Bài toán trình bày phương pháp cân bằng dòng cho nguồn switching mắc song song để đảm bảo các khối nguồn cơ sở có dòng điện đầu ra giống nhau. Bài báo đưa ra ví dụ cân bằng nguồn switching trên cơ sở kỹ thuật số sử dụng công nghệ FPGA cho 2 modules cơ sở loại 28.5V-40A.
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử CÂN BẰNG NGUỒN XUNG - SWITCHING MẮC SONG SONG Chu Xuân Quang*, Nguyễn Văn Thành, Đặng Anh Tuấn Tóm tắt: Bài tốn trình bày phương pháp cân dòng cho nguồn switching mắc song song để đảm bảo khối nguồn sở có dòng điện đầu giống Bài báo đưa ví dụ cân nguồn switching sở kỹ thuật số sử dụng công nghệ FPGA cho modules sở loại 28.5V-40A Từ khóa: Switching, Song song, FPGA CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÒNG CHO NGUỒN SWITCHING MẮC SONG SONG Nguồn xung (switching) ngày ứng dụng nhiều ứng dụng có khối lượng nhỏ hiệu suất cao nguồn liên tục Trong số trường hợp, để tăng công suất để tăng độ dự phòng người ta mắc song song hai nhiều nguồn độc lập, sơ đồ phổ biến hình I1 PS1 +U1 D1 In PSn Rt +Un Dn Hình Nguồn mắc song song module switching Trong đó: PS1, PS2…PSn nguồn thứ đến thứ n D1, D2…Dn Didode Các nguồn PS1, PS2…PSn chế tạo với vật tư linh kiện giống hệt để đảm bảo điện áp suốt trình làm việc Các didode D1, D2…Dn lựa chọn chủng loại để có tham số giống với hi vọng trình làm việc dòng làm việc I1, I2…In gần Trong thực tế, không tồn điều kiện lý tưởng Do thời gian, nhiệt độ thay đổi…gây sai lệch cho điện áp Ui sai lệch điểm làm việc diode Di dẫn đến dòng điện nguồn PSi cung cấp tải khác Trong số ứng dụng (cả dân dụng lẫn qn sự) lệch dòng dẫn tới hòng hóc nguồn ảnh hưởng tới thiết bị nuôi Bài báo trình bày phương pháp cân dòng cho nguồn switching Nguyên tắc can thiệp vào mạch điều khiển ổn áp nguồn PSi để thay đổi Ui cho dòng đầu nguồn II khác không khoảng cho trước Các nguồn mắc song song để tăng công suất tăng độ an tồn thơng thường nguồn có cơng suất đủ lớn Các nguồn theo thiết kế xây dựng 170 C.X Quang, N.V Thành, Đ.A Tuấn, “Cân nguồn xung – switching mắc song song.” Thông tin khoa học công nghệ tảng nguồn xung loại theo phân loại Nga sơ đồ hình L Ur +E K + D Tải C Hình Sơ đồ nguồn xung loại Theo sơ đồ khóa K đóng mở theo chu kỳ T, thời gian mở khóa (cho dòng chạy qua) Tx Ur E Tx T t 2T Hình Chu kỳ đóng – mở khóa K Điện áp đầu tính theo cơng thức: Loại nguồn thường dùng cho để làm sở cho nguồn cơng suất lớn có số khối lượng - trọng lượng tốt ba loại nguồn xung Biến thể loại nguồn dùng với biến (Transformer) mơ tả hình +E K1 K3 K2 K4 L +U + C Tải Hình Nguồn loại dùng với biến (Transformer) Điện áp ra: TÍNH TỐN XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG THEO PHƯƠNG PHÁP SỐ Phần điều khiển hầu hết nguồn thiết kế sở IC TL494 tương đương Việc can thiệp điều khiển thực cách thay đổi điện áp so sánh chuẩn đưa vào đầu vào khuếch đại thuật toán để thay đổi điện áp cho Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 171 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử dòng cân Việc thực cách thay đổi điện áp bù qua mạch D/A sau xử lý Ví dụ điển hình thiết kế điều khiển cách thay đổi điện áp so sánh chuẩn nguồn dùng IC TL494 thể hình Đây mạch thiết kế Viện VLKT thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân gồm hai nguồn 28.5Vx40A mắc song song, phần mềm thực đặt tham số cho dòng lệch khơng q 5% Imax = 2A cách thiết lập điện áp bù qua mạch chuyển đổi D/A tới chân DAC Mạch bù điện áp sơ đồ mạch điện hình phần mạch đóng khung nét đứt Hình mơ hình nguyên lý chung mạch bù điện áp Vref Vref +28.5V +28.5V R27 220R 30 E2 U2 TL431 75K 2K7 R15 DAC R31 22K IN2IN1- R29 33K R20 3K9 C8 2.2uF/16V R25 2,3,6,7 R16 5K 16 IN2+ 14 13 15 221 GND A KA K Vref C10 C2 E2 C1 E1 R21 470K VCC U4 TL494I DTC COMP C5 221 27R CT RT 7K5 R24 3K9 C4 104 R13 R17 470R U3 HCPL0500 R30 IN1+ Q3 Dual Diode VREF OC 122 C11 R23 47K R11 68K VCC_494 R18 330R C7 22uF/16V R14 R28 3K3 C6 2,2uF/16V R12 164K R10 68K R26 100R 12 11 10 19 R32 220R E1 R33 3K3 27R C9 472 R22 3K3 Hình Sơ đồ mạch hiệu chỉnh điện áp 28,5V - 40A phần mềm Điện áp chuẩn (Uref) R2 R1 DA R3 + - Hình Mạch bù điện áp Như vậy, sơ đồ khối hệ thống nguồn mắc song song có xử lý cân dòng thể sau: Sensor dòng khối nguồn ADC1 Cách ly Sensor dòng khối nguồn n ADCn Cách ly FPGA DAC1 DACn Khối nguồn Khối nguồn n Hình Sơ đồ khối hệ thống xử lý cân Lựa chọn bước thay đổi điện áp phù hợp với đặc tuyến VA diode cách ly nguồn switching mắc song song 172 C.X Quang, N.V Thành, Đ.A Tuấn, “Cân nguồn xung – switching mắc song song.” Thông tin khoa học công nghệ Như báo đặt ra, sai số dòng cho hai nguồn mắc song song không vượt ΔΙ, bước hiệu chỉnh điện áp đầu nguồn PS phải nằm giới hạn cho thay đổi bước (do hiệu chỉnh số) dòng đầu nguồn hiệu chỉnh nhỏ ΔΙ Xét đặc tuyến VA hai loại diode công suất thơng dụng sử dụng cho mục đích này, chọn hai loại diode có dòng làm việc lớn 50A, loại silic ký hiệu STTH60L06TV, loại germany ký hiệu DSS2x121-0045B hai loại tổ đề tài sử dụng cho nguồn công công suất mắc song song Đặc tuyến VA hai loại thể hai hình 8, hình Với diode Ge, đoạn dốc đặc tuyến (đoạn có thay đổi dòng nhiều thay đổi 1mV điện áp diode) 5mV/A Tương tự đoạn dốc đặc tuyến với diode silic 7.2mV/A Độ lệch dòng phụ thuộc đặc tính – xem phụ lục kết đo thực tế Với điện áp, chủng loại diode đặc tính diode khác mà dòng khác (Bảng – phụ lục) Như vậy, để hệ thống làm việc bình thường với hai loại diode có lựa chọn bước thay đổi điện áp tương ứng với loại diode có thay đổi đặc tuyến cao hơn, tức loại Ge, thay đổi dòng 1A, điện áp diode thay đổi 5mV Như vậy, 5mV bước thay đổi điện áp chu kỳ phần mềm phát có thay sai lệch dòng lớn 2A hai nguồn PS mắc song song Hình Đặc tuyến VA diode STTH60L06TV (đại diện cho loại Si) Hình Đặc tuyến VA diode DSS2x121-0045B (đại diện cho loại Ge) TÍNH TỐN, VÀ XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TRÊN FPGA Ứng dụng điều khiển cân nguồn switching mắc song song thực tế, Viện VLKT thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân gồm nguồn 28.5V x 40A mắc song song, phần mềm đặt tham số cho dòng lệch khơng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 46, 12 - 2016 173 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 5% Imax = 2A, sơ đồ hình 10 Với nguồn Switching, tần số làm việc khoảng 50kHz – 60kHz, thời gian lần hiệu chỉnh (thay đổi điện áp) lấy lớn thời gian độ nguồn, 10ms thời gian nhóm tác giả lựa chọn vào thực tế Tần số nguồn nhóm thực 50kHz, đó, tốc độ lấy mẫu chọn 100kSps để lấy kết dòng trung bình khơng phụ thuộc vào sóng vân Thuật tốn điều khiển cân khối thực hình 10 Như miêu tả hình 10, tín hiệu đưa tới từ cảm biến hai khối nguồn đưa đến biến đổi ADC, biến đổi ADC, mẫu lấy liên tục cộng trung bình thời gian 10ms, vậy, số mẫu cần lưu lấy trung bình cho kênh khoảng 1000 mẫu Tuy nhiên, cấu trúc FPGA nên số mẫu để lấy trung bình tương ứng cho kênh 1024 mẫu Sau lấy mẫu thực cộng trung bình thành mẫu liệu trung bình đầu kênh Bắt đầu Lấy mẫu từ hai kênh ADC Tính tốn lượng điều khiển cho hai kênh Tính tốn trung bình mẫu liệu Tính tốn lượng điều khiển DAC So sánh mức trung bình liệu Điều khiển DAC đến khối 2 Vượt ngưỡng? Hình 10 Lưu đồ thuật tốn Hai mẫu trung bình đầu từ lấy trung bình so sánh với theo chu kỳ 10ms, có sai khác hai kênh tương ứng với sai số dòng ≥ 2A tiến hành điều chỉnh, mức điều chỉnh sai số hai kênh bù theo chiều ưu tiên cho việc tăng dòng cho khối có dòng bé hơn, lần điều chỉnh tương ứng với 1A Bộ biến đổi DAC thực biến đổi tương ứng với mức điều chỉnh 1A cho lần điều chỉnh với chu kỳ 10ms, trình điều chỉnh thực hai 174 C.X Quang, N.V Thành, Đ.A Tuấn, “Cân nguồn xung – switching mắc song song.” Thông tin khoa học công nghệ khối nguồn cân ÁP DỤNG KẾT QUẢ Cường độ dòng điện I (A) Viện VLKT thiết kế chế tạo nguồn công công suất gồm nguồn 28,5Vx40A mắc song song, nguồn thử nghiệm đơn vị thay cho nguồn đặc chủng thiết bị quân có trang bị Thử nghiệm cho thấy nguồn làm việc tin cậy, tham số cơng bố báo Nhóm nghiên cứu sử dụng nguồn đặt điện áp ban đầu hai nguồn nội 29V, với bước thay đổi hai nguồn 10mV với số loại tải khác đề tài thử nghiệm với ba loại diode công suất: loại Ge, loại Silic loại đặc chủng Nga, có đặc tuyến nằm Si Ge thơng thường Hình 11 đồ thị phân dòng cho thử nghiệm nguồn sử dụng phương pháp cộng dòng sử dụng diode Nga có độ lệch điện áp nguồn 20 18 16 I1 (Dòng điện kênh 1) 14 I2 (Dòng điện kênh 2) I Dòng điện trung bình 12 10 20 30 40 50 Độ lệch điện áp kênh ∆U (mV) Hình 11 Đồ thị phân dòng cộng dòng hai khối nguồn Chúng ta thấy rằng, với diode khác (kể diode kếp chung vỏ) điểm làm việc khác (dòng tải khác nhau) điện áp đầu vào (29V) tải cho dòng qua diode khác nhau, chí khác nhiều Đây lý cộng cơng suất (2 module, module) hay hỏng hóc Việc thực cân dòng cho nguồn switching việc làm cần thiết, đảm bảo cho nguồn làm việc an toàn, ổn định, lâu dài Bộ điều khiển cân dòng ngồi việc đảm bảo dòng nhánh hội tụ theo dòng trung bình có tác dụng vơ quan trọng ổn định giảm đáng kể trạng thái độ thời điểm cấp nguồn cho tải làm giảm đáng kể tốc độ toàn hệ thống KẾT LUẬN Việc thiết kế chế tạo khối nguồn switching mắc song song để cân dòng nhu cầu thực tế, với phần trình bày trên, lý thuyết thực tế chứng minh làm có nhiều ứng dụng thực tế Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 175 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Bộ điều chỉnh cân thực việc kiểm tra sai số dòng điện hai khối theo chu kỳ 10ms, đảm bảo điều chỉnh để độ lệch dòng hai khối nguồn khơng vượt q 2A Việc thực cân dòng cho nguồn switching việc làm cần thiết, đảm bảo cho nguồn làm việc an toàn, ổn định, lâu dài Bộ điều khiển cân dòng ngồi việc đảm bảo dòng nhánh hội tụ theo dòng trung bình có tác dụng vơ quan trọng ổn định giảm đáng kể trạng thái độ thời điểm cấp nguồn cho tải làm giảm đáng kể tốc độ toàn hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ali, A., Z Kai and K Heikki “Modeling and control design of paralleled DCDC switching converters”, Proceeding of the ICCCP’09, Feb, 2009 [2] A Testa, Fellow Member IEEE R Langella, Senior Member IEEE “Switching Power Supplies: Analysis of Waveform Distortion”, Power & Enrgy Society, 2015 [3] Bin Zhang, Hong Li, Xia Lei, “The Design of the Parallel Switching Power Supply System”, Research Juornal of Applied Sciences, October 10, 2013 [4] Reason, John, “Solid-State Transfer Switch”: Electrical World, August, 1996 [5] Yuxuan Sun, Xi Feng, “The Design and Implementation of Switching Power of High Power Factor in Communication Equipment”, Wuhan, China, Jan, 2015 ABSTRACT A METHOD TO REGULATE SWITCHING POWER SUPPLIES OPERATING IN PARALLEL One of the critical problems in regulating switching power supplies operating in parallel is to guarantee the stability and the reasonable similarity of output currents produced by the elementary power supply modules The paper represents a method to regulate this type of switching power supply adopting digital FPGA-based technology for two module 28.5V – 40A Keywords: Switching, Parallel, FPGA Nhận ngày 01 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 09 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016 Địa chỉ: * Viện Vật lý Kỹ thuật, Viện KH&CNQS; Email: cxquang2004@yahoo.com 176 C.X Quang, N.V Thành, Đ.A Tuấn, “Cân nguồn xung – switching mắc song song.” ... ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TRÊN FPGA Ứng dụng điều khiển cân nguồn switching mắc song song thực tế, Viện VLKT thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân gồm nguồn 28.5V x 40A mắc song song, phần mềm... Đ.A Tuấn, Cân nguồn xung – switching mắc song song.” Thông tin khoa học công nghệ Như báo đặt ra, sai số dòng cho hai nguồn mắc song song khơng vượt q ΔΙ, bước hiệu chỉnh điện áp đầu nguồn PS... Tuấn, Cân nguồn xung – switching mắc song song.” Thông tin khoa học công nghệ khối nguồn cân ÁP DỤNG KẾT QUẢ Cường độ dòng điện I (A) Viện VLKT thiết kế chế tạo nguồn công công suất gồm nguồn