CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.3. Tính toán thiết kế các thành phần trong mạch
3.3.2. Tính tốn 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 cơng 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 cơng 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 dịng 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 cơng 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 khơng liên tục cho việc tính tốn 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 khơng 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 q 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 dịng 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 khơng 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 hịa lõi, Np sẽ được tính bằng cơng thức:
Npmin = VDC.TONmax
dB.Ae = 320.7,56
320.10−3.229 = 33,01 (vịng) (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 thơng bão hịa (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 hịa lõi sớm. Chiều dài khe hở được tính theo cơng 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 cơng 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 vịng
Đường kính dây cuộn sơ cấp 2x0,5 mm
Đường kính dây cuộn thứ cấp 2x0,5mm
Tụ lọc đầu ra C1 100µF-450V