NGHIÊN cứu bộ NGUỒN PHÂN tán

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DPS Distribute Power Supply Nguồn phân tán PEC Power Factor Correction Hiệu chỉnh hệ số công suất và lọc sóng hài DC Direct Current Dòng điện một chiều ZVS Zero Volt

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: "Nghiên cứu bộ nguồn phân tán" do

em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Trần Trọng Minh Các số liệu

và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 03 năm 2012

Học viên

Trần Minh Đức

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN 2

1.1 Tổng quan về nguồn phân tán 2

1.2 Cấu trúc của nguồn phân tán dùng cho hệ máy tính chủ 3

1.3 Cấu trúc của nguồn phân tán dùng trong hệ thống xử lý, truyền thông tin và viễn thông 4

1.4 Cấu trúc chung của DSP 6

1.5 Phương hướng phát triển nguồn DSP 7

1.6 Các yêu cầu về mặt kỹ thuật cho nguồn DSP 8

1.7 Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS 8

1.7.1 Chuyển mạch dòng điện bằng không ( ZCS) 9

1.7.2 Chuyển mạch điện áp bằng không (ZVS) 10

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT (POWER FACTOR CORRECTION – PFC ) 12

2.1 Các mạch PFC thường dùng để điều chỉnh hệ số công suất 12

2.2 Ý nghĩa của việc điều chỉnh hệ số công suất 12

2.2.1 Điều chỉnh PFC tuyến tính 12

2.2.2 Điều chỉnh PFC phi tuyến tính 14

2.2.3 Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC 14

2.2.4 Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC 14

2.2.5 Tầm quan trọng của việc điều chỉnh hệ số công suất trong việc truyền tải điện năng 15

2.5 Mô hình hóa mô phỏng mạch điều khiển Boost PFC 19

2.6 Mạch điều khiển PFC dùng IC LM4821 21

2.7 Mộ phỏng mạch điều khiển Bost PFC 23

2.7.1 Mạch điều khiển PFC có cuộn cảm L 23

2.7.2 Mạch điều khiển PFC không có cuộn cảm L 24

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC 26

3.1.Các bộ nghịch lưu cộng hưởng tần số cao 26

3.1.1 Bộ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp 26

3.1.2 Bộ nghịch lưu cộng hưởng song song 29

3.1.3 Bộ nghịch lưu cộng hưởng LLC 30

3.2 Xét ảnh hưởng của biến áp đến bộ biến đổi half- bridge LLC 35

3.3 Phân tích các chế độ xác lập dùng phương pháp gần đúng sóng hài bậc nhất39 3.3.1 Phân tích sơ đồ mạch biến đổi DC-AC lý tưởng 39

3.3.2 Phân tích bộ chỉnh lưu và mạch lọc một chiều 41

3.3.3 Phân tích mạng mạch cộng hưởng 42

3.3.4 Hệ số biến đổi điện áp đầu ra, đầu vào M=Uo/Ug 43

3.4 Sơ đồ cộng hưởng nối tiếp 44

3.5 Sơ đồ cộng hưởng song song 46

3.6 Phân tích chuyển mạch mềm ZVS, ZCS 50

3.7 Tính toán mạch DC-DC cộng hưởng LLC 54

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ CỘNG HƯỞNG LLC 62

4.1 Dạng sóng dòng điện, điện áp ứng với ba chế độ làm việc ZVS, ZCS và vùng hoạt động cộng hưởng ở tần số cao f0 = 1/sqrt( LrCr) 62

4.2 Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp ra bằng phương pháp điều khiển tần số 67

4.2.1 Nguyên lý điều khiển vòng lặp điện áp 67

4.2.2 Nguyên lý điều khiển vòng lặp dòng điện 68

4.2.3 Nguyên lý điều khiển vòng lặp dòng điện trung bình 68

4.3 Phân tích bộ bù lead – lag 70

4.3.1 Phân tích mạch bù sớm pha - lead 71

4.3.2 Phân tích mạch bù trể pha – lag 73

4.3.3 Mạch bù sớm-chậm pha lead – lag 75

4.4 Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp bằng phương pháp thay đổi tần số 75

4.5 Phân tích đặc tính động và phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh điện áp với ngõ vào rộng và tải thay đổi 77

4.5.1 Cấu hình bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC nối tiếp 77

4.5.2 Các chế độ hoạt động và vùng hoạt động 78

4.5.3 Thiết kế và phân tích mô hình tín hiệu nhỏ 80

4.5.4 Thiết kế bộ bù phản hồi 84

4.5.5 Kết quả thực hiện vòng lặp kín 89

4.5.6 Tính toán mạch bù phản hồi điện áp 91

4.6 Phân tích bộ điều khiển vòng lặp khóa pha 93

4.7 Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển LLC DC/DC bằng PLL 94

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHUYỂN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC 97

5.1 Thiết Kế Bộ Chuyển Đổi Cộng Hưởng LLC với các thông ban đầu như sau 97

5.1.1 Xác định các thông số của biến áp 97

5.1.2 Xác định đặc tính của hệ thống 98

5.1.3 Thiết kế mạng cộng hưởng 99

5.1.4 Tính chọn mạch chỉnh lưu 103

5.2 Mô Phỏng bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC 104

5.2.1 Mô phỏng mạch điều khiển vòng hở 104

5.2.2 Mô phỏng mạch điều khiển vòng kín 111

KẾT LUẬN 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DPS Distribute Power Supply Nguồn phân tán

PEC Power Factor Correction Hiệu chỉnh hệ số công suất và lọc sóng hài

DC Direct Current Dòng điện một chiều

ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không

ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dòng điện không

SRC Series Resonant Converter Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

PRC Paratel Resonant Converter Bộ biến đổi cộng hưởng song song

CCO Current Controlled Oscillator Bộ tạo dao động dòng kiểm

CTR Current Transfer Ratio Tỷ số truyền dòng điện

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc bộ nguồn phân tán dạng bus 3

Hình 1.2: Cấu trúc nguồn phân tán dùng cho hệ thống máy tính chủ 3

Hình 1.3: DSP dùng trong hệ thống xử lý, truyền thông tin và viễn thông 5

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc chung của DSP 6

Hình 1.5: So sánh tổn hao của chuyển mạch cứng và chuyển mạch cộng hưởng 9

Hình 1.6: Sơ đồ minh họa cho điều kiện chuyển mạch mềm 9

Hình 1.7 : Mô tả chuyển mạch dòng điện bằng không 10

Hình 1.8: Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS 10

Hình 1.9 Mạch mô tả điện áp bằng không – ZVS 11

Hình 1.10: Dạng sóng chuyển mạch điện áp bằng không – ZVS 11

Hình 2.1: Một số mạch PFC cơ bản 12

Hình 2.2: Mạch ổn áp tăng áp boost – PFC 16

Hình 2.3: Dạng xung dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ DC-DC song song ( boost converter ) 17

Hình 2.4 : Mạch điều khiễn Boost PFC 19

Hình 2.5: Mô hình hóa đơn giản của mạch Boost PFC 20

Hình 2.6: Điều khiển giá trị dòng trung bình PFC ( ML 4821) 21

Hình 2.7: Điều chế sườn lên để xác định chu kỳ PWM 22

Hình 2.8 : Dạng sóng chế độ điêu khiển dòng điện trung bình 23

Hình 2.9: Mạch điều khiển PFC khi có cuộn cảm L 23

Hình 2.10: Kết quả mô phỏng mạch điều khiển PFC 24

Hình 2.11: Mạch điều khiển PFC không có cuộn cảm L 24

Hình 2.12: Kết quả mô phỏng mạch điều khiển PFC 25

Hình 2.13: Đồ thị mô tả thời gian holdup của PFC 25

Hình 3.1: Cấu trúc của bộ ngịch lưu cộng hưởng nối tiếp 26 Hình 3.2: Đồ thị dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ nghịch lưu cộng

Hình 3.4: Đặc tính DC của bộ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp 28

Hình 3.5: Cấu trúc của bộ nghịch lưu cộng hưởng song song 29

Hình 3.6: Đặc đính DC của bộ cộng hưởng song song 30

Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi LLC 31

Hình 3.8: Dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ chuyển đổi half – bridge LLC 32

Hình 3.9: Điện trở tải tương đương 33

Hình 3.10: mạch điện tương đương của bộ biến đổi half – bridge LLC 34

Hình 3.11: Mạch điện tương đương của máy biến thực tế 35

Hình 3.12: Mạch điện đơn giản của biến áp xung thực tế 36

Hình 3.13: Sơ đồ cấu trúc xét đến thành phần của điện cảm của máy biến áp 36

Hình 3.14: Mạch điện tương đương đơn giản hóa của bộ cộng hưởng điện cảm biến áp 37

Hình 3.15: Đặc tuyến khuếch đại của bộ cộng hưởng LLC 38

Hình 3.16: Đặc tính của hệ số khuếch đại đỉnh Q 38

Hình 3.17: Sơ đồ mạch DC-AC lý tưởng 39

Hình 3.18: Dạng xung điện áp đầu ra bộ biến đổi DC-AC lý tưởng 39

Hình 3.19: Dạng dòng một chiều đầu vào bộ biến đổi DC-AC 40

Hình 3.20: Mạch chỉnh lưu và lọc một chiều đầu ra 41

Hình 3.21: Dạng xung điện áp, dòng điện của bộ chỉnh lưu, lọc lý tưởng 41

Hình 3.22: Mạng mạch cộng hưởng tuyến tính 42

Hình 3.23: Ghép nối các khâu trong mô hình gần đúng bộ biến đổi DC-DC cộng hưởng 43

Hình 3.24: Cấu trúc của bộ biến đổi DC-DC cộng hưởng nối tiếp 44

Hình 3.25: Mạch tương đương gần đúng sơ đồ cộng hưởng nối tiếp 44

Hình 3.26: Biểu đồ Bode của trở kháng vào mạch cộng hưởng nối tiếp và module hàm truyền H(s) 46

Hình 3.27: Sơ đồ tương đương bộ biến đổi cộng hưởng song song 46

Hình 3.28: Dạng xung điện áp, dòng điện của bộ chỉnh lưu, lọc lý tưởng trong sơ đồ cộng hưởng song song 47

Hình 3.29: Mạch tương đương gần đúng của sơ đồ cộng hưởng song song 48

Hình 3.30: Biểu đồ Bode của trở kháng và module H(s) của sơ đồ cộng hưởng

song song 48

Hình 3.31: Sơ đồ cộng hưởng nối tiếp cầu một pha 50

Hình 3.32: Dạng điện áp, dòng điện trên sơ đồ cộng hưởng nối tiếp khi tải 51

Hình 3.33: Chuyển mạch nặng (Hard switching) khi van mở ra 52

Hình 3.34: Chuyển mạch mềm, van vào dẫn dòng khi điện áp trên van bằng không (ZVS) 53

Hình 3.35: Dạng điện áp trên van MOSFET trong chế độ chuyển mạch ZVS 54

Hình 3.36: Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC có biến áp cách ly 55

Hình 3.37: Các cấu trúc bộ biến đổi khác nhau cho bộ biến đổi LLC 55

Hình 3.38: Sơ đồ mạch điện biến đổi máy biến áp tương đương cho bộ biến đổi LLC 56

Hình 3.39: Hệ số biến đổi điện áp M phụ thuộc tần số làm việc 58

Hình 3.40 Hệ số M phụ thuộc λ = Lr/Lm 58

Hình 3.41: Hệ số biến đổi M phụ thuộc tải (qua hệ số chất lượng Q là tham số) 59

Hình 3.42: Trở kháng tổng Zin phụ thuộc tần số 60

Hình 3.43: Vùng làm việc có thể lựa chọn cho LLC 61

Hình 4.1: Đặc tính DC của bộ cộng hưởng LLC 62

Hình 4.2: Ba vùng hoạt động của bộ cộng hưởng half – bridge LLC 63

Hình 4.3: Hoạt động của bộ cộng hưởng half – bridge LLC ở vùng 1 64

Hình 4.4: Hoạt động của bộ cộng hưởng half – bridge LLC ở vùng 2 64

Hình 4.5: Hoạt động half – bridge LLC trong chế độ 1 vùng 2 65

Hình 4.6: Hoạt động half – bridge LLC trong chế độ 2, vùng 2 65

Hình 4.7: Hoạt động half – bridge LLC trong chế độ 2, vùng 3 66

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển điện áp 67

Hình 4.9: Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM 67

Hình 4.10: Nguyên lý điều khiển dòng điện 68

Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý điều khiển dòng điện trung bình 68

Hình 4.12: Thành phần khối chính của bộ bù dòng điện trung bình 69

Hình 4.13: Mạch điều khiển dòng điện trung bình 70

Hình 4.16: Mạch bù trễ pha Lag 73

Hình 4.17: Đồ thị Bode bù trễ pha - lag 74

Hình 4.18: Sơ đồ cấu trúc vòng phản hối của bộ biến đổi LLC 76

Hình 4.19: Bộ cộng hưởng LLC điều khiển cách ly 77

Hình 4.20: Các chế độ hoạt động của bộ cộng hưởng LLC 78

Hình 4.21: Vùng hoạt động của bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC 79

Hình 4.22: Mô tả trạng thái động – quỹ đạo điểm cực và điểm zero của hàm truyền ) (s G Vf từ B đến A 82

Hình 4.23: Mô tả trạng thái động – quỹ đạo điểm cực và điểm zero của hàm truyền điều khiển từ G Vf (s) từ A đến B 83

Hình 4.24: Mạch bù ba điểm cực hai điểm không 84

Hình 4.25: Thiết kế bộ bù và độ khuếch đại vòng lặp (a): thiết kế bộ bù tại điểm A (b) thiết kế bộ bù tại điểm B Tm độ khuếch đại vòng lặp 85

Hình 4.26: Thiết kế bộ bù tại điểm A 87

Hình 4.27: thiết kế bộ bù tại điểm B 89

Hình 4.28: độ khuếch đại vòng lặp 89

Hình 4.29: Đáp ứng của tải 90

Hình 4.30: Mạch bù phản hồi điện áp 91

Hình 4.31: Sơ đồ điều khiển vòng lặp khóa pha 93

Hình 4.32: Sơ đồ khối của IC CD4046 PLL 94

Hình 4.33: Mô hình mạch điểu khiển tín hiệu nhỏ vòng lặp kín PLL 95

Hình 4.34: Cấu trúc của bộ bù LLC DC/DC và dải độ lợi của bộ bù 96

Hình 5.1: Cấu trúc PFC và DC - DC 97

Hình 5.2: Đường cong thể hiện khoảng giá trị của hệ số khuếch đại điện áp 99

Hình 5.3: Đặc tính độ lợi theo Q với các giá trị K khác nhau 100

Hình 5.4: Đường cong hệ số khuếch đại 101

Hình 5.5: Sơ đồ mạch điều khiển vòng hở 104

Hình 5.6: Dòng điện cộng hưởng khi Khi Uđm = 400V và tải 50% 105

Hình 5.7: Điện áp ngõ ra của tải khi Uđm = 400V và tải 50% 105

Hình 5.8: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 400V và tải 100% 106

Hình 5.9: Điện áp ngõ ra của tải khi Uđm = 400V và tải 100% 106

Hình 5.10: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 400V và tải 100% 107

Hình 5.11: Điện áp ngõ ra của tải khi Uđm = 400V và tải 100% 107

Hình 5.12: Điện áp cộng hưởng khi Uđm = 360V và tải 50% 108

Hình 5.13: Điện áp ngõ ra của tải Uđm = 360V và tải 50% 108

Hình 5.14: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 410V và tải 50% 109

Hình 5.15: Điện áp ngõ ra của tải khi Uđm = 410V và tải 50% 109

Hình 5.16: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 410V và tải 100% 110

Hình 5.17: Điện áp ngõ ra của tải Uđm = 410V và tải 100% 110

Hình 5.18: Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển vòng kín 111

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống điện tử công suất đang ngày càng sử dụng rộng rãi để cung cấp công suất xử lý cho nhiều ứng dụng khác nhau như: tính toán, công nghệ truyền thông, điện

tử y học, truyền tải công suất cao…Sự kết hợp giữa các mức điện áp khác nhau từ vài miliwat đến vài megawatt Đặc điểm của những hệ thống này là đưa ra các mạch đóng ngắt còn gọi là “ switching” để truyền công suất các linh kiện được sử dụng trong vấn đề truyền công suất này là: transistror, thyrirstor, Mosftet, IGBT Trong đó có kèm theo các linh kiện phụ trợ đi kèm trong suốt quá trình chuyển đổi như tụ điện, diode, cuộn dây, điện trở, các mạch tích hợp để điều khiển việc phân tích, thiết kế hay

mô phỏng trong điện tử công suất đã giúp người thiết kế hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch và cho phép chọn các cấu hình, các linh kiện thích hợp để hoàn thành thiết kế Ngày nay có rất nhiều các mô hình chuyển đổi để tăng hiệu suất, giảm kích thước của bộ nguồn trong luận văn này đề cập đến một mộ hình chuyển đổi LLC Để

hiểu rõ về vấn đề chuyển đổi DC- DC tôi đã chọn nghiên cứu về đề tài “Nghiên cứu

bộ nguồn phân tán” Bố cục của luận văn này gồm có 5 chương

Chương 1: Tổng quan về nguồn phân tán,

Chương 2: Phân tích tác dụng của bộ điều chỉnh công suất -

(Power factor correction – PFC)

Chương 3: Phân tích bộ chuyển đổi DC-DC

Chương 4: Phân tích chế độ động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Chương 5: Thiết kế thử nghiệm và Mô phỏng bộ điều khiển mạch LLC

Trong quá trình thực hiện bài luận văn, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn về vấn đề

chuyên môn Nhờ sự giúp đỡ tận tình chỉ bảo hướng dẫn của thầy giáo TS Trần Trọng

Minh đã giúp em hoàn hoàn thành luận văn với kết quả mong muốn đạt được Tôi xin gửi

lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Trần Trọng Minh cùng tập thể các thầy cô giáo

cùng bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp, Trường Đại Học Bách Khoa HN

Hà Nội, ngày 4 tháng 3 năm 2012

Học viên

Trần Minh Đức

đã đáp ứng được các tiêu chuẩn cơ bản về mặt kỹ thuật như: hiệu suất cao, độ tin cậy Chính vì vậy, mà hệ thống nguồn phân tán được sử dụng trong lĩnh vực quan trọng 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 của các chip tăng lên khi ở tần số cao và sinh nhiệt Vấn đề tản nhiệt để nâng cao hiệu suất gặp nhiều khó khăn và làm tăng kích thước bộ nguồn, khó thay đổi

và quản lý nguồn Vì thế nguồn phân tán đã đáp ứng được những nhược điểm của nguồn tập trung

Trong ngành công nghiệp ngày nay, nguồn phân tán (DSP) đang được đưa vào ứng dụng trong hai lĩnh vực qua trong : Hệ thống lưu trữ thông tin truyền số liệu của mạng máy chủ (server PC) và hệ thống viễn thông Trong các hệ thống máy chủ nguồn DSP được sử dụng để cấp vào các mạch xử lý tín 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

các brick để nâng cao tính linh động chuyển đổi giữa các cấp điện áp khác nhau mà không ảnh hưởng đến quá trình vận hành toàn bộ hệ thống và dễ dàng lắp đặt

 

Hình 1.1: Cấu trúc bộ nguồn phân tán dạng bus

1.2 Cấu trúc của nguồn phân tán dùng cho hệ máy tính chủ

Sơ đồ 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 được gọi là mạch boost PFC Mạch này có chức năng chuyển đổi từ điện lưới một pha 220V-AC sang điện áp một chiều từ (300VDC - 400VDC Để tăng hiệu suất chuyển đổi, khối này thường sử dụng là mạch tăng áp có ổn áp và điều chỉnh hệ số công suất ngõ ra nhờ tích hợp một cuộn cảm LPF bên trong mạch Điện áp 400VDC này được cung cấp vào hệ thống Bus đầu tiên (Bus 400VDC)

Khối biến đổi điện áp DC/DC: Khối này dùng để hạ áp từ 400VDC xuống 12VDC để cung cấp vào hệ thống bus thứ hai (Bus 12V) Khối phía sau hệ thống bus thứ 2 chính là các điểm tải (POL: point of load), hay là các mạch chuyển đổi hạ

áp cung cấp trực tiếp cho tải và thường sử dụng là mạch 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 ổ cứng 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 dụng trong hệ thống này chủ yếu là Mosfet, IGBT và các bộ băm xung PWM

1.3 Cấu trúc của nguồn phân tán dùng trong hệ thống xử lý, truyền thông tin

và viễn thông

Ở trong sơ đồ khối của các hệ thống nguồn viễn thông có sự khác biệt hơn so với hệ thống nguồn cung cấp cho hệ thống máy tính chủ là phía sau hệ thống Bus 48VDC không phải là mạch buck converter mà đó là các brick converter Các brick converter này chính là các mạch chỉnh lưu đồng bộ cách ly thông qua biến áp xung Phía sơ cấp của biến áp xung này có thể là các bộ chỉnh lưu đồng bộ Full – bridge hay flyback – converter Phía thứ cấp của biến áp xung chính là các mạch chỉnh lưu đồng bộ hai nửa chu kỳ tăng gấp đôi dòng điện để tăng công suất cấp đủ dòng cho các POL

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 thống máy 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 5VDC, 3.3VDC Phía sau biến áp xung là bộ chỉnh lưu đồng bộ cung cấp cho hệ thống bus 12v và bus 3V,5v Từ hệ thống bus 12VDC,3DC,5VDC mới cung cấp đến các POL 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 điện với hệ thống tải tiêu thụ phía sau nhằm nâng cao tính an toàn và độ tin cậy cho hệ thống trạm thu phát tín hiệu, tránh ảnh hưởng của sóng hài lên lưới và ngược lại

1.4 Cấu trúc chung của DSP

Mặc dù giữa hai cấu trúc DSP cho hệ thống máy tính chủ và DSP cho hệ thống thông tin và viễn thông có sự khác nhau về mặt cấu trúc Nhưng nhìn chung hai cấu trúc này có những điểm tương quan cơ bản về mặt cấu trúc như 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 nó chuyển đổi từ điện thế xoay chiều 220VAC sang điện thế một chiều vào khoảng 400Vdc Mạch Boost – PFC có ổn áp nhờ vào tụ điện lắp song song với tải và điều chỉnh hệ số công suất ngõ ra Điên thế một chiều này được đưa vào hệ thống Bus đầu tiên Việc điều chỉnh để có hệ số công suất cos mong muốn bằng cách thêm vào hay bớt ra cuộn dây hay tụ điện cho tải tiêu thụ Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng cách đấu thêm tụ song song với cuộn dây nhằm triệt tiêu công suất phản kháng, giảm công suất biểu kiến, và tăng hệ số công suất Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp mà còn có thể sử dụng cho mỗi hộ gia đình nhằm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho

Khối DC – DC = DC- AC- DC: gồm hai khối: DC-AC và 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 luận văn này là bộ cộng hưởng LLC do số van phải điều khiển ít, tần số và hiệu suất cao kích thức nhỏ gọn Khối AC – DC là mạch chỉnh lưu đồng bộ full bridge hay half – bridge

Bộ nghịch lưu DC-AC sử dụng mạch dao động L-C tạo điều kiện chuyển mạch mềm 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 cấp vào 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 mạch mềm và tạo

ra dòng điện sin đưa vào biến áp xung Điện áp xoay chiều này được chỉnh lưu đồng bộ tạo điện áp một chiều 48VDC

Ngoài ra ta còn một hệ thống chuyển đổi từ 48VDC xuống 12VDC 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 các điện 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 điểm của tải ( POL= poin of load – điểm của tải )

Ngoài ra DSP còn là một cấu trúc mở Khi tải được mở rộng hoặc giảm bớt đi

sẽ không ảnh hưởng nhiều đến toàn hệ thống

1.5 Phương hướng phát triển nguồn DSP

Vào những năm 1970, khái niệm về nguồn DSP đã tồn tại và đã được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực viễn thông Trước đó, thường phải có hai bộ nguồn giống nhau cho hệ thống viễn thông và đã làm tăng chi phí Sự ra đời của nguồn DSP giảm được chi phí nên đã được sử dụng rộng rãi Đặc điểm của bộ DSP này là tách tải thành từng nhóm và cấp nguồn đơn cho mỗi POL độc lập, giảm tác động lỗi của thiết bị riêng lẻ lên toàn hệ thống con

Ngày nay, nguồn DSP không chỉ sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông

mà còn được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều hệ thống mạch điện tử để cấp nguồn cho máy tính, các mạch xử lý tín hiệu hay các mạch điều khiển Trong các hệ thống

có yêu cầu phải làm việc độc lập với lưới điện hay trong các hệ thống có bộ phận tích trữ năng lượng như acqui, trên tàu hỏa, ô tô, máy bay hay các trạm vệ tinh nhân tạo Bên cạnh độ an toàn cao, và ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất, đảm bảo kinh tế xu hướng tương lai nguồn DSP sẽ là thay thế nguồn tập trung truyền thống vì tính năng mở rộng, áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau

1.6 Các yêu cầu về mặt kỹ thuật cho nguồn DSP

DSP làm việc chủ yếu đối với các thiết bị điện tử là hệ thống đầu não để xử lý thông tin nên yêu cầu về mặt kỹ thuật đặt ra đối với DSP như sau

• Đảm bảo được hiệu suất cao để tăng khả năng sử dụng năng lượng của bộ nguồn Trong quá trình làm việc yêu cầu hạn chế phát nhiệt tránh hỏng thiết bị

và tăng độ bền cho bộ biến đổi

• DSP phải làm việc ở tần số cao ( từ vài chục KHZ đến 300khz và thậm chí lên đến 1MHZ ) để giảm kích thước của bộ biến đổi

• DSP cần có đặc tính động tốt vì là bộ nguồn cung cấp cho bộ phận điều khiển hay bộ xử lý thông tin cao để đảm bảo hoạt động của hệ thống

• Đảm bảo yêu cầu về mặt cách ly chống nhiễu lan truyền trên nguồn lưới, chống sét và an toàn khi sảy ra chạm chập vì vậy biến áp xung được sử dụng

để giảm kích thước, đảm bảo cách ly, hoạt động ở tần số cao

• Nhằm nâng cao hiệu suất truyền tải trên lưới và giảm tổn thất thi DSP phải đảm bảo được hệ số cos 1

1.7 Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS

Yêu cầu đối với các bộ biến đổi công suất nói chung và các bộ biến đổi front –end DC-DC nói riêng là có kích thước nhỏ, trọng lượng nhỏ và hiệu suất cao Trong một bộ biến đổi công suất thì thành phần từ tính và bộ phận tản nhiệt chiếm thể tích lớn nhất có thể chiếm tới 80% Nếu giảm được kích thước các thành phần trên sẽ tăng mật độ công suất lên rất nhiều Do đó, các bộ biến đổi tuyến tính sử dụng biến áp xung thay thế bởi các bộ biến đổi “ hard - switching” Để giải quyết vấn đề này, các mạch phụ trợ được sử dụng Tuy nhiên, phương pháp này vẫn bị hạn chế do tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tổn hao chuyển mạch nên khi tần số

Những bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng dao động mạch L-C là một giải pháp để giảm tổn thất chuyển mạch bằng cách tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm cho các van Các van sẽ được đóng mở khi dòng qua van hoặc điện áp rơi trên van bằng 0

Hình 1.5: So sánh tổn hao của chuyển mạch cứng và chuyển mạch cộng hưởng

Tùy theo dòng điện đặt vào khối cộng hưởng sớm hay trễ pha so với xung vuông điện áp đặt vào mạch cộng hưởng mà ta có được các điều kiện chuyển mạch điện áp bằng không (ZVS) hay chuyển mạch dòng điện bằng không (ZCS)

Hình 1.6: Sơ đồ minh họa cho điều kiện chuyển mạch mềm

1.7.1 Chuyển mạch dòng điện bằng không ( ZCS)

Chuyển mạch dòng điện bằng không chỉ sảy ra khi dòng điện qua khối cộng hưởng sớm pha hơn xung điện áp đặt vào khối cộng hưởng hay chính điện áp Uds Dạng sóng minh họa cho quá trình chuyển mạch ZCS được mô tả như sau

Hình 1.7 : Mô tả chuyển mạch dòng điện bằng không

Hình 1.8: Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS

1.7.2 Chuyển mạch điện áp bằng không (ZVS)

Chuyển mạch điện áp bằng không sảy ra khi dòng điện chạy qua khối cộng hưởng trễ pha hơn xung điện áp đặt vào khối cộng hưởng hay chính điện áp Uds Dạng sóng minh họa cho qua trình chuyển mạch ZVS như sau

Hình 1.9 Mạch mô tả điện áp bằng không – ZVS

 

Hình 1.10: Dạng sóng chuyển mạch điện áp bằng không – ZVS

Từ hai kết quả mô phỏng ZVS và ZCS ta thấy rằng

• Ở ZCS: Do khi phát xung điều khiển mở van thì dòng tích lũy ở diode ngược

và tụ ký sinh song song và được giải phóng qua van nên dòng điện qua van khi mở sẽ có xung đỉnh lớn gây nhiễu điện từ và tổn hao khi mở van

• Ở chế độ ZVS: Mosfet phải chịu tổn hao khi khóa van do dòng điện lúc này chưa về bằng không Nhưng dòng lúc này đã nhỏ và chuyển sang nạp cho tụ

ký sinh song song của van Khi diode ngược của van dẫn dòng thì điện áp trên

tụ sẻ giải phóng trước khi mosfet thông Do đó, không có tổn hao khi mở van

và loại trừ được tổn hao do sự nạp xả diode ngược và tụ ký sinh song song

• Vì vậy, trong thực tế người thiết kế thường chọn mạch làm việc ở tần số cộng hưởng để đạt được điều kiện chuyển mạch ZVS

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT

( POWER FACTOR CORRECTION – PFC ) 2.1 Các mạch PFC thường dùng để điều chỉnh hệ số công suất

 

Hình 2.1: Một số 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 và điều chỉnh PFC phi tuyến

2.2.1 Điều chỉnh PFC tuyến tính

Điều chỉnh PFC tuyến 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 tụ điện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công

nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, 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 biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần

bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được

bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính toán 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 bằng một 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 điện năng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị

hệ số công suất luôn ở trên giá 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 phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được xem 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 điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử

sử dụng Thyristor chẳng hạn

2.2.2 Điều chỉnh PFC phi tuyến tính

Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều 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 ra các 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 được các 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

kế chuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching) Trước đây các bộ nguồn này chỉ 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 ban đầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các sóng hài không có lợi

2.2.3 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 qua dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho các tần số sóng 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 lọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuy lớn hơn cuộn 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 làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC

2.2.4 Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC

kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùng pha với dạng sóng ở đầu 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 đổi được 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 pháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất

và mạch điều khiển 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 vực mình đang ở, ngoài ra nó còn giúp PSU hoạt động được ở những khu vực

90 – 135Vac (115Vac)

94- 264Vac

180 – 264Vac (230V-ac)

180 – 264Vac (230V-ac)

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

Thực tế cho thấy công ty cung cấp điện bán cho người dùng dưới hai giá trị là điện áp và dòng điện nhưng hóa đơn tiền điện được tính bằng Wat Nếu hệ số công suất của thiết bị có giá trị thấp hơn 1 thì cần phải có nhiều công suất VA được truyền đi để có thể đáp ứng được công suất 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 hay không

Sự 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 hệ số công suất - boost PFC

L, qua van V Khi van 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 thiết điện áp trên tải U o gần như không thay đổi trong chu kỳ đóng cắt của van V Như vậy khi V mở do có điện áp

trên tải U o mà điôt D khoá lại

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

Với giả thiết U o =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

− nên U o >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=t x ÷ T dòng trong cuộn cảm

L phải có tốc độ âm (dòng phải giảm), tức là U g U o 0

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 I L trong Boost

Converter không bằng dòng tải I o vì dòng cuộn cảm chạy qua phía tải chỉ trong thời

gian (1 – D)T s Có thể xác định dòng I L 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 công suất trên tải, nghĩa là:

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

không đáng kể có thể coi rằng dòng tải gần như không đổi và bằng giá trị dòng

trung bình I o Như vậy trong khoảng thời gian t x = DT s điện áp trên tụ bị sụt giảm đi giá trị bằng ∆U C = ∆U o, trong đó:

Sử dụng (2.9) và (2.10), cho trước độ đập mạch dòng qua cuộn cảm cỡ (10%

÷ 30%)I L, độ đập mạch điện áp trên tải cỡ (0,1% ÷ 1%0Uo, có thể xác định được

U I

Mạch này cung cấp điện áp ổn áp ngõ ra 400VDC Phạm vi điện áp AC cho phép thay đổi trong khoảng 85VAC – 246VAC Chức năng của mạch như sau: 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

Tụ C2 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 Ngõ 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 tín hiệu 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

để điều khiển Q

Mô hình hóa đơn giản của mạch

 

2.6 Mạch điều khiển PFC dùng IC LM4821

Trọng tâm của bộ điều khiển PFC chính là độ lợi của bộ điều chế Độ lợi của

bộ điều chế có 2 ngõ vào và một ngõ ra ( hình 2.6 )

 

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 mẫu này 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 số lấy điện áp ngõ ra (dùng 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 cho bất kỳ thay đổi đột ngột đầu ra hoặc độ gợn thất thường ảnh hưởng đến đầu ra của bộ khuếch 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 với dạng sóng điện áp Để dòng điện cùng pha với điện áp, bộ khuếch đại dòng điện ở bên trong phải được thiết kế đủ băng thông đủ để giữ lại các sóng hài điện áp ngõ vào Dải băng thông này được thiết kế dùng các tụ và điện trở bên ngoài Băng thông này được thiết kế trong mọi trường hợp đến một vài Khz ( không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ đột ngột nào), các băng thông này sử dụng thông tin từ bộ điều chế độ lợi để điều 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 mẫu điện áp và dòng điện ngõ vào tương ứng hai cách đo này là để so sánh lại với nhau để xác định Cách giải quyết này là để so sánh với điện áp mẫu của dòng điện ngõ ra để xác định chu kỳ của PWM ( hình 2.7 )

 

Hình 2.7: Điều chế sườn lên để xác định chu kỳ PWM

Điều khiển độ rộng xung sử dụng sườn lên (điều chế sườn lên khi ngõ ra của switch trạng thái mở khi đó ngõ ra của bộ so sánh qua sườn phía sau của xung răng cưa đã được chọn ) các đường thẳng mà đi qua xung răng cưa thì ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai nằm trong phạm vi điều khiển điện áp Ngõ ra của bộ khuếch đại

vi sai đưa vào RS –FF để điều khiển công suất của Mosfet Dòng điện trung bình ở chế độ dang sóng hình 2.8

Hình 2.8 : Dạng sóng chế độ điêu khiển dòng điện trung bình

2.7 Mộ phỏng mạch điều khiển Bost PFC

2.7.1 Mạch điều khiển PFC có cuộn cảm L

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

Kết quả mô phỏng khi có cuộn cảm L

Kết quả mô phỏng khi không có cuộn cảm L

Hình 2.12: Kết quả mô phỏng mạch điều khiển PFC

đó tụ Cin làm nhiệm vụ ổn áp ngỏ ra

Hình 2.13: Đồ thị mô 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 hình cộng 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 đổi tải ở ngõ ra Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC giảm được tổn thất khi điện

áp ngõ vào thay 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 nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp

Dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ cộng hưởng nối tiếp:

Hình 3.2: Đồ thị dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ nghịch lưu

cộng hưởng nối tiếp

Trong cấu trúc nối tiếp, cuộn L và tụ C được nối tiếp với nhau để tạo nên mạch cộng hưởng khối cộng hưởng nối tiếp với tải Từ hình vẽ ta thấy bộ cộng hưởng và tải đóng vai trò như là bộ chia áp Bằng cách thay đổi tần số của điện

áp đầu vào Vd, trở kháng của mạch cộng hưởng sẽ thay đổi Trở kháng này sẽ chia điện áp đầu vào với tải Ở tần số cộng hưởng, trở kháng của khối cộng hưởng sẽ rất nhỏ Khí đó, điện áp đặt vào sơ cấp của máy biến áp gồm toàn bộ điện áp đầu vào Nếu điện áp giảm, mạch điều khiển sẽ xác định sự giảm xuống của điện áp và chuyển tần số của bộ biến đổi tới tần số cộng hưởng để tăng điện

áp ra mong muốn Ngược lại, nếu điện áp ra có xu hướng tăng thì mạch điều khiển sẽ đưa tần số của bộ biến đổi ra xa tần số cộng hưởng để giảm điện áp Khối cộng hưởng đóng vai trò như một nguồn dòng, mạch lọc phía đầu ra chỉ sử dụng tụ để hòa hợp với trở kháng

Ưu điểm:

Giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu điện từ thông qua chuyển mạch điện áp bằng không ( ZVS ) dẫn đến nâng cao hiệu suất, giảm kích thước các phần tử trong mạch từ nhờ hoạt động ở tần số cao, có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn dòng của khối cộng hưởng và tải giảm thì dòng chạy qua van công

suất giảm Điều này làm tổn thất giảm khi tải giảm và hiệu suất vẫn giữ được ở giá trị cao như làm việc đầy tải

Ta có mạch thay thế của bộ biến đổi nối tiếp

 

Hình 3.3: Mạch điện thay thế của khối cộng hưởng

Hệ số chất lượng Q là tỉ số giữa tổng trở Z và điện trở tải R Nó mô tả sự tắt dần của mạch và dải tần càng hẹp nếu Q càng lớn

Trong sơ đồ mạch điện thay thế, điện áp Vrsc là thành phần cơ bản của điện

áp vào khối cộng hưởng R là điện trở tải quy đổi về sơ cấp của biến áp L vả tụ C

là các thành phần của khối cộng hưởng

Đặc tính DC của bộ nghịch lưu cộng hưởng LC nối tiếp

Hình 3.4: Đặc tính DC của bộ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp

Từ hình 3.4 ta thấy, khi giảm tải tức là khi Q giảm thì tần số chuyển mạch tăng lên rất nhiều so với khi Q lớn Nếu khi tải nhẹ hoặc khi không tải thì tần số chuyển mạch có thể tăng lên giá trị vô cùng lớn Do vậy, nhược điểm của bộ biến

đặc tính tại một điểm làm việc nhưng không phải với dải điện áp đầu vào rộng và tải thay đổi

3.1.2 Bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

 

Hình 3.5: Cấu trúc của bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

Trong cấu trúc của bộ biến đổi song song, khối cộng hưởng gốm L và tụ C mắc song song với biến áp Do đó, khối cộng hưởng có trở kháng thấp với mạch đầu ra và được coi như là một nguồn áp Mạch lọc đầu ra gồm cuộn L2 và C2 để hòa hợp với trở kháng

Nhược điểm:

Dòng điện chạy qua van công suất và thành phần cộng hưởng tương đối độc lập với tải Kết quả là tổn thất qua van và các thành phần cộng hưởng không đổi khi giảm tải Do đó, hiệu suất khi giảm tải nhẹ giảm rất mạnh Hơn nữa, dòng điện này tăng khi điện áp đầu vào bộ biến đổi này tăng lên Vi vậy, bộ biến đổi này không phù hợp cho các tải có yêu cầu điện áp đầu vào thay đổi lớn và yêu cầu có hiệu suất cao khi non tải Bộ biến đổi song song chỉ thích hợp với các tải có yêu cầu điện áp đầu vào gần với công suất cực đại thiết kế

Do trong bộ biến đổi song song có cuộn dây lọc đầu ra lên bộ biến đổi song song phù hợp với các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện ra lớn do đó hạn chế được các dòng gợn đi vào tụ lọc, dòng điện đầu ra tương đối bằng phẳng

Đặc tinh DC của bộ nghịch lưu cộng hưởng song song

Hình 3.6: Đặc đính DC của bộ cộng hưởng song song

Từ hình 3.6 ta thấy ngược lại với bộ biến đổi nối tiếp, bộ biến đổi 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 cộng hưởng

3.1.3 Bộ nghịch lưu cộng hưởng LLC

Trong những năm gần đầy bộ biến đổi LLC được sử dụng ngày càng tăng Có thể sử dụng các thành phần điện cảm của máy biến áp có sẵn để tiết kiện được diện tích thành phần từ hóa Do đó, điều kiện chuyển mạch mềm từ không tải đến đầy tải

có thể thực hiện được

Cấu trúc LLC là cấu trúc của bộ biến đổi nguồn dòng So với cấu trúc nối tiếp, cấu trúc bộ biến đổi LLC có thêm thành phần cuộn dây Lm mắc song song với biến áp trong khối cộng hưởng tạo một mạch vòng điện khi đầu ra biến áp

hở mạch Vì vậy, miền chuyển mạch ZVS rộng hơn khi giảm tải so với cấu trúc nối tiếp