Hình : 3.9: Biến áp tích hợp trong bộ cộng hưởng LLC
3.4 Chuyển mạch mềm ZVS, ZCS
Các sơ đồ cộng hưởng dẫn tới chế độ chuyển mạch mềm, tức là van chuyển mạch hoặc khi điện áp trên van bằng không (ZVS) hoặc khi dòng điện qua van bằng không (ZCS). Ta xét hiện tượng này qua ví dụ sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng cầu một pha nối tiếp, như trên hình 7.39.
mạng cộng hưởng Zi(s) mang tính dung kháng do trở kháng của tụ lớn hơn trở kháng cảm. Điện áp đặt vào mạng dao động có dạng đối xứng chữ nhật, biên độ +/-Ug. Nếu xét gần đúng với thành phần sóng hài bậc nhất, với trở kháng tổng có tính dung nên dòng is1(t) sẽ vượt trước điện áp. Tuy nhiên điều này cũng đúng đối với giá trị tức thời. Đồ thị thời gian dạng dòng điện, điện áp đầu ra nghịch lưu cho trên hình 7.40.
Xét trong nửa chu kỳ 0 < t < Ts/2, khi Q1, Q4 dẫn dòng, dòng is(t) sẽ về bằng không trước khi sang nửa chu kỳ sau. Tại thời điểm đó Q1, Q2 sẽ khóa lại. Không có tổn thất khi van khóa vì dòng bằng 0. Chế độ này gọi là chuyển mạch tại dòng bằng 0 (ZCS). Tiếp theo dòng đổi chiều, chạy qua điôt ngược D1, D4.
Hình 3.25 Dạng điện áp, dòng điện sơ đồ cộng hưởng nối tiếp khi tải mang tính dung kháng, tần số đóng cắt fs < fo.
Điều tương tự xảy ra ở nửa chu kỳ sau khi van Q2, Q3 dẫn dòng.
Tuy nhiên ta sẽ thấy rằng khi Q1, Q4 được điều khiển mở, trước đó dòng điện sẽ do điôt D2, D3 dẫn. Khi Q1 được điều khiển mở điện áp trên nó bằng điện áp nguồn
Ug, dòng sẽ chuyển từ D2 sang Q1. Do D2 phải có thời gian phục hồi để phục hồi tính chất khóa của mình, thời gian để các điện tích trong lớp tiếp giáp p-n di tản hết ra ngoài và nạp lại điện tích cho tụ ký sinh sinh ra do điôt bị phân cực ngược, sẽ xuất hiện dòng đâm xuyên giữa Q1 và D2 dưới điện nguồn Ug. Dòng này có thể có giá trị đỉnh rất lớn vì trong thời gian phục hồi điện trở của điôt vẫn rất nhỏ. Điều này thể hiện trên đồ thị hình 7.41. Dòng điện đỉnh lớn có thể gây nên các xung động điện từ trên điện cảm đường dây, phát tán sóng điện từ tần số cao ra chung quanh, ảnh hưởng đến các linh kiện điện tử khác trong mạch. Nếu Q1 là van MOSFET van mở ra dưới điện áp cao sẽ có dòng điện do tụ ký sinh CDS, được nạp điện đến Ug trước đó, phóng qua, gây tổn thất trên điện trở khi dẫn giữa cực máng và cực gốc RDS,on. Dòng phục hồi của điôt D2 cũng là một thành phần chủ yếu gây nên tổn thất trong trường hợp này.
Hình 3.26 Chuyển mạch nặng (Hard switching) khi van mở ra.
Như vậy chuyển mạch ZCS trong sơ đồ này không mang lại ý nghĩa nhiều về giảm tổn hao chuyển mạch vì lại gây ra chuyển mạch nặng khi van mở ra. Đây là chế độ làm việc cần phải tránh.
Cũng với sơ đồ cộng hưởng nối tiếp, nếu tần số làm việc cao hơn tần số cộng hưởng, fs > fo, trở kháng mạng dao động sẽ mang tính cảm vì khi đó trở kháng của điện cảm lớn hơn dung kháng của tụ. Khi đó dòng is(t) sẽ chậm pha so với điện áp us(t), như thể hiện trên đồ thị dạng sóng hình 7.42.
Trong nửa chu kỳ đầu khi Q1, Q4 được điều khiển mở nhưng dòng đang chạy ngược chiều dẫn của van, nghĩa là phải chạy qua điôt D1, D4. Do điôt ngược song song với van dẫn điện áp trên van gần bằng không. Đến thời điểm dòng đổi chiều các điôt D1, D4 sẽ tự khóa lại, không có dòng phục hồi vì các điện tích qua điôt đã bằng không. Các van Q1, Q4 sẽ tự động vào dẫn dòng từ giá trị bằng không trở đi vì van đã có tín hiệu điều khiển mở. Như vậy chuyển mạch khi van vào dẫn dòng khi điện áp trên nó bằng không không gây nên tổn thất nào. Trường hợp này gọi là chuyển mạch ở điện áp bằng không – ZVS, là chế độ làm việc tốt nhất cho các nghịch lưu cộng hưởng.
Hình 3.27 Chuyển mạch mềm, van vào dẫn dòng khi điện áp trên van bằng không (ZVS).
Đến cuối nửa chu kỳ Ts/2, khi các van Q1, Q4 khóa lại, Q2, Q3 mở ra, dòng điện vẫn đang chạy theo chiều cũ, sẽ chuyển sang các điôt D2, D3. Đây lại là chuyển mạch nặng vì D2, D3 đang dưới điện áp ngược lớn – Ug. Tuy nhiên sẽ không có dòng phục hồi, thời gian mở của điôt rất ngắn, thời gian khóa lại của van MOSFET cũng rất ngắn, nghĩa là quá trình này chiếm một thời gian không đáng kể trong chu kỳ làm việc. Như vậy chuyển mạch nặng trong trường hợp này không ảnh hưởng nhiều đến vấn đề gây tổn thất chuyển mạch cho sơ đồ.
Đối với MOSFET do có tụ ký sinh giữa cực máng và cực gốc CDS quá trình van khóa lại lại diễn ra tốt hơn. Ví dụ khi Q1 khóa lại dòng sẽ chạy qua tụ CDS,Q1 làm tăng điện áp UDS lên đến điện áp nguồn Ug. Do MOSFET khóa lại rất nhanh dòng is(t) sẽ chuyển hết sang CDS,Q1 trước khi UDS tăng đến Ug, tức là trước khi điôt D2 mở ra. Điôt D2 sẽ chỉ mở ra khi điện áp trên van Q1, hay điện áp trên tụ CDS,Q1 bằng và lớn hơn Ug. Do hiện tượng này điện áp trên van khóa lại sẽ tăng với một tốc độ nhất định, không
họa trên hình 7.43. Đây lại là một ưu điểm lớn nữa của chuyển mạch ZVS.
Hình 3.28 Dạng điện áp trên van MOSFET trong chế độ chuyển mạch ZVS. Nếu van bán dẫn là IGBT quá trình khóa van sẽ không giống như ở MOSFET. Tuy nhiên các bộ biến đổi nguồn DC-DC đều hoạt động ở tần số cao và sử dụng MOSFET là chính nên chuyển mạch ZVS với các ưu điểm của nó là chế độ hoạt động cần phải lựa chọn, có thể nói là bắt buộc. Với tất cả các bộ biến đổi cộng hưởng đều có thể lựa chọn vùng tần số làm việc để có chế độ chuyển mạch cho van là ZVS.