CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH PUSH PULL CONVERTER

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH PUSH PULL CONVERTER

CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CLC VIỆT-PHÁP

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH

PUSH PULL CONVERTER

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG

SVTH:

TPHCM, tháng 5 năm 2015

CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CLC VIỆT-PHÁP

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH

PUSH PULL CONVERTER

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG

SVTH:

TPHCM, tháng 5 năm 2015

Ngày nay điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đạinhư truyền thông điện, giao thông, đường sắt, các quá trình điện phân trong công nghiệp hoá chất,trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau…

Một cách đơn giản nhất có thể hiểu điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạngnày sang dạng khác trong đó các bộ biến đổi là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất

Bộ biến đổi push – pull converter là một bộ biến đổi được thiết kế theo kiểu DC – DC Việc ápdụng nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi push-pull nói riêng và môn điện tử công suất nói chung

đã góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hoá cũng nhưtrong đời sống hàng ngày Giúp nâng cao và cải thiện chất lượng cuộc sống

Đối với sinh viên điện điện tử, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng Với sự giảngdạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa chúng em đã từng bước tiếp cận môn học Để có thểnắm vững lý thuyết và áp dụng vào thực tế, ở học kì này chúng em được thầy giáo cho đồ án mônhọc với đề tài về việc “Sử dụng bộ biến đổi push - pull converter trong điện tử công suất” Đây làmột đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế Với sự cố gắng của các bạn trong nhóm cùng với sựchỉ bảo của thầy trong bộ môn và đặc biệt là thầy Phan Quốc Dũng đã giúp chúng em hoàn thành

đề tài này

Song với lượng kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn, bản báo cáo thực tập của chúng emkhông tránh khỏi những sai sót và hạn chế rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô và bạnvề

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1.Giới thiệu

Bộ biến đổi dùng hai transitor có hiệu quả đặc biệt ở điện áp thấp

Dùng hai transitor để biến đổi DC-DC Mỗi transitor lần lượt dẫn trong mỗi nửa chu kỳ và khôngbao giờ cùng dẫn.Khi transitor A dẫn thì cuộn sơ cấp phía trên được cấp điện,tương tự khitransitor B dẫn thì cuôn sơ cấp bên dưới có điện điện áp đầu ra được lấy bên sơ cấp qua diode ratải

• Half-Brigde: Dùng 2 transitor biến đổi cho các ứng dụng offline

• Full-Brigde: Dùng 4 transitor – có thể cho công suất đầu ra cao nhất đối với tất cả cácloại nguồn kể trên

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý bộ push pull (half bridge)

1.2.Nguyên lý làm việc

Chuyển đổi theo kiểu push – pull hay là chuyển đổi theo kiểu đẩy kéo

• Khi chuyển đổi ở Mosfet 1 là ON (chuyển đổi ở Mosfet 2 là OFF) thì năng lượng đượcchuyển giao cho các phụ tải thông qua biến áp và diode D2

• Khi chuyển đổi ở Mosfet 2 là ON (chuyển đổi ở Mosfet 1 là OFF) thì năng lượng đượcchuyển giao cho phụ tải qua máy biến áp và diode D1

Chu kỳ cứ lặp đi lặp lại 2 trạng thái ngắt mở của mosfet 1 và 2 tạo điện áp đầu ra liên tục ở đầu

Hình 1.2 Giản đồ đóng cắt khóa

• Khóa Sw1 đóng: D1 đóng, D2 ngắt

• Khóa Sw2 đóng: D2 đóng, D1 ngắt

• Khóa Sw1 Sw2 ngắt : Dòng qua các cuộn sơ cấp bằng 0: Dòng qua Lx liên tục => D1, D2 đóng

Dựa vào các thông số ở trên và lý thuyết được đề cập ở phần I, tính toán các giá trị điện áp đầu

ra, độ nhấp nhô điện áp đầu ra, độ nhấp nhô dòng cuộn cảm, tính toán dòng

L I

….

Bộ chuyển đổi DC/DC dạng Buck- Boost được mô phỏng trong Psim như dưới đây:

Bộ Push Pull

• Thường có hiệu suất khoảng 85% ở mức 350W

• Có biến áp cách ly với 3 cuộn dây, thời gian đóng cắt khóa là nửa chu kỳ

• Cần phải chú ý đền thời gian nạp xả của tụ điện C, đồng thời do biến áp 3 cuộn dây nênvấn đề về từ thông trong các lỏi sắt cần phải được chú ý

Sau một thời gian tìm hiểu, bộ DC/DC để cung cấp điện áp 170VDC từ nguồn điện áp 12VDC

để cung cấp điện áp cho một bộ DC/AC là cần thiết Năng lượng cần truyền tải là khoảng 250W,

bộ biến đổi tốt nhất trong trường hợp này là bộ Push Pull với hiệu suất 85% và khả năng truyềntải 350W, trong khi bộ Full Bridge và Half Bridge có thể truyền tải đến 1000W và 500W tươngứng

2.2.Tính toán thông số

Để có thể thích nghi với sự thay đổi của áp đầu ra, đầu bài yêu cầu phải có một bột so sánh áp ra

và áp ra mong muốn, bộ so sánh này đương nhiên phải cách ly giữa áp ra và áp vào để tránh làmảnh hưởng đến thông số của mạch tuy nhiên vẫn phải thực hiện được nhiệm vụ so sánh áp

Mô hình mô phỏng dưới đây là bộ DC/DC chuyển áp từ 12VDC sang 170 VDC Một pin 12Vđược kết nối với 2 N-Mos với vai trò là 2 khóa đóng cắt 2 khóa này sẽ khác nhau về thời gian

Hình 2.1 Flow chart cho bộ Feed back

Hình 2.2 Sơ đồ mạch push pull (bằng PSIM)

Hai Diode ở cuộn thứ cấp tạo ra một mạch chỉnh lưu toàn phần Để bảo vệ 2 diode này khỏinhững gai điện áp, mỗi diode được mắc song song với một mạch bảo vệ RC Sau đó, điện áp rađược đưa qua bộ lọc LC với vai trò là bộ lọc thông thấp, có nhiệm vụ loại bỏ các sóng hài bậccao, chỉ cho các sóng hài với tần số nhỏ hơn tần số cắt đi qua Cuối cùng điện áp ra được cho quamột điện trở R để đem áp ra so sánh về mức 5V

Sau khi biến đổi điện áp, ngõ ra được kết nối với một bộ cách ly công suất sau đó đưa ra ngõ vào

bộ điều khiển qua một bộ khuếch đại Sai lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp mong muốn đượcđưa vào bộ khuếch đại Vi sai sau khi khuếch đại tiếp tục đi vào một op-apm để phân cực Tínhhiệu phân cực này được so sánh với xung tam giác ở op-amp thứ ba để điều chỉnh thời gian đóngcắt của 2 khóa MOSFET 2 MOSFET này được nối với nhau qua một cổng chung, để tránhtrường hợp cả hai khóa cùng bật một lúc

Hình 2.3 Sơ đồ mạch khuếch đại điều khiển

2.2.1. Khóa đóng cắt (Switching)

Mô hình push-pull dựa trên 2

“switches” để tuần hoàn dòng thông

qua máy biến áp tần số cao

Có 2 dạng “switch” được sử dụng

trong mô hình: BJT và Mosfet, và

chúng đều hoạt động ở chế độ bão

hòa, điều đó cho phép “ transitors”

kết hợp những đặc tính của một công

tắc lý tưởng Tuy nhiên, việc tồn tại

trở kháng bên trong “ transitors” khi

hoạt động ở chế độ bão hòa gây nên

tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt

Bởi vì mục đích của việc thiết kế nhằm đạt được hiệu suất cao do vậy trở kháng bên trongtransitor phải thấp

Một yếu tố quan trọng khác trong việc lựa chọn transitor đó là tốc độ đóng cắt của transitor

Hình 2.4 Khóa đóng cắt dùng Mosfet và diode zener

Transior phải có khả năng đóng căt nhanh vì 2 lý do sau đây:

1. Tần số đóng cắt phải tương thích với tần số vận hành của hệ thống, trong trường hợp này

là mach push-pull với tần số hoạt động là 50kHz Tuy nhiên, với mạch push-pull, mỗitransitor phải có khả năng hoạt động ở tần số gấp đôi tần số hoạt động, bởi vì mỗi côngtắc chỉ hoạt động ở một nửa chu kỳ hoạt động, nửa chu kì còn lại transitor ngắt

2. Lý do thứ 2 nằm ở phần năng lượng tiêu tán Khi transitor chuyển từ trạng thái ngắt sangđóng, khi đó đặc tính transitor nằm ở miền tuyến tính với trở kháng cao Do đó dòngkhông thể giảm vì cuộn cảm bên trong máy biến thế làm cho năng lượng bị lãng phí.Thời gian đóng cắt càng nhanh, năng lượng càng ít bị lãng phí, do vậy cải thiện được hiệusuất mô hình

Điện áp tối đa mà transitor có thể cung cấp cũng nên được cân nhắc khi lựa chọn thiết bị Điện

áp đó phải lớn hơn điện áp nguồn đặt trên nó, ngoài ra cũng nên mắc thêm diode zenner songsong với switch để tránh sự ảnh hưởng của điện áp gai

Dựa trên những thông số đã được mô tả , MOSFET với trở kháng rất bé là một lựa chọn tốt nhất.Điện áp tối đa của MOSFET phải lớn hơn 12V DC, và nên chọn N-MOS vì hoạt động ở tốc độnhanh hơn so với P-MOS và ít hao phí hơn

2.2.2. Máy biến áp

Khi tiến hành thiết kế bộ biến áp, có vài thông số

chính cần chọn trước khi hoàn tất việc thiết kế

Những thông số này được tính toán dựa trên công

thức chung

Trước tiên ta xét 2 thông số: điện áp vào và điện

áp ra Trong thiết kế này, điện áp vào sẽ chọn 12

VDC, điện áp ra khoảng 170 VDC Những thông

số khác phải chọn dựa trên tỷ số đóng cắt D Trong

thiết kế này ta chọn D = 0.5 để phòng trường hợp

có thất thoát trong hệ thống Dựa trên những thông

số vừa chọn ở trên t có thể xác định được tỷ số cho máy biến áp Một điều cần lưu ý, nếu điện áp

ra chọn là 170 VDC thì ta tính toán tỷ số máy biến áp không phải là 1 số nguyên Tuy nhiên, nếu

ta giảm điện áp ngõ ra xuống khoảng 168 VDC, tỷ số máy biến áp sẽ tròn 14 Với tỷ số máy biến

áp vừa chọn, tỷ số đóng cắt giả định lúc đầu là 0.5, như vậy, ta tăng tỷ số đóng cắt D = 0.5059,điện áp ngõ ra đạt được sẽ là 170 VDC

Máy biến áp được sử dụng trong bộ push-pull thường dùng có nhiều cuộn dây Trong phần thiết

kế này, ta chọn máy biến áp có 4 cuộn dây, trong đó 2 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp Số vòngdây cuộn thứ cấp gấp 14 lần cuộn sơ cấp

Hình 2.5 Mô hình một loại máy biến áp

Kế đến, kích thước lõi và vật liệu được chọn từ “ Magnetics Company” Lõi phải đủ lớn để cóthế quấn được các sợi dây có kich thước lớn vì dòng trung bình vào là khoảng 20 ampe Về phầnvật liệu lõi, nên được thiết kế chịu được tần số cao, và hao phí thấp, đặc biệt là cuộn dây trongmáy biến áp được quấn thủ công Do đó, vật liệu sẽ chọn là dòng MMP vì nó được thiết kế vớihao phí thấp nhất

Cụ thể ta sẽ chọn vật liệu MMP 55906 Các thông số quan trọng: đường kính trong 1.9 inches,

độ từ thẩm , chiều dài trung bình của lõi 0.1995m, diện tích mặt cắt 0.0227m

∗ Áp dụng công thức

Để tính toán số vòng dây phải quấn qua lõi, độ lệch dòng ngõ vào phải được chọn theo công thức

Chọn bằng 2, Lcore = 30µH

Sau khi tính toán độ tự cảm của Lcore , ta có thể tính số vòng dây sơ cấp theo công thức:

Khi xác định được sô vòng dây sơ cấp, ta lập tức xác định được số vòng thứ cấp N2 = 28

Khi N1 được làm tròn lên 2, Lcore được tính toán lại bằng 71.5 µH

Từ đó độ lệch dòng vào cũng được tính toán lại, bằng 0.839A

2.2.3. Chỉnh lưu

2 diodes trong mạch ở dạng mạch chỉnh lưu cầu toàn

phần Điode D8 ở trên On khi switch M1 On, diode D8

ở dưới on khi switch M2 On Cả 2 diodes không bao giờ

on cùng lúc vì cả 2 switches cũng không bao giờ on

cùng lúc Bộ bảo vệ RC giảm xóc được mắc song song

để bảo vệ diode Bộ giảm xóc có tác dụng làm triệt điện

áp quá độ bằng việc hạn chế sự tăng áp đột ngột, không

có bộ giảm xóc, điện áp gai sẽ đi qua diode và có thể

đánh thủng nó Hình 2.6 Mô hình mạch chỉnh lưu

2.2.4. Bộ lọc

Sự kết hợp của cuộn cảm L1 và tụ C3 tạo nên

bộ lọc thông thấp bậc 2 Bộ lọc thông thấp chỉ

cho phép những tín hiệu có tần số thấp hơn tần

số cắt đi qua, trong mạch này thì tần số cắt là:

25265 Hz Tuy nhiên đây không phải bộ lọc lý

tưởng, do vậy dải thông sau tần số cắt có độ

dốc là -40dB/Dec

2.2.5. Bộ cách ly

Để giữ mức điện áp ngõ ra ở 170VDC, cần phải điều khiển

thời gian đóng cắt của switches

Bước đầu tiên là phải chia nhỏ và cách ly điện áp ngõ ra

Điện áp 170 VDC ở ngõ ra cần được chia nhỏ xuống độ

chia 5VDC Để làm được điều đó cần có một điện trở lớn

ở ngõ ra Cách thường dùng nhất để thực hiện một bộ cách

ly đó là sử dụng một đèn LED và một cảm biến quang Khi

đèn LED on, cảm biến quang sẽ được kích hoạt tạo ra

dòng điện tương ứng với lượng sáng mà nó nhận được

2.2.6. Bộ khuếch đại vi sai

Hình 2.9 Mô hình bộ khuếch đại vi sai

Hình 2.7 Mô hình bộ lọc

Hình 2.8 Mô hình bộ cách ly

Tín hiệu ngõ ra sau khi được đưa về thang 5V được nối vào chân (-) của op-amp số 1 để so sánhvới một điện áp chuẩn 5V được nối vào chân (+), vi sai sau đó được khuếch đại, tỉ lệ khuếch đạiđược tính toán dựa trên các điện trở R

2.2.7. Bộ chỉnh áp

Sau khi có tính hiệu sai lệch ngõ

ra, cần thiết phải điều chỉnh độ

rộng xung điều khiển để tăng

giảm thời gian đóng cắt của các

khóa, đầu tiên phải bảo vệ IC

khỏi các gai điện áp bằng mạch

cách ly

Dòng điện đi vào bộ chỉnh áp sẽ

có quan hệ trực tiếp đến điện áp

ngõ ra, từ đó có mối liên hệ trực

tiếp đến điện áp ra của op-amp

Điện áp này chính là độ lệch mà

điện áp ra cần thay đổi để đạt

được điện áp mong muốn Tại

thời điểm này, vi sai được khuếch

đại để trả về tính hiệu 1 cách nhanh chóng Tuy nhiên, nếu độ lợi là quá thấp, sẽ mất rất nhiềuthời gian để đạt được ổn định, và nếu độ lợi quá cao, mạch sẽ không ỗn định được Sau khi visai được khuếch đại, một điện áp phân cực được cộng vào tín hiệu Điện áp này xác định chu kìđóng cắt để đạt được áp ra mong muốn, vi sai bằng 0

2.2.8. Bộ điều khiển tỷ số đóng cắt

Hình 2.10 Mô hình bộ chỉnh áp

Chu kì đóng cắt của các khóa được xác định dựa

trên áp ra của bộ Converter Nếu điện áp ra chưa

đạt được giá trị mong muốn, chu kỳ đóng cắt

được tăng lên để cung cấp thêm năng lượng qua

cuộn biến áp Khi điện áp ra đạt mức mong muốn,

nó sẽ vượt qua mức này, lúc này chu kỳ đóng cắt

lại được giảm để giữ giá trị này Ngõ vào của bộ

điều khiển chu kỳ là sóng tam giác tần số 50kHz

Sóng tam giác này được tạo ra sau khi cho xung

vào 1 omp-ap cùng điện trở và tụ điện Hai tín

hiệu, tín hiệu điều khiển và sóng tam giác được

đưa vào 2 chân so sánh của op-amp, sóng tam

giác nối vào chân (-), sóng điều khiển nối vào

chân (+).Chân cộng quyết định điện áp để làm bão

hòa khóa MOSFET, khi tín hiệu điều khiển nhỏ hơn xung tam giác, chu kỳ đóng cắt là 0 và cácMOSFET sẽ không được bật, khi điến áp điều khiển tăng lên, một phần điện áp điều khiển lớnhơn xung tam giác, làm cho bộ so sánh đạt tích cực cao cùng với MOSFET Khi điện áp điềukhiển lớn hơn hẳn xung tam giác, chu kỳ đóng cắt là 100% Trong mạch push pull, cần tránh chu

kỳ đóng cắt là 100% để các lõi dây có thể khởi động lại

2.2.9. Bộ điều khiển đóng cắt

Mục đích của việc chuyển mạch điều khiển, là làm thay

đổi trạng thái của MOSFET càng nhanh càng tốt Đầu

vào của mạch điều khiển là xung PWM với chu kì đóng

cắt sẽ hoạt động tại Điện áp xung đầu vào sẽ dựa trên

các yêu cầu của Mosfet

Hầu hết MOSFETs sử dụng trong thiết kế này sẽ chỉ cần

một điện áp cổng từ 3,6-6 volt Một trong những yêu cầu

quan trọng đối với chuyển mạch điều khiển là khả năng

đưa ra một sự trễ (delay) vào các tín hiệu

Lý do là sẽ có một tín hiệu PWM được sinh ra từ các

vòng điều khiển (control loop) và một trong hai khóa phải

phản ứng chính xác tại T/2

Việc hai tín hiệu nói trên trong vòng điều khiển có thể đạt được sớm, kết hợp với thời gian trễcủa tín hiệu khi tín hiệu đi vào một trong các khóa Điều này đảm bảo tốt hơn việc đồng bộ chu

kỳ đóng cắt cho mỗi khóa

Hình 2.11 Mô hình bộ điều khiển khóa

Hình 2.12 Mô hình bộ điều khiển đóng cắt

Giá trị của bộ lọc LC được xác định bởi công thức

Chọn L= 20uH, C= 20uF, điện áp ngõ ra sẽ gần như ổn định sau 4ms Điều này thể hiện rất thấp.

Do đó giá trị LC sẽ hoàn thành mục tiêu 2% gợn theo mô phỏng

3.3 Áp diode

Hình 3.5 Giản đồ áp diode chưa xác lập

Hình 3.6 Giản đồ áp diode khi xác lập

Điện áp đánh thủng của diode ( ở đây sử dụng diode STTH5L06) chỉnh lưu điện áp cao cực kìnhanh Thời điểm ban đầu khi mạch hoạt động, do có các gai điện áp, điện áp đạt khoảng 450V.Khi mạch hoạt động ổn định, điện áp đạt khoảng 335 như hình 3.6

3.4 Dòng qua diode

Hình 3.7 Giản đồ dòng qua diode xác lập

Ban đầu, mạch bắt đầu hoạt động, dòng tăng đột biến, đạt khoảng 50A Khi mạch hoạt động ổn định, dòng đạt khoảng 1.7A như hình 3.6

4. KẾT LUẬN

Dựa vào các nghiên cứu đã có, nhu cầu cho 1 bộ biến đổi điện áp 12V-170V DC-DC là cần thiết.Cho bộ biến đổi điện áp 250W, mô hình push pull là hiệu quả nhất với hiệu suất lên đến 85% ở 350W Các bộ Half brigde và Full bridge hoạt động với mức năng lượng cao hơn

Qua báo cáo này, nhóm đã thực hiện được những việc:

• Nghiên cứu và kiểm chứng lại lý thuyết

• Thiết kế được bộ DC DC converter : push pull theo tính toán lý thuyết

• Chọn được các linh kiện với thông số thực tế

• Thiết kế bộ điều khiển khuếch đại

• Kiểm tra lại kết quả

• Nhận xét, báo cáo cuối cùng

Nhưng vì nhiều lý do, thời gian hạn chế, nên nhóm chưa thực hiện thêm những bộ khác