ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT ( PFC ) PHÂN TÍCH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC

Trong các hệ thống điện tử công ngiệp ngày nay, các vi mạch vi xử lý sử dụng điện ápthấp 3V, 5v, 12, 48V… nhưng chúng đòi hỏi một nguồn dòng đủ lớn có thể lên đếnhàng trăm ampe với mức

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN

1 Tổng quan về nguồn phân tán.

Trong các hệ thống điện tử công ngiệp ngày nay, các vi mạch vi xử lý sử dụng điện ápthấp ( 3V, 5v, 12, 48V…) nhưng chúng đòi hỏi một nguồn dòng đủ lớn có thể lên đếnhàng trăm ampe với mức điện áp nhỏ hơn 1.3V và có kích thước nhỏ gọn, công suấtlớn, hiệu suất cao, dễ dàng lắp đặt sửa chữa, bảo trì và đáp ứng được độ tin cậy của hệthống đang là một nhu cầu ngày càng tăng Chính những nhu cầu trên mà hệ thốngnguồn phân tán ra đời nó tuy không đáp ứng hoàn toàn nhưng nhu cầu mà các nhà sửdụng cần nhưng một mặt hệ thống nguồn phân tán đã đáp ứng được các tiêu chuẩn cơbản về mặt kỹ thuật như; hiệu suất cao, độ tin cậy chính vì vậy, mà hệ thống nguồnphân tán được sử dụng trong lĩnh vực quan trong như:

• cung cấp nguồn trong các hệ thống máy chủ

• Các hệ thống xử lý và truyền thông tin

• Các hệ thống viễn thông

Đối với nguồn tập trung do tất cả các IC được tích hợp trên một vi mạch, hoạt động củacác chip tăng lên khi ở tần số cao và sinh nhiệt vấn đề tản nhiệt để nâng cao hiệusuất ghặp nhiều khó khăn, làm tăng kích thước bộ nguồn khó thay đổi và quản lýnguồn chính vậy mà nguồn phân tán đã đáp ứng được những nhược điểm của nguồntập trung

Trong các hệ thống máy chủ, nguồn phân tán (DSP dùng để cấp vào các mạch xử lýtín hiệu, mạch mạch điều khiển, ổ cứng của máy tính Trong lĩnh vực viễn thông,nguồn phân tán được sử dụng trong các trạm thu, phát hay các bộ chuyển kênh

Nhờ những tính năng vượt trội này mà DSP đang ngày càng ứng dụng rộng rãi trongngành công nghiệp và đặc biệt là trong lĩnh vực quốc phòng Người ta đã tạo ra cácbrick để nâng cao tính linh động và dễ dàng lắp đặt

Hình 1.1: Cấu trúc bộ nguồn phân tán dạng bus

1.1 Cấu trúc của nguồn phân tán

Cấu trúc nguồn phân tán dùng cho hệ thống máy tính chủ;

Hình 1.2: Cấu trúc nguồn phân tán dùng cho hệ thống máy tính chủ

Trong các hệ thống máy tính chủ nguồn DSP được chia là 3 phần chính

Khối chuyển đổi bên ngoài (boost PFC) nhằm chuyển đổi từ điện lưới một pha220V sang điện áp một chiều từ ( 300V-400V) dc Để tăng hiệu suất chuyển đổi khốinày thường sử dụng là mạch tăng áp có ổn áp và điều chỉnh hệ số công suất ngõ ra.Điện áp 400V- dc này được cung cấp vào hệ thống Bus đầu tiên

Khối biến đổi điện áp DC/DC: khối này dùng để hạ áp từ 400V- dc xuống 12Vdc

để cung cấp vào hệ thống bus thứ hai

Khối phía sau hệ thồng bus thứ 2 chính là các điểm tải ( POL: point of load), hay

là các mạch chuyển đổi hạ áp ( buck converter) tạo ra điện áp một chiều như: 3V,2,5V; 1.8V; 1.5V; 1.3V hay cũng có thể cung cấp trực tiếp 12V đến các hệ thống ổcứng hay các hệ thống quạt tản nhiệt trong bo mạch chủ

Nhằm nâng cao hiệu suất và công suất của bộ chuyển đổi, các linh kiện sử dụngtrong hệ thống này chủ yếu là Mosfet, IGBT và các bộ băm xung PWM

1.2 Cấu trúc của nguồn phân tán dùng trong hệ thống xử lý, truyền thông tin và viễn thông.

Hình 1.3: DSP dùng trong hệ thống xử lý, truyền thông tin và viễn thông

Từ sơ đồ hình (1.3) ta thấy có sự khác biệt về mặt cấu trúc DSP dùng trong hệ thốngmáy tính chủ Đây là một dạng của hệ thống nguồn DC/DC cách ly dùng để biến đổi

từ hệ thống bus 48V –dc sang hệ thống bus 12V và bus 5V, 3.3V thông qua các bộchuyển đổi được gọi là các brick ( hay brick converter ) Bản chất của bộ DC/DC cách

ly chính là sử dụng các biến áp xung Phía trước các biến áp xung này là các bộ nghịchlưu như: full bridge control , forward converter control, flyback convereter control.Phía sau biến áp xung là bộ chỉnh lưu đồng bộ cung cấp cho hệ thống bus 12v và bus3V,5v từ hệ thống bus 12v,3v,5v mới cung cấp đến các điểm của tải (POL point ofload) thông qua bộ chuyển đổi hạ áp buck converter

Ý nghĩa của bộ chuyển chuyển đổi này là để cách ly độc lập giữa hệ thống lưới điệnvới hệ thống tải tiêu thụ phía sau nhằm nâng cao tính an toàn và độ tin cậy cho hệthống trạm thu phát tín hiệu, tránh ảnh hưởng của sóng hài lên lưới và ngược lại

1.3 Cấu trúc chung của DSP.

Mặc dù giữa hai cấu trúc DSP cho hệ thống máy tính chủ và DSP cho hệ thống thôngtin và viễn thông có sự khác nhau về mặt cấu trúc Nhưng nhìn chung hai cấu trúc này

Có những điểm tương cơ bản Về mặt cấu trúc như sau ( hình 1.4):

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc chung của DSP

Từ cấu trúc hình 1.4 , ta thấy cáu trúc DSP như sau:

DSP= PFC + (DC+AC+DC = DC-DC : có cách ly + DC-DC ( point of load)

Khối PFC: Có nhiệm vụ điều chỉnh hệ số công suất sao cho dòng điện đồng pha với

điện áp và đồng thời tăng áp: chuyển đổi từ điện thế xoay chiều 220VAC sang điện thếmột chiều vào khoảng 400Vdc Mạch Boost – PFC có ổn áp nhờ vào tụ điện lắp songsong với tải và điều chỉnh hệ số công suất ngõ ra Điên thế một chiều này được đưavào hệ thống Bus đầu tiên

• Khối DC – DC = DC- AC- DC: Trong đó khối DC – AC là khối nghịch lưu

cộng hưởng tần số cao có cách ly Mạch nghịch lưu sử dụng sử dụng trong luậnvăn này là bộ cộng hưởng LLC do số van phải điều khiển ít , tần số cao và hiệusuất cao kích thức nhỏ gọn Khối AC – DC là mạch chỉnh lưu đồng bộ ( fullbridge )

• Bộ nghịch lưu DC-AC sử dụng mạch dao động L-C tạo điều kiện chuyển mạchmềm cho các van sử dụng các điều kiện chuyển mạch dòng điện bằng không(ZCS) hay chuyển mạch điện áp bằng không (ZVS) Điện áp một chiều cấpvào mạch nghịch lưu tần số cao cho ra điện áp xoay chiều dạng xung vuông.Xung vuông này được đưa vào khối cộng hưởng tạo điều kiện chuyển mạchmềm và tạo ra dòng điện sin đưa vào biến áp xung Điện áp xoay chiều nàyđược chỉnh lưu đồng bộ tạo điện áp một chiều (+48v-dc)

• Ngoài ra ta còn một hệ thổng chuyển đổi từ 48Vdc xuống 12v- dc thông qua các

bộ chuyển đổi brick converter cung cấp đến hệ thống bus 12V ,3V hay 5V từ

hệ thống điện bus này ta cung cấp vào mạch chuyển đổi buck nhằm tạo ra cácđiện thế : 1.8V, 1.3V, hay 1v… để cung cấp cho bộ nhớ, hay chip vi xử lý.Mạch sử dụng phổ biến nhất chính là mạch Buck converter đến nhiều điêm củatải ( POL= poin of load – dđiểm của tải )

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH MẠCH PFC

2.1 Các mạch PFC thường dùng :

Hình 2.1: Mạch PFC cơ bản

2.2 Ý nghĩa của việc điều chỉnh hệ số công suất.

Việc điều chỉnh hệ số công suất được chia làm hai phần: điều chỉnh PFC tuyến tính v2điều chỉnh PFC phi tuyến

Điều chỉnh PFC tuyến tính:

Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới.Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụđiện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việcđấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phảnkháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF Thiết bị điều chỉnh hệ số công

suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sửdụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn địnhđiện áp cho tải.

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suấtphản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra củathiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hayđiện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụlọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây

Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự biếnđộng điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bùcông suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làmcho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ sốPFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tínhtoán kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị

Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc bù hệ số công suất PFC bằng các thiết bị bù

tự động Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được

bù công suất phản kháng bằng các công tắt Các công tắt này lại được điều khiển bằngmột thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải

và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điệnnăng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điềukhiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trêngiá trị được chọn

Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ, động cơ đồng

bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiều công suất phảnkháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ đượcxem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một

tụ đồng bộ Ngoài ra trong ngành công nghiệp điện còn có nhiều phương pháp để điềuchỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử sử dụng Thyristor chẳng hạn.

Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính

Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoaychiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ nguồn máy tính(PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián đoạn-liên tục như máy hàn,bóng đèn huỳnh quanh, ,các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo racác dạng sóng hài có tần số là bội số của tần số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới.Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ đượccác dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh

hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm dòng hài.Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, với thiết kếchuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching) Trước đây các bộ nguồn nàychỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóng nạp một mức điện

áp dưới mức chịu đựng được của tụ điện Điều này sẽ tạo ra một dòng điện nạp banđầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các sóng hài không có lợi

Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC

Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho quadòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho các tần sốsóng hài đi qua Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyến tính, hệ số công suất

đã được nâng cao hơn

Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộ lọccồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuy lớn hơncuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC nhưng giá thành chung lại

rẻ hơn Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ số công suất và làmgiảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suấttích cực Active PFC

Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC

Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải, điềuchỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải Trong thiết kế thực tế, mạch ActivePFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùng pha với dạng sóng ởđầu vào (ở đây là sóng sin) Về cơ bản có 3 dạng mạch Active PFC được sử dụng là; Boost,Buck và Buck-Boost

Trong PSU, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost Một mạch chuyển đổiđược chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính Nó tạo một điện áp DC ổn định ở đầu

ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần số của điện áp vào Phương phápnày đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất và mạch điềukhiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạch Passive PFC

Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện

áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, đặt tính này rất được người dùng chào đón,

nó giúp cho họ không cần quan tâm tới mức điện áp phù hợp với PSU tại khu vựcmình đang ở, ngoài ra nó còn giúp PSU hoạt động được ở những khu vực có điện áp

90 – 135Vac

180 – 264Vac (230V-ac)

180 – 264Vac (230V-ac)

Tầm quan trọng của việc điều chỉnh hệ số công suất trong việc truyền dẫn điện năng

Thực tế cho thấy công ty cung cấp điện bán cho người dùng dưới hai giá trị là điện áp và dòngđiện nhưng hóa đơn tiền điện được tính bằng Wat Nếu hệ số công suất của thiết bị có giá trịthấp hơn 1 thì cần phải có nhiều công suất VA được truyền đi để có thể đáp ứng được côngsuất W thật ngoài ra còn phải tăng chi phí thực hiện việc truyền dẫn điện

Lưu ý: hiệu suất làm việc của thiết bị sử dụng không phụ thuộc vào thiết bị đó có PFC haykhông

Sụ ảnh hưởng của sóng hài lên chất lượng công suất.

Do dòng điện và điện áp có độ méo dạng nên sinh ra các sóng hài làm ảnh hưởng chất lượng công suất, tổn thất điện năng, tăng tổn thất lõi thép trong máy biến áp

2.3 Phân tích mạch điều khiển boost PFC

Phân tích mạch boost –PFC

Hình 2.2: Mạch ổn áp tăng áp boost - PFCTrong sơ đồ trên, phần tử đóng ngắt chính không làm nhiệm vụ nối tải vào nguồn màchỉ nạp năng lượng vào cuộn cảm L cuộn cảm L mắc nối tiếp giữa tải với nguồn khi

V thông, cuộn L nạp năng lượng bằng dòng điện iv đi từ nguồn qua L, qua van V khivan V khóa lại, dòng điện qua cuộn cảm tiếp tục được duy trì bằng dòng ID qua diode

D và phụ tải giá trị tụ C có giá trị đủ lớn, mắc song song với tải để san phẳng điện áp,

vì vậy, có thể giả th vì vậy có thể giả thiết điện áp trên tải Uo gần như không thay đổi trong chu kỳ đóng cắt của van V Như vậy khi V mở do có điện áp trên tải Uo mà điôt

D khoá lại

Tương tự như đối với sơ đồ nối tiếp, ta có hệ phương trình mô tả mạch điện có dạng:

Với giả thiết Uo =const dòng qua cuộn L có dạng tuyến tính Trong chế độ xác lập giá

trị trung bình của điện áp trên cuộn cảm trong một chu kỳ đóng cắt T phải bằng không

Vì nên Uo >U g Như vậy sơ đồ làm việc như một bộ biến đổi tăng áp Về ý

nghĩa vật lý từ các hệ phương trình trên cũng có thể thấy rằng mạch chỉ có thể làm

việc trong chế độ xác lập nếu như trong khoảng t=tx ÷ T dòng trong cuộn cảm L phải

có tốc độ âm (dòng phải giảm), tức là , hay Uo >U g.

Hình 2.3: dạng xung dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ DC-DC song song (

boost converter )(a): Dạng xung của van V

(b): Dạng điện áp trên cuộn cảm L

(c): Dạng dòng qua cuộn cảm

(d) : Dạng điện áp và dòng điện áp qua tụ

Khác với Buck Converter dòng trung bình qua cuộn cảm IL trong Boost Converter không bằng dòng tải Io vì dòng cuộn cảm chạy qua phía tải chỉ trong thời gian (1 – D)T s Có thể xác định dòng IL từ mối quan hệ về công suất giữa đầu ra với đầu vào.

Bỏ qua tổn hao trên các phần tử thì công suất trung bình lấy từ nguồn phải bằng côngsuất trên tải, nghĩa là:

.

Do đó:

, (2.6)

Trong đó: , là tham số điều chỉnh Đối với điện áp ta cũng có mốiquan hệ giũa điện áp đầu ra, đầu vào như sau:

Hai biểu thức(2.6), ( 2.7) đôi khi gọi là mô hình máy biến áp một chiều của bộ biến đổi

DC-DC tăng áp với hệ số máy biến áp bằng (1 – D) Đồ thị dạng dòng dòng điện, điện

áp của các phần tử trên sơ đồ cho trên hình 2.3

2.4 Tính toán mạch boost – converter:

Dòng trung bình qua cuộn cảm biểu diễn qua dòng tải bằng

có thể coi rằng dòng tải gần như không đổi và bằng giá trị dòng trung bình Io Như vậy trong khoảng thời gian tx = DT s điện áp trên tụ bị sụt giảm đi giá trị bằng ∆UC = ∆U o,

trong đó:

(2.11)

Sử dụng (2.10) và (2.11), cho trước độ đập mạch dòng qua cuộn cảm cỡ 10 ÷ 30%IL,

độ đập mạch điện áp trên tải cỡ 0,1 ÷ 1%Uo, có thể xác định được giá trị L và C.

Dòng đỉnh qua van và điôt bằng:

(2.12) Dòng trung bình qua van và điôt bằng:

( 2.13)

2.5 Mô hình hóa mô phỏng mạch điều khiển Boost PFC

Hình 2.4 : Mạch điều khiễn Boost PFC Mạch này cung cấp điện áp ổn áp ngõ ra 400Vdc phạm vi điện áp AC cho phép thayđổi trong khoảng 85VAC – 246VAC Chức năng của mạch như sau:

Gồm cuộn dây lọc nhiễu điện từ L1,C1 và L2 Cầu diode chỉnh lưu từ AC sang DC Các phần tử cơ bản L3, Q,D1,C5 là thành phần chính trong mạch boost converter TụC2 dùng để lọc độ gợn tần số switching của điện áp AC Các phần tử L4,D2,C3,D3,R1

và C4 phụ trợ cho diode D1 tạo dòng điện phục hồi

Mạch điều khiển vòng lặp có ổn áp gồm R9,R10,R8,C9,C8,C7 và IC2 phát hiện điện

áp sai lệch từ điện áp phản hồi đưa về ngỏ ra của IC2 được đưa về mạch nhân ( mạch

tích đạo hàm ) chỉnh lưu điện áp ngõ vào,, do đó tạo ra tín hiệu dòng điện mẫu tại ngõ

ra của khối mạch nhân

Vòng lặp ổn áp dòng điện được thực hiện bởi R2, R3,R4,C6,C5,C7 và IC1 tạo ra tínhiệu sai lệch dòng điện tại ngõ vào dương của IC1đưa vào bộ PWM

Mạch PWM so sánh với tín hiệu răng cưa để tạo ra tín hiệu chi kỳ làm việc dùng đểđiều khiển Q

Mô hình hóa đơn giản của mạch

Hình 2.5 : Mô hình hóa đơn giản của mạch Boost PFC

2.6 Mạch điều khiển PFC dùng IC LM4821 :

Trung tâm của bộ điều khiển PFC chính là độ lợi của bộ điều chế Độ lợi của bộ điềuchế có 2 ngõ vào và một ngõ ra ( hình 13.2 )

Hình 2.6: Điều khiển giá trị dòng trung bình PFC ( ML 4821)Bên trái ngõ vào của bộ điều chế được gọi là dòng điện mẫu (ISIN) Dòng điện mẫunày là dòng vào mà tỉ lệ với dạng sóng điện áp chỉnh lưu ngõ vào Vị trí ngõ vào khác

ở phía dưới bộ điều chế, là bộ khuếch đại độ sai số của điện áp Bộ khuếch đại sai sốlấy điện áp ngõ ra ( dung một bộ chia áp) ở phía sau diode tăng áp và so sánh với điện

áp mẫu 5V bộ khuếch đại sai lệch điện áp sẽ có một băng thông nhỏ để không để chobất kỳ thay đổi đột ngột đầu ra hoặc độ gợn thất thường ảnh hưởng đến đầu ra của bộkhuếch đại

ở hình vẽ trên cho thấy rằng phạm vi của các khối ML4821 (bộ điều khiển PFC chuẩn)

để tạo ra hệ số công suất lớn hơn 95% các khối này bao gồm:

• Bộ điều khiển vòng lặp điện áp

• Bộ điều khiển vòng lặp dòng điện

• Bộ điều chế độ rộng xung

• Bộ điều chế độ lợi

Mục đích của bộ điều khiển lặp dòng điện là để dạng sóng dòng điện cùng pha vớidạng sóng điện áp Để dòng điện cùng pha với điện áp, bộ khuếch đại dòng điện ở bêntrong phải được thiết kế đủ băng thông đủ để giữ lại các sóng hài điện áp ngõ vào.dảibăng thông này được thiết kế dung các tụ và điện trở bên ngoài Băng thông này đượcthiết kế trong mọi trường hợp đến một vài Khz ( không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ độtngột nào thoáng qua), các băng thông này sử dụng thông tin từ bộ điều chế độ lợi đểđiều chỉnh độ rộng xung nơi mà Mosfet bị mở hay đóng

Bộ điều chế độ lợi và bộ điều khiển vòng lặp điện áp làm việc với nhau để lấy mẫuđiện áp và dòng điện ngõ vào tương ứng hai cách đo này là để so sánh lại với nhau đểxác định Cách giải quyết này là để so sánh với điện áp mẫu của dòng điện ngõ ra đểxác định chu kỳ của PWM ( hình 2.12 )

Hình 2.7: Điều chế sườn lên để xác định chu kỳ PWMĐiều khiển độ rộng xung sử dụng sườn lên ( điều chế sườn lên khi ngõ ra của switchtrạng thái mở khi đó ngõ ra của bộ so sánh qua sườn phía sau của xung răng cưa đãđược chọn )

Các đường thẳng mà đi qua sung răng cưa thì ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai nằmtrong phạm vi điều khiển điện áp Ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai đưa vào RS –FF đểđiều khiển công suất của Mosfet dòng điện trunng bình ở chế độ dang sóng ( hình 15.2)

Hình2.8 : Dạng song chế độ điêu khiển dòng điện trung bình

2.7 Mộ phỏng mạch điều khiển Bost PFC

1.7.1 Mạch điều khiển PFC có cuộn cảm L

Hình 2.9: Mạch điều khiển PFC khi có cuộn cảm L

Hình 2.5: Kết quả mô phỏng mạch điều khiển PFC

1.7.2 Mạch điều khiển PFC không có cuộn cảm L

Hình 2.10: Mạch điều khiển PFC không có cuộn cảm L

Hình 2.11: Kết quả mô phỏng mạch điều khiển PFC

Hình 2.12: Đồ thị miêu tả thời gian holdup của PFC

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC

3.1 Các bộ nghịch lưu cộng hưởng tần số cao.

Kỹ thuật cộng hưởng được sử dụng để giảm tổn thất switching có nhiều mô hìnhcộng hưởng như:

• Bộ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp

• Bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

• Bộ nghịch lưu cộng hưởng LLC.

Hai mô hình đầu tiên không thể tối ưu hóa cho dải điện áp ngỏ vào rộng và sự thay đổitải ở ngõ ra Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC giảm được tổn thất khi điện áp ngõ vàothay đổi rộng tổn thất turn off được giảm đến mức tối thiểu

3.1.1 Bộ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp

Hình 3.1 Cấu trúc của bộ ngịch lưu cộng hưởng LC nối tiếp Đặc tính DC của bộ nghịch lưu cộng hưởng LC nối tiếp

vHình 3.2 : Đặc tính dc của bộ nghịch lưu cộng hưởng LC nối tiếp Dạng sóng dòng điện và điện áp:

Hình 3.3: Đồ thị dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ nghịch lưu cộng hưởng Cuộn dây cộng hưởng Lr nối tiếp với tụ Cr.

Từ đồ thì phân tích ta thấy rằng bộ chyển đổi cộng hưởng nối tiếp không tốt đối với bộchuyển đổi DC-DC front end có một số những hạn chế như;

ổn áp nhỏ

Năng lượng hồi vế cao

Dòng turn off tại ở ngõ vào cao

Thuận lợi: giảm được tổn thất switching và nhiễu điện từ qua ZVS do đó cải thiệnđược hiệu suất

Giảm được kích thước được thành phần từ bằng tần số hoạt động cao

Hạn chế: có thể tối ưu hóa tại một điểm hoạt đông Nhưng phạm vi điện áp ngõ vào và

sự thay đổi của tải hẹp

3.1.2 Bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

Hình 3.4: Cấu trúc của bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

So với bô cộng hưởng nối tiếp, vùng hoạt động nhỏ hơn nhiều khi tải nhỏĐặc tinh DC của bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

Hình 3.5: Đặc đính dc của bộ cộng hưởng song song

Dạng sóng dòng điện và điện áp

Hình 3.6: Đặc tính dòng điện và điện áp của bộ cộng hưởng song song

Khi tải song song với tụ cộng hưởng lúc không tải , trở kháng ngõ vào rất nhỏ, nănglượng lưu thông rất cao Bằng cách phân tích ở trên ta thấy rằng bộ cộng hưởng songsong không tốt cho bộ cộng hưởng LLC

Thuận lợi:

Không có vấn đề gì ở quy định đầu ra lúc điều kiện không tải

Dòng điện chỉnh lưu liên tục: phù hợp các ứng dụng có dòng ra cao

Hạn chế: dòng điện thứ cấp gần như phụ thuộc vào tải: dòng này có thể tuần hoàn quamạng cộng hưởng ngay khi trong điều kiện không tải

Dòng điện tuần hoàn này sẽ tăng khi điện áp ngõ vào tăng: dải điện áp ngõ vào thayđổi trong phạm vi hẹp

3.1.3 Bộ nghịch lưu cộng hưởng LLC

Cấu hình gần giống như bộ chuyển đổi cộng hưởng LC nối tiếp điện cảm từ hóa (Lm)của máy biến áp tương đối nhỏ và lien quan đến sự hoạt động cộng hưởng có sự khácnhau về độ lợi điện áp

Đặc tính của bộ cộng hưởng LLC

Hình 3.7: Đồ thị đặc tính của bộ cộng hưởng LLC Giảm tổn thất qua điều kiện ZVS : Đạt được hiệu suất cao.

Với khả năng điều tần số nhỏ có làm thay đổi pham vi rộng của tải

Xảy ra điều kiện ZVS ngay khi không tải

Sử dụng biến áp tích hợp thay vì dung các linh kiện rời rạc

Hình 3.8: Biến áp tích hợp Đặc điểm của biến áp tích hợp trong bộ cộng hưởng LLC

Hai thành phần từ được bổ xung trong lõi thép đơn ( sử dụng đieện cảm rò sơ cấp như

là một cuộn dây cộng hưởng )

Tiết kiệm được linh kiện từ Lr

Điện cảm rò không những tồn tại trong cuộn sơ cấp mà còn tồn tại trong cuộn thứ cấpcủa biến áp

Cần xem như điện cảm rò như là cuộn dây thứ cấp

Biến áp tích hợp phát ra một tần số cộng hưởng thấp hơn tần số cộng hưởng củ Lr và Cr

Hình : 3.9: Biến áp tích hợp trong bộ cộng hưởng LLC

Khối phát sóng vuông: tạo ra một song điện áp dạng vuông, Vd sẽ được chia bởi haiswitch Q1 và Q2 với mỗi switch sẽ làm việc ở 50% mỗi chu kỳ

Mạng cộng hưởng: bao gồm Llkp, Llks, Lm ,và Cr dòng điện và điện áp đưa vào mạngcộng hưởng cho phép chế độ turn on của Moset đạt được điện áp bằng không (ZVS).Mạng chỉnh lưu: chỉnh lư từ điện áp AC ra điện áp DC

Hình3.10 : Dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ chuyển đổi LLCĐặc tính DC của bộ cộng hưởng LLC

Hình 3.11 : Đặc tính DC của bộ cộng hưởng LLC

Cho nên bộ cộng hưởng LLC là một sự lựa chọn tốt nhất cho bộ cộng hưởng LLC Cóhai tần số cộng hưởng được xác định bởi Lr và Cr và một tân số khác được xác định bởi

Lr, Cr và Lm

Phương trình tần số cộng hưởng như sau:

(3.1)

( 3.2)

3.2 Phân tích các chế độ xác lập dùng phương pháp gần đúng sóng hài bậc nhất.

Thông thường bộ biến đổi gồm các khóa bán dẫn có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay

chiều us (t) có dạng xung chữ nhật từ điện áp một chiều đầu vào U g, với tần số fs gần bằng tần số cộng hưởng fo của mạng mạch dao động Khi đó mạng mạch dao động sẽ phản ứng với thành phần tần số cơ bản fs và với các thành phần sóng hài bậc cao nfs, n

= 2, 3, … Do tính chọn lọc của mạng mạch dao động các thành phần tần số cao sẽ bị

suy giảm Do đó có thể gần đúng chỉ cần tính tới thành phần điện áp và dòng điện hình

sin ở tần số cơ bản fs.

3.2.1 Phân tích sơ đồ mạch biến đổi DC-AC lý tưởng

Hình 3.12 Sơ đồ mạch DC-AC lý tưởng

Sơ đồ mạch bộ biến đổi DC-AC lý tưởng cho trên hình 3.14 Đầu vào của bộ biến

đổi là điện áp nguồn một chiều Ug, đầu ra là dạng xung chữ nhật với tần số fs, như biểu

diễn trên hình 3.15

Hình 3.15 Dạng xung điện áp đầu ra bộ biến đổi DC-AC lý tưởng.

Hình 3.13 Dạng dòng một chiều đầu vào bộ biến đổi DC-AC

Điện áp đầu ra us (t) có thể phân tích ra chuỗi Fourier:

(3.1)Trong đóωs = 2πf s là tần số góc Thành phần sóng cơ bản của điện áp ra bằng: