nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi buck-boost pfc

Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng đầu ra tốt, kích thước nhỏ thì những bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK-BOOST PFC

Trưởng bộ môn : TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Duy Đỉnh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Phi Long

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi Buck-Boost PFC do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh

Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 04 tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phi Long

MỤC LỤC

i DANH MỤC HÌNH VẼ

iv DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1 LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH NÂNG CAO SỐ CÔNG SUẤT (PFC)

31.1 Hệ số công suất và nhiễu do sóng hài dòng điện

31.1.1 Hệ số công suất

51.1.2 Nhiễu do sóng hài dòng điện

51.2 Các tiêu chuẩn về nhiễu do sóng hài của các bộ biến đổi

71.3 Đặc điểm của các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường

91.4 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất

91.4.1 Phương pháp Passive PFC

121.4.2 Phương pháp Active PFC

131.5 Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC

131.5.1 Lựa chọn cấu hình khâu DC/DC của bộ PFC

181.5.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ PFC

Chương 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA MẠCH

21 BOOST PFC

212.1 Phân tích nguyên lý mạch Buck-Boost PFC

232.2 Mô hình hóa đối tượng mạch vòng dòng điện

262.3 Mô hình hóa đối tượng mạch vòng điện áp

30 Chương 3 TÍNH TOÁN CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH

303.1 Tính toán các giá trị định mức

303.2 Thiết kế cuộn cảm

333.3 Tính chọn van MOSFET

343.4 Tính chọn Diode

353.5 Tính chọn tụ điện đầu ra

363.6 Tính toán mạch Snubber cho MOSFET

38 Chương 4 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

384.1 Sự phát sinh sóng hài dòng điện trong phương pháp điều khiển Current mode

384.1.1 Sóng hài dòng điện do khâu Feedforward

404.1.2 Sóng hài dòng điện do phản hồi điện áp V0(t)

424.2 Tính toán vòng điều khiển dòng điện

494.3 Tính toán mạch FeedForward giá trị hiệu dụng điện áp lưới

514.4 Tính toán mạch vòng điều khiển điện áp

56 Chương 5 MÔ PHỎNG MẠCH BUCK-BOOST PFC

565.1 Xây dựng hệ thống mô phỏng trên phần mềm PSIM

585.2 Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost PFC

63 Chương 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

636.1 Kết quả thực nghiệm

676.2 Nhận xét

68 KẾT LUẬN

69 TÀI LIỆU THAM KHẢO

71 PHỤ LỤC

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quan hệ giữa THD và hệ số méo Kp. 4

Hình 1.2 Cấu trúc của một bộ nguồn chỉnh lưu thông thường 7

Hình 1.3 Khâu chỉnh lưu cầu trong cấu trúc 1.3 [4] 8

Hình 1.4 Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.4 [4] 8

Hình 1.5 Hệ thống công suất phân tán điển hình sử dụng PFC [5] 9

Hình 1.6 Mạch chỉnh lưu cầu có cuộn cảm nối tiếp phía điện áp lưới [4] 10

Hình 1.7 Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.6 [4] 10

Hình 1.8 Các thành phần sóng hài ứng với trường hợp L = 25mH [4] 11

Hình 1.9 Cấu trúc mạch Active PFC 12

Hình 1.10 Cấu hình mạch Buck PFC [4] 14

Hình 1.11 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck PFC [4] 14

Hình 1.12 Cấu hình mạch Boost PFC [4] 15

Hình 1.13 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Boost PFC [4] 16

Hình 1.14 Cấu hình mạch Buck-Boost PFC [4] 17

Hình 1.15 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck-Boost PFC khi V0>Vin(t) [4] 17

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống điều khiển – điều khiển Current mode 19

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost PFC 21

Hình 2.2 (a) Tín hiệu mở van; (b) Điện áp trên cuộn cảm; (c) Dòng điện cuộn cảm; 22

(d) Dòng điện qua van S1, S2; (e) Dòng điện qua diode D1, D2; (f), (g), (h), (k) Điện áp trên van S1, S2, và Diode D1, D2 22

Hình 2.3 Mạch tương đương khi S1, S2 dẫn 23

Hình 2.4 Mạch tương đương khi S1, S2 khóa 24

Hình 2.5 Dạng điện áp trên cuộn cảm và dòng điện của tụ C 24

Danh mục hình vẽ

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 38

Hình 4.2 Sự méo dòng điện đầu vào do ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc hai v2ripnd trong điện áp ra 41

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 43

Hình 4.4 (a) Đồ thị Bode của đối tượng Gdi(s); (b) Đồ thị Bode của đối tượng Gi0(s) 45

Hình 4.5 Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện 48

Hình 4.7 Mạch Feedforward giá trị hiệu dụng của điện áp lưới 49

Hình 4.8 Đồ thị Bode của khâu Feedforward Gff(s) 50

Hình 4.9 Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp 51

Hình 4.10 (a) Đồ thi Bode của đối tượng Gv0(s); (b) Đồ thị Bode của đối tượng Gv1(s) 53 Hình 4.11 Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp 54

Hình 4.12 Bộ bù loại hai của mạch vòng điện áp 55

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC 56

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC 56

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57

Hình 5.3 Đặc tính khởi động không tải khi Vin,rms=220V 58

Hình 5.4 Đặc tính khởi động không tải khi Vin,rms=100V 58

Hình 5.5 Đặc tính động của bộ biến đổi khi khởi động với tải định mức 59

Hình 5.6 Đặc tính động của bộ biến đổi khi thay đổi tải 59

Hình 5.7 Đặc tính động của bộ biến đổi khi điện áp sụt từ 220V xuống 110 V 60

Hình 5.8 Dạng dòng điện, điện áp đầu vào và hệ số công suất 60

Hình 5.9 Nhấp nhô của điện áp đầu ra khi hệ thống ổn định 61

Hình 5.10 Đặc tính động của bộ biến đổi khi tải mang tính cảm 61

Danh mục hình vẽ

Hình 6.1 Sơ đồ thực nghiệm tổng thể 63

Hình 6.2: Dạng dòng điện và điện áp khi không có PFC 64

Hình 6.3 Dạng xung mở van 64

Hình 6.4 Đáp ứng điện áp khi khởi động không tải 65

Hình 6.5 Điện áp đầu ra khi ổn định không tải 65

Hình 6.6 Điện áp đầu ra khi tải trở định mức 66

Hình 6.7 Dạng dòng điện trong cuộn cảm 66

Hình 6.8 Dạng dòng điện và điện áp đầu vào 67

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp A [3] 6

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp C [3] 6

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp D [3] 7

Bảng 1.4 Đặc điểm các bộ biến đổi DC/DC trong PFC 18

Bảng 3.1 Thông số lõi cuộn cảm 31

Bảng 3.2 Tham số dây quấn 32

Bảng 3.3 Tham số cơ bản của MOSFET 34

Bảng 3.4 Tham số cơ bản của Diode 35

Bảng 3.5 Tham số cơ bản của SF18 37

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PFC Power Factor Corrector Bộ nâng cao hệ số công suất

THD Total Harmonic Distortion Tổng hệ số méo sóng hài

IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của điện tử công suất nói chung và các bộ nguồn nói riêng đã đáp tốt ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe của đời sống Sự bùng nổ của thiết bị tin học, hệ thống mạng máy tính, các hệ thống nguồn phân tán đã đặt ra các bài toán thiết kế các bộ nguồn một chiều có điện áp đầu ra ổn định Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng đầu

ra tốt, kích thước nhỏ thì những bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống và có hệ số công suất thấp Do

số lượng các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng là đáng kể tới hệ thống lưới điện Trên thực tế, một số tiêu chuẩn đã được đưa ra quy định cụ thể về mức phát sóng hài đối với các thiết bị thương mại Từ đó, người thiết kế cần phải đưa ra biện pháp để đáp ứng yêu cầu này Có hai phương pháp nâng cao hệ số công suất được đưa ra

là Passive PFC và Active PFC Mặc dù, phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản, nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụng với các các thiết bị ở dải công suất thấp Trong khi phương pháp Active PFC đáp ứng được cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao, kích thước nhỏ gọn Qua nhiều năm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất Active PFC ngày càng chiếm ưu thế

Đồ án này đề xuất cấu hình Buck-Boost PFC với các ưu điểm như khả năng điều khiển hoàn toàn dòng điện đầu vào, hoạt động trong toàn dải điện áp, cấu trúc đơn giản Đây cũng chình là các hạn chế của các cấu hình cơ bản Buck PFC, Boost PFC Qua nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này có khả năng áp dụng vào thực tế

Toàn bộ đồ án được hoàn thành với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh

và được báo cáo trong 6 chương

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Chương 3 Tính toán các linh kiện trong mạch

Chương 4 Tính toán hệ thống điều khiển

Chương 5 Mô phỏng mạch Buck-boost PFC

Chương 6 Kết quả thực nghiệm

Lời nói đầu

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Duy Đỉnh về rất nhiều mặt trong nghiên cứu Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy đã giúp em hoàn thành đề tài này Đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn tới các cán bộ thuộc trung tâm Nghiên cứu, Ứng dụng và Sáng tạo công nghệ -Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, môi trường thuận lợi trong quá trình em thực hiện đề tài

Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và điều kiện thực nghiệm, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Vì thế em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để em khắc phục và hoàn thiện các phần còn thiếu sót của bản đồ án

Hà Nội, ngày 04 tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phi Long

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH NÂNG CAO SỐ CÔNG SUẤT (PFC)

1.1 Hệ số công suất và nhiễu do sóng hài dòng điện

1.1.1 Hệ số công suất

Hệ số công suất (PF) của một thiết bị điện bất kỳ là đại lượng đặc trưng cho hiệu quả truyền năng lượng từ nguồn lưới tới tải Hệ số công suất được tính bằng tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến được đo ở nguồn cấp cho thiết bị

Vn,rms là giá trị hiệu dụng điện áp của sóng hài bậc n

In,rms là giá trị hiệu dụng dòng điện của sóng hài bậc n

là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp của sóng hài bậc n

Kp mô tả mối quan hệ giữa giá trị hiệu dụng của thành phần dòng điện cơ bản với giá trị hiệu dụng của dòng điện, thường gọi là hệ số méo [1]

Một tham số để đánh giá tỷ lệ các thành phần sóng hài trong dòng điện là tổng độ méo sóng hài (THD) THD là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của các thành phần sóng hài

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

dòng điện và giá trị hiệu dụng của thành phần dòng điện có tần số cơ bản Tham số này đánh giá mức độ méo dạng của dòng điện do sóng hài gây ra

2 n,rms

n 2 1,rms

ITHD

Từ (1.3) và (1.5) ta có quan hệ giữa Kp và THD

p

1K

1 THD





(1.6)

Phương trình (1.6) được vẽ trên hình 1.1 Từ đây cho thấy thành phần sóng hài trong dòng điện không ảnh hưởng nhiều tới hệ số Kp cũng như hệ số công suất Ví dụ nếu THD = 10 % thì PF = 99,5 %, tăng THD lên tới THD = 20 % thì PF = 98 % Vậy các thành phần sóng hài hay THD không ảnh hưởng nhiều tới hệ số công suất trừ khi nó có giá trị rất lớn

Hình 1.1 Quan hệ giữa THD và hệ số méo Kp.

Như vậy, nhiệm vụ chính của việc nâng cao hệ số công suất là điều khiển hệ số công suất tức là dòng điện và điện áp đầu vào thiết bị đồng pha Đồng thời

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

1.1.2 Nhiễu do sóng hài dòng điện

Ngày nay, hầu hết các thiết bị điện sử dụng nguồn điện lưới đều qua một bộ biến đổi điện tử công suất đầu vào, điển hình là bộ chỉnh lưu Những bộ này tạo ra dòng điện

có dạng không sin do đặc tính phi tuyến của nó đối với lưới Ví dụ, các thiết bị một pha công suất nhỏ cần có bộ biến đổi công suất đầu vào như tivi, thiết bị văn phòng, sạc pin, các thiết bị gia đình…Các thiết bị công suất lớn sử dụng chỉnh lưu ba pha như biến tần, các thiết bị công nghiệp Tất cả các bộ chỉnh lưu này đều có tụ lọc lớn ở đầu ra để lấy được điện áp một chiều có độ nhấp nhô nhỏ Do đó, dòng điện đầu vào có dạng không sin

và chứa nhiều thành phần sóng hài có biên độ lớn Số lượng thiết bị như vậy tồn tại rất nhiều trong thực tế nên có ảnh hưởng không nhỏ tới cả người dùng lẫn mạng lưới điện Sau đây là một số các tác hại do sóng hài gây ra [2]:

- Tổn hao và phát nóng trên máy biến áp, dây cáp, động cơ làm chúng già hóa cách điện và nhanh hỏng

- Dòng điện qua dây trung tính của hệ thống ba pha bốn dây vượt quá giá trị cho phép làm quá nhiệt dây trung tính và rơ-le bảo vệ tác động

- Hệ số công suất suy giảm nên công suất tác dụng tạo ra bởi thiết bị nhỏ hơn công suất biểu kiến của lưới cung cấp, giảm hiệu quả truyền công suất của nguồn lưới

- Hiện tượng cộng hưởng điện sẽ sinh ra điện áp và dòng điện có giá trị đỉnh rất lớn, có thể dẫn tới hỏng thiết bị

- Phát sinh lỗi trong các thiết bị đo lường

1.2 Các tiêu chuẩn về nhiễu do sóng hài của các bộ biến đổi

Sự xuất hiện của các thành phần sóng hài trong dòng điện tạo ra những tác động tiêu cực tới lưới và các thiết bị khác Một số tiêu chuẩn đã đưa ra quy định cụ thể về mức sóng hài mà các nhà sản xuất thiết bị phải tuân theo khi thiết kế, chế tạo các thiết bị điện Một trong những tiêu chuẩn mà được thế giới áp dụng là IEC 1000-3-2 (IEC95), được đưa ra bởi ủy ban Điện tử quốc tế và được châu Âu điều chỉnh thành chuẩn EN 61000-3-

2 Chuẩn IEC 1000-3-2 [3] áp dụng cho các thiết bị điện với dòng định mức một pha đến 16A, điện áp định mức một pha 220÷240V hoặc ba pha 380÷415V, tần số 50Hz hoặc 60Hz Chuẩn IEEE 519-1992 (IEE92) áp dụng cho các thiết bị với điện áp và công suất cao hơn Nội dung cơ bản của chuẩn IEC 1000-3-2 là đưa ra giới hạn cho phép của giá trị mỗi thành phần dòng điện sóng hài đối với từng lớp thiết bị

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

- Lớp A bao gồm các thiết bị 3 pha đối xứng và tất cả các thiết bị không thuộc 3 lớp B, C, D được nêu tiếp sau đây Giới hạn cho lớp thiết bị loại A được đưa ra ở dạng giá trị dòng điện cực đại của mỗi sóng hài và được đưa ra ở bảng 1.1

- Lớp B bao gồm các công cụ cầm tay, máy hàn hồ quang không chuyên Giá trị dòng sóng hài tối đa cho phép gấp 1.5 lần thiết bị loại A

- Lớp C bao gồm các thiết bị chiếu sáng, kể cả các thiết bị chiếu sáng có điều chỉnh độ sáng với công suất trên 25 W Giới hạn dòng sóng hài không vượt quá giá trị trong bảng 1.2

- Lớp D là các thiết bị có dạng dòng điện đầu vào đặc biệt (ví dụ như bộ nguồn có cầu chỉnh lưu đầu vào) và công suất tác dụng nhỏ hơn 600 W và lớn hơn 75 W Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp A [3]

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp C [3]

Sóng hài bậc n Phần trăm cực đại dòng sóng hài so với

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp D [3]

Sóng hài bậc lẻ Bậc sóng hài Dòng điện cực đại (A) Dòng điện sóng hài cực đại cho phép trên

1 W công suất (mA/W)

1.3 Đặc điểm của các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường

Những năm vừa qua, nhu cầu về các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường có điện áp ra

ổn định ngày một gia tăng Các bộ nguồn này được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử, hệ thống sạc điện hay mạng điện phân tán Cấu trúc được sử dụng phổ biến trong các bộ nguồn như trên hình 1.2 Trong đó, khâu đầu tiên thường là một cầu chỉnh lưu cùng với một tụ điện lớn để ổn định điện áp đầu ra, minh họa trong hình 1.3 Dòng điện đầu vào của khâu chỉnh lưu này bị gián đoạn và có dạng xung nhọn vì Diode chỉ dẫn khi điện áp lưới lớn hơn điện áp trên tụ, minh họa trong hình 1.4 Dòng điện đầu vào có dạng như vậy là do các thành phần sóng hài của dòng điện có giá trị đáng kể so với dòng điện ở thành phần cơ bản Hệ số PF của các bộ nguồn này khoảng 0,6 [4]

Hình 1.2 Cấu trúc của một bộ nguồn chỉnh lưu thông thường

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Hình 1.3 Khâu chỉnh lưu cầu trong cấu trúc 1.3 [4]

Hình 1.4 Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.4 [4]

Có thể thấy rằng, các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường có các nhược điểm chính sau:

- Tạo ra sóng hài và nhiễu điện từ

- Hệ số công suất thấp

- Tổn hao lớn

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Như vậy, vấn đề nâng cao hệ số công suất (PFC) là một yêu cầu cấp thiết đối với các thiết bị điện tử công suất nói chung và các nguồn chỉnh lưu thông thường nói riêng

1.4 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất

Các phương pháp nâng cao hệ số công suất đã được phát triển vài thập niên gần đây Ưu điểm của các bộ PFC có thể liệt kê ở đây:

- Nâng cao hệ số công suất từ 0.95 tới 0.999

- Giảm sóng hài

- Cho điện áp đầu ra ổn định với một dải điện áp đầu vào 100V-240V

- Điện áp đầu ra ổn định cho phép các mạch sử dụng đầu ra của PFC được thiết kế với chi phí thấp, tính khả thi cao và hiệu quả

- Tụ lọc đầu ra có kích thước và chi phí nhỏ hơn

Một trong những ứng dụng điển hình của mạch PFC là sử dụng trong hệ thống nguồn phân tán cho các thiết bị như máy tính, hệ thống mạng

Hình 1.5 Hệ thống công suất phân tán điển hình sử dụng PFC [5]

Ngoài ra, bộ nâng cao hệ số công suất còn được ứng dụng trong các chấn lưu điện

tử, biến tần động cơ xoay chiều cho các loại máy nén, máy lạnh, bơm, quạt [6]

1.4.1 Phương pháp Passive PFC

Phương pháp nâng cao hệ số công suất Passive PFC được thực hiện nhờ việc thêm các phần tử thụ động như L, C vào mạch Một phương pháp đơn giản nhất là thêm một cuộn cảm vào phía trước cầu chỉnh lưu Diode, nối tiếp với điện áp lưới (hình 1.6) Phương pháp này cải thiện hệ số công suất, thực tế có thể đạt được PF=0.82 và giảm

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

thành phần sóng hài Điện áp đầu ra không được điều chỉnh và nhấp nhô điện áp thay đổi theo tải Dạng dòng điện đầu vào được mô phỏng trên hình 1.7 với tải có công suất 200W

và phổ các thành phần sóng hài bậc chẵn của dòng điện ứng với L=25 mH như hình 1.8

Hình 1.6 Mạch chỉnh lưu cầu có cuộn cảm nối tiếp phía điện áp lưới [4]

Hình 1.7 Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.6 [4]

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Hình 1.8 Các thành phần sóng hài ứng với trường hợp L = 25mH [4]

Ngoài ra, còn một số phương pháp khác như: Cuộn cảm nối tiếp phía sau cầu chỉnh lưu (hệ số công suất có thể đạt PF=0,9), sử dụng mạch lọc phía trước cầu chỉnh lưu để lọc các thành phần sóng hài bậc 3 và 5 (PF= 0,99), mắc nối tiếp tụ ở đầu vào hay thêm tụ điện, Diode và cuộn cảm ở đầu ra của cầu chỉnh lưu [4]

Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp Passive PFC

Ưu điểm:

- Đơn giản, khả thi và không nhạy với nhiễu

- Không tạo ra các tác động về nhiễu điện từ (EMI)

- Không có tổn hao chuyển mạch

- Cải thiện hệ số công suất đáng kể

Nhược điểm:

- Bộ lọc nặng và cồng kềnh do chúng được sử dụng ở tần số lưới

- Đáp ứng động kém

- Điện áp đầu ra không được điều khiển

- Hình dạng dòng điện đầu vào phụ thuộc vào tải

- Công suất giới hạn dưới 200 W

- Vẫn tồn tại sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp lưới lớn

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Với các hạn chế nêu trên thì phương pháp Passive PFC không phù hợp với các ứng dụng cần kích thước nhỏ gọn và công suất lớn

1.4.2 Phương pháp Active PFC

Cấu trúc của phương pháp Active PFC là thêm một khâu DC/DC vào giữa cầu chỉnh lưu và tụ lọc đầu ra Bộ DC/DC này chuyển mạch với tần số cao hơn nhiều tần số lưới với một bộ điều khiển phù hợp [6] Phương pháp này có một số đặc điểm sau:

Hình 1.9 Cấu trúc mạch Active PFC

Ưu điểm:

- Thành phần sóng hài thấp hơn so với phương pháp Passive PFC

- Giảm giá trị dòng điện của tụ điện đầu ra

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

1.5 Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC

Mục tiêu của mục này là lựa chọn cấu trúc thực hiện mạch PFC phù hợp với những yêu cầu của bài toán Những tham số của bài toán thiết kế bộ nâng cao hệ số công suất:

- Điện áp lưới đầu vào Vin = 100  240 Vrms

- Công suất truyền theo một chiều

- Đáp ứng tiêu chuẩn IEC 1000-3-2

1.5.1 Lựa chọn cấu hình khâu DC/DC của bộ PFC

Có rất nhiều cấu hình DC/DC có thể được sử dụng trong bộ PFC tùy theo những yêu cầu của tải [7] Với yêu cầu bài toán đã nêu trên, một số cấu trúc PFC có thể xem xét như Buck PFC, Boost PFC, Buck-Boost PFC

a) Mạch Buck PFC

Mạch Buck PFC là mạch giảm áp, tức là điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào như minh họa trên hình 1.10 và 1.11 Vì mạch chỉ hoạt động khi điện áp Vin(t) lớn hơn điện áp đầu ra V0 nên trong khoảng thời gian t1 và t2 sẽ không có dòng điện chạy từ lưới Điều này sẽ làm cho dòng điện lưới bị nhiễu khi điện áp nhỏ gần bằng không Mặc

dù dòng điện qua cuộn cảm liên tục nhưng dòng điện đầu vào lại bị gián đoạn trong mỗi chu kỳ chuyển mạch của khóa S Điều này làm gia tăng biên độ các thành phần tần số cao, yêu cầu lọc đầu vào để giảm méo dòng điện lưới do sóng hài

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Hình 1.10 Cấu hình mạch Buck PFC [4]

Hình 1.11 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck PFC [4]

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

b) Mạch Boost PFC

Boost PFC là mạch tăng áp, cấu hình mạch như trên hình 1.12 và dạng dòng điện, điện áp lưới như hình 1.13 Mạch Boost yêu cầu điện áp một chiều đầu ra luôn phải lớn hơn giá trị điện áp đỉnh của lưới nên nó không phù hợp với chuẩn 300 VDC biến đổi từ nguồn lưới Thường thì người ta tạo ra điện áp đầu ra là 400 VDC, một khi cấp điện áp tăng thì các thiết bị lấy nguồn từ Boost PFC phải yêu cầu linh kiện có cấp điện áp hoạt động cao hơn, làm tăng chi phí sản xuất Dòng điện đầu vào liên tục nên ít gây ra nhiễu tới lưới, không yêu cầu lọc cao Do dòng qua cuộn cảm cũng là dòng đầu vào nên có thể điều khiển trực tiếp dòng điện đầu vào theo dạng điện áp lưới sau chỉnh lưu Ngoài những

ưu điểm nêu trên thì mạch Boost PFC cũng có những nhược điểm của nó Nhược điểm lớn nhất của nó là không kiểm soát được dòng điện nạp cho tụ đầu ra khi khởi động Khi điện áp đầu ra nhỏ hơn đầu vào thì cũng không thể điều khiển được, ví dụ khi khởi động hoặc khi điện áp nguồn bị đóng ngắt do bảo vệ do sự cố Khi đó, dòng điện tăng lên nhiều lần so với giá trị cực đại, làm bão hòa cuộn cảm và hỏng các thiết bị Người ta có thể hạn chế phương pháp này bằng cách thêm các mạch phụ trợ Tuy nhiên, việc thêm mạch phụ

sẽ làm cho hệ thống trở lên phức tạp, cồng kềnh hơn

Hình 1.12 Cấu hình mạch Boost PFC [4]

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Hình 1.13 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Boost PFC [4]

c) Mạch Buck-Boost PFC

Cấu hình này được xem như là sự kết hợp của hai cấu hình buck và boost nên nó sẽ mang các đặc điểm của cả hai mạch này Buck-Boost PFC khắc phục được các nhược điểm của mạch Boost PFC và Buck PFC Nó hoạt động được cả chế độ tăng áp và chế độ giảm áp, tức là mạch Buck-Boost PFC có thể hoạt động trên toàn dải điện áp lưới nên không có hiện tượng méo dòng điện khi điện áp qua không Điện áp trên các van khi khóa chỉ bằng điện áp V0 hoặc điện áp lưới Vin(t) Giống như mạch Buck PFC, dòng điện đầu vào cũng bị gián đoạn, yêu cầu mạch lọc các thành phần tần số cao nhiều hơn so với mạch Boost Hình 1.14 và 1.15 minh họa cấu hình và dạng dòng điện, điện áp của mạch Buck-Boost PFC

Thực tế đã có một số tác giả thực hiện cấu hình này với các phương pháp điều khiển khác nhau Người ta có thể điều khiển hai van S1 và S2 độc lập [8] Mục tiêu của phương

án này là điều khiển mạch ở chế độ Buck khi Vin(t)> V0 và điều khiển mạch ở chế độ Boost khi Vin(t) < V0 Tuy nhiên, tác giả không dừng lại ở cấu hình này mà phát triển thêm để chúng được tối ưu về phần năng lượng được truyền trực tiếp từ nguồn tới tải và giảm điện áp đặt lên van Cấu hình mạch lực lúc này trở nên phức tạp hơn, điều khiển

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

khó hơn Một cách tương tự cũng được thực hiện trong [9], trong đó 2 van S1 và S2 được điều khiển độc lập ở chế độ biên giới gián đoán nhằm điều khiển van mở khi dòng qua không để giảm tổn hao Một phương án khác đơn giản hơn là có thể điều khiển đồng thời hai van S1 và S2 Khi đó, việc thực hiện điều khiển mạch khá đơn giản mà vẫn giữ được các ưu điểm nói trên

Hình 1.14 Cấu hình mạch Buck-Boost PFC [4]

Hình 1.15 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck-Boost PFC khi V0>Vin(t) [4]

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Từ những phân tích trên ta có thể tổng hợp các đặc điểm của các cấu hình được phân tích như bảng sau:

Bảng 1.4 Đặc điểm các bộ biến đổi DC/DC trong PFC

Dòng khởi động Có điều khiển Không điều khiển Có điều khiển

Kết luận: Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của các bộ DC/DC ta đi tới lựa chọn cấu hình “Buck-Boost PFC” Tiếp theo ta đi lựa chọn phương pháp điều khiển cho cấu hình mạch PFC này

1.5.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ PFC

Phương pháp điều khiển cho mạch PFC đã được đưa ra và ứng dụng rộng rãi [1], [6] Hệ thống điều khiển của phương pháp này gồm hai mạch vòng chính là mạch vòng điều khiển dòng điện ở phía trong và mạch vòng điều khiển điện áp ở phía ngoài

Mạch vòng điều khiển dòng điện sẽ điều chỉnh dạng dòng điện lưới đầu vào có dạng sin chuẩn và độ lệch pha giữa dòng điện này với điện áp lưới là nhỏ nhất, điều này đảm bảo giảm tổng độ méo sóng hài của dòng điện lưới đầu vào và nâng cao hệ số công suất của bộ biến đổi Mạch vòng điện áp có chức năng điều khiển và giữ điện áp đầu ra

ổn định ở cấp điện áp mong muốn

Dòng điện lưới đầu vào hay dòng điện qua cuộn cảm được điều khiển bởi nhiều phương pháp: phương pháp điều khiển dòng đỉnh, phương pháp điều khiển dòng trung bình hay còn gọi là phương pháp điều khiển Current mode, phương pháp điều khiển dòng biên, phương pháp điều khiển dải trễ [1], [6] Phương pháp điều khiển Current mode mang lại nhiều ưu điểm như: tần số chuyển mạch không đổi, không cần sườn bù trong tín hiệu điều khiển, hệ thống điều khiển ít nhạy với nhiễu chuyển mạch nhờ có mạch lọc dòng điện, dạng dòng điện lưới đầu vào tốt hơn so với phương pháp điều khiển dòng đỉnh, giảm góc chết của dòng điện lưới đầu vào khi điện áp lưới qua không [1], [4], [6]

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

trong các bộ nguồn chuyển mạch nói chung và trong công nghệ nâng cao hệ số công suất

nói riêng Vậy cấu hình Buck-Boost PFC sẽ được áp dụng phương pháp điều khiển

Current mode trong đồ án này

Dòng điện chuẩn i ref (dòng điện qua cuộn cảm tỷ lệ với dòng điện đầu vào) được tạo ra nhờ việc nhân tín hiệu đầu ra bộ điều khiển điện áp với tín hiệu nửa sin chuẩn tỷ lệ với điện áp chỉnh lưu Ta dễ thấy rằng, khi biên độ của điện áp lưới thay đổi thì tín hiệu dòng chuẩn i ref cũng thay đổi, điều này làm chậm đáp ứng động của mạch vòng điện áp

Do đó, ta cần Feedforward giá trị hiệu dụng của điện áp lưới để khử ảnh hưởng của điện

áp lưới [1] Khi đó tín hiệu dòng điện chuẩn i ref sẽ được tạo ra bằng cách nhân tín hiệu đầu ra bộ điều khiển điện áp với tín hiệu nửa sin chuẩn tỷ lệ với điện áp chỉnh lưu (của điện áp lưới) và chia cho bình phương giá trị hiệu dụng điện áp lưới Vấn đề này sẽ được phân tích định lượng ở mục 2.3

Ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho mạch Buck-Boost như hình 1.16

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống điều khiển – điều khiển Current mode

Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất

Tóm lại, sau quá trình phân tích ta lựa chọn cấu hình Buck-Boost PFC, sử dụng phương pháp điều khiển Current mode Các chương tiếp theo sẽ tập trung vào phân tích và tính toán cấu hình này

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Chương 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA

MẠCH BUCK-BOOST PFC

2.1 Phân tích nguyên lý mạch Buck-Boost PFC

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost PFC

Để phân tích nguyên lý hoạt động của lực ta coi khối Buck-Boost phía sau chỉnh lưu cầu hoạt động theo nguyên lý của bộ biến đổi DC/DC Giả thiết này xuất phát từ điều kiện tần số chuyển mạch của các van S1, S2 lớn hơn rất nhiều tần số lưới nên có thể coi trong một vài chu kỳ chuyển mạch thì điện áp đầu vào Vin(t) có giá trị không đổi

Khi có tín hiệu mở, các van S1, S2 cùng dẫn Khi đó, cuộn cảm được nối trực tiếp với nguồn, bắt đầu quá trình tích năng lượng, dòng điện cuộn cảm tăng tuyến tính trong thời gian này Cùng lúc đó, các Diode bị phân cực ngược, điện áp ngược đặt lên D1 là điện áp nguồn Vin(t), còn điện áp ngược đặt lên D2 là V0 Tụ C và tải R được nối với nhau, năng lượng trên tải được cung cấp bởi tụ Quá trình kết thúc khi có tín hiệu khóa, các van S1, S2 cùng ngắt

Khi các van S1, S2 cùng ngắt, cuộn cảm được nối tới tụ điện C và tải R., các diode phân cực thuận Lúc này, năng lượng trên cuộn cảm được tích trong nửa đầu chu kỳ sẽ được giải phóng qua tụ và tải Dòng điện trong cuộn cảm giảm tuyến tính trong thời gian này Đồng thời, các van S1, S2 lúc ấy đang khóa và S1 chịu mức điện áp nguồn đặt lên, còn S2 chịu mức của điện áp đầu ra V0 đặt lên Quá trình kết thúc khi có tín hiệu mở van

S1, S2 và một chu kỳ mới diễn ra tương tự Dạng các tín hiệu được vẽ trên hình 2.2

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Hình 2.2 (a) Tín hiệu mở van; (b) Điện áp trên cuộn cảm; (c) Dòng điện cuộn cảm; (d) Dòng điện qua van S1, S2; (e) Dòng điện qua diode D1, D2; (f), (g), (h), (k) Điện áp

trên van S , S , và Diode D , D

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

2.2 Mô hình hóa đối tượng mạch vòng dòng điện

Mạch vòng dòng điện thực hiện chức năng điều khiển dòng điện đầu vào bám theo hình dạng của điện áp đầu vào Đối với mạch Buck-Boost, do dòng điện đầu vào bị gián đoạn, trong khi dòng điện qua cuộn cảm iL(t) là dòng liên tục và mang thông tin về hình dạng của dòng điện đầu vào iin(t) nên thay vì điều khiển dòng điện đầu vào ta tiến hành điều khiển hình dạng dòng điện qua cuộn cảm bám theo hình dạng của điện áp Yêu cầu đáp ứng động học của mạch vòng dòng điện phải nhanh hơn rất nhiều so với sự biến thiên của điện áp lưới đầu vào

Với mạch Boost PFC ta có thể dễ dàng mô hình hóa bằng việc sử dụng phương pháp mô hình trung bình với cả hai vòng điều khiển [1], [10] Tuy nhiên, đối với mạch Buck-Boost PFC thì ta không thực hiện được do tính phi tuyến mạnh Để giải quyết vấn

đề này, đối với mạch vòng dòng điện ta áp dụng phương pháp xấp xỉ Quasi [11], [10] Tức là, do tần số chuyển mạch lớn hơn rất nhiều tần số lưới nên ta giả thiết rằng trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, điện áp đầu vào giữ nguyên không đổi Với giả thiết này, ta có thể coi mạch Buck-Boost PFC như một mạch DC-DC với điện áp đầu vào Vin(t) và điện

áp đầu ra V0 không đổi Và dễ dàng áp dụng phương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ Các tín hiệu được lấy trung bình trên một chu kỳ chuyển mạch Ts được ký hiệu với chỉ số Ts như sau:

Ts t Ts

Khi S1, S2 dẫn với duty d(t):

Hình 2.3 Mạch tương đương khi S1, S2 dẫn

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Khi S1, S2 ngắt với duty d’(t)=1-d(t):

Hình 2.4 Mạch tương đương khi S1, S2 khóa

s s

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Lấy trung bình tín hiệu trên một chu kỳ chuyển mạch Ts ta có mô hình trung bình:

Để đưa ra hàm truyền đối tượng mạch vòng dòng điện ta xuất phát từ mô hình tín hiệu lớn, phương trình (2.7) Do mô hình trung bình ở dạng phi tuyến nên ta sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc để đưa ra mô hình tín hiệu nhỏ Giả thiết rằng:

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

L id

2.3 Mô hình hóa đối tượng mạch vòng điện áp

Theo cấu trúc điều khiển Current mode hình 1.13 ta có:

v k k v t v t

Trong đó: km là hệ số khuếch đại của bộ nhân

Để thiết kế bộ điều khiển vòng áp ta có thể áp dụng mô hình điện trở không tổn hao (LFR) [1] Tức là mô hình mà công suất đầu vào được truyền trực tiếp tới đầu ra thông qua điện trở Re mà không có tổn hao

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Hình 2.6 Mô hình không điện trở tổn hao [1]

Tuy nhiên, đối với mạch Buck-Boost PFC điều khiển dòng điện cuộn cảm bám theo dạng điện áp đầu vào nên ta phải điều khiển qua ReL

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Từ (2.25) ta thấy vi,ref(t)Tsbiến thiên theo v (t)in Tsvà để giảm ảnh hưởng của

sự biến động điện áp lưới thì vi,ref(t)Ts phải chia cho V2in,rms Thực tế người ta thực hiện bằng cách cho thêm vòng Feedforward giá trị hiệu dụng điện áp

k

Khi đó:

2 in,rms s e

s

i (t)

  cũng méo theo Để lọc được thành phần sóng hài này, bộ điều khiển

áp phải có tần số cắt nhỏ hơn nhiều so với tần số 100 Hz Vậy để phục vụ cho mục đích thiết kế điều khiển thì ta chỉ cần mô hình đối tượng mạch vòng điện áp với các tín hiệu ở tần số thấp hơn 100 Hz

Sau đây, ta đi mô hình hệ thống với các tín hiệu được lấy trung bình trên một nửa chu kỳ lưới, hình 2.7 2L 1 2

T2

Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC

Hình 2.7 Mô hình tương đương khi lấy trung bình trên một nửa chu kỳ lưới

Từ mô hình này ta có i (t)2 T2L được tính như sau:

1 rms cv in

1

vc

s 0 in,rms cv

Rk

Chương 3 Tính toán các linh kiện trong mạch

3600,9 (A)4

400 22

00

Chương 3 Tính toán các linh kiện trong mạch

- Tính giá trị điện cảm: Từ (2.1) ta có:

L in

di

in,rms in

Tra datasheet của nhà sản xuất lõi Ferroxcube ta chọn lõi ER 48/21/21 có thông số

Bảng 3.1 Thông số lõi cuộn cảm

Tên lõi ER 48/21/21 Vật liệu Ferrite