultats expérimentaux montrent également que le contrôle de tension de ligne continue variable permet d’obtenir une efficacité énergétique maximale supérieure de 0,8 % par rapport à la méthode de contrôle conventionnelle. Cela signifie que la conception actuelle permet une conversion plus efficace de l’énergie électrique avec moins de pertes d’énergie, ce qui est important pour les applications où l’efficacité énergétique est primordiale.
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Cet article est initialement apparu dans le magazine Bodo’s ower Systems [PDF].