CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
2.2 Bộ nguồn chuyển mạch có biến áp cách ly
Như ta đã thấy ở trên các sơ đồ bộ băm áp không có biến áp cách ly mà chỉ có các phần tử bán dẫn liên kết đầu vào với đầu ra. Các phần tử bán dẫn có điện áp chọc thủng không lớn và khả năng tạo ra hỏng hóc dây chuyền trong bất kỳ bộ nguồn công suất nào. Đây không phải là lỗi do sản xuất mà là do hệ số tản nhiệt và những hoạt động bất thường như các xung nhiễu.
Sơ đồ có biến áp cách ly dựa trên cơ sở cách điện điện môi: thông qua sự cách điện của các vòng dây và các lớp cách điện. Năng lượng được truyền qua vật liệu sắt từ ferit không dẫn điện để đi tới đầu ra. Khả năng cách điện của máy biến áp (MBA) có thể lên đến vài nghìn vôn trước khi nó bị chọc thủng và nó tạo ra lớp cách điện điện môi khi có phần tử bán dẫn bị hỏng, ngăn
35
không cho phản ứng dây chuyền xảy ra dẫn tới hàng loạt các phần tử khác hỏng theo.
Vì vậy có nhiều ứng dụng của bộ biến đổi DC/DC yêu cầu đầu ra phải cách ly độc lập. Việc cách ly giữa đầu vào và đầu ra còn là yêu cầu của các tiêu chuẩn an toàn. Ngoài ra sử dụng biến áp còn có thể tạo ra được nhiều đầu ra với các mức điện áp khác nhau.
Các sơ đồ có biến áp cách ly thông dụng là sơ đồ Push Pull- , sơ đồ Forward, sơ đồ Cầu (Full Bridge), sơ đồ Nửa Cầu (Half Bridge), sơ đồ Fly- - - back.
2.2.1 Sơ đồ bộ biến đổi Push-Pull
Hình 2 4: .1 Sơ đồ mạch bộ biến đổi Push-Pull
Sơ đồ của bộ biến đổi Push Pull được thể hiện trên hình - 2 4.1 ; đây là sơ đồ có chứa thành phần bộ lọc LC ở đầu ra. Sử dụng biến áp xung để nâng hoặc hạ điện áp vào đã được băm xung trước khi đưa nó vào bộ lọc LC đầu ra. Máy biến áp trong bộ ush ull đóng vai trò như cuộn dây sơ cấp có điểm P -P giữa, điện áp vào được nối vào điểm này và khoá S được nối với hai đầu cuộn dây. Điện áp thứ cấp là dạng sóng chỉnh lưu toàn sóng và sau đó được đưa đến bộ lọc LC.
36
Hình 152. : Dạng sóng đặc trưng của bộ biến đổi Push-Pull Trong đó: US1, US2 lầnlượt là điện áp giữa 2 đầu của khóa S1 và S2.
IS1, IS2 lần lượt là dòng điện chạy qua khóa S1 và S2 Uinlà điện áp đầu vào
Bộ biến đổi Push-Pull còn được gọi là sơ đồ kép “double end” do sử dụng - hai khoá S để thực hiện chức năng đóng cắt, hai khoá S này không hoạt động đồng thời mà xen kẽ luân phiên nhau, mỗi khoá S hoạt động 1/2 chu kỳ với cùng một tỷ số đóng cắt D. Tuy nhiên D phải nhỏ hơn 0,5 để đảm bảo hai khoá S không đóng đồng thời Hai phía của cuộn dây sơ cấp được quấn theo . cùng chiều nhưng có dòng điện chạy ngược chiều nhau. Kết quả là từ trường trong lõi thép được tạo ra cả từ trường mang cực tính dương và âm.
37
Khi khoá S1 đóng, điôt D1 dẫn và D2 khoá. Trạng thái của điôt sẽ ngược lại khi khoá S2đóng.
Các thông số của bộ biến đổi Push-Pull là:
Tỷ số biến đổi điện áp:
n D U
M U
in O V
= 2
= , với n=N1/N2
Giá trị giới hạn của cuộn kháng lọc là:
f R Lb D
. 4
).
. 2 1 ( −
= (2 22- )
Tụ lọc được tính theo kinh nghiệm như sau:
min 2
. . . 32
).
. 2 1 (
f L U
U C D
r
− O
= (2 23 - )
Hoạt động của bộ biến đổi Push-P ull tương đối đơn giản. Tại một thời điểm chỉ có một khoá đóng mạch còn khoá kia cắt mạch. Khi có một khoá đóng sẽ có dòng điện chạy trong một nửa cuộn dây sơ cấp. Tương ứng sẽ có một nửa của cuộn thứ cấp dẫn, đặt điện áp thuận lên bộ chỉnh lưu. Dòng điện sinh ra đi vào bộ lọc LC và được dự trữ trong cuộn cảm và tụ điện. Điện áp đặt lên bộ lọc LC sẽ có giá trị bằng điện áp vào nhân với hệ số biến áp. Điều này tiếp diễn đến khi bộ điều khiển cắt khoá S đang đóng, tiếp đó có một khoảng thời gian dự trữ an toàn “dead-time” mà không có khoá S nào dẫn để đảm bảo khả năng cắt hoàn toàn dòng điện trong mạch. Đối với tranzito lưỡng cực cụng suất, thời gian này vào khoảng 0,2às. Đối với cỏc tranzito trường, thời gian này ngắn hơn khoảng từ 50÷100ns. Nếu không đảm bảo được điều này thì trường hợp cả hai khóa S cùng dẫn thì sẽ gây ngắn mạch trong biến áp và tạo ra dòng điện phá hủy khóa S. Khi khóa S tiếp theo đóng mạch thì một nửa của cuộn thứ cấp tương ứng chuyển sang trạng thái dẫn và điện áp đặt lên khóa S không dẫn sẽ bằng hai lần điện áp vào do ảnh hưởng của dòng điện này. Ta thấy mỗi khóa Svà chỉnh lưu hoạt động ở tần số bằng một nửa tần số
38
hoạt động của bộ băm áp nhưng đặc tính của nó phải đáp ứng được như khi hoạt động với cả tần số làm việc.
Mặc dù sơ đồ băm áp này có thể tạo ra công suất đầu ra đến vài kW nhưng nó cũng có những hạn chế đáng kể. Một khó khăn trong thực tế là không có hai van bán dẫn giống hệt nhau và hai nửa cuộn dây giống hệt nhau.
Điều này có nghĩa là sẽ có một nửa của cuộn dây có số vòng dây ít hơn, hoặc một khóa S cắt chậm hơn hoặc có điện áp bão hòa thấp hơn. Các nghiên cứu cho thấy lõi thép của MBA không hoạt động đối xứng như đường cong từ hóa B-H. Kết quả sẽ dẫn đến một nửa cuộn sơ cấp sẽ có dòng điện đỉnh cao hơn và dễ bị bão hòa hơn. Điều này sẽ nguy hiểm khi có bước nhảy tăng tải đầu ra. Bộ so sánh sai lệch sẽ kéo theo khóa S tới xung mở rộng nhất, gây ra dòng điện lớn dẫn đến sự bão hòa. Đây gọi là sự mất cân bằng lõi thép. Một cách để đề phòng trường hợp này là thêm vào bộ cảm biến xung dòng và cắt khóa S khỏi mạch điều khiển khi có sự cố. Việc thêm các phần tử bảo vệ vào bộ điều khiển sẽ làm tăng giá thành bộ nguồn và khiến cho bộ băm áp Push-P ull không hấp dẫn đối với người thiết kế.
2.2.2 Sơ đồ bộ biến đổiForward
Sơ đồ Forward được mô tả như hình 2.17.
Sơ đồ này cũng giống với sơ đồ Push-Pull nhưng nó không gặp phải vấn đề về cân bằng từ thông. Và vì nó chỉ có một khoá chuyển mạch nên kinh tế hơn sơ đồ Push-pull.
Hình 172. : Bộ biến đổi Forward
39
Biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điện áp đầu vào và cách ly với điện áp đầu ra. Khi khoá S đóng, điôt D1dẫn và điôt D2 khóa, năng lượng được truyền từ đầu vào qua biến áp rồi qua bộ lọc đầu ra. Điện áp đầu vào Uin chạy qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp sinh ra điện áp tại x là: x Uin
N U N
2
= 1 với N1 và N2 là số vòng dây cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.
Khi khóa S cắt, trạng thái của D1 và D2 sẽ ngược lại, tức là D1 khóa và D2
sẽ dẫn.
Tỷ số biến đổi điện áp:
n D U M U
in
V= O = ; trong đó: n=N1/N2
Vấn đề của sơ đồ hình 2.17 là khi hoạt động, khoá S đóng thì chỉ có phần điện áp dương chạy qua S tạo ra từ thông, biến áp chỉ có thể hoạt động khi mà thành phần điện áp đầu vào không phải là một chiều. Tức là trong một chu kỳ lõi thép chỉ làm việc ở một phía của vòng từ trễ và nó phải được trở lại vị trí ban đầu trên đường từ trễ sau mỗi chu kỳ. Nếu không sau một vài chu kỳ lõi thép có thể bị dịch chuyển điểm làm việc sang hướng khác hoặc bị bão hòa.
Khi S cắt ta cần phải cung cấp điện áp âm để đưa điểm làm việc về vị trí ban đầu. Để khắc phục tình trạng đó, người ta đưa thêm cuộn dây thứ 3 như hình 2.18. Với điôt D3chỉ cho phép dòng điện ngược chạy qua khi điện áp Uin âm, khi đó cuộn dây N3 có dòng điện chạy qua, kéo điểm làm việc về vị trí ban đầu thông qua phần âm của vòng từ trễ.
Hình 2.18: Bộ biến đổi Forward với biến áp ba cuộn dây
40
Hình 2.19: Sơ đồ dạng sóng của bộ biến đổi Forward 3 cuộn dây Trong đó: UN1 – Dạng sóng của điện áp sơ cấp biến áp N1
US – Dạng sóng của điện áp giữa 2 đầu khóa chuyển mạch S
IN1 – Dạng sóng của dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp N1
ID2 – Dạng sóng của dòng điện chạy qua điôt D2
IL – Dạng sóng của dòng điện chạy qua cuộn kháng L Uin – Điện áp đầu vào (điện áp nguồn S)
N=N1/N2 là tỷ số biến đổi của biến áp.
41
2.2.3 Sơ đồ bộ biến đổi Nửa cầu (Hafl-Bridge)
Hình 202. : Sơ đồ bộ biến đổi Nửa cầu (Hafl-Bridge)
Bộ băm áp kiểu nửa cầu là một dạng khác của bộ băm áp Forward có biến áp cách ly. Như trên hình 2.20, sự sắp xếp các phần tử trong mạch điện chính rất khác so với bộ biến đổi Push ull. Bộ băm áp nửa cầu chỉ có một cuộn dây -P sơ cấp được nối vào điểm giữa của hai khoá S và điểm giữa hai tụ điện mắc nối tiếp (giữa điện áp vào và đất). Giống như bộ băm áp Push ull, nó hoạt -P động dựa trên chế độ từ trường mang dấu âm và dương trong lõi máy biến áp.
Điểm giữa của hai tụ điện có điện áp xấp xỉ 1/2 điện áp vào, và khoá S sẽ tạo ra điện áp thay đổi giữa điện áp vào và giá trị 0. Vì vậy điện áp đặt vào cuộn sơ cấp chỉ bằng một nửa giá trị điện áp vào. Kết quả là dòng điện trung bình và dòng điện đỉnh của bộ băm áp sẽ lớn gấp hai lần so với sơ đồ Push-Pull khi có cùng công suất đầu ra. Vì vậy sơ đồ nửa cầu không thích hợp cho tải đầu ra công suất lớn như sơ đồ Push pull nhưng nó có ưu điểm hơn hẳn là khả năng - tự cân bằng của lõi thép. Sự cân bằng lõi thép này được tạo ra do các tụ điện.
Điện áp điểm giữa hai tụ sẽ hiệu chỉnh hướng của mật độ từ thông cao hơn trong máy biến áp. Điều này làm giảm điện áp lên cuộn sơ cấp theo hướng lõi thép có khả năng bão hòa, loại bỏ sự lệch trục của đường cong B H, dẫn đến - không cần mạch cảm biến xung dòng.
42
Hoạt động của cuộn thứ cấp và bộ lọc đầu ra có chức năng giống hệt như bộ băm áp Push ull. Tỷ số biến áp chỉ khác ở chỗ có một nửa điện áp đặt lên -P cuộn sơ cấp.
n D U M U
in O
V = =
Hình 212. : Sơ đồ dạng sóng của bộ biến đổi Nửa cầu (Hafl-Bridge)
2.2.4 Sơ đồ bộ biến đổi Cầu (Full Bridge- )
Sơ đồ bộ biến đổi cầu (hình 2.22) là sơ đồ phổ biến trong các loại có biến áp cách ly điều khiển bằng phương pháp độ rộng xung PWM. Cũng giống như các sơ đồ kép khác, từ thông của nó được tạo ra có cả cực tính dương và âm. Hoạt động của nó so với sơ đồ băm áp nửa cầu được cải thiện đáng kể.
Điều này là do hai tụ cân bằng được thay thế bằng một cặp công tắc nửa cầu
43
khác tương tự như cặp đầu tiên. Trường hợp này hai trong số bốn công tắc S được đóng một cách đồng thời. Trong quá trình đóng (dẫn) cả công tắc phía trên bên trái và công tắc phía dưới bên phải hoặc ngược lại được mở. Điều này dẫn tới toàn bộ điện áp vào được đặt lên cuộn sơ cấp biến áp, khiến cho sơ đồ cầu có khả năng chịu tải gấp đôi sơ đồ nửa cầu. Vì trong trường hợp này công tắc công suất được điều khiển theo từng cặp nên ta chỉ cần thêm vào hai cuộn thứ cấp biến áp xung tín hiệu để điều khiển thêm hai khoá S, mạch điều khiển còn lại không thay đổi.
Hình 222. : Sơ đồ bộ biến đổi cầu (Full-Bridge)
Mức độ từ hoá của lõi thép được cân bằng nhờ các tụ không cực tính mắc nối tiếp với cuộn dây sơ cấp. Điện áp một chiều trung bình đặt lên tụ điện làm giảm điện áp đặt lên cuộn sơ cấp theo hướng có nguy có bão hòa. Để đề phòng trường hợp xảy ra bão hòa phá hủy mạch điện, ta nên thiết kế MBA có từ thông lệch trục lớn nhất nhỏ hơn điều kiện làm việc bình thường.
n D U
M U
in D V
.
= 2
=
44
Hình 232. : Sơ đồ dạng sóng của bộ biến đổi Cầu (Full-Bridge)
2.2.5 Sơ đồ bộ biến đổiFly back -
Bộ biến đổi Fly-back (hình 2.24) được phát triển như là mở rộng của bộ biến đổi Buck Boost. Bộ biến đổi Buck Boost làm việc dựa trên năng lượng - - tích trữ trong cuộn kháng trong khi khoá S đóng và xả năng lượng ở đầu ra khi khoá S cắt. Với biến áp thì năng lượng tích trữ dạng từ tính trong lõi thép của biến áp. Để tăng năng lượng tích trữ thì thường sử dụng khe hở lõi thép.
45
Hình 242. : Sơ đồ bộ biến đổi Fly-back
a) Sơ đồ mạch; b) Sơ đồ với loại biến áp có thêm cuộn kháng Lm
Thông số của Lm trong hình 2.24b rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến chế độ làm việc liên tục hay không liên tục của sơ đồ.
Giá trị giới hạn của Lm được xác định như sau:
f R D Lmgh n
. 2
. ) 1
.( 2
2 −
=
Với n = N1/N2là tỷ số biến áp.
Tỷ số biến đổi điện áp của bộ nguồn là:
) 1 .( D n
D U
M U
in O
V = = −
Sơ đồ Fly back hoạt động với nguyên lý sau: khi khoá S đóng mạch, năng - lượng được dự trữ vào máy biến áp, trong khi đó dòng điện tải được nuôi bởi tụ lọc đầu ra. Khi khoá S cắt mạch, năng lượng dự trữ trong lõi thép được đưa tới tải và tụ lọc đầu ra được nạp điện để bù lại phần năng lượng đã mất.
Sơ đồ Fly back có nhiều ưu điểm và cũng có nhược điểm. Ưu điểm lớn - nhất là bộ điện cảm đầu ra trong các sơ đồ đã giới thiệu ở trên (như sơ đồ Forward) không cần thiết trong trường hợp này. Đặc biệt là đối với bộ nguồn nhiều đầu ra thì nó tiết kiệm giá thành và kích thước.
46
Sơ đồ này được sử dụng rộng rãi cho điện áp ra lớn ở công suất thấp do không có cuộn cảm đầu ra và điôt xả tự do.
Hình 252. : Sơ đồ dạng sóng của bộ biến đổi Fly-back Trong đó: US là điện áp giữa hai đầu của khóa S
UN2 là điện áp hai đầu cuộn dây N2
IN1, IN2 là dòng điện chạy qua cuộn N1 và N2
47