3.3.1. Tính toán điện trở kích đóng, ngắt MOSFET
Trong mạch kích đóng và ngắt MOSFET này, điện trở kích trong hai trường hợp cần công suất nhỏ 0,25W nhưng để đảm bảo tính an toàn của mạch, điện trở kích khóa bán dẫn này sẽ được chọn là loại điện trở 2W.
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của mạch khóa dẫn động công suất IR2103
Tham số Kí hiệu
Giá trị
Đơn vị
Min Trung bình Max
Điện áp nổi phía cao VB VS+10 - VS+20
V
Điện áp bù phía cao VS - - 600
60
Điện áp nguồn VCC 10 - 20
Điện áp đầu ra phía thấp VLO 0 - VCC
Mức logic HIN&LIN VIN 0 - VCC
Dòng rò điện áp bù ILK - - 50
uA
Dòng tĩnh QBS IQBS - 30 55
Điện trở nội phía cao RDRp - 55 - Ω
Điện trở nội phía thấp RDRn - 32 - Ω
Bảng 3.2 Thông số cơ bản của MOSFET 11N90
Tham số Kí hiệu
Giá trị
Đơn vị
Min Trung bình Max
Điện áp D-S VDS - 900 -
V
Điện áp ngưỡng G-S VGE(th) 3,0 5,0
Điện áp kích G-S VGS ±30
Điện áp G-S đủ để mở cổng VGS(min) 5 - -
Điện áp thuận của diode VSD - - 1,4
Tốc độ biến thiên điện áp đầu ra dV/dt - 4 - V/ns
61 Điện tích cổng G QG - 60 80 nC Điện tích cổng G-D CGD - 23 30 pF Điện tích cổng G-S CGS - 15 - pF Điện dung cổng G-D CGD - 47 - pF Dòng rò G-E IGES - - 100 nA
Điện dung đầu vào Ciss - 2530 3290
pF
Điện dung đầu ra Coss - 215 280
Điện trở kích đóng RG(on) Ta có: tsw = (3÷4)(td(on)+tr) =3,5.(130+270).10−9 = 1400. 10−9 (s) RTOT = (VCC−Vp)tsw Qg = (20−16).1400.10 −9 80.10−9 = 70 (Ω) Từ công thức (3.5), suy ra RG(on) = RTOT - RDRp = 70 - 55= 15 (Ω) Chọn RG(on) = 13 Ω. Điện trở kích ngắt RG(off) RG(off) < Vth CRESoff.dVdt – RDRn = 5 30.10−12.4.109 – RDRn = 41,67 - 32 = 9,67 (Ω) Chọn RG(off) = 8 Ω.
62
3.3.2. Tính toán biến áp xung
Ở Việt Nam, dòng điện dân dụng là dòng điện xoay chiều 1 pha có giá trị trong khoảng 85-220V với tần số 50Hz. Do đó, ta sẽ có VACmin = 85V và VACmax = 220V.
Ta sẽ dùng dòng điện một chiều được chỉnh lưu bởi cầu diode nên VDC sẽ được tính theo công thức như sau:
VDCmin = √2. (VACmin)2− Pin .(1−Dch)
CDC .f (3.8)
VDCmax = √2. VACmax (3.9)
Yêu cầu đầu ra để nạp cho pin Lithium-ion là 320V – 0,3A nên ta sẽ có công suất đầu ra sẽ là:
PO = VO.IO = 320 x 0,3 = 96 (W)
Giả sử hiệu suất của mạch ở mức 70%, Eff = 70%, ta sẽ xác định được công suất đầu vào:
Pin = PO
Eff = 96
0.7 = 137,14 (W)
Bên cạnh đó, điện áp của dòng điện xoay chiều cũng sẽ được làm phẳng nhờ tác dụng của tụ điện, với hai yếu tố CDC và Dch. Với:
CDC: giá trị của tụ điện đầu vào Cin tính trên một Wattage công suất đầu vào. Với dải điện áp xoay chiều đã xác định ở trên, CDC = 2 – 3 uF. Ta sẽ chọn CDC = 3uF.
Dch : tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào Cin. Tỉ số này được tham khảo như trong hình sau:
63
Hình 3.13 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào
Từ đó, ta có:
VDCmin = √2. (VACmin)2− Pin .(1−Dch)
CDC .f = √2. (85)2− 96.(1−0,2)
3.50 = 120 (V)
VDCmax = √2. VACmax = √2. 265 = 375 (V)
Xác định các yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra của biên áp xung.
Bảng 3.3 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra
VO 320V PO(max) 160W IO(max) 0,5A IO(min) 0,2A VDC(max) 311V VDC(min) 120V Tần số chuyển mạch 50KHz
64 Do yêu cầu đầu ra cần điện áp cao và dòng điện thấp, nên ta sẽ chọn chế độ dòng điện không liên tục cho việc tính toán biến áp xung này.
Đầu tiên, ta sẽ chọn tỉ lệ điện áp cũng như tỉ lệ vòng dây của biến áp xung.
n = NP
NS = VRO
VO+VF (3.10)
Trong đó: VF là độ sụt áp của diode chỉnh lưu đầu ra. Trong mạch sử dụng loại Hyperfast diode RHRP30120 có VF = 3.2V.
Và VRO = Dmax
1− Dmax. VDCmin (3.11)
Mà Dmax là tỉ lệ thời gian dẫn của MOSFET. Dmax được tính như sau: Dmax = TONmax
T (3.12)
Với TONmax là thời gian dẫn tối đa để duy trì chế độ DCM. Để hoạt động ở chế độ dòng điện không liên tục, ta cần phải có thời gian chết Tdt với giá trị nhỏ nhất là 0.2T. Do đó, TONmax
có giá trị tối đa là 0,7T.
Nên Dmax = TONmax
T = 0,7T T = 0,7 Và VRO = Dmax 1− Dmax. VDCmin = 0,7 1− 0,7. 120 = 280 (V) Do đó, n =Np Ns = VRO VO+VF = 280 320 + 3,2 = 0,867
Tiếp theo, để đảm bảo MOSFET 11N90 không bị cháy trong quá trình hoạt động, cần phải kiểm tra giá trị điện áp lên MOSFET với giá trị VDS của MOSFET.
65 Mà MOSFET 11N90 có VDS = 900V, đáp ứng đủ yêu cầu làm việc và có thể chịu được những xung gai hoặc nhiễu điện áp trong quá trình làm việc.
Sau đó, xác định thời gian dẫn của MOSFET để đạt được yêu cầu đẩu ra mong muốn, với công thức sau:
TON = ( Vo+1)(Np/ Ns)(0.8T) ( VDC−1)+( Vo+1)(Np/ Ns) (3.13) TON = (320+1)(0,867)(0,8. 1 50000) ( 311−1)+(320+1)(0,867) = 7,56 (µs)
Tiếp theo, tính độ tự cảm của cuộn sơ cấp Lp:
Lp= Ro 2.5T ( TON Vo )2 = ( VDC TON)2 2.5T PO = (320.7,56.10 −6)2 2,5.500001 .160 = 732 (µH) (3.14)
Từ đó, xác định được dòng điện đi qua cuộn sơ cấp :
Ip= VDC TON
Lp = 320.7,56.10
−6
732.10−6 = 3,30 (A) (3.15)
Và dòng điện hiệu dụng đi qua cuộn sơ cấp là:
Irms(primary) =Ip 2 .TON T = 3,30 2 . 7,56.101 −6 50000 = 0,62 (A) (3.16)
Đường kính dây quấn sẽ là:
Dpri= √Irms(primary)
2 =√0,62
2 = 0,39 (mm) (3.17)
Và dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp được xác định như sau:
Irms(secondary) = Ip(Np/Ns) 2 .Tr T = 3,30.0,867 2 . 8,44.101 −6 50000 = 0,60 (A) (3.18)
66 Tr = (0.8T – TON) = (0,8. 1
50000 − 7,56. 10−6) = 8,44 (µs) (3.19)
Từ đây, đường kính dây cuộn thứ cấp được xác định là:
Dsec = √Irms(seconday)
2 =√0,60
2 = 0,39 (mm) (3.20)
Do đường kính dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không có sẵn trên thị trường. Vì thế, thay vì dùng một dây có đường kính 0,39 mm, nhóm dùng một dây có đường kính 0,5mm để quấn cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.
Tiếp đến, xác định số vòng dây cuộn sơ cấp của biến áp xung để ngăn sự bão hòa lõi, Np sẽ được tính bằng công thức:
Npmin = VDC.TONmax
dB.Ae = 320.7,56
320.10−3.229 = 33,01 (vòng) (3.21)
Trong đó:
𝑉𝐷𝐶: điện áp một chiều đầu vào qua dây sơ cấp (V) TONmax: thời gian lớn nhất MOSFET đóng (s)
Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi biến áp xung, (mm2)
dB: sự biến thiên từ thông bão hòa (T)
Với Npmin= 33,01 vòng, chọn lớn hơn số này để đảm bảo biến áp xung hoạt động tốt và để lại phần còn lại để quấn cuộn thứ cấp. Chọn Np = 35 vòng.
Từ đây, tính được số vòng dây của cuộn thứ cấp:
Ns = NP
𝑛 = 35
0,867 = 40,37 (vòng) (3.22)
67 Lõi ferrite của biến áp xung phải có khe hở để ngăn sự bão hòa lõi sớm. Chiều dài khe hở được tính theo công thức sau đây:
G = 40 . π . Ae . (NP2
Lm − 1
AL) (3.23)
Với:
AL: là hệ số điện cảm của lõi. Theo thông số của nhà sản xuất thì đối với lõi ferrite loại EE42 thì giá trị AL sẽ bằng 1029 nH/N2.
Lm: là độ tự cảm của cuộn sơ cấp (nH) Np: là số vòng của cuộn sơ cấp (vòng)
Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi ferrite (m2)
Có được chiều dài khe hở G của lõi là:
G = 40 . π . Ae . (NP2
Lm − 1
AL) = 40. π. 229. 10−6. ( 352
732000− 1
1029) = 2,02.10-5(m) =0,02 (mm)
Theo thông số của nhà sản xuất, thông số khe hở G của biến áp xung EE42 là 0,25 mm > 0,02 mm. Nên biến áp xung này đáp ứng được yêu cầu của mạch.
68 Tính tụ lọc đầu ra C1 của mạch theo dòng điện đầu ra cao nhất của mạch là 0,5A và điện áp rơi trên tụ là 0,05V. Điện dung của tụ điện C1 được tính theo công thức:
C = IO.Tr
Vdrop = 0,5.8,44.10 −6
0,05 = 84,4 (µF) (3.24)
Chọn tụ lọc đầu ra C1 là tụ hóa 100µF-400V.
Có bảng thống kê các số liệu như sau:
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của biến áp xung
Số vòng dây cuộn sơ cấp Np 35 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp Ns 43 vòng
Đường kính dây cuộn sơ cấp 2x0,5 mm
Đường kính dây cuộn thứ cấp 2x0,5mm
Tụ lọc đầu ra C1 100µF-450V
3.3.3. Tính toán mạch snubber
Điện áp VRO trong cuộn sơ cấp là do điện áp đầu vào VDC và điện áp ngược trên cuộn thứ cấp tác dụng lên. Và điện áp này được tính bằng công thức:
VRO = Dmax
1 − Dmax. VDCmin = 0,7
1 − 0,7. 120 = 280 (V)
Với Dmax = TONmax
T = 0,5T T = 0,8 Cuộn sơ cấp có độ tự cảm là: Lp = Ro 2,5T ( TON Vo )2 = ( VDC TON)2 2,5T PO = (320.7,56.10−6)2 2,5.500001 .160 = 732 (µH)
69 Độ tự cảm rò trên cuộn sơ cấp là: LLeak = 0,1. Lp = 0,1. 732. 10−6 = 73. 10−6 (H) Cường độ dòng điện tại đỉnh trên cuộn sơ cấp: Ip= VDC TON
Lp = 320.7,56.10
−6
732.10−6 = 3,30 (A)
Điện áp kẹp VClamp là điện áp an toàn cho linh kiện khi hoạt động. Điện áp kẹp càng nhỏ khi hoạt động thì linh kiện càng được bảo vệ. Điện áp kẹp VClamp được tính dựa theo điện VDS của MOSFET 11N90 với một mức độ an toàn là 90%.
VClamp = 0,9. VDS= 0,9.900= 810 (V)
Chọn tần số nhiễu là fswmax = 50000 (Hz).
Từ đó, tính được giá điện trở cần thiết cho mạch dập xung gai Snubber bằng công thức:
RSnubber < 2 . VClamp (VClamp− VRO)
LLeak. Ip2. fswmax = 2.810.
(810 − 280) 73. 10−6. 3,302. 50000 = 21601 (Ω)
Chọn RSnubber = 20k Ω.
Trong mạch Snubber, tụ được tính theo công thức dưới đây:
CSnubber > VClamp
Vripple.RSnubber.fswmax = 810
50.20000.50000 = 16,2 (ηF)
Chọn tụ CSnubber = 22 ηF và mức điện áp là 630V.
Và diode cần cho mạch dập xung gai sẽ là một diode phục hồi nhanh (fast recover diode). Do đó, diode UF4007 sẽ được sử dụng.
70
3.4. Mô phỏng mạch nạp bằng phần mềm SiMetrix/SIMPLIS 3.4.1. Mục đích của việc mô phỏng 3.4.1. Mục đích của việc mô phỏng
Trong thiết kế mạch điện, mô phỏng là một bước cực kỳ quan trọng. Việc mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của mạch điện bằng các đồ thị điện áp, cường độ dòng điện. Mô phỏng sẽ cho chúng ta biết được các giá trị điện áp, cường độ dòng điện ở các linh kiện, từ đó chọn các linh kiện phù hợp nhất cho mạch điện.
Khi chọn các linh kiện mà các thông số hoạt động của nó không phù hợp với mạch điện sẽ làm bị hỏng hoặc thậm chí cháy nổ linh kiện, dẫn đến mất nhiều thời gian và tăng chi phí khi thiết kế thi công mạch điện. Chính vì vậy, việc mô phỏng là bước rất quan trọng khi thiết kế mạch điện tử.
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS Elements là phần mềm chuyên mô phỏng các mạch điện tử đặc biệt là các mạch điện liên quan đến nguồn xung như các bộ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC. Do đó, trong đồ án thiết kế mạch nạp cho xe điện nhóm sẽ dùng phần mềm này để mô phỏng và nghiên cứu hoạt động của mạch điện.
Hình 3.15 Sơ đồ mạch nạp sử dụng biến áp xung được mô phỏng trên phần mềm
71
3.4.2. Các bước mô phỏng
a. Mô phỏng điện áp đầu vào và xung điều khiển
Chọn biểu tượng để mô phỏng điện áp và xung (vì phần mềm không có thư viện của board STM32F103C8 và IR2103).
Hình 3.16 Các thông số của điện áp vào và xung
Chọn chế độ hình sin cho nguồn và chế độ pulse cho xung. Với điện áp vào, chọn tần số 50Hz, điện áp hiệu dụng (RMS) là 220V. Đối với xung chọn tần số 50KHz và thời gian hoạt động là 28%.
72
b. Mô phỏng biến áp xung
Chọn ô tìm kiếm, gõ transformer và chọn ideal transformer
Hình 3.17 Các thông số của biến áp xung
Sau khi chọn ideal transformer, cửa sổ cài đặt thông số của biến áp xung hiện lên. Chọn số cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là 1, tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp với thứ cấp là 0,867 nên tỉ số vòng dây của cuộn thứ cấp với sơ cấp là 1,153, độ tự cảm của cuộn sơ cấp là 732 µH.
c. Mô phỏng các linh kiện khác
Chọn các linh kiện tụ, điện trở, diode, MOSFET, cuộn cảm. Sau đó, có thể thay đổi giá trị của tụ, điện trở và cuộn cảm hay thay đổi loại diode và MOSFET bằng cách nhấp đúp trái chuột vào linh kiện đó.
73
Hình 3.18 Cửa sổ chọn giá trị của điện trở
Hình 3.19 Cửa số chọn giá trị của tụ
74
Hình 3.21 Cửa sổ chọn loại diode
Chọn MOSFET tương tự như diode. Vì không có MOSFET 11N90 nên nhóm đã chọn MOSFET IPD60R950C6_L0 có giá trị gần giống với MOSFET 11N90.
75
d. Mô phỏng toàn bộ mạch điện
Sau khi chọn linh kiện và nối dây thành mạch điện như hình tiến hành cài đặt các thông số mô phỏng tại cửa sổ Choose Analysis tại mục Simulator như sau:
Hình 3.22 Cửa sổ cài đặt các điều kiện mô phỏng
Chọn thời gian mô phỏng là 40ms ứng với 2 chu kì của điện áp đầu vào.
Sau khi chọn điều kiện mô phỏng, chúng ta bấm biểu tượng để bắt đầu chạy mô phỏng.
76
Hình 3.23 Kết quả mô phỏng
Sau khi mô phỏng, nhận thấy điện áp đầu ra dao động từ 308V đến 342V đạt yêu cầu với thông số ban đầu chọn là điện áp lớn hơn 252V để sạc cho bộ pin.
77
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
Sau khi tính toán các thành phần của mạch, nhóm đã hàn các linh kiện theo sơ đồ mạch điện hình 3.1.
Hình 4.1 Mạch sạc pin sau khi được hàn
Nhóm thử nghiệm theo 3 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: thử nghiệm với điện áp 24V một chiều. Ở giai đoạn này, thử nghiệm với điện áp nhỏ để đảm bảo an toàn cho người thử nghiệm, đồng thời đánh giá quá trình hoạt động của mạch sạc.
- Giai đoạn 2: thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều. Ở giai đoạn này, nhóm sẽ khảo sát công suất của mạch nạp.
78 - Giai đoạn 3: thử nghiệm ở thời gian dài. Sau khi khảo sát và chọn được công suất phù hợp tại giai đoạn 2, mạch sạc được thử nghiệm với thời gian dài hơn nhằm đánh giá tính ổn định của toàn mạch.
4.1. Thử nghiệm với điện áp 24V một chiều
Cấp nguồn điện 24V - 2A từ bộ nguồn, cực dương của nguồn nối với biến áp, cực âm nối với cực S của MOSFET. Tải dùng để thử nghiệm là bóng đèn sợi đốt với thông số 12V – 35W.
Khi thử nghiệm với nguồn 24V - 2A, nhóm đã thực hiện thử nghiệm với các tần số khác nhau để khảo sát sự thay đổi về công suất, điện áp và dòng điện tại tải.
79 Qua các lần thử nghiệm, kết quả được liệt kê dưới bảng sau:
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm với nguồn 24V
Tần số Điện áp Dòng điện Công suất
150KHz 21,32 1,87 39,87W
125KHz 22,28 1,93 43W
100KHz 22,72 1,95 44,3W
72KHz 22,28 1,93 43W
50KHz 20,51 1,83 37,53W
Đánh giá kết quả thực nghiệm: khi thay đổi tần số thì dòng diện thay đổi nhỏ nhưng điện áp thay đổi khá lớn diều này ảnh hưởng đến công suất cũng thay đổi nhiểu mặc dù hiệu suất đạt được cao.