Topologie Risonanti LLC e LCC

Quali sono i pro e i contro? Quando usare l'una oppure l'altra? Scopriamolo.
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Una topologia molto apprezzata…

La topologia LLC è ormai ampiamente riconosciuta come la più vantaggiosa per convertitori switching nel range di potenza 80…1000W ed è sempre più spesso usata anche in applicazioni fino a qualche decina di KW, quali ad esempio le apparecchiature di ricarica dei veicoli elettrici, per i benefici che essa offre in termini di EMC, efficienza, dimensioni dei componenti magnetici del tank risonante e dei filtri.

Dato che il costo dei compontenti magnetici è a grandi linee proporzionale alle dimensioni, ne consegue anche un vantaggio economico.

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…ed una meno popolare

Meno conosciuta ed applicata, anche se spesso consigliata in bibliografia per talune applicazioni, è la topologia LCC, che rispetto alla LLC richiede un condensatore aggiuntivo. La definizione “LCC” comunemente usata è infatti semplificativa: sarebbe tecnicamente più opportuno definirla “LLCC”.

Questa topologia risonante presenta gli stessi vantaggi sopra elencati per la topologia LLC, oltre a risultare ottimale in determinati tipi di applicazione descritti in seguito.

Non mancano però alcune complicazioni legate alla progettazione.

Schemi tipici di tank LLC ed LCC

Schemi tipici di tank LLC ed LCC – La topologia LCC richiede un condensatore aggiuntivo rispetto alla LLC.

Ancora più efficienza: il trasformatore risonante integrato

Applicando trasformatori risonanti integrati, che sfruttano l’induttanza dispersa per eliminare la necessità di un’induttanza risonante discreta, si ottengono vantaggi di efficienza, dimensioni e costo ancora maggiori.

A ciò si aggiunge il bonus di un isolamento elevato e robusto tra ingresso ed uscita, effetto collaterale del fatto che, per generare una maggiore induttanza dispersa, gli avvolgimenti primari e secondari vengono disposti in sezioni separate.

Va notato che la progettazione di tank LLC o LCC con trasformatore integrato presenta qualche complicazione in più rispetto a tank con trasformatore non integrato, perché si perde un grado di libertà nella definizione del valore dell’induttanza risonante.
Esso risulta infatti vincolato ad alcune caratteristiche costruttive del trasformatore.

Inoltre, la disposizione degli avvolgimenti in un trasformatore integrato ha per sua natura una distribuzione del campo magnetico che implica maggiori perdite rispetto ad un trasformatore non integrato.

Entrambi questi aspetti sono però risolvibili tramite adeguate procedure di ottimizzazione, rendendo quindi l’utilizzo del trasformatore integrato migliorativo sotto ogni aspetto.

Confronto disposizione avvolgimenti nel trasformatore tradizionale e nel trasformatore risonante integrato

Nel trasformatore integrato gli avvolgimenti primari e secondari sono disposti in sezioni separate.

Un punto debole: ampi range di tensione

Le topologie risonanti mostrano la loro principale debolezza nelle applicazioni dove si devono supportare grandi variazioni di tensione operativa in ingresso o in uscita.

Se il tank è adeguatamente progettato si può mantenere lo “Zero Voltage Switching” anche con variazioni di tensione piuttosto ampie, ma questo implica una certa riduzione dei vantaggi rispetto ad altre topologie per l’impatto negativo che ciò comporta su costi e prestazioni.

Solitamente l’entità di tale impatto è accettabile, ma va considerato che aumenta in modo approssimativamente proporzionale all’allargarsi del range di tensione.

Per fare un esempio, spesso ci viene chiesto se sia possibile supportare efficacemente rapporti di 1:3 sulla variazione della tensione primaria (classico 90-265Vac) in un convertitore risonante monostadio e senza ponticelli di adattamento.
La risposta è no: per supportare una simile variazione di tensione in INGRESSO occorre un secondo stadio (boost o PFC, peraltro spesso imposto dai requisiti normativi) oppure deve essere implementato un duplicatore di tensione capacitivo in ingresso, il quale richiede un ponticello rimovibile per passare dal range 90-130V a 190-265V.

Un po’ meno critiche sono le applicazioni con ampio range di tensione in USCITA, in cui rapporti 1:3 sono raggiungibili con buoni risultati, come mostrato in questo esempio: tank LLC con Vdc_out di 15…48V che abbiamo progettato per NXP nel lontano 2013.

Nei prossimi paragrafi però vi proponiamo una soluzione migliore.

Schema di circuito esemplificativo che mostra come può essere supportato il range esteso in ingresso in un convertitore risonante

Per supportare il range esteso può essere implementato un duplicatore di tensione capacitivo in ingresso.

Il trade-off della topologia LCC

Per applicazioni con ampio range di tensione di uscita, come ad esempio un alimentatore per stringhe LED di lunghezza variabile (anche con dimming profondi), o caricabatterie ad elevate prestazioni, la topologia LCC è senza dubbio la più indicata.

Tuttavia, se lo sviluppo di un tank LLC e dei relativi componenti avvolti è cosa meno banale di quanto comunemente si pensi (se lo si vuole ben ottimizzato), la topologia LCC risulta notevolmente più onerosa.
A causa del condensatore aggiuntivo il tank passa infatti dal 3° al 4° ordine, richiedendo tra l’altro potenze di calcolo notevolmente superiori per effettuare le simulazioni e i calcoli di ottimizzazione.

Niente paura!

Da oggi siamo pronti ad assistervi anche se scegliete di applicare la topologia LCC.

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Vedere per credere!
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