3.1.1. Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter)
Sơ đồ của bộ biến đổi được trình bày ở hình 3.1, điện cảm cộng hưởng Lr và tụ điện cộng hưởng Cr được mắc nối tiếp để tạo thành khối cộng hưởng. Khối cộng hưởng được mắc nối tiếp với tải. Từ cấu hình này, khối cộng hưởng và tải hoạt động như bộ chia điện áp. Bằng cách thay đổi tần số của điện áp đầu vào Va, tổng trở của khối cộng hưởng sẽ thay đổi. Vì hoạt động như bộ chia điện áp, hệ số khuếch đại điện áp luôn nhỏ hơn 1. Tại tần số cộng hưởng, tổng trở của khối cộng hưởng sẽ rất nhỏ, tất cả điện áp đầu vào rơi trên tải. Bởi vậy với bộ SRC hệ số điện áp lớn nhất xảy ra ở tần số cộng hưởng
Hình 3.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp.
* Ưu điểm :
- Giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI thông qua chuyển mạch điện áp không (ZVS) dẫn đến nâng cao hiệu suất.
- Giảm kích thước các thành phần trong mạch từ nhờ hoạt động ở tần số cao.
* Nhược điểm:
- Không thể điều chỉnh đầu ra được ở chế độ khơng tải.
- Dịng điện chỉnh lưu đập mạch(đầu ra của tụ điện) hạn chế cho ứng dụng dòng điện đầu ra cao.
- Có thể tận dụng đặc tính tại một điểm làm việc nhưng không phải với dải điện áp đầu vào rộng và tải thay đổi.
Hình 3.2. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC.
Nhận xét:
Với những phân tích trên ta có thể thấy bộ biến đổi SRC không phải là sự lựa chọn tốt cho bộ biến đổi front-end DC/DC. Vì các vấn đề chính là : điều chỉnh khơng tải, năng lượng truyền trong mạch cao và dịng điện ngắt van trong điều kiện điện áp đầu vào cao.
3.1.2. Bộ cộng hưởng song song PRC (Parallel Resonant converter)
Sơ đồ bộ biến đổi song song được trình bày như hình 3.3, ta nhận thấy khối cộng hưởng vẫn mắc nối tiếp, nó được gọi là bộ biến đổi cộng hưởng song song bởi vì trong trường hợp này tải mắc song song với tụ điện cộng hưởng. Chính xác hơn, nên gọi là bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp với tải song song. Bởi vì phía sơ cấp máy biến áp là tụ điện nên một điện cảm được mắc thêm vào mạch thứ cấp để phù hợp với điện kháng.
Hình 3.3. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song.
Hình 3.4 biểu diễn đường đặc tính và vùng hoạt động của bộ PRC. Ta nhận thấy tương tự như bộ SRC, vùng hoạt động được thiết kế ở bên tay phải của tần số cộng hưởng để đạt được chuyển mạch ZVS. So với bộ SRC, vùng hoạt động của bộ PRC nhỏ hơn nhiều. Ở vùng hoạt động không tải, tần số chuyển mạch không cần phải thay đổi quá nhiều để giữ điện áp đầu ra điều chỉnh được. Bởi vậy vấn đề điều chỉnh không tải không tồn tại trong bộ PRC.
Tuy nhiên, vấn đề với bộ PRC là năng lượng lan truyền trong mạch rất cao kể cả ở chế độ không tải. Bởi vì tải mắc song song với tụ cộng hưởng, thậm trí ở chế độ khơng tải, đầu vào vẫn có một lượng trở kháng nhỏ vừa phải của khối cộng hưởng nối tiếp. Điều này gây ra năng lượng lan truyền trong mạch cao cả khi ở chế độ khơng tải.
Hình 3.4. Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC.
* Ưu điểm:
- Không vấn đề đối với việc điều chỉnh đầu ra ở chế độ khơng tải.
- Dịng điện chỉnh lưu liên tục (đầu ra cuộn cảm) thích hợp cho các ứng dụng dịng điện đầu ra cao.
* Nhược điểm:
- Dịng điện phía sơ cấp độc lập với các điều kiện của tải, dịng điện đáng kể có thể lan truyền trong mạch cộng hưởng, kể cả ở chế độ khơng tải.
- Dịng điện lan truyền tăng lên khi điện áp đầu vào tăng dẫn đến hạn chế đối với dải điện áp đầu vào rộng.
Nhận xét: Với những phân tích trên, chúng ta thấy bộ PRC cũng khơng phải là một
sự lựa chọn tốt cho bộ front-end DC/DC. Vấn đề chính là năng lượng lan truyền trong mạch cao và dòng ngắt van lớn ở điều kiện điện áp đầu vào cao.
3.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter)
Hay còn gọi là bộ biến đổi cộng hưởng LCC. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC được trình bày ở hình 3.5, khối cộng hưởng của nó bao gồm ba thành phần cộng hưởng: Lr, Cs và Cp. Khối cộng hưởng của LCC có thể coi như sự kết hợp của hai bộ SRC và PRC. Tương tự như bộ PRC, một điện cảm lọc ra phía thứ cấp được
mắc thêm vào để cân bằng trở kháng. Đối với bộ SPRC, nó kết hợp các đặc tính tốt của bộ SRC và PRC, với tải mắc nối tiếp với mạch nối tiếp Lr,Cs. Năng lượng lan truyền nhỏ hơn bộ PRC. Với tụ mắc song song Cp, điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được ở chế độ khơng tải.
Hình 3.6 nói về đặc tính một chiều và vùng hoạt động của bộ SPRC. Tương tự bộ SRC và PRC, vùng hoạt động cũng được thiết kế ở bên tay phải của tần số cộng hưởng để đạt được chuyển mạch ZVS. Từ đồ thị vùng hoạt động có thể thấy rằng dải tần số chuyển mạch của bộ SPRC hẹp với sự thay đổi của tải so với bộ SRC. Do dòng điện đầu vào nhỏ nên năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ hơn bộ PRC.
Hình 3.6. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC. Hình 3.5. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC.
* Ưu điểm:
- Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ hơn bộ PRC.
- Kết hợp các đặc tính tốt của hai bộ biến đổi cộng hưởng SRC và PRC. Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ và không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thay đổi của tải.
* Nhược điểm:
- Khi điện áp đầu vào cao, bộ biến đổi làm việc ở tần số cao hơn cách xa tần số cộng hưởng.
- Năng lượng lan truyền và dòng điện ngắt van vẫn cao khi điện áp đầu vào cao. Dòng ngắt van thường lớn hơn 10A.
Nhận xét: Với những phân tích trên, ta có thể thấy bộ SPRC kết hợp các đặc tính
tốt của 2 bộ SRC và PRC. Năng lượng lan truyền nhỏ hơn và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tải. Tuy nhiên, với dải điện áp đầu vào rộng, tổn thất chuyển mạch và dẫn điện sẽ tăng với điện áp đầu vào cao.
Qua việc phân tích và đánh giá ba bộ biến đổi cộng hưởng SRC, PRC, SPRC ta
nhận thấy cả ba bộ biến đổi cộng hưởng này đều không đạt hiệu suất cao ở dải điện áp đầu vào cao, điều này sẽ dẫn đến tổn thất dẫn điện và tổn thất chuyển mạch. Để đạt được tần số chuyển mạch cao với hiệu suất cao hơn, ta sẽ đi vào phân tích bộ biến đổi cộng hưởng LLC.