NGHIÊN cứu THIẾT kế bộ NGUỒN ĐÓNG cắt HIỆU SUẤT CAO

Tuy nhiên bộ biến đổi switching lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch là“hard-switching”: do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tănglên hoặc giảm về không nên các van côn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐOÀN VĂN KHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ

BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT HIỆU SUẤT CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa họcnào trước đó.

Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi đều đượcchỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Đoàn Văn Khương

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 10

TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG 10

1.1 Giới thiệu chung 10

1.2 Các vấn đề về chuyển mạch van [3], [4], [5] 12

1 Chuyển mạch cứng (hard switching) 12

2 Mạch bảo vệ van (Snubber circuit) 14

3 Chuyển mạch mềm (soft switching) 16

1.3 Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng [7] 18

1 Khái niệm về bộ biến đổi cộng hưởng 18

2 Quá trình phát triển và các ứng dụng của bộ biến đổi công suất 19

3 Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng 19

4 Cấu trúc chung của bộ biến đổi cộng hưởng tải 20

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ SƠ ĐỒ CỘNG HƯỞNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA BỘ NGUỒN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 22

2.1 Một số cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng thông dụng [5], [6] 22

2.1.1.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp 22

2.1.2.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song 23

2.1.3.Bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC 25

2.2 Bộ biến đổi cộng hưởng - dịch pha LLC Full –bridge [7] 27

2.2.2 Nguyên lí hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng dịch pha LLC 27

2.3 Phân tích khối cộng hưởng [9] 31

2.3.1 Yêu cầu của mạch cộng hưởng 31

2.3.2 Tụ cộng hưởng 31

2.3.3 Kháng cộng hưởng 32

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT CÓ CỘNG HƯỞNG [7], [8], [9] 33

3.1 Thiết kế mạch điều khiển 33

3.1.1 Giới thiệu IC UC3875 33

3.1.2 Chức năng các chân của IC UC3875 34

1 Đặt tần số hoạt động cho IC 34

2 Cấp nguồn cho IC 35

3 Chân đất (GND) 35

4 Điện áp tham chiếu VREF(chân 1) 35

5 Đặt thời gian trễ (dead time) giữa các kênh điều khiển A-B và C-D (chân 7 và 15) 35

6 Các kênh điều khiển van A→D 35

7 Khâu tạo xung dốc SLOPE và RAMP 36

8 Khâu khuếch đại vi sai 37

9 Cảm biến dòng CS+ (chân 5) 37

3.2 Thiết kế điều chỉnh 38

3.2.1 Mô hình hàm truyền của đối tượng 38

3.2.2.Chọn khâu điều chỉnh 40

3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 41

3.4 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống 42

3.4.1.Tính toán biến áp [10]: 42

3.4.2.Giá trị tụ cộng hưởng 47

3.4.3.Giá trị kháng cộng hưởng 47

3.4.4.Tính toán bộ lọc đầu ra 49

3.4.5 Tính toán lựa chọn van lực 56

3.4.6 Tính toán lựa chọn diode chỉnh lưu đầu ra 56

3.4.7 Tính khâu điều chỉnh một cực một không 57

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ [11] 59

4.1 Phần mềm Matlab 59

4.2Thiết kê mô phỏng 60

4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng về chất lượng điện áp ra: 65

4.4 Đánh giá kết quả mô phỏng về hiệu suất 65

PHẦN III KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp 10

Hình 1.2: Quá trình chuyển mạch cứng 12

Hình 1.3 Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch 13

Hình 1 4 Mạch bảo vệ van RC 14

Hình 1 6 Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất 15

Hình 1.7 Chuyển mạch không điện áp 16

a Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van 16

a Dòng điện và điện áp trong quá trình khoá van 17

b Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van 17

Hình 1.9 Một số cấu trúc của khối cộng hưởng 18

a Kiểu nối tiếp; b Kiểu song song; c Kiểu nối tiếp – song song 18

Hình 1.10 Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng 20

Hình 1.11 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng 21

Hình 2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp 22

Hình 2 2 Đường đặc tính khuếch đại áp 23

Hình 2.3 Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song 24

Hình 2 4 Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu song song

25

Hình 2.6 Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu LLC 26Hình 2.7 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng-dịch pha LLC Full –bridge 27

Hình 2.11 Giai đoạn 4 30

Hình 3.2 Sơ đồ chân IC UC3875 34

Hình 3 3 Giản đồ khối tạo xung clock 34

Hình 3 5 Minh họa độ lệch pha giữa 2 kênh A và D 36

Hình 3.7 Giản đồ minh họa khối bảo vệ quá tải 38

Hình 3.8 Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi 38

Hình 3.9 Sơ đồ khâu điều chỉnh một cực một không 40

Hình 4 – 2 Biểu đồ Bode của Gh 57

Hình 3.14 Sơ đồ khâu điều chỉnh một điểm cực một điểm không 58Hình 4.1 Giao diện màn hình khởi động Matlab 60

Hình 4.3 Giao diện màn hình thiết kế mô phỏng 61

Hình 4.8 Sơ đồ mạch trên Matlab 63

Hình 4.10 Dạng sóng dòng điện và điện áp đầu ra ở 60% tải 64

Hình 4.11 Dạng sóng dòng điện và điện áp đầu ra đầy tải 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.2 Tính toán thiết kế kháng lọc đầu ra 51

Bảng 3.3 Bảng tra lõi Ferrite ETD [10] 51

Bảng 3.5 Bảng tra các hệ số k, m, n theo tần số và loại lõi [10] 54

LỜI NÓI ĐẦU

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà

Nội Tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế

bộ nguồn đóng cắt hiệu suất cao”.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thế Công đã tận tình hướng dẫn và

tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thành Khang đã tận tình hướng

dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Điện, Viện sau Đại học Trường Đại học

Bách khoa Hà Nội đã đọc và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận văn của tôi

được hoàn chỉnh hơn

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Lãnh đạo Điện lực Thành phố

Nam Định nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành

nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè đồng nghiệp và gia đình

đã động viên khích lệ để hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2013

Tác giả

Đoàn Văn Khương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG

1.1 Giới thiệu chung

Như chúng ta đã biết thì nguồn điện là một phần rất quan trọng đối với mộtmạch điện hay một hệ thống điện nào đó Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạtđộng của mạch hay hệ thống Đối với mỗi mạch điện hay hệ thống cần đòi hỏi cácđầu ra khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định hay có sẵn Các nguồn DC đầu rađược sử dụng cho các phụ tải khác nhau trong các mạch điện tử trong công nghiệpcũng như trong sinh hoạt

Hiện nay, trong hầu hết các thiết bị biến đổi điện áp DC đều sử dụng chỉnhlưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang điện một chiều Nguồn điệnmột chiều sau chỉnh lưu đóng vai trò nguồn cấp cho tất cả các modun trong thiết bị

Để đảm bảo độ phẳng của điện áp ta phải sử dụng tụ hoặc điện cảm để sanphẳng nên thường có điện dung lớn sau chỉnh lưu Chính điều này dẫn đến một sốvấn đề cần quan tâm mà điển hình là sóng hài Hiện tượng sóng hài được minh họanhư trong hình 1.1

Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp

Dòng điện từ lưới là dòng điện gián đoạn và tồn tại trong những khoảngthời gian ngắn (sóng hài) Sở dĩ có vấn đề này là do sự phóng nạp liên tục của tụlọc, thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong khoảng thời gian tụ nạp, khi các hài

này sinh ra sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống lưới điện, tác hại của hài nàycàng lớn khi công suất tải càng lớn hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài cùngmắc vào lưới Như ta đã biết chất lượng của hệ thống cung cấp điện được đánh giábằng chỉ tiêu là hệ số công suất (Power factor - PF) và tổng lượng sóng hài (Totalharmonic distortion –THD) Hiệu năng của lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tốsóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ thì hiệu năng càng cao.

Một số lợi ích khi cải thiện hệ số công suất:

 Giảm giá thành năng lượng điện và chi phí truyền tải

 Giảm thiểu mất mát và tổn hao trong truyền tải

 Tăng chất lượng điện áp

 Tăng tính chất điện dung của lưới điện

Từ những lý do đó ta thấy việc thiết kế một bộ điều chỉnh hệ số công suất(Power Factor Correction- PFC) cho bộ chỉnh lưu có một ý nghĩa thực tế cao

* Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện

Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết ta cần phải hiểu đượckhái niệm công suất trong truyền tải điện gồm hai thành phần:

- Thành phần hữu ích: là phần năng lượng chuyển hóa thành các dạng nănglượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, Khi được cung cấp cho các thiết

bị sử dụng điện Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm của người tiêudùng là phần năng lượng mà người tiêu dùng phải trả tiền Công suất hữu ích được

Yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi công suất là kích thước nhỏ, trọnglượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn Bộ tản nhiệt và thành phần từ tính

là thành phần chiếm thể tích lớn nhất trong bộ biến đổi, có thể lên tới 80% Đặc

biệt với bộ biến đổi công suất lớn thì kích thước của các thành phần này sẽ rất lớn.Giảm kích thước các thành phần trên, đặc biệt bộ tản nhiệt sẽ tăng mật độ côngsuất lên rất nhiều Do đó, các bộ biến đổi tuyến tính sử dụng biến áp lực dần đượcthay thế bằng các bộ biến đổi switching, chuyển mạch ở tần số cao để giảm kíchthước L,C Tuy nhiên bộ biến đổi switching lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch là

“hard-switching”: do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tănglên hoặc giảm về không nên các van công suất phải đóng, cắt trong điều kiện dòng

và áp cao gây ra tổn thất chuyển mạch lớn Quá trình này cũng khiến các van phảichịu các xung dòng điện và điện áp khá lớn Các mạch phụ trợ Snubber thườngđược thêm vào để giảm du/dt, di/dt và chuyển tổn hao chuyển mạch, ứng suất trênvan công suất sang mạch phụ trợ Tuy nhiên phương pháp này vẫn bị hạn chế Dotổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch (∆Pcm=fs.V.(Ion.ton + Ioff.toff)/2)nên khi tần số chuyển mạch tăng cao thì tổn thất chuyển mạch là rất đáng kể, do

đó giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Đồng thời các thành phần tụ kí sinh &điện cảm rò là nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn Bộ biến đổi cộnghưởng sử dụng dao động của mạch L-C tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm chovan Các van sẽ được phát xung đóng, mở khi dòng qua van hoặc điện áp rơi trênvan bằng 0 (điều kiện ZCS và ZVS) Hai điều này không thể xảy ra đồng thời nênkhi chuyển mạch ở điều kiện ZVS thì sẽ phải chịu tổn hao khi khóa van, cònchuyển mạch ở điều kiện ZCS thì sẽ chịu tổn hao khi mở van Để làm rõ vấn đề

này chúng ta phân tích “các vấn đề chuyển mạch của van”.

1.2 Các vấn đề về chuyển mạch van [3], [4], [5]

1. Chuyển mạch cứng (hard switching)

Quá trình chuyển mạch của van trong các bộ biến đổi xung truyền thốngđược thể hiện như hình 1.2:

Hình 1.2: Quá trình chuyển mạch cứng

tổn hao chuyển mạch

Khi van đóng mở, dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tứcthay đổi D o đ ó tại thời điểm đóng cắt trên van tồn tại cả điện áp và dòng điệnkhá lớn gây ra tổn hao đóng cắt Tổn hao này phụ thuộc vào tần số chuyển mạch

∆Pcm=fs.V.(Ion.ton + Ioff.toff)/2 Vì thế, khi tần số tăng cao, tổn hao chuyển mạch cũngtăng lên đáng kể Điều này làm giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi xungtruyền thống (<100kHz) Mặt khác, do tồn tại các thành phần điện cảm rò và tụ kísinh trong mạch nên ở điều kiện chuyển mạch cứng, các van bán dẫn phải chịu cácxung dao động của dòng điện và điện áp do các thành phần này gây ra Dạng xungđiện áp và dòng điện của van khi chuyển mạch ở điều kiện lý tưởng và thực tế

có thể so sánh như trên hình 1.3

Hình 1.3 Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch

a Dạng xung lý tưởng; b Dạng xung thực tế

Chính các xung dao động này là nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễutrường điện từ EMI trong mạch, ngoài ra khi các xung đỉnh này có giá trị lớn sẽ làmvan đóng mở không đúng lúc gây trùng dẫn phá hủy van

Để khắc phục những tồn tại trên, mạch bảo vệ van (snubber circuit) đượcdùng

IsI0

2. Mạch bảo vệ van (Snubber circuit)

Mạch bảo vệ van giúp bảo vệ và tăng hiệu quả làm việc của van Cụ thể nhưsau:

 Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng

 Hạn chế dU/dt, dI/dt

 Đưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn (SOA)

 Truyền năng lượng phát nhiệt của van sang điện trở ngoài hoặc sang hướngkhác có lợi

 Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt

 Giảm nhiễu trường điện từ do dập tắt nhanh các dao động dòng và áp

Có nhiều loại mạch bảo vệ van nhưng phổ biến nhất là hai kiểu: mạch RC(trở tụ) và mạch RCD (trở - tụ - diode)

b) Mạch bảo vệ van RCD

Mạch mạch bảo vệ van RCD có thêm diode Ds mắc song song với điện

trở Rs như hình 1.5.

Hình 1.5 Mạch bảo vệ van RCD (RCD Snubber)

Trong mạch RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở nhưng giá trị củatrở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van nên giá trị có thểchọn linh hoạt hơn Mạch RCD có những ưu điểm hơn mạch RC như sau:

 Mạch cho phép suy giảm xung điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắtcủa van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp

 Cho phép van làm việc trong vùng an toàn (SOA) tốt hơn

c) Đánh giá

Hình vẽ sau sẽ đánh giá tương quan tổn hao giữa các hình thức chuyển mạch:

Hình 1 6 Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất

Từ hình 1.6 ta thấy mạch bảo vệ van chỉ làm mềm hơn quá trình chuyểnmạch của van nhưng hiệu quả vẫn không đáng kể vì van vẫn phải đóng cắt dưới

điều kiện dòng và áp khá cao Một cách logic ta có thể thấy rằng, nếu ta làm giảmđược điện áp và dòng điện trên van tại thời điểm đóng cắt thì ta sẽ giảm được tổnhao chuyển mạch trên van, đây chính là tư tưởng của các bộ biến đổi cộng hưởnglàm việc trên nguyên lý chuyển mạch mềm (soft switching).

3 Chuyển mạch mềm (soft switching)

Nguyên lý chuyển mạch mềm gồm 2 hình thức:

Hai quá trình này không thể xảy ra đồng thời, mỗi loại có những ưu và nhượcđiểm riêng Chúng ta sẽ làm rõ hơn về các quá trình này ngay sau đây:

a )Chuyển mạch không điện áp ZVS (Zero Voltage Switching)

Như đã phân tích ở trên, nguyên nhân gây ra tổn hao đóng cắt trên van chính

là do dòng điện và điện áp trên van có giá trị lớn tại thời điểm chuyển mạch Vậynếu ta bằng một cách nào đó làm cho điện áp trên van rất nhỏ (có thể coi là bằngkhông) ngay trước thời điểm cấp xung điều khiển để ngắt van thì ta hoàn toàn có thểtriệt tiêu được tổn hao trong quá trình chuyển mạch từ trạng thái ngắt sang trạng tháidẫn (off → on) của van

Hình 1.7 Chuyển mạch không điện áp

a Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van

b Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van

Từ hình 1.7 ta thấy, điện áp trên van được giảm về không trước khi dòng quavan bắt đầu tăng lên, như vậy Poff→on = fs Vsw isw ton = 0 Đồng thời, trongquá trình khóa van (on → off), quá trình tăng điện áp trên van cũng được làm trễ đi,

iswv

sw

isw

điện áp tăng lên khi dòng điện trên van là nhỏ do đó giảm tổn hao khi khóa van.

Như vậy quá trình chuyển mạch điện áp qua không (ZVS) chỉ có thể xảy rakhi mở van, và vẫn tồn tại tổn hao đóng cắt trong quá trình van chuyển từ trạng tháidẫn sang trạng thái khóa, tuy nhiên tổn hao này đã được làm giảm đi

b) Chuyển mạch không dòng điện ZCS (Zero Current Switching)

Quá trình chuyển mạch không dòng điện ZCS xảy ra ngược lại so với quátrình chuyển mạch không điện áp (ZVS), nó chỉ có thể xảy ra khi khóa van (vanchuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa) bằng cách làm cho dòng điện qua vantrở về không trước khi khóa van (điện áp trên van tăng lên), qua đó có thể triệt tiêugần như hoàn toàn tổn hao trong quá trình khóa van

`

Hình 1.8 Chuyển mạch không dòng điện (ZCS)

a Dòng điện và điện áp trong quá trình khoá van

b Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van

Cũng giống như quá trình chuyển mạch không điện áp (ZVS), quá trìnhchuyển mạch không dòng điện (ZCS) mặc dù loại bỏ được tổn hao khi khóa nhưng

ta vẫn phải chấp nhận tổn hao trong quá trình mở van và tổn hao này cũng đượcgiảm thiểu bằng cách làm trễ quá trình tăng của dòng điện qua van như hình vẽ1.8b

Nhận xét:

Quá trình chuyển mạch không điện áp (ZVS) hoặc không dòng điện (ZCS)

đã giảm thiểu đáng kể tổn hao do việc đóng mở van, hơn nữa việc đạt được chuyểnmạch không điện áp hoặc không dòng điện sẽ làm giảm nhiễu điện từ và các daođộng trong quá trình đóng mở van, từ đó cho phép nâng cao tần số của bộ biến đổi

để đạt hiệu suất cao hơn

isw

Qua phân tích ta thấy rõ bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch mềm cho tổnhao chuyển mạch rất nhỏ so với các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung truyền thốngPWM (Pulse Width Modulation)

Như vậy sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng đem lại những lợi ích rất lớn:

- Làm giảm đáng kể kích thước L, C, bộ tản nhiệt làm tăng mật độ công suất,giảm kích thước, trọng lượng và giá thành sản phẩm

- Cho phép bộ biến đổi làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn

- Tận dụng tụ kí sinh và điện cảm dò vào thành phần cộng hưởng và biếnchúng từ có hại sang có lợi

1.3 Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng [7]

1 Khái niệm về bộ biến đổi cộng hưởng

Bộ biến đổi cộng hưởng có cấu trúc tương tự các bộ biến đổi một chiều - mộtchiều (DC-DC) thông thường (Buck, Bosst, Cuk, Push-Pull, Forward, Flyback,Half-Bridge hay Full-Bridge) nhưng trong đó có thêm khối cộng hưởng (Resonant

tank network) gồm các thành phần L và C như trên hình 1.9 Các bộ biến đổi này

làm việc dựa trên nguyên lí cộng hưởng để đạt trạng thái chuyển mạch mềm chovan Các van sẽ được phát xung đóng hoặc mở khi dòng điện qua van hoặc điện áprơi trên van bằng không (chuyển mạch không điện áp hoặc không dòng điện) Haiđiều kiện chuyển mạch này không thể đồng thời xảy ra Ở trường hợp chuyển mạchkhông điện áp xuất hiện tổn hao khi khóa van còn chuyển mạch không dòng điệntổn hao khi mở van Tuy nhiên lượng tổn hao này rất nhỏ so với bộ biến đổi điềuchế độ rộng xung (PWM) truyền thống vì dòng và áp đã được khống chế tăng chậmhơn

Hình 1.9 Một số cấu trúc của khối cộng hưởng

a Kiểu nối tiếp; b Kiểu song song; c Kiểu nối tiếp – song song

2 Quá trình phát triển và các ứng dụng của bộ biến đổi công suất

Quá trình phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng được thể hiện trong bảng1.1

Trên thế giới, hiện nay các bộ biến đổi sử dụng nguyên lý cộng hưởng đãnghiên cứu và phát triển cho rất nhiều ứng dụng như:

- Chấn lưu điện tử cho đèn khí

- Các thiết bị y sinh (máy tạo tia X trong máy chụp X quang)

- Các thiết bị gia nhiệt (bếp điện từ, lò tôi thép, nấu thép)

- Các bộ biến đổi DC-DC tần số cao, mật độ công suất cao dùng trong điện

tử viễn thông và các thiết bị điện tử như TV LCD, sạc laptop,…

Nhiễu điện từ, tần số giới hạn vài chục kHz (thường từ 20-50kHz)

(thường từ 100-500kHz)Cuối những năm

Bảng 1.1 Quá trình phát triển của bộ biến đổi công suất

3 Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng

Các bộ biến đổi cộng hưởng có thể phân ra làm các loại như sau:

 Bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống (Conventional Resonant Converter):

Là bộ biến đổi sử dụng các khối cộng hưởng LC (Resonant Tank) để đạt được cácđiều kiện chuyển mạch mềm cho van

 Bộ biến đổi g ầ n cộng hưởng (Quasi-resonant Converter): Là sự kết hợpgiữa bộ biến đổi cộng hưởng và bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) truyềnthống, bằng cách thay thế van công suất trong các bộ biến đổi PWM bởi van cộnghưởng (Resonant switch)

 Bộ biến đổi đa cộng hưởng (Multi-resonant Converter): Hai dạng bộ biếnđổi trên chỉ có thể đạt được điều kiện chuyển mạch mềm cho hoặc van côngsuất hoặc diode chỉnh lưu đầu ra mà không thể đạt được cho cả hai cùng lúc Bộbiến đổi đa cộng hưởng ra đời khắc phục được nhược điểm này bằng cách sửdụng van đa cộng hưởng (multi-resonant switches).

Hình 1.10 Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng

4 Cấu trúc chung của bộ biến đổi cộng hưởng tải

Điện áp một chiều đầu vào Vin qua bộ nghịch lưu cho ra điện áp xoay chiềudạng xung vuông Để đạt được mật độ công suất cao, người ta thường sử dụng bộnghịch lưu với tần số chuyển mạch lớn để giảm kích thước thành phần từ tính Xungvuông điện áp sau khối nghịch lưu được đưa vào khối cộng hưởng (Resonant Tank)

để tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm Biến áp xung được sử dụng để cách ly giữađầu ra và đầu vào, đồng thời cũng có tác dụng biến đổi điện áp Điện áp xoay chiều

ở thứ cấp biến áp xung được đưa qua bộ chỉnh lưu tần số cao và bộ lọc để tạo rađiện áp một chiều trên tải Để ổn áp nguồn trước sự biến động của tải cũng như điện

áp đầu vào thì điện áp đầu ra được đưa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đưa vào mạch

so sánh với điện áp chuẩn Vref để đưa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịchlưu Bộ nghịch lưu sẽ được điều khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộngxung để ổn định điện áp đầu ra

Hình 1.11 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng Kết luận chương 1:

Trong phạm vi đề tài, bộ nguồn cộng hưởng nghiên cứu là loại cộng hưởngtải (kết hợp khối cộng hưởng và tải để tạo điều kiện chuyển mạch mềm), do đó bộnghịch lưu phải có cấu trúc đối xứng dạng bán cầu (half bridge) hoặc cầu (fullbridge) Sơ đồ bán cầu (half bridge) có tính đơn giản, sử dụng ít van công suất vàđiều khiển dễ hơn sơ đồ cầu (full bridge) Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta

sẽ phải sử dụng sơ đồ cầu (full bridge) để phát huy hết công suất của mạch Mụctiêu thiết kế bộ nguồn trong đề tài hướng tới là phục vụ cho các ứng dụng có điện áp

ra thấp, dòng điện lớn (như các ứng dụng trong điện tử, viễn thông) nên khối cộnghưởng được sử dụng với sơ đồ cầu (full bridge) Việc lựa chọn và phân tích sơ đồnày được thể hiện cụ thể trong chương 2

CHƯƠNG 2:

GIỚI THIỆU MỘT SỐ SƠ ĐỒ CỘNG HƯỞNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT

CỦA BỘ NGUỒN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Một số cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng thông dụng [5], [6]

2.1.1.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp

Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp với nghịch lưu cấu hình cầu như trênhình 2.1

Hình 2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp

Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp có tải mắc nối tiếp với khối cộnghưởng gồm cuộn kháng L và tụ C như hình 2.1 Trong bộ biến đổi này, khối cộnghưởng có tác dụng như một nguồn dòng, vì vậy ở đầu ra của tải chỉ cần một tụ lọc

Co mắc song song với tải để hòa hợp trở kháng

Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp là khả năng làm việctrong trường hợp ngắn mạch tải do tính chất nguồn dòng của khối cộng hưởng Ưuđiểm khác của bộ biến đổi nối tiếp là dòng chạy qua van công suất giảm khi giảmtải Điều này dẫn tới tổn thất dẫn qua van cũng như các tổn thất khác giảm khi tảigiảm, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi làm việc đầy tải Tuy nhiên, cấu trúcnày có nhược điểm là khó điều chỉnh ở điều kiện tải nhẹ hoặc không tải Điều nàythấy rõ từ đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp như trên hình2.2

C0

Hình 2 2 Đường đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp

Chỉ số chất lượng Q xác định theo công thức:

) load (

R

C L

Q 

Để ổn định điện áp đầu ra ở giá trị không đổi, bộ biến đổi phải duy trì đượcmột hệ số khuếch đại áp không đổi ngay cả khi tải thay đổi Từ hình 2.2 ta có thểthấy ở cùng một giá trị của hệ số khuếch đại áp M, khi giảm tải (Q giảm) thì tần sốchuyển mạch tăng lên rất nhiều so với khi tải lớn (Q lớn)

Đặc biệt khi tải nhẹ hay không tải thì tần số chuyển mạch tăng lên giá trị vôcùng lớn Do vậy, bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp cho các ứngdụng yêu cầu làm việc ở chế độ tải nhẹ hoặc không tải

Một nhược điểm khác của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là tụ lọc đầu raphải mang dòng điện với độ gợn sóng cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện mộtchiều Do đó bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng yêucầu điện áp thấp, dòng điện cao

2.1.2.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song

Khác với bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp ở trên, bộ biến đổi cộnghưởng kiểu song song có tải đầu ra mắc song song với tụ cộng hưởng:

Hình 2.3 Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song

Hình 2.3 thể hiện cấu trúc của bộ biến đổi song song làm việc với nghịchlưu cả cầu (full - bridge) Do tải (quy đổi về sơ cấp biến áp) mắc song song với tụ

C nên khối cộng hưởng có trở kháng thấp đối với mạch đầu ra và được coi nhưmột nguồn áp Cũng vì thế, ở đầu ra cần có mạch lọc L-C để hòa hợp trở kháng

Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện trên hình2.4 Từ những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi cộnghưởng nối tiếp thì bộ biến đổi cộng hưởng song song có thể điều khiển điện áp đầu

ra ở chế độ không tải bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch trên tần số cộnghưởng Ngoài ra ta cũng thấy rằng, tại tần số cộng hưởng, hệ số khuếch đại áp củakhối cộng hưởng là một hàm phụ thuộc vào điện trở tải Nếu giảm tải mà tần sốchuyển mạch không được điều chỉnh tăng lên bởi bộ điều khiển thì hệ số khuếchđại áp sẽ tăng lên rất lớn, dẫn tới hiện tượng quá áp ở đầu ra

Nhược điểm chính của bộ biến đổi song song là dòng điện chạy qua vancông suất và các thành phần cộng hưởng tương đối độc lập với tải Kết quả là tổnthất dẫn qua van và các thành phần cộng hưởng không đổi khi giảm tải, do đó hiệusuất khi tải nhẹ giảm rất mạnh Hơn nữa, dòng điện này tăng khi điện áp đầu vào bộbiến đổi tăng lên Vì vậy bộ biến đổi này không lý tưởng cho các ứng dụng có điện

áp đầu vào thay đổi lớn và yêu cầu làm việc ở hiệu suất cao khi non tải Ngược lại,bộ biến đổi song song phù hợp hơn với các ứng dụng có điện áp đầu vào ít thay đổi(trong khoảng 15%) và làm việc gần với công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75%công suất cực đại thiết kế)

Hình 2 4 Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu song song

Bộ biến đổi song song phù hợp cho các ứng dụng điện áp đầu ra thấp, dòng

ra lớn Điều này có được do bộ lọc đầu ra có cuộn cảm lọc, do đó hạn chế được cácdòng gợn đi vào tụ lọc, dòng điện đầu ra tương đối bằng phẳng Ngoài ra bộ biếnđổi này có khả năng làm việc ở chế độ ngắn mạch, bởi vì khi đó toàn bộ điện ápdạng xung vuông sau mạch nghịch lưu sẽ được đặt lên cuộn kháng cộng hưởng làmcho dòng điện bị giởi hạn bởi trở kháng của cuộn kháng này Vì vậy, bộ biến đổisong song cũng rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cả chế độ làm việc ngắnmạch

2.1.3.Bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC

Hình 2 5 Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu hỗn hợp LLC

Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC như trên hình 2.5.

Khối cộng hưởng của bộ biến đổi bao gồm 3 thành phần: Lr, Cr và Lm.Trong đó thành phần Lm là điện cảm từ hóa biến áp, Lr là điện điện cảm rò của biến

áp Khi điện cảm rò của biến áp (Lr) không đạt với yêu cầu thiết kế đặt ra, cần mắcthêm một cuộn cảm nối tiếp với tụ và sơ cấp biến áp

Hình 2.6 Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu LLC

Bộ biến đổi hỗn hợp có thể coi là sự kết hợp giữa bộ biến đổi nối tiếp và bộbiến đổi song song, tận dụng được ưu điểm của cả 2 bộ song song và nối tiếp đồngthời loại bỏ được nhược điểm của từng bộ Trong cấu trúc song song, dòng qua cácvan ở tải nhẹ không nhỏ hơn ở tải nặng, do đó tổn hao trên các van không giảm,hiệu suất ở tải nhẹ là thấp Ngược lại ở cấu trúc nối tiếp, khi dòng qua tải giảm dòngđiện qua van cũng giảm do đó giảm tổn hao trên van và hiệu suất bộ biến đổi đượcduy trì ở tải nhẹ Cấu trúc LLC kết hợp được khả năng điều chỉnh tải nhẹ của cấutrúc song song và sự duy trì cao hiệu suất của cấu trúc nối tiếp Chính vì những lí dotrên mà ngày nay các bộ biến đổi cộng hưởng cấu trúc LLC được rộng rãi trong cácứng dụng yêu cầu hiệu suất cao Và một điều đặc biệt là trong cấu trúc LLC chúng

ta có thể tận dụng thành phần điện cảm rò của biến áp tham gia vào quá trình cộnghưởng, từ đó giảm thiểu kích thước cũng như giá thành bộ biến đổi

2.2 Bộ biến đổi cộng hưởng - dịch pha LLC Full –bridge [7]

Hình 2.7 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng-dịch pha LLC Full –bridge

Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng dịch pha LLC Full – Bridge tương tự nhưcấu trúc Full – Bridge thông thường, gồm có 4 van QA, QB, QC, QD Tuy nhiên, phíasau nghịch lưu có thêm kháng cộng hưởng mắc nối tiếp với sơ cấp biến áp Khi điệncảm rò của biến áp đạt giá trị thiết kế yêu cầu, chúng ta không cần mắc thêm khángcộng hưởng Tụ điện cộng hưởng tận dụng từ tụ điện kí sinh trên van

2.2.2 Nguyên lí hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng dịch pha LLC

Hoạt động của bộ biến đổi được chia làm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Trước thời điểm t 0 (hình 2.8)

- Giai đoạn 2: t 0 < t < t1 (hình 2.9)

Hình 2.9 Giai đoạn 2

Khi van QD khóa, năng lượng tích trữ trong kháng LR xả và nạp cho tụ kí sinh

CD lên đến điện áp +Vin đồng thời tụ kí sinh CC xả Trong suốt quá trình này dòngđiện sơ cấp gần như không đổi và được duy trì bởi kháng đầu ra, điện áp trên tụ kísinh tăng tuyến tính Khoảng thời gian từ khi tụ Cc có điện áp Vin đến khi tụ CD cóđiện áp Vin gọi là thời gian chuyển đổi của nửa cầu bên phải ttran(right) được xác địnhbởi:

dI

dV C

) t p

in R 0 1 ) right ( tran

0 I

V C t t

Vin

Ở thời điểm t2 van QA khóa, dòng điện sơ cấp chảy qua Diode DC và nạp cho

tụ CA đồng thời tụ CB xả Trong khoảng thời gian này, D1 và D2 cùng dẫn gây ngắnmạch thứ cấp biến áp Năng lượng nạp cho tụ kí sinh từ điện cảm rò của biến áp vàkháng cộng hưởng

Khoảng thời gian chuyển đổi của kênh bên trái được xác định theo côngthức:

) t P

R in 1

R 2 3 2 3 ) trans(LEFT

2 I

Z V sin

1 dt

t t

; C

L Z

R

R

R R R

C L

; 1

điện kháng nối tiếp với sơ cấp biến áp LR và dòng điện thứ cấp được quy đổi về sơcấp LOUT/N2 Do đó, thời gian van mở là hàm của Vin ,VOUT và tỉ số biến áp N.

2.3 Phân tích khối cộng hưởng [9]

2.3.1 Yêu cầu của mạch cộng hưởng

Thời gian nạp, xả của tụ kí sinh ở nửa cầu bên trái luôn luôn lớn hơn nửa bênphải Thời gian lớn nhất xảy ra khi bộ biến đổi hoạt động ở điều kiện tải nhẹ vớiđiện áp đầu vào lớn nhất Ngược lại, thời gian nạp xả tụ ngắn nhất xảy ra ở nửa cầubên phải ở điều kiện đầy tải với điện áp đầu vào nhỏ nhất

Để đạt được trạng thái chuyển mạch không điện áp, năng lượng tích trữ trongkháng cộng hưởng phải đủ lớn để nạp cho tụ kí sinh trên van lên đến điện áp Vintrong khoảng thời gian cho phép Khoảng thời gian này < ¼ chu kì cộng hưởng

R R

max

2

2 4

1 t

COSS: là điện dung kí sinh trên mosfet;

CXFMR: là điện dung kí sinh của biến áp

Năng lượng cần để nạp cho tụ:

2 in XFMR OSS

) C

3

4 (

2.3.3 Kháng cộng hưởng

Năng lượng dự trữ trong kháng cộng hưởng cần lớn hơn năng lượng nạp cho

tụ kí sinh trên mosfet và biến áp Khi điện cảm rò của biến áp không đủ lớn, cần nốitiếp 1 cuộn cảm với sơ cấp biến áp Năng lượng này được xác định theo công thức:

2 i Pr R )

L ( L I 2

1

Chu kì cộng hưởng cần lớn hơn 4 lần thời gian nạp - xả của tụ kí sinh, vì thế

ta xác định được LR qua công thức:

) C C 3

8 ( ) t 2 / (

Min ( i Pr

L

V C

+ Tuy nhiên với việc lựa chọn tần số cộng hưởng phù hợp với thời gian

chuyển mạch giữa hai van trên cùng 1 nửa cầu (t transmax <

R max

2

t





giải quyết được vấn đề chuyển mạch mềm cho van với điều kiện chuyển mạchkhông điện áp (ZVS) Từ đó cho phép các van bán dẫn làm việc ổn định ở tần sốcao với tổn hao không đáng kể

+ Để đảm bảo các yếu tố trên ta thực hiện phân tích và lựa chọn các phươngpháp điều khiển, để đơn giản cùng như các yếu tố kỹ thuật, căn cứ vào thực tế sử

dụng ta lựa chọn IC UC3875 để thực điều khiển, điều chỉnh và ổn định biên độ điện

áp đầu ra

CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT CÓ CỘNG HƯỞNG [7], [8], [9]

3.1 Thiết kế mạch điều khiển

3.1.1 Giới thiệu IC UC3875

UC3875 là dòng IC đuợc thiết kế chuyên dụng cho các bộ biến đổi Bridge cộng huởng dịch pha Làm việc ở tần số không đổi, UC3875 cho phép điềuchế độ rộng xung (PWM) từ 0-100% nhờ việc dịch pha kết hợp với cộng huởng.Dòng IC này hoạt động cả ở chế độ áp và chế độ dòng với việc bảo vệ quá dòng tácđộng nhanh Với bốn kênh điều khiển (A-B,C-D) UC3875 có thể điều khiển bốnvan một lúc với dòng ra có thể lên tới 2A Tần số hoạt động lên tới 1MHz phù hợpcho các bộ biến đổi có hiệu suất cao

Full-Hình 3.1 biểu diễn sơ đồ khối của IC UC3875:

Hình 3.1 Sơ đồ khối UC3875

Hình 3.2 Sơ đồ chân IC UC3875 3.1.2 Chức năng các chân của IC UC3875

1 Đặt tần số hoạt động cho IC

Từ chân 16 nối song song tụ điện và điện trở xuống đất Dao động của mạchR-C tạo xung răng cưa đưa đến chân 17(CLOCKSYNC) tạo xung clock cho IC hoạtđộng Quan hệ giữa giá trị tụ điện, điện trở và tần số được thể hiện qua giản đồ trênhình 3.3

Hình 3 3 Giản đồ khối tạo xung clock

Khi tần số chuyển mạch của van là 100 kHZ, tần số hoạt động của IC là 200kHZ, ta chọn RT=24 kΩ và CT=1 nF