Hình : 3.9: Biến áp tích hợp trong bộ cộng hưởng LLC
3.5. Tính toán mạch DC-DC cộng hưởng LLC.
Bộ biến đổi cộng hưởng LLC, sơ đồ cho trên hình 7.44, ngày càng được quan tâm vì những ưu điểm cơ bản của nó như có thể đạt được hiệu suất cao, đáp ứng với đầu vào thay đổi trong dải rộng, có thể làm việc trong chế độ ZVS. Khác với các bộ biến đổi có cách ly thường dùng máy biến áp được tính toán sao cho có thể bỏ qua dòng từ hóa, nghĩa là với điện cảm từ hóa LM rất lớn, trong bộ biến đổi LLC điện cảm từ hóa được thiết kế nhỏ vừa phải vì sẽ được sử dụng như một phần tử của mạng cộng hưởng. Phần mạng mạch cộng hưởng gồm 3 phần tử, mạch Cr, Lr nối tiếp và điện cảm song song ở đầu ra của mạng. Đóng vai trò là phần tử song song chính là điện cảm từ hóa máy biến áp LM. Hơn nữa phần điện cảm nối tiếp Lr thường được tích hợp ngay trong
máy biến áp và chính là điện cảm tản của cuộn dây sơ cấp. Nhờ những yếu tố này mà kích thước máy biến áp có thể giảm nhỏ đáng kể.
Việc phân tích chế độ xác lập bằng phương pháp gần đúng sóng hài bậc nhất cho sơ đồ LLC được tiến hành giống như với các bộ biến đổi cộng hưởng ở trên, như trong mục 7.6.2.
Hình 3.29 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC có biến áp cách ly.
Trước hết phần van bán dẫn có nhiệm vụ biến đổi DC-AC, nếu dùng sơ đồ van cầu một pha, đưa ra điện áp đầu ra us(t) có dạng chữ nhật đối xứng với biên độ +/-Ug, tần số fs. Sơ đồ bán dẫn có thể thực hiện theo sơ đồ hai van, sơ đồ cầu một pha hay sơ đồ nửa cầu, như biểu diễn trên hình 7.45. Thành phần sóng hài bậc nhất của điện áp ra của khâu DC-AC biểu diễn bởi 02.
Hình 3.30 Các cấu trúc bộ biến đổi khác nhau cho bộ biến đổi LLC.
Tiếp theo phần mạch chỉnh lưu điôt và lọc một chiều ở đầu ra, với giả thiết tụ lọc
Cf đủ lớn, điện áp một chiều coi là bằng phẳng uo(t) = Uo, có thể coi là điện trở tương đương đối với đầu ra mạng cộng hưởng, có giá trị:
303\* MERGEFORMAT (.)
Điện áp xoay chiều ở đầu vào chỉnh lưu điôt, là đầu ra của mạng cộng hưởng, có dạng xung chữ nhật đối xứng với biên độ +/-Uo, vì vậy có thành phần bậc nhất là:
404\* MERGEFORMAT (.),
Hình 3.31 Sơ đồ mạch điện biến đổi máy biến áp tương đương cho bộ biến đổi LLC. Phần mạng mạch cộng hưởng với máy biến áp cách ly tương đối phức tạp hơn. Máy biến áp xung dùng trong sơ đồ các bộ biến đổi thường có số vòng dây rất, dưới 200 vòng, nên có thể bỏ qua điện trở dây cuốn. Vì vậy ta đi đến sơ đồ tương đương của mạng cộng hưởng như thể hiện trên hình 7.46. Trong sơ đồ hình 7.46 các thông số máy biến áp quy đổi về phía sơ cấp nên điện trở tải, theo 03, sẽ biểu diễn bởi 05
505\* MERGEFORMAT (.)
Hàm truyền của mạng cộng hưởng có thể xác định theo các bước sau đây. Trước hết phần mạch nối tiếp có trở kháng bằng:
Phần mạch song song có trở kháng bằng:
606\* MERGEFORMAT (.)
Trong 06 hệ số 1/n là tỷ số máy biến áp. Do mạng cộng hưởng là tuyến tính nên module của hàm truyền |H(s)| chính là tỷ số giữa biên độ điện áp xoay chiều đầu ra so với biên độ điện áp xoay chiều đầu vào UR1/Us1.
Hệ số biến đổi điện áp M = Uo/Ug là module của hàm truyền đạt mạng cộng hưởng
H(s) tại s = jω, với ω = 2πf là tần số đóng cắt của sơ đồ. Có thể biểu diễn M theo 07.
707\*
MERGEFORMAT (.)
Trong đó: .
Như vậy sơ đồ có hai tần số cộng hưởng, ωp ở tần số thấp do có điện cảm từ hóa Lm
tham gia vào và ωo ở tần số cao do chỉ có mạch cộng hưởng nối tiếp qui định. Đặt các tham số sau:
- λ = Lr/Lm là tỷ số giữa điện cảm từ hóa so với điện cảm cộng hưởng nối tiếp;
- là trở kháng đặc trưng của mạch cộng hưởng nối tiếp;
- là hệ số chất lượng của mạng cộng hưởng.
808\* MERGEFORMAT (.).
Khảo sát 08 có thể thấy được những đặc điểm của hệ số M phụ thuộc các tham số đã đưa ra. Hệ số M phụ thuộc tần số làm việc fs như trên hình 7.47. Hình 7.47 cho thấy sơ đồ có một điểm cộng hưởng tại tần số thấp ωp, tại đó M = Mmax. Đặc biệt là tại tần số cộng hưởng cao ωo, M luôn có giá trị là 1. Như vậy tất cả các đặc tính khi tải thay đổi đều đi qua điểm M = 1, fs = fo = ωo/2π.
Hình 7.1 Hệ số M phụ thuộc λ = Lr/Lm.
Hình 3.33 cho thấy khi λ = Lr/Lm càng lớn thì đặc tính M càng nhọn và có giá trị
Mmax càng lớn. Nghĩa là khi điện cảm cộng hưởng càng nhỏ thì Mmax càng lớn. Trong thực tế nếu thiết kế máy biến áp với điện cảm từ hóa nhỏ thì dòng từ hóa lớn, tổn thất cũng lớn hơn. Vì vậy giá trị thường chọn là λ = 0,1 ÷ 0,2, tức là Lm bằng từ 2 đến 10 lần Lr.
Hình 7.49 cho thấy hệ số M phụ thuộc tải thông qua tham số là hệ số chất lượng Q
của mạng cộng hưởng. Tải tăng thì Q càng lớn, nghĩa là điện trở tải Re càng nhỏ, thì hệ số Mmax càng giảm, cho đến khi chỉ đạt giá trị max bằng 1. Cùng với việc tải tăng, Q
tăng, thì điểm cộng hưởng tần số thấp Mmax có xu hướng dịch sang vùng tần số cao, tiến dần đến tần số cộng hưởng của mạch nối tiếp fo. Điều này hoàn toàn phù hợp, ví dụ khi đầu ra gần ngắn mạch thì trong mạch chỉ còn lại là mạch cộng hưởng nối tiếp.
Hình 3.34 Hệ số biến đổi M phụ thuộc tải (qua hệ số chất lượng Q là tham số). Trên hình 7.50 chỉ ra sự phụ thuộc của trở kháng tổng đầu vào mạng cộng hưởng
Zin, với vùng bôi đen cần quan tâm. Trở kháng đầu vào có giá trị thấp nhất ở tần số cộng hưởng thấp ωp. Vùng bôi đen ở bên phải điểm cộng hưởng này đến điểm tần số cộng hưởng cao đáng quan tâm vì bên phải tần số cộng hưởng trở kháng mang tính cảm. Điều này dẫn đến dòng đầu ra bộ biến đổi chậm pha so với điện áp và các van bán dẫn có thể chuyển mạch tại điện áp bằng không (ZVS). Các ưu điểm lớn của ZVS đã nói đến ở trên, trong mục 7.6.5.
Hình 3.35 Trở kháng tổng Zin phụ thuộc tần số.
Tổng hợp lại việc khảo sát các đặc tính ở trên, hình 7.51 đưa ra đặc tính của bộ biến đổi LLC, chỉ ra vùng làm việc có thể lựa chọn. Trong phạm vi điện áp nguồn đầu vào thay đổi, từ Ug,min đến Ug,max ta chọn phạm vi thay đổi của hệ số biến đổi Mmax đến
Mmin. Trong phạm vi phụ tải của sơ đồ thay đổi vẽ ra họ các đặc tính như ở hình 7.49. Vùng làm việc nên lựa chọn đảm bảo chế độ ZVS luôn ở bên phải về phía tần số cao của điểm cộng hưởng. Nối các đỉnh cao nhất của đặc tính M với nhau đến tận điểm M = 1 ta được vùng cho phép về phía bên phải. Đặc tính hạn chế kịch ở bên phải là đặc tính ứng với phụ tải nhỏ nhất (Re lớn nhất), có đỉnh của M ở cao nhất và gần tần số fo
nhất. Tóm lại vùng làm việc là vùng bôi đen trên đồ thị hình 7.51.
Thực chất sự kết hợp của điệm cảm từ hóa Lm vào chế độ làm việc của mạch cộng hưởng nối tiếp chỉ xảy ra ở vùng tần số fs < fo. Từ tần số fo trở đi sơ đồ làm việc như mạch cộng hưởng nối tiếp thông thường, với hệ số biến đổi M nhỏ hơn 1. Thực vậy, ở tần số cao trở kháng ωsLm sẽ có giá trị lớn, khi đó dòng từ hóa sẽ nhỏ, hầu như không ảnh hưởng gì đến sự hoạt động của mạng cộng hưởng. Trong vùng này trở kháng tổng
được khởi động ban đầu với tần số cao, điện áp ra thấp, giảm được ảnh hưởng của xung động tải đối với dòng điện qua van bán dẫn, sau đó giảm dần tần số về vùng LLC thực sự ở phía bên trái của tần số fo.
Hình 3.36 Vùng làm việc có thể lựa chọn.