Xét Gvc(s) tại điểm A là cơ sở cho việc thiết kế phản hồi .ta lựa chọn mạch 3 điểm cực hai điểm không như sau.
Hai điểm zero được sử dụng để bù vào sự trễ pha do có hai điểm cực tần số thấp. Hai điểm cực này được cung cấp để làm suy giảm tần số cao nhằm nâng cao độ khuếch đại vòng lặp. Một mạch tích phân được sử dụng đểổn định điện áp DC.
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. Tmđộ khuếch đại vòng lặp
Ở hình 4.25(a) minh họa bộ bù phản hồi. Tm: độ khuếch đại vòng lặp
4.5.4.1. Lựa chọn tham số cho bộ bù tại điểm A
Trong đó
Bộ bù ( bộđiều chỉnh ) là
Hàm truyền của bộ bù vòng lặp kín là
Ta có mô phỏng minh họa bộ bù tại điểm A như sau
Hình 4.26: Thiết kế bộ bù tại điểm A
Hình vẽ trên mô tả minh họa bộ bù tại điểm A. Bộ bù điểm không ở vị trí tần số thấp
Điểm cực bù đầu tiên được đặt tại điểm không esr
Tham số mạch khuếch đại tích phân : Km = 1257
Với các thông số của bộ bù này độ khuếch đại vòng lặp duy trì độ dốc -20db/dec cho đến khi vượt quá độ lợi vòng lặp tần số và đảm bảo được độ dự trữ về pha.
4.5.4.2. Lựa chọn tham số cho bộ bù tại điểm B
Trong khi bộ bù ba điểm cực hai điểm zero được đưa ra với mong muống đạt được đặc tính độ khuếch đại vòng lặp ở mode 2 nhưng cũng cần thiết đánh giá tính hợp lý của bộ bù mode 1.
ở hình vẽ trên cho thấy việc dự đoán độ khuếch đại vòng lặp tại điểm B ở mode 1 nhờ vào sự thay đổi Gvc(s) về sự chênh lệch từ -20db/ dec ở trước. Sự thay đổi này không làm thay đổi xấu đi đặc tính độ lợi vòng lặp. đặc biệt độ lợi vòng lặp này chì thấy một độ lợi phẳng giữa và điều này thực tế cho thấy rõ nét cải thiện đặc tính pha, biên độ hiệu suất pha được nâng cao vì vậy ta có thể kết luận rằng việc thiết kế bộ bù cho điểm A ở mode 2 vẫn thỏa mãn hoạt động tại điểm B ở mode 1.
Lựa chọn tham số cho điểm B
Với
Hình 4.27: thiết kế bộ bù tại điểm B 4.5.5. Kết quả thực hiện vòng lặp kín Hình 4.28: độ khuếch đại vòng lặp (a): độ khuếch đại vòng lặp tại điểm A (B): độ khuếch đại vòng lặp tại điểm B (c): độ khuếch đại vòng lặp tại điểm C (d): độ khuếch đại vòng lặp tại điểm D
4.5.5.1. Kết quả thực hiện vòng lặp kín vềđộ khuếch đại vòng lặp
Từ đặc tính của bộ khuếch đại vòng lặp tại các điểm A,B,C, D. Được so sánh bằng kết quả thực nghiệm ta thấy độ khuếch đại vòng lặp tại điểm A và điểm C cho thấy mục tiêu thiết kế là phù hợp hình 4.26.
Tại điểm B cho thấy độ khuếch đại vòng lặp có mối tương quan chặt chẽ với việc dựđoán phù hợp với hình 4.27.
Tại điểm D cho thấy biên độ của độ lợi vòng lặp giảm một cách đáng kể do biên độ của độ lợi vòng lặp tỉ lệ với độ dốc đường cong độ khuếch đại điện áp nên rất nhỏ ngoài ra nó có độ dự trữ pha là nhỏ nhất vì thế mà bộ chuyển đổi thực hiện hiệu suất thấp nhất.
4.5.5.2. Kết quả thực hiện vòng lặp kín về sựđáp ứng của tải
Hình 4.29 cho thấy đáp ứng thay đổi của tải khi điện áp ngõ vào thay đổi. sự mô phỏng dòng điện cộng hưởng và dạng song điện áp ra được trình bày song song với kết quả thực nghiệm.
Hình 4.29: Đáp ứng của tải
4.5.6. Tính toán mạch bù phản hồi điện áp
Hình 4.30: Mạch bù phản hồi điện áp
Mạch bù của hệ thống có dạng như sau:
Mạch bù của hệ thống có dạng trên hình 4.30. Trong sơđồ trên sử dụng cách ly bằng optocoupler. Có hai thông số quyết định đến đặc tính của optocoupler là tỉ số truyền đạt dòng điện (CTR) giữa diode phát quang và transphoto và tụ Cj là tụ nối giữa cực collector của emitter và collector của transistor quang. Khi những thông số này thay đổi theo chế độ làm việc của bộ biến đổi, những thông số thực tế phải có liên hệ với nhau về mặt động học.
Với bộ biến đổi LLC, tỉ số truyền dòng điện được chọn vào khoảng : 0.15<CTR<0.42
Ta có:
Trong đó:
Khi đó biểu thức trên viết lại. Mặt khác tỉ số giữa và được đưa ra biểu thức Bộ bù phản hồi tiếp điệp áp được xác định theo biểu thức. Mặt khác: Từđó biểu thức của bộ bù phản hồi tiếp điện ap Trong đó :
4.6. Phân tích bộđiều khiển vòng lặp khóa pha
Để khắc phục những hạn chếđiều khiển phản hồi điện áp hay dòng điện, sơđồđiều khiển vòng lặp khóa pha (PLL) được trình bày như sau:
Hình 4.31: Sơđồđiều khiển vòng lặp khóa pha
Sơđồ điều khiển PLL có tần số hoạt động được khóa bởi các pha khác nhau, bởi các nguyên nhân như; điện áp ngõ vào, dòng điện ngõ vào, điện áp ngõ ra, điện áp cảm ứng ngõ ra. Với sơđồđiều khiển PLL, tần số hoạt động của bộ inverter này một cách liên tục cộng hưởng trong khi các pha khác nhau của bộ inverter tại tần số cộng hưởng thì luôn cốđịnh. Dựa trên tần số hoạt động thấp nhất, tần số hoạt động của bộ inverter được thay đổi làm tần số bộ inverter đạt được yêu cầu vềđộ lợi điện áp. Tuy nhiên, vì tần số hoạt động sẽ không thấp hơn tần số cộng hưởng LLC, các switch của bộ inverter được hoạt động ởđiều kiện ZVS. Nghĩa là tổn thất chuyển mạch sẽ không tăng. Chính vì lý do đó mà sơ đồ PLL tốt hơn cả hai sơ đồ điều khiển phản hồi điện áp và dòng điện.
Nhưđã trình bày, sơđồđiều khiển PLL được sử dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu và các hệ thống số.
Hình 4.32: Sơđồ khối của IC CD4046 PLL
Sơđồ khối của PLL bao gồm: bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp (LPF), bộ dao động điều khiển điện áp (VCO). Ba phần này được nối thành hệ thống điều khiển vòng lặp hệ kín. Khi Ve(t)= 0 (không có tín hiệu vào PLL) thì Vd(t) = 0. Tại thời điểm này, Vd(t) tác động vào VCO sinh ra tần số f0. Tuy nhiên, khi tín hiệu ngõ vào tác động vào PLL, bộ so sánh pha sẽ so sánh pha, tần số của tín hiệu ngỏ vào với tần số VCO và sinh ra tỉ lệ điện áp sai lệch của pha và các tần số khác nhau của tín hiệu ngõ vào và VCO. Điện áp sai lệch Ve(t) được lọc bởi bộ lọc thông thấp và được sử dụng như là điện áp điều khiển ngõ vào VCO. Do đó, Vd(t) được thay đổi trực tiếp tạo ra tần số vì thế mà giảm được sự khác nhau giữa tần số VCO và tần số của tín hiệu ngõ vào. Khi Vd(t) thay đổi làm giảm tần số và giảm sự khác biệt về tần số giữa VCO và tần số của tín hiệu ngõ vào. Khi tần số của ngõ vào đủ đóng tần số VCO thì PLL bị khóa.do đó, tần số VCO luôn cùng pha với tín hiệu ngỏ vào.
4.7. Sơđồ chi tiết mạch điều khiển LLC DC/DC bằng PLL
Thuận lợi: tụ cộng hưởng được chia làm hai tụ vì thế mà giảm được độ gợn dòng điện ngõ vào. Hai diode kẹp song song với tụ cộng hưởng cho phép bảo
Thời gian giữ là 20ms lúc đầy tải khi điện áp AC bị sụt áp. Trong khoảng thời gian giữ này, năng lượng của tụ sẽ bù vào. Vì thế trong thiết kế font – end DC/DC phạm vi điện áp ngõ vào thay đổi trong phạm vi từ 300V đến 400V. khi điện áp ngõ vào rơi xuống 300V, tần số hoạt động của bộ converter phải được giảm để đạt yêu cầu về độ lợi điện áp do đó mà tần số được điều khiển làm tăng tổn thất “ turn on switching” vì vậy tần số hoạt động của bộ converter hoạt động thấp hơn tần số cộng hưởng. Nghĩa là các switch không hoạt động ở điều kiện ZVS. Vì thế điều khiển LLC DC/DC bằng PLL khắc phục được hạn chế này.
Sơ đồ điều khiển PLL liên quan đến việc dò tìm hai tín hiệu pha: điện áp cộng hưởng ngõ vào và điện cảm rò bên trong máy biến áp. Với sơ đồ PLL dòng điện được điều khiển một cách chính xác bất chấp sự thay đổi của tải.
Bộ bù bao gồm: một mạch tích phân, một điểm cực và một điểm không. Hàm truyền của bộ bù Giả sử rằng C1 >> C2 . các tần số của điểm cực và điểm không là: Hình 4.34: Cấu trúc của bộ bù LLC DC/DC và dải độ lợi của bộ bù
CHƯƠNG 5
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHUYỂN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC
5.1. Thiết kế bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC Các thông ban đầu như sau: Các thông ban đầu như sau:
Điện áp ngõ vào 380Vdc ( được lấy từ ngõ ra của khối PFC) Ngõ ra: 24V/5A P= 120W Thời gian giữ yêu cầu 17ms Tụđiện DC link: 100uF Tần số:100khz Hình 5.1: Cấu trúc PFC và DC - DC 5.1.1. Xác định các thông số của biến áp
Máy biến áp sử dụng là biến áp xung có tần số làm việc cao. Chọn lõi biến áp loại Ferit EER3541D. Từ catalog trong phụ lục, ta có Ae = 107mm2 và B= 0.3T.
Chọn tần số cộng hưởng : f0 = 85KHZ Giả sử hiệu suất của bộ biến đổi Eff = 95% Do đó công suất vào của bộ biến đổi
Khoảng điện áp đầu vào của bộ biến đổi DC-DC
Thời gian hold up được xem xét để tính toán giá trị nhỏ nhất của khoảng điện áp đầu vào:
Giá trị rất lớn của khoảng điện áp đầu vào
Xác định giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của hệ số khuếch đại điện áp của bộ cộng hưởng . chọn . chọn k =(5 đến 10) khi đó giá trị của hệ số khuếch đại điện áp là từ 1,1 đến 1,2 tại tần số cộn hưởng f0.
5.1.2. Xác định đặc tính của hệ thống
Ước lượng hiệu suất Eff : giả sử hiệu suất 95%.
Giải điện áp ngõ vào: thời gian hold up được xem nhưđể tính toán giá trị nhỏ nhất của khoảng điện áp đầu vào.
chọn . chọn k =(5 đến 10) tại tần số cộn hưởng f0.
Hình 5.2: Đường cong thể hiện khoảng giá trị của hệ số khuếch đại điện áp
Xác định tỉ lệ số vòng dây biến áp:
Tính toán điện trở tải tương đương
Ω
5.1.3. Thiết kế mạng cộng hưởng
Trong tính toán ở bước 2, Độ lợi điện áp cực đại( ) khi điện áp ngõ vào là nhỏ nhất ( ) là 1.14 .
K= 7 ; Mmax = 1.36 ởđiểm điện áp vào thấp nhất với độ dự trữ 10%. Khi đó ta có
Peak gain = 1.36 *110% = 1.5
Tra đồ thị peak gain theo hệ số Q trên hình 5.3 , với k =7, peak gain = 1.5 ta có Q =0.43.
Hình 5.3: Đặc tính độ lợi theo Q với các giá trị K khác nhau
Tần số chuyển mạch nhỏ nhất được xác định dựa vào đường cong của hệ số khuếch đại trên hình.
Hình 5.4: Đường cong hệ số khuếch đại
Ta có :
Thay số vào ta có
vòng. Chọn Ns = 6 vòng. Khi đó Np = 8.6*6= 51.6 vòng >
Từ giá trị Lr = 233.97uH và Lp = 998.25uH, ta chọn giá trị gần nhất của Lp và Lr trên bảng sau
Từđó ta chọn chiều dài của khe hở không khí là 0.15mm.
Tính toán các thông số của mạch cộng hưởng
Bảng kết quả thiết kế
Thông số Thiết kế ban đầu Thiết kế cuối cùng
Lp 998.25kHZ 850uH Lr 233.97uH 170uH Cr 15.1nF 22nF f0 85Khz 82.3khz k 7 7 Q 0.43 0.31 M( f= f0) 1.14 1.14 66khz 65.5khz Ta có
Dòng điện lớn nhất chạy qua tụ Cr khi mạch làm việc bình thường là
Chọn độ dự trử 50%. Khi đó, dòng điện lớn nhất qua tụ là
5.1.4. Tính chọn mạch chỉnh lưu
- Điện áp đặt lên diode mạch chỉnh lưu bằng hai lần điện áp trên đầu ra. Do đó: VD = 2(V0+Vf) = 2( 24+1.2 ) = 50.4V
Dòng điện chạy qua dide được tính
- Chọn hệ số an toàn Ku = Ki = 2 UD = 2*50.4 = 100.8A
ID = 2* 3.93= 7.86A
- Chọn diode phục hồi nhanh600V/8A
Thành phần cơ bản của dòng điện qua tụ lọc đầu ra được tính theo công thức
5.2. Mô Phỏng bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC
5.2.1. Mô phỏng mạch điều khiển vòng hở
Hình 5.5: Sơđồ mạch điều khiển vòng hở
Thời gian mô phỏng thay đổi điện áp đầu vào [0 10-3 2*10-3 ]
Giá trị điện áp đầu vào thay đổi [[400 360 400 ]
Thời gian mô phỏng của tải.
[ 0 0,5*10-3 1,5*10-3 2,5*10-3]
Thời gian tương ứng với breaker đóng hay mở
[ 0 1 0 1 ]
a. Khi Uđm = 400V và tải 50%
Hình 5.6: Dòng điện cộng hưởng khi Khi Uđm = 400V và tải 50%
b. Khi Uđm = 400V và tải 100%.
Hình 5.8: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 400V và tải 100%.
c. Khi Uđm = 360V và tải 100%.
Hình 5.10: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 400V và tải 100%
d. Khi Uđm = 360V và tải 50%.
Hình 5.12: Điện áp cộng hưởng khi Uđm = 360V và tải 50%.
e. Khi Uđm = 410V và tải 50%.
Hình 5.14: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 410V và tải 50%.
f. Khi Uđm = 410V và tải 100%.
Hình 5.16: Dòng điện cộng hưởng khi Uđm = 410V và tải 100%.
5.2.2. Mô phỏng mạch điều khiển vòng kín
Hình 5.18: Sơđồ mô phỏng mạch điều khiển vòng kín
Thời gian mô phỏng thay đổi điện áp đầu vào [0 10-3 2*10-3 ]
Giá trị điện áp đầu vào thay đổi [[400 360 410 ]
Thời gian mô phỏng của tải.
[ 0 0,5*10-3 1,5*10-3 2,5*10-3]
Thời gian tương ứng với breaker đóng hay mở
[ 0 1 0 1 ] Chương trình mô phỏng như sau Ta có hàm truyền
Suy ra
Chọn tham số cho cấu trúc
Đặt
Kvf *Km = K Khi đó
Khi điện áp nguồn thay đổi UDC =400V tại thời điểm 0ms < t < 1 ms giảm xuống còn UDC =360V tại thời điểm 1ms < t < 2 ms
c. Khi tần sốđóng cắt thấy từ A đến B Udc= 400v, Rt không đổi chọn tần số đóng cắt trung tâm của VCO là 85khz
Chọn độ khuếch đại dòng điện: Gain = 0.005 Biên độ tần sốđiều chỉnh 10V.
Dòng điện cộng hưởng
Nhận xét
Khi điện áp tải giảm thì dòng điện cộng hưởng tăng điện áp ra V0 = 48V Khi tải tăng thì dòng điện cộng hưởng tăng , V0 = 48V
Khi tần sốđóng cắt thay đổi, dòng điện cộng hưởng thay đổi thay đổi lớn ,V0
= 48V.
Trong cả ba trường hợp nói trên, khi thay đổi tần sốđóng cắt mạch trở về chế độ xác lập nhanh.
KẾT LUẬN
Từ kết quả mô phỏng trên Matlap trùng khớp với lý thuyết chứng tỏ tính đúng đắn của lý thuyết về bộ biến đổi cộng hưởng half – bridge LLC. Trong suốt quá trình làm luận văn, bằng việc giải quyết các vấn đề nảy sinh, em đã tổng hợp rất nhiều kiến