Bộ biến đổi nguồn DC DC sử dụng mạch cộng hưởng LLC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN I Tìm hiểu biến đổi nguồn DC/DC sử dụng mạch cộng hưởng LLC Sinh viên: Nguyễn Văn Quí MSSV: 20181716 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đỉnh Bộ mơn: Tự động hóa cơng nghiệp Viện: Điện Mục lục Lời mở đầu Chương I:Tìm hiểu chung Chương II:Thiết kế mạch lực Chương III:Mô Chương IV:Tổng kết Tài liệu tham khảo Lời mở đầu Cùng với phát triển ngành công nghiệp bán dẫn,điện tử công suất bước sang trang với biến đổi hiệu suất đạt ngày cao,công suất lớn,mặc dù yêu cầu công nghiệp phát triển yêu cầu đời sống biến đổi phải đáp ứng nhiều yêu cầu ngày khắt khe kích thước phải nhỏ,mật độ công suất lớn ,độ tin cậy cao… ;để đạt điều người ta tìm cách tăng tần số đóng cắt van bán dẫn ngày cao,bằng cách áp dụng phương pháp mới,đặc biệt phương thức sử dụng mạch cộng hưởng để đạt chế độ ZVS ( zero voltage switching) hay chế độ ZCS (zero current switching) mà tổn hao chuyển mạch giảm tần số chuyển mạch ngày nâng cao đáp ứng yêu cầu thực tế.Một cách để tạo nên cộng hưởng sử dụng mạch cộng hưởng LLC,đây phương pháp có nhiều ưu điểm.Mặc dù Việt Nam phương pháp chưa có nhiều tìm hiểu Vì với đồ án I , “Bộ biến đổi nguồn DC/DC sử dụng mạch cộng hưởng LLC” cho thấy lợi ích mà biến đổi nguồn đem lại Chương I:Tìm hiểu chung 1.1 Tổng quan biến đổi nguồn DC-DC Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, cần thiết phải biến đổi nguồn chiều (DC) cố định thành nguồn DC thay đổi Một biến đổi gọi biến đổi điện áp chiều Bộ biến đổi kiểu này, mặt chức năng, xem tương đương với biến áp xoay chiều điều chỉnh điện áp cách liên tục Cũng giống biến áp, biến đổi điện áp chiều dùng để tăng giảm điện áp từ nguồn DC ngõ vào Bộ biến đổi điện áp chiều có nhiều ứng dụng cơng nghiệp dân dụng Chúng dùng để điều khiển động xe điện, cầu trục, sử dụng nguồn lượng tái tạo v.v…Chúng sử dụng nguồn DC cung cấp cho thiết bị điện tử Các BBĐ nguồn DC-DC dần loại trừ loại biến áp tần số thấp nguồn, dẫn đến kích thước thiết bị điện tử ngày nhỏ gọn,phù hợp với xu người sử dụng Ưu điểm BBD nguồn DC-DC so với loại biến áp tần số thấp việc sử dụng phần tử MOSFET, IGBT, đặc biệt MOSFET, với tần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz Trong tương lai đến 1Mhz Nhờ tần số đóng cắt cao mà giảm độ đập mạch dòng điện, điện áp chiều, tiến tới lý tưởng Kích thước phần tử phản kháng điện cảm, tụ điện giảm đáng kể từ giảm kích thước BBĐ nói chung đến mức nhỏ Do không cần dùng biến áp nguồn tần số thấp nên giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép.Nhưng việc sử dụng BBD xảy nhiều vấn đề cần phải lưu ý lượng tổn hao van lớn với hệ thống công suất cao,tần số chuyển mạch cao tạo nhiễu điện từ (EMI)-Nhiễu EMI dạng xáo trộn sóng điện từ làm giảm hiệu làm việc thiết bị điện chí khiến ngừng hoạt động,việc thiết kế điều khiển BBD nguồn DC-DC đạt hiệu cao công việc cần phải nghiên cứu Các biến đổi nguồn DC-DC dựa nguyên lý băm xung áp Phần tử khoá điện tử V, van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, MOSFET, BJT), mắc nối tiếp tải nguồn Điôt D0 có vai trị quan trọng hoạt động sơ đồ, gọi điôt không Điôt dẫn dịng tải V khố Từ đến t x : V thông, nối tải vào nguồn, Ut = E Từ t x đến T: V khoá lại, tải bị cắt khỏi nguồn Nếu tải có tính cảm, dịng tải phải tiếp tục trì qua điơt D0, U t = Với tỷ số D=t x / T hệ số điều chế hệ băm xung Hình 1: Sơ đồ băm xung áp Đầu BBD phải có tụ đủ lớn để san điện áp tải Nếu băm xung áp dùng để điều chỉnh dòng điện chiều tải (nguồn dòng) biến đổi nguồn DC-DC dùng để điều chỉnh điện áp tải (nguồn áp) Có thể chia biến đổi nguồn DC-DC thành ba loại.Đầu tiên sơ đồ không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost Converter, BBD khơng có thành phần máy biến áp để cách ly nguồn với tải với cấu trúc đơn giản độ tin cậy không cao.Trong ba sơ đồ mạch van gồm phần tử, van MOSFET điơt, có trạng thái đóng cắt ứng với van MOSFET mở van khóa Có thể làm việc chế độ dịng liên tục chế độ dòng gián đoạn.Thứ hai sơ đồ cách ly: Flyback, Forward, Half-Bridge, Full Bridge, cấu tạo có thêm thành phần biến áp với mục đích sử dụng hệ số biến đổi lớn yêu cầu cách ly Các sơ đồ Flayback, Forward sơ đồ nhịp, dùng cho công suất nhỏ, 150 W Dải công suất cỡ 150 – 300 dùng sơ đồ nửa cầu, công suất yêu cầu cỡ 1000 – 1500 W phải dùng sơ đồ cầu.Cuối sơ đồ cộng hưởng: nối tiếp, song song, LCC, LLC ,mặc dù coi dạng BBD cách ly với phương pháp chuyển mạch mềm đem lại hiệu suất cao hẳn sơ đồ cách lý thông thường 1.2 Tổng quan biến đổi cộng hưởng Với xu hướng thúc đẩy biến đổi nguồn hiệu suất cao, nhà thiết kế cung cấp điện tìm kiếm cấu trúc liên kết khác để cải thiện hiệu cung cấp điện họ.Một cấu trúc liên kết quan tâm chuyển đổi cộng hưởng Trước đây, chuyển đổi cộng hưởng bị bỏ qua phức tạp điều khiển khắc phục Bộ biến đổi cộng hưởng ngày trở nên phổ biến gần khả đạt hiệu cao thông qua việc chuyển mạch mềm van Các kỹ thuật chuyển mạch mềm chuyển mạch không điện áp (ZVS) hay chuyển mạch không dòng điện (ZCS) giúp hạn chế nhiễu điện từ EMI đạt hiệu suất cao.Bộ biến đổi cộng hưởng có khả đạt mật độ cơng suất cao ,có nghĩa kích thước biến đổi tổng thể giảm xuống biến đổi hoạt động tần số chuyển mạch cao áp dụng phương pháp chuyển mạch mềm Bộ chuyển đổi cộng hưởng phù hợp cho ứng dụng công suất cao (trên 1500W) hoạt động tốt dải điện áp đầu vào rộng Chi phí thấp - Do tần số chuyển mạch cao nên kích thước thành phần thụ động giảm bớt 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý chung biến đổi cộng hưởng Hình Sơ đồ khối BBD cộng hưởng Sơ đồ trình bày cấu trúc tổng quan chuyển đổi cộng hưởng Một chuyển đổi cộng hưởng chia thành bốn khối chính: Bộ chuyển đổi cầu toàn phần / nửa cầu, Bể cộng hưởng, Bộ chỉnh lưu Bộ lọc thông thấp Bắt đầu từ phía đầu vào, chuyển đổi tồn cầu / nửa cầu thường đóng cắt với hệ số điều chế (Duty) cố định (~ 50%) với thời gian chết xác định Bộ chuyển đổi cầu thường vận hành cách điều chỉnh hệ số điều chế trường hợp chuyển đổi cộng hưởng, chuyển đổi cầu điều khiển tần số Điều có nghĩa cách thay đổi tần số biến đổi, thay đổi trở kháng bể cộng hưởng Chúng ta thảo luận thêm vấn đề phần sau Đầu chuyển đổi cầu sóng vng với hệ số điều chế(Duty) cố định, với biên độ Vdc.Bể cộng hưởng tạo thành từ phần tử thụ động (tụ điện cuộn cảm) có số cấu trúc khác Tùy thuộc vào cấu tạo bể cộng hưởng, đầu có dịng điện điện áp hình sin Bể cộng hưởng tạo dịch chuyển pha điện áp dịng điện đạt chuyển mạch mềm Kết hợp chuyển đổi cầu bể cộng hưởng, ta tạo biến tần cộng hưởng cách thêm chỉnh lưu lọc thông thấp, tạo chuyển đổi cộng hưởng Trước tìm hiểu sâu chuyển đổi cộng hưởng, trước tiên nên hiểu vài thuật ngữ thường sử dụng để mô tả chuyển đổi cộng hưởng:  Trước tiên xem xét ý nghĩa cộng hưởng Trong đoạn mạch LC nối tiếp đơn giản (Hình 4) tồn điểm mà cảm kháng tụ điện cảm kháng cuộn cảm có độ lớn ngược dấu Ở tần số cụ thể này, điện kháng trở kháng đầu vào đầu mạch nhỏ Nếu nhìn vào biểu đồ trở kháng so với biểu đồ tần số, thấy tổng điện kháng tụ điện cuộn cảm nhỏ điểm cộng hưởng Hình 3.Đồ thị trở kháng -tần số Hình 4.Sơ đồ đoạn mạch LC nối tiếp  Một thuật ngữ khác sử dụng để mô tả chuyển đổi cộng hưởng Hệ chất lượng (Quality Factor) Hệ số chất lượng (Q) tham số khơng có thứ ngun mơ tả mức độ giảm dao động mạch cộng hưởng Hệ số chất lượng cao phạm vi hoạt động hệ thống hẹp.Hệ số chất lượng định nghĩa tỷ số công suất lưu trữ công suất tiêu tán mạch Điều quan trọng cần lưu ý hệ số chất lượng thay đổi theo tải (tức khơng phải tham số cố định) Q= Plưu trữ /Ptiêu tán= I X /I R  Một biến đổi có vùng làm việc định tùy thuộc thiết kế ,để xác định vùng làm việc ta dựa vào hệ số độ lợi (Gain).Hệ số Gain cho ta biến tỷ số đầu đầu vào bể cộng hưởng ,từ xác định vùng làm việc thiết kế mạch theo yêu cầu: Gain=V out / V ¿ Hình Đồ thị đặc tính Gain BBD cộng hưởng LLC(m=6) 1.2.2 Quá trình chuyển mạch biến đổi cộng hưởng Những biến đổi cộng hưởng sử dụng dao động mạch LC giải pháp để giảm tổn thất chuyển mạch cách tạo điều kiện chuyển mạch mềm cho van.Các van đóng mở dòng qua van điện áp van Hình So sánh tổn hao chuyển mạch cứng 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 điều kiện chuyển mạch điện áp khơng (ZVS) hay chuyển mạch dịng điện khơng (ZCS)  Chuyển mạch dịng điện khơng(ZCS) xảy dòng điện qua khối cộng hưởng sớm pha xung điện áp đặt vào khối cộng hưởng Do phát xung điều khiển mở van dịng tích lũy diode ngược tụ ký sinh song song giải phóng qua van nên dịng điện qua van mở có xung đỉnh lớn gây nhiễu điện từ tổn hao mở van  Trong chuyển mạch điện áp không(ZVS) xảy dòng điện chạy qua khối cộng hưởng trễ pha xung điện áp đặt vào khối cộng hưởng Ở chế độ ZVS: Mosfet phải chịu tổn hao khóa van dịng điện lúc chưa khơng Nhưng dịng lúc nhỏ chuyển sang nạp cho tụ ký sinh song song van Khi diode ngược van dẫn dịng điện áp tụ sẻ giải phóng trước mosfet thơng Do đó, khơng có tổn hao mở van loại trừ tổn hao nạp xả diode ngược tụ ký sinh song song  Vì vậy, thực tế người thiết kế thường chọn mạch làm việc tần số cộng hưởng để đạt điều kiện chuyển mạch ZVS 1.2.3 Phạm vi ứng dụng BBD cộng hưởng Hiện ,trên giới nghiên cứu phát triển BBD sử dụng nguyên lý cộng hưởng nhiều ứng dụng quan trọng sau:  Các biến đổi nguồn DC-DC với công suất lớn :Bộ sạc cho xe ô tô điện,Bộ biến đổi lượng tái tạo(gió,mặt trời,…)  Các thiết bị gia nhiệt:bếp điện từ,lò sản xuất thép  Các thiết bị yêu cầu mật độ công suất cao:Các thiết bị viễn thông,các thiết bị điện tử TV,sạc điện thoại,sạc laptop… 1.2.4 Yêu cầu thiết kế biến đổi     Vin=DC380V Vout=DC54V-72V Pout=2.5kW Hiệu suất ɳ>95% 1.2 Các biến đổi cộng hưởng Kỹ thuật cộng hưởng sử dụng để giảm tổn thất chuyển mạch Có nhiều mơ 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 mơ hình khơng thể tối ưu hóa cho dải điện áp vào rộng thay đổi tải đầu Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC giảm tổn thất điện áp đầu vào thay đổi rộng tổn thất turn off giảm đến mức tối thiểu 1.2.1 Mạch cộng hưởng nối tiếp(SRC) Hình Cấu trúc đồ thị đặc tính GAIN bể cộng hưởng nối tiếp Trong cấu trúc nối tiếp, cuộn L tụ C nối tiếp với để tạo nên mạch cộng hưởng Khối cộng hưởng nối tiếp với tải Bằng cách thay đổi tần số điện áp đầu vào Vd, trở kháng mạch cộng hưởng thay đổi Bể cộng hưởng đóng vai trị phân áp với tải - Độ lợi DC ln thấp (độ lợi tối đa xảy tần số cộng hưởng trở kháng khối cộng hưởng nhỏ) Khi đó, điện áp đặt vào sơ cấp máy biến áp gồm toàn điện áp đầu vào Nếu điện áp giảm, mạch điều khiển xác định giảm xuống điện áp chuyển tần số biến đổi tới tần số cộng hưởng để tăng điện áp mong muốn Ngược lại, điện áp có xu hướng tăng mạch điều khiển đưa tần số biến đổi xa tần số cộng hưởng để giảm điện áp  Ưu điểm: Giảm tổn thất chuyển mạch nhiễu điện từ thông qua chuyển mạch điện áp không ( ZVS ) dẫn đến nâng cao hiệu suất, giảm kích thước phần tử mạch từ nhờ hoạt động tần số cao, làm việc đầu bị ngắn mạch tính chất nguồn dịng khối cộng hưởng tải giảm dịng chạy qua van cơng suất giảm Điều làm tổn thất giảm tải giảm hiệu suất giữ giá trị cao làm việc đầy tải  Nhược điểm: Có thể tối ưu hóa hiệu suất điểm hoạt động với dải điện áp đầu vào tải biến đổi Không thể điều chỉnh đầu điều kiện không tải Dòng điện sau chỉnh lưu (đầu tụ điện): hạn chế ứng dụng dòng điện đầu cao 1.2.2 Mạch cộng hưởng song song(PRC) Hình 8.Cấu trúc sơ đồ đặc tính GAIN bể cộng hưởng song song Trong cấu trúc biến đổi song song, khối cộng hưởng gồm L tụ C mắc song song với biến áp Do đó, khối cộng hưởng có trở kháng thấp với mạch đầu coi nguồn áp Trở kháng bể cộng hưởng thay đổi cách thay đổi tần số điện áp điều khiển (Vin)  Ưu điểm:BBD sử dụng bể cộng hưởng song song có ưu điểm so với bể cộng hưởng nối tiếp điều chỉnh điện áp đầu điều kiện không tải sử dụng trường hợp dòng điện đầu cao  Nhược điểm:Dòng điện phía sơ cấp máy biến áp khơng phụ thuộc vào tải :dịng điện đáng kể chạy qua mạng cộng hưởng ,ngay điều kiện khơng tải.Ngồi cịn vấn đề dịng điện tuần hoàn mạch tăng lên điện áp đầu vào tăng dải điện áp đầu vào bị giới hạn 1.2.3 Mạch cộng hưởng LLC Trong năm gần đầy biến đổi LLC sử dụng ngày tăng Có thể sử dụng thành phần điện cảm máy biến áp có sẵn để tiết kiện diện tích thành phần từ hóa Do đó, điều kiện chuyển mạch mềm từ khơng tải đến đầy tải thực Cấu trúc LLC cấu trúc biến đổi nguồn dòng So với cấu trúc nối tiếp, cấu trúc biến đổi LLC có thêm thành phần cuộn dây Lm mắc song song với biến áp khối cộng hưởng tạo mạch vòng 10 Vou t nom=63(V )  Bước II:Xác định dải biến đổi điện áp  Chọn mạch tạo xung vuông sơ đồ nửa cầu với van Mosfet tính yêu cầu thiết kế mạch hạ áp nên không cần thiết tạo xung vng với biên độ lớn ,đồng thời cịn giảm tổn hao khóa cứng van Phía thứ cấp máy biến áp để đạt chất lượng điện áp tốt nên sử dụng mạch chỉnh lưu cầu Hình 25 Cấu trúc biến đổi cộng hưởng LLC lựa chọn  Tỷ số máy biến áp : n= V nom 380 ¿ = ≈3 nom 2∗63 V out  Điện trở tương đương: 8∗n2 8∗n2 V out 8∗3 632 Rac = Ro= = =11.582 (Ω) π π Pout π 2500  Hệ số Gain tính tốn : M max = n V max out V ¿ /2 = 3∗72 =1.27 340/ n V 3∗54 M = maxout = =0.771 420 V¿ 2  Bước III:Lựa chọn hệ số m Q  Để đơn giản cho việc tính tốn ,cơng thức (1.5) rút gọn sau: 22 M= F 2x ( m−1 ) 2 √ (m F −1 ) + F ( F −1 ) ( m−1 ) Q x x x (2.1) Trong : Q= √ Lr /C r Rac 8∗n2 Rac = Ro π f F x= s fr f o= π √ Lr C r Lr + Lm m= Lr Hệ số chất lượng (2.2) Tải tương đương (2.3) Tỷ số tần số chuyển mạch tần số cộng hưởng (Chọn f o=100 KHz ¿ Tần số cộng hưởng Tỷ số điện cảm (2.4) (2.5) Hình 26 Đồ thị đặc tính Gain với m=4.5  Chọn : Q=0.35 m=4.5 Dựa vào hệ số Gain( M , M max ¿ đồ thị đặc tính Hình 26 ,xác định dải tần số chuyển mạch: f max s =160000 Hz f s =78000 Hz  Bước IV:Thông số bể cộng hưởng với tần số f o=100 kHz Từ công thức (2.2) ,(2.3) ,(2.4) ,(2.5) : 23 C r=  π Q f o R ac ¿ Lr =  ¿ (2.6) π∗0.35∗100000∗11.582 = 0.3926 (uF) ( π∗f o ) ∗Cr (2.7) =6.4519(uH ) ( π∗100000 ) ∗0 3926∗10−6  Lm= ( m−1 ) Lr (2.8) ¿ ( 4.5−1 )∗6.24519∗10−6 =22.5816(uH ) Kiểm tra lại giá trị : 1  f o= π L C = √ r r π∗√ 0.3926∗10−6∗6.4519∗10−6 ¿ 100000.2695( Hz) L /C √ r r √6.4519∗10 / 0.3926∗10  Q= R = 11.582 ac −6 −6 ¿ 0.35 2.1.2 Tính tốn thơng số dịng điện :  Mối quan hệ giá trị:  Điện áp vào bể cộng hưởng-thành phần bậc xung vuông: v Fd ( t)= ∗V dc∗sin ⁡( π f s t) π (2.9) Từ tính giá trị hiệu dụng (RMS): V dF= √ ∗V dc π (2.10)  Điện áp đầu bể cộng hưởng ( điện áp cuộn cảm Lm ) : v Fpr (t)= ∗n∗V o∗sin ⁡(2 π f s t−φV ) π (2.11) Trong φ V độ lệch pha v Fd v Fpr ,giá trị hiệu dụng (RMS) : 24 V Fpr= √2 ∗n∗V o π (2.12)  Dịng điện phía sơ cấp máy biến áp: π ∗1 (2.13) i pr (t )= ∗I o∗sin ⁡( π f s t−φi) n Trong φ ilà độ lệch pha v Fpr i pr ,giá trị hiệu dụng (RMS) : π ∗1 (2.14) √2 I pr= ∗I o n  Giá trị hiệu dụng dòng từ hóa: √2 ∗n∗V o V oe V oe π I m= = = X Lm ω s Lm πf s Lm (2.15)  Giá trị hiệu dụng dòng điện bể cộng hưởng: I r= √ I 2m + I 2oe (2.16)  Tính giá trị dòng điện: π  π 2 I pr(RMS )= √ n ∗1 ∗I o= √2 ∗1 ∗2500 62 ¿ 14.692( A)  √2 √2 ∗n∗V o ∗3∗63 π π I m( RMS)= = πf s Lm π∗100000∗22.5816∗10−6 ¿ 11.993( A) 2 2  I r (RMS)= √ I m + I oe=√ 14.692 + 11.993 ¿ 18.965( A) 2.1.3 Xét điều kiện chuyển mạch mềm ZVS Ngoài điều kiện cần miền hoạt động vùng tính cảm kháng, để đạt ZVS, ta cần điều kiện đủ Đó phải mở diode MOSFET khoảng thời gian t dead 25 Trong thời gian deadtime,năng lượng điện trường kết hợp với dòng điện từ hóa I m để chuyển thành lượng từ trường hai tụ điện ; tức là, lượng điện trường sạc xả tụ kí sinh Mosfet Như lượng điện trường phải đủ lớn để làm điều Tóm lại có yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện chuyển mạch ZVS : • Độ lớn dịng từ hóa I m, hay độ lớn Lm • Độ dài khoảng thời gian t dead Để đạt ZVS mong muốn, công thức sau phải thỏa mãn: Lm + Lr ) I 2m ( t dead ≥ > ( Coss ) V ¿ 2C oss∗V dc I m− peak (2.17) max (2.18) Trong đó, Coss tụ điện kí sinh MOSFET, I m dịng điện từ hóa cực đại chạy qua cuộn cảm Lm peak 2.2 Lựa chọn linh kiện 2.2.1 MÁY BIẾN ÁP A Chọn lõi  Vì máy biến áp hoạt động dải tần số 73- 177.7 kHz nên ta chọn lõi có chất liệu Ferrit  Chọn lõi máy biến áp theo phương pháp A p : - Cơng suất phía : Ptot =P¿ + P out Giả sử máy biến áp có hiệu suất 100%  Ptot =2 P¿ =2V Sec I Sec = - 2∗π π2 V o I o= P o=6168.5 ( W ) Để máy hoạt động dải tần số chọn, ta thiết kế MBA tần số f s=73 ( kHz ) Đối với lõi Ferrit có mật độ từ thơng max: BMax 1.4 V max=588(V )  Dòng điện hiệu dụng : I Q =I Q =I r =18.965( A) → Với hệ số làm mát khơng khí K u=0.25−0.6 thì: RMS RMS RMS I DS ≥ I RMS 18.965 = =37.93( A) ku 0.5  Chọn MOFET : IPW65R045C7 ( Infineon) Drain source voltage V DS 700 V Gate source voltage V GS ±30 V Continuous drain current ID 46 A Drain-source on-state resistance R DS 45 mΩ Coss 146 pF Rise time tr 14 ns Fall time tf ns Reverse recovery charge Q Q rr 13 uC Output capacitance ON Hình 29 Thơng số MOSFET 29 2C oss∗V dc 2∗146∗10−12∗340 = =4 (ns ) I m− peak 24.6423  Chọn t dead=50 (ns)  t dead =  Tổn hao: Với dòng điện hiệu dụng qua van I rms điện trở Rds (on) Mosfet, tổn hao dẫn là: T T ∆ Pcond = 2∗1 ∫ UI d t = ∫ I d t × Rds(on) = 2∗I 2rms × R ds(on) T T −3 ¿ 2∗18.965 ∗45∗10 =32.37(W ) fet Với ZVS đạt được, tổn hao chuyển mạch là: T V I ∆ P sw = ∫ UI dt = dc × dc ×t fall time × fs T 2 (2.28) fet 380 ∗18.965 ¿ ∗7∗10−9∗105 =1.26(W ) 2.2.3 DIODE  Điện áp ngược diode: V ¿− Max 420 2 V D= = =70 ( V ) n  Dòng điện chạy qua diode: I D= √2∗I sec− RMS √ 2∗44.076 = =19.84 (A ) π π Chọn hệ số an toàn Ku= 1.5  V D=140 ( V )  Chọn diode AIDK08S65C5 Infineon Diode Vdc Vf I_f Q_rr diode AIDK08S65C5(CoolSiC™ Infineon) 650 V 2.1 V A 13E-09 C 30 ( 2.27) R_diode 5E-02 Ω Hình 30 Thông số cảu diode  Tổn hao cầu diode chỉnh lưu o Tổn hao dẫn: T ΔP cond = diode (2.2 ∫ (V + R I )i dt T D0 d 9) −2 ¿ V D × i avg+ R d ×i D =5∗10 ∗19.84 =19.681 ( W ) o Tổn hao chuyển mạch: Δ Psw −9 diode = 2∗Qrr∗V dc∗f (2.30) ¿ 2∗13∗10 ∗70∗10 =0.182(W ) 2.2.4 Tụ điện cộng hưởng Cr Để tụ điện làm việc dải tần số 73 kHz đến 177.7 kHz, nên ta thiết kế dựa thông số tụ điện tần số nhỏ fs=73 ( kHz ) Các thông số: Cr=0.3926 (µF )  Điện dung tụ: I Cr =Ir=18.965( A)  Dòng qua tụ:  Điện áp DC: V Cr −dc = Vin 380 = =190(V ) 2  Điện áp AC: V Cr = ac Ir π∗f s ∗C r (2.31) ¿ 18.965 =109.83( V ) π∗70000∗0.3926∗10−6  Điện áp đỉnh: V Cr − peak = V¿ + √2∗V C r =356.32(V ) (2.32) max ac Chọn hệ số an toàn Ku= 1.5  V Cr −dc =285 (V ) ; V Cr−ac =164.74 ( V )  Dựa thông số ta chọn tụ điện PHE426HB6390JR06 (KEMET) V dc Voltage Rating DC: V ac Voltage Rating AC: 31 400 VDC 200 VAC 0.39 C Capacitance uF Hình 31 Thơng số tụ C r 2.2.4 Tụ lọc đầu Để tụ hoạt động an tồn tồn dải tần số biến đổi, ta thiết kế tụ lọc tần số thấp fs=70(kHz)  Tại tần số cộng hưởng, dòng RMS tụ: I Co= √ π2 −1∗Io=19.18 ( A ) (2.33)  Điện áp tụ:  V Co =Vo=63 (V ) Chọn hệ số an toàn Ku=  V Co =126(V ) Giả sử điện áp đập mạch 1%, tức ∆ V Co =1 %∗V Co =0.63(V )  Co= I Co 19.18 = ∆ V Co∗f ¿ 0.63∗70000 (2.34) ≈ 0.43 ( mF )  Từ thông số ta chọn tụ A759SZ826M2EAAE150 (KEMET) Voltage Rating DC: V dc 250 VDC Capacitance C 82 uF 150 mΩ ESR ESR Hình 32 Thơng số tụ lọc Chọn tụ mắc song song để giảm ESR  Tổn hao : ⇒ PC , loss=I c ERS 19.182∗150∗10−3 = =9.19(W ) 6 2.3 Tính tốn tổn hao 32     Tổn hao MBA: 8.609+ 9.04=17.649( W ) Tổn hao MOSFET: 32.37+1.26=33.36(W ) Tổn hao DIODE : 19.681+0.182=19.863(W ) Tổn hao Tụ điện : 9.19(W ) 17.649+33.36+19.863+ 9.19 2500 ¿ 0.968  Hiệu suất : ɳ=1− Chương III:MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG Dự đốn mơ phỏng:  Tín hiệu với yêu cầu thiết kế  Đạt chuyển mạch mềm toàn dải hoạt động Hình 33 Sơ đồ mạch sử dụng phần mềm PSIM 33 Kết mơ Hình 34 Kết mơ dạng điện áp dòng điện đầu 34 Hình 35 Điện áp dịng điện van  Đạt chuyển mạch mềm (ZVS) van  Điện áp công suất đạt yêu cầu Chương IV:Tổng kết Tổng kết Trong đồ án I “Tìm hiểu biến đổi nguồn DC/DC sử dụng mạch cộng hưởng LLC” em trình bày tổng quan biến đổi cộng hưởng LLC với ứng dụng Đi kèm với đó, đồ án thực tính tốn mạch lực, lựa chọn linh kiện tính tốn tổn hao Hiệu suất thu thơng qua mơ đạt 95% Điện Hình 36 Kết mơ dạng điện áp dịng điện đầu áp dòng điện đầu ổn định phẳng Kết mơ chứng minh tính đắn lý thuyết Qua trình thực đồ án, em tiếp thu nhiều kĩ kiến thức từ thầy cô bạn bè Kỹ tìm kiếm tài liệu, tổng hợp thơng tin, kỹ trình bày, làm báo cáo,… em vận dụng trình làm đồ án Ngoài ra, kiến thức điện - điện tử mà em tìm hiểu giúp em nhiều công việc sau Một lần nữa, em xin cảm ơn TS Nguyễn Duy Đỉnh tận tình giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn Hướng phát triển Hiện nay, nội dung đồ án dừng lại thiết kế phần cứng, dừng lại việc mô biến đổi Trong tương lai, nhóm tìm hiểu hệ thống điều 35 khiển đồng thời tìm hiểu phần tối ưu biến đổi cộng hưởng để đạt hiệu suất tối ưu Tài liệu tham khảo [1] Tran Trong Minh, ”Giao trinh dien tu cong suat ”,NXB Giao duc [2] Hong Huang , ” Designing an LLC Resonant Half-Bridge Power Converter” , 2010 , TI Literature Number: SLUP263 [3] Hangseok Choi, “Design Considerations for an LLC Resonant Converte”, Power Convertion Team, Fairchildsemiconductor [4] Alex Dumais,” LLC Resonant Converter Reference Design using the dsPIC® DSC “, 2010, Microchip Technology Incorporated [5] Sam Abdel-Rahman,” Resonant LLC Converter: Operation and Design”, V1.0 September 2012, Infineon Technologies 36 ... thiết kế đặt ra,ta thiết kế biến đổi DC- DC mạch cộng hưởng LLC 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch cộng hưởng LLC 1.3.1 Cấu tạo mạch cộng hưởng LLC Bộ biến đổi LLC gồm ba thành phần: khối phát xung... I:Tìm hiểu chung 1.1 Tổng quan biến đổi nguồn DC- DC Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, cần thiết phải biến đổi nguồn chiều (DC) cố định thành nguồn DC thay đổi Một biến đổi gọi biến đổi điện áp... điện tử Các BBĐ nguồn DC- DC dần loại trừ loại biến áp tần số thấp nguồn, dẫn đến kích thước thiết bị điện tử ngày nhỏ gọn,phù hợp với xu người sử dụng Ưu điểm BBD nguồn DC- DC so với loại biến áp