nghiên cứu bộ biến đổi fron-end trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán

Trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt thường nhật, bộ nguồn điện không chỉ có chức năng cung câp nguồn điện mà nó còn giúp biến đổi, chuyển hóa các mức điện áp và dòng điện phụ thuộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FROND – END

TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP NGUỒN PHÂN TÁN

Học viên : Nguyễn Văn Việt

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Trọng Minh

THÁI NGUYÊN 2011

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 7

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS 9

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System) 9

1.2 Cấu trúc nguồn DPS 9

1.2.1 Bộ PFC(Power Factor Correction) 11

1.2.2 Bộ DC/DC 12

1.2.2.1 Nguyên lý cộng hưởng 12

1.2.2.2 Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS 13

1.2.2.3 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải 16

1.2.3 Tải tiêu thụ 17

1.3 Ưu nhược điểm của nguồn DPS 18

1.3.1 Ưu điểm 18

1.3.2 Nhược điểm 18

1.4 Ứng dụng và phương hướng phát triển nguồn DPS 18

1.5 Kết luận 20

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG 21

2.1 Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hưởng phổ biến 21

2.1.1 Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter) 21

2.1.2 Bộ cộng hưởng song song PRC (Parallel Resonant converter) 22

2.1.3 Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter) 24

2.2 Bộ cộng hưởng LLC 26

2.2.1 Giới thiệu chung 26

2.2.2 Sơ đồ bộ LLC 26

2.2.3 Các vùng làm việc 28

2.2.4 Nguyên lý hoạt động 31

2.3 Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 35

2.4 Nâng cao hiệu suất của bộ nguồn sử dụng chỉnh lưu đồng bộ ở đầu ra 36

2.4.1 Giới thiệu về chỉnh lưu đồng bộ 36

2.4.2 Điều khiển chỉnh lưu đồng bộ 38

2.5 Kết luận 45

Chương 3 PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 46

3.1 Phương pháp điều khiển tần số 46

3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 48

3.3 Điều khiển cả tần số và độ rộng xung 49

3.4 Kết luận 50

Chương 4 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC 51

4.1 Tính toán các thông số đầu vào - đầu ra 51

4.2 Xác định hệ số điện áp lớn nhất và nhỏ nhất 52

4.3 Tính toán các thông số mạch cộng hưởng 53

4.4 Tính toán chọn máy biến áp 54

4.4.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA 54

4.4.2 Tỷ số biến áp 57

4.4.3 Số vòng dây 57

4.4.4 Chọn lõi biến áp 58

4.5 Tính toán cho mạch chỉnh lưu 58

4.6 Tính toán chọn tụ cộng hưởng 59

4.7 Kết luận 59

Chương 5 THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI 60

5.1 Cấu trúc mạch phản hồi 60

5.2 Phương pháp điều khiển phản hồi 60

5.3 Chế độ hoạt động và vùng hoạt động 61

5.3.1 Chế độ hoạt động 61

5.3.2 Vùng hoạt động 61

5.4 Phân tích tín hiệu nhỏ định hướng cho thiết kế (small-signal analysis) 62

5.4.1 Khảo sát đặc tính tần số của mô hình tín hiệu nhỏ của mạch LLC 62

5.4.2 Nhận xét đặc tính tín hiệu ở vùng 1 và vùng 2 66

5.4.3 Đặc tính động trạng thái nguồn (di chuyển từ điểm B → A) 69

5.4.4 Hàm truyền tần số đầu ra (frequency – to - out) 70

5.5 Giới thiệu qua IC FSRS 2100 74

5.5.1 Các khối cơ bản 76

5.5.2 Khối dao động bên trong (internal oscillator) 76

5.5.3 Khâu cài đặt tần số 77

5.5.4 Mạch bảo vệ 79

5.6 Kết luận 80

Chương 6 MÔ PHỎNG 81

6.1 Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải và điện áp vào khối VCO 82

6.2 Đáp ứng dòng điện, điện áp qua van và trên khối cộng hưởng 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG

Hình 1.3 Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC 11

Hình 1.5 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS 14

Hình 1.6 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS 15

Hình 1.7 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng 16

Hình 1.9 Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi Adapter) 19

Hình 1.10 Phương hướng phát triển nguồn DPS (AC/DC) 19

Hình 2.1 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp 21

Hình 2.2 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC 22

Hình 2.3 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song 23

Hình 2.4 Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC 24

Hình 2.5 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC 25

Hình 2.6 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC 25

Hình 2.9 Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp 28

Hình 2.10 Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp 28

Hình 2.11 Các vùng làm việc của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 29

Hình 2.18 Chế độ 3 34

Hình 2.22 Sơ đồ bộ biến đổi dùng diode Shottky 36

Hình 2.23 Đặc tính V-A của chỉnh lưu đồng bộ và chỉnh lưu diode 37

Hình 2.24 Sơ đồ bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu đồng bộ 37

Hình 2.25 Vùng chuyển đổi đóng cắt của thiết bị bán dẫn công suất 39

Hình 2.26 Trễ lan truyền trong thời gian đóng cắt 39

Hình 2.27 Mạch logic để đóng cắt MOSFET tại thời điểm ZCS 40

Hình 2.28 Thời gian đóng cắt của MOSFETs 41

Hình 2.29 Mạch điều khiển cho chỉnh lưu đồng bộ 42

Hình 2.30 Mối quan hệ điện áp và tần số chuyển mạch khi thay đổi tổng

Hình 2.31 Mối quan hệ điện áp và tần số chuyển mạch khi thay đổi tổng

Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển độ rộng xung 49

Hình 4.1 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC 51

Hình 4.2 Hệ số khuếch đại lớn nhất, nhỏ nhất 52

Hình 4.3 Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7 54

Hình 4.4 Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA 55

Hình 4.5 Sơ đồ mạch điện quy đổi của MBA 56

Hình 4.6 Dải hoạt động của tần số chuyển mạch 57

Hình 5.1 Cấu trúc mạch phản hồi bộ biến đổi LLC sử dụng bộ ghép quang 60

Hình 5.3 Vùng làm việc bộ biến đổi 62

Hình 5.4 Mạch thiết lập cho mô phỏng bước đầu 63

Hình 5.5 Mạch thiết lập cho mô phỏng bước hai 63

Hình 5.6 Sơ đồ bộ biến đổi ứng với tín hiệu nhỏ 64

Hình 5.7 Dạng đáp ứng đầu ra bộ biến đổi khi thay đổi tần số 64

Hình 5.8 Đáp ứng đầu ra bộ biến đổi ở vùng 1 65

Hình 5.9 Đáp ứng đầu ra bộ biến đổi ở vùng 2 66

Hình 5.10 Hệ thống điểm cực và điểm không của bộ biến đổi LLC ở các

Hình 5.11 Thiết kế mạch bù tại điểm B (vùng 1) 68

Hình 5.12 Hệ thống điểm cực và điểm không 68

Hình 5.13 Khuếch đại mạch vòng tại điểm A (vùng 2) 69

Hình 5.14 Sơ đồ điểm cực di chuyển từ B đến A 70

Hình 5.15 Sơ đồ khối của khối nguồn chế độ chuyển mạch 70

Hình 5.16 Sơ đồ mạch điện bù ba điểm cực hai điểm không 72

Hình 5.17 Sơ đồ ghép nối chíp trong bộ biến đổi cộng hưởng LLC 75

Hình 5.18 Tín hiệu điều khiển các van Mosfet 76

Hình 5.19 Khâu dao động điều khiển dòng (CCO) 77

Hình 5.21 Đường cong hệ số khuếch đại bộ cộng hưởng 79

Hình 6.1 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong Matlab 81

Hình 6.2 Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải 82

Hình 6.3 Đáp ứng điện áp vào khối VCO khi tải hay điện áp vào thay

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, bộ nguồn điện nói chung là một khái niệm rất quen thuộc trong đời sống hàng ngày Trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt thường nhật, bộ nguồn điện không chỉ có chức năng cung câp nguồn điện mà nó còn giúp biến đổi, chuyển hóa các mức điện áp và dòng điện phụ thuộc vào từng yêu cầu của tải.Sự đa dạng về tải tiêu thụ đặt ra các yêu cầu cao hơn về nguồn cung cấp như hiệu suât, mật độ điện năng cao, cung cấp nhiều tải cùng lúc, tổn thất trong mạch nhỏ, độ bền vật liệu, kích thước nhỏ gọn, dải điện áp và dòng điện ra đa dạng…Với những yêu cầu ngày càng cao đó, hệ thống nguồn phân tán DPS ra đời như là một nhu cầu cấp bách, mà nó có thể đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đặt ra

Hệ thống nguồn phân tán DPS là một khái niệm tương đối rộng, nó bao gồm nhiều khâu, nhiều bộ biến đổi kết hợp với nhau trong một bo mạch khép kín để tạo ra dạng dòng và áp duy nhất cung cấp cho tải như các bộ PFC (Power Factor Correction),

bộ biến đổi DC/DC, cấu trúc bus trung gian (Intermediate Bus Architecture)…Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, tôi xin trình bày chủ yếu về bộ biến đổi cộng hưởng LLC là một trong những phương pháp tối ưu khi chọn bộ DC/DC Qua đó thiết kế thử nghiệm và mô phỏng để so sánh giữa tính toán và thực nghiệm

Được sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Trần Trọng Minh - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu

bộ biến đổi Front – End trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán’’

Luận văn của tôi gồm có 6 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống nguồn phân tán DPS

Chương 2: Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng

Chương 3: Phân tích phương pháp điều khiển

Chương 4: Thiết kế thử nghiệm bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Chương 5: Thiết kế mạch phản hồi

Chương 6: Mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin

gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo - TS Trần Trọng Minh, người đã luôn

quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Nguyễn Văn Việt

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)

Trong khi kỹ thuật vi xử lý ngày càng phát triển không ngừng, các mức điện

áp được giảm xuống và yêu cầu về dòng điện và nguồn tăng lên Như điều tất yếu, công suất lớn hơn, các hệ thống số gọn nhẹ đang trở nên sẵn có Với những thay đổi tuyệt vời trong mạch hệ thống số cũng đặt ra những thách thức trong việc quản lý nguồn phát Thử thách này đến từ vài khía cạnh thay đổi của hệ thống số Đầu tiên

là nhiều phần tử bán dẫn được tích hợp trong mạch chip, nguồn yêu cầu cho hoạt động chíp tăng lên rất nhanh Thứ hai, với các chất bán dẫn hoạt động ở tần số cao, điện áp cung cấp có thể giảm trong thời gian rất nhanh và yêu cầu điều chỉnh khó khăn Thứ ba, khi công nghệ mạch tích hợp quy mô lớn phát triển nhanh, yêu cầu về

hệ thống nguồn cung cấp cũng phát triển tương ứng

Hệ thống nguồn phân tán đang ngày càng thay thế hệ thống nguồn tập trung khi mà các sản phẩm ngày càng tăng về kích cỡ và công suất, trong khi mức điện áp ngày càng tăng Những yêu cầu về nguồn cho các hệ thống quân sự và thương mại,

ví dụ như các máy tính lớn và hệ thống điện tàu thủy, tàu vũ trụ, viễn thông… ngày càng tăng và trở nên phức tạp bởi vì các hệ thống phải chạy đua với việc tinh toán

và lưu trữ dữ liệu và khả năng phục hồi ở tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn Các

hệ thống nguồn tập trung với chi phí thấp và đơn giản, nhưng ít có khả năng cải thiện hiệu suất và chất lượng nguồn Mà trong hiện tại và tương lai, phần lớn các nguồn sử dụng cho việc xử lý dữ liệu với tốc độ và công suất tăng khi điện áp có thể giảm xuống dưới 3V, thậm trí là 2V dẫn đến yêu cầu về nguồn xử lý mới cũng phải phức tạp hơn Vì vậy nguồn phân tán ra đời như là một yêu cầu tất yếu của sự phát triển, với những tính năng vượt trội nguồn phân tán đang ngày càng được ứng dụng rông rãi trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày

1.2 Cấu trúc nguồn DPS

Thành phần chính của nguồn phân tán là bộ biến đổi front-end Cấu trúc hệ thống nguồn DPS đƣợc trình bày trong hình 1.1, nó đƣợc ứng dụng rộng dãi để phục vụ cho các hệ thống nguồn viễn thông (đại diện cho hệ thống số tiên tiến nhất) Trong hệ thống DPS, nguồn cấp qua hai khâu điện áp Đầu tiên, nguồn đầu vào xoay chiều AC đƣợc lọc qua bộ biến đổi sang khâu điện áp 480V một chiều trung gian Điện áp một chiều thu đƣợc qua bộ biến đổi theo cơ chế DC/AC/DC sang nguồn một chiều 48V(hoặc 24V) Từ nguồn một chiều 48V đƣợc phân phối xuống tải, có thế qua khâu bus trung gian xuống 12V tùy theo yêu cầu phụ tải

Thành phần quan trọng nhất của hệ thống nguồn phân tán là bộ front-end converter, đóng vai trò chính trong khái niệm về hệ thống nguồn phân tán Sau đây

là cấu trúc bộ front-end converter Bộ font-end converter gồm hai bộ PFC và bộ DC/DC hợp thành:

Rectifice

Hình 1.1 Cấu trúc nguồn

Downstream DC/DC Converter

Bộ PFC biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 400V, từ điện

áp một chiều qua bộ DC/DC biến đổi xuống cấp điện áp nhỏ hơn cung cấp cho mạch

1.2.1 Bộ PFC(Power Factor Correction)

PFC là bộ nắn dòng tích cực để chuyển tín hiệu xoay chiều (AC) từ đầu vào thành tín hiệu một chiều ở đầu ra Nó cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị, nhằm triệt tiêu công suất phản kháng và tăng hệ số công suất PF

tacdung toanphan

Bộ PFC là bộ hiệu chỉnh hệ số công suất đầu vào Đầu vào bộ PFC phải qua

bộ lọc nhiễu EMI Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải

Hình 1.3 Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC

1.2.2 Bộ DC/DC

Có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ 300- 400V một chiều đến tải 48/24V Thực chất, bộ biến đổi qua khâu trung gian DC/AC/DC để làm tăng tần số chuyển mạch van Nhưng với việc tăng tần số chuyển mạch van, sẽ dẫn đến tổn thất xuất hiện trong van, điều này dẫn đến sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng, lợi dụng nguyên

lý cộng hưởng của các thành phần L, C trong mạch để chuyển mạch van Khi chuyển mạch dựa theo nguyên lý cộng hưởng ta sẽ đạt được chuyển mạch điện áp không (ZVS) và chuyển mạch dòng điện không (ZCS)

Khi nhìn vào biểu đồ tổng trở và tần số, ta sẽ thấy tại điểm cộng hưởng tổng trở của mạch là nhỏ nhất

Một hệ số khác được dùng để miêu tả bộ biến đổi cộng hưởng là hệ số chất lượng Q Q là đại lượng không thứ nguyên miêu tả sự tắt dần của mạch cộng hưởng

Hệ số chất lượng Q càng cao thì dải tần càng hẹp

Ở một tần số đặc biệt hai điện kháng sẽ có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu nhau

X L = - X C

Hình 1.4 Hiện tượng cộng hưởng

Q là tỷ số giữa công suất dự trữ và công suất phát tán trong mạch Hệ số Q nói lên sự thay đổi của tải ở các chế độ khác nhau (độ lớn của thành phần cảm kháng X

so với tải thuần trở R)

R

X R I

X I P

P Q

dissipated store  

1.2.2.2 Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS

Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS:

Theo hình 1.3, bộ nghịch lưu đưa ra xung vuông điện áp cấp vào khối cộng hưởng Do tác dụng lọc của khối cộng hưởng, dòng điện chảy qua cuộn cảm Ls là hình sin Tùy theo dòng chảy vào khối cộng hưởng sớm pha hay trễ pha so với điện

áp đặt vào khối cộng hưởng (thành phần cơ bản của xung vuông điện áp do bộ nghịch lưu đưa vào) mà ta có được điều kiện chuyển mạch dòng điện không (ZCS) hay chuyển mạch điện áp không (ZVS)

a Chuyển mạch ZCS (Zero Current Switching)

Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không, được thể hiện trong hình 1.5 Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng sớm pha hơn điện áp đặt vào hay chính là điện áp UDS của van low-side Q2 Khi dòng cộng hưởng giảm về 0 và đảo chiều thì dòng điện chảy qua van Q2 về bằng 0 và dòng cộng hưởng được dẫn qua điot ngược của van Q2, do lúc này xung điều khiển vẫn được duy trì trên van Q2, điện áp trên van vẫn bằng 0 Do đó van Q2 khóa trong điều kiện dòng điện bằng 0, tổn hao khi khóa van bằng zero Tuy nhiên khi phát xung điều khiển để mở van thì do năng lượng tích lũy ở diode ngược và tụ kí sinh song song được giải phóng qua van nên dòng điện qua van khi mở sẽ có xung đỉnh lớn, gây ra nhiễu điện từ EMI và tổn hao khi mở van

Hình 1.5 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS

b Chuyển mạch ZVS (Zero Voltage Switching)

Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch điện áp không, được thể hiện trong hình 1.6 Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng trễ pha hơn điện áp đặt vào hay chính là điện áp UDS của van low-side Q2 Ta có thể nhận thấy không có tổn hao khi mở trên MOSFET vì khi xung điều khiển được cấp vào van thì diode song song ngược của nó dẫn dòng và điện áp rơi trên van là bằng không trước khi FET

mở để dẫn dòng Dòng điện chạy qua diode ngược của FET gây ra bởi quá trình khóa FET còn lại Ví dụ, nếu van Q2 khóa, dòng điện do FET này đang dẫn được duy trì do tác dụng của cuộn cảm cộng hưởng, dẫn đến dòng chạy ngược lên van Q1 phía trên thông qua diode ngược của Q1

Do diode ngược có thời gian khóa tq bằng thời gian dẫn dòng của FET trước khi điện áp phân cực thuận được đặt lên diode nên không có áp lực chuyển mạch trên diode

Tuy nhiên MOSFET phải chịu tổn hao khi khóa van do dòng điện lúc này chưa về bằng không Nhưng dòng lúc này đã nhỏ và được chuyển sang nạp cho tụ

kí sinh song song của van Khi diode ngược của van dẫn dòng thì điện áp trên tụ sẽ được giải phóng trước khi FET thông Do đó không có tổn hao khi mở van và loại trừ được tổn hao do sự nạp, xả diode ngược và tụ kí sinh song song

Vì vậy trong thực tế thiết kế, người ta thường cho mạch làm việc ở tần số trên cộng hưởng để đạt được điều kiện chuyển mạch ZVS

Hình 1.6 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS

1.2.2.3 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải

Hình 1.7 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng

Điện áp 1 chiều đầu vào Vin qua bộ nghịch lưu cho ra điện áp xoay chiều dạng xung vuông Để đạt được mật độ công suất cao, người ta thường sử dụng bộ nghịch lưu với tần số chuyển mạch lớn để giảm kích thước thành phần từ tính Xung vuông điện áp sau khối nghịch lưu được đưa vào khối cộng hưởng (Resonant Tank)

để tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm Biến áp xung được sử dụng để cách ly giữa đầu ra và đầu vào, đồng thời cũng có tác dụng biến đổi điện áp Điện áp xoay chiều

ở thứ cấp biến áp xung được đưa qua bộ chỉnh lưu tần số cao và bộ lọc để tạo ra điện áp 1 chiều trên tải

Để ổn áp nguồn trước sự biến động của tải cũng như điện áp đầu vào thì điện áp đầu ra được đưa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đưa vào mạch so sánh với điện áp chuẩn Vref để đưa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu sẽ được điều

khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộng xung để ổn định điện áp đầu ra

Trong phạm vi luận văn này, bộ nguồn cộng hưởng nghiên cứu là loại cộng hưởng tải (kết hợp khối cộng hưởng và tải để tạo điều kiện chuyển mạch mềm),

do đó bộ nghịch lưu phải có cấu trúc đối xứng dạng half bridge hoặc full bridge Ở đây ta lựa chọn cấu hình half bridge do tính đơn giản, sử dụng ít van công suất và điều khiển dễ hơn cấu hình full bridge Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta

sẽ phải sử dụng cấu hình full bridge để phát huy hết công suất của mạch

Mục tiêu thiết kế bộ nguồn trong luận văn này hướng tới là phục vụ cho các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện lớn (như các ứng dụng trong điện tử, viễn thông) nên khối cộng hưởng được sử dụng có cấu trúc LLC là sự lựa chọn lý tưởng nhất Điều này sẽ được tìm hiểu kỹ ở chương sau

1.2.3 Tải tiêu thụ

Tải tiêu thụ ở đây phần lớn là các hệ thống điện tử, hệ thống số yêu cầu mức điện áp đầu vào thấp Ở đây tùy vào từng thiết bị mà người ta có thể áp dụng cấu trúc bus trung gian IBA (Intermediate Bus Architecture)

Ở trong sơ đồ dưới, bộ biến đổi bus trung gian (bus converter) được tạo ra để phục vụ hai nhiệm vụ chính Đầu tiên nó dùng để cách ly với nguồn 1 chiều 48V từ bộ Front-End converter Thứ hai, nó dùng để giảm điện áp 48V xuống các mức điện áp thấp hơn mà ở đó không cần cách ly và hoạt động không cần bộ biến đổi điện áp nữa

1.3 Ưu nhược điểm của nguồn DPS

1.3.1 Ưu điểm

Với điện áp nguồn giảm nhanh trong hệ thống số, dẫn đến không thể thực hiện việc truyền điện năng với điện áp thấp Nguồn DPS sử dụng điện áp cao để phân phối điện năng Điều này làm giảm đáng kể tổn thất liên quan đến nguồn truyền tải (tổn thất trên đường dây)

Vì bộ biến đổi được đặt ở rất gần tải nên tác động của nhiễu là nhỏ Bộ biến đổi có đáp ứng thời gian nhanh để đáp ứng tốc độ tăng dòng nhanh của tải

Với nguồn DPS, bộ front-end độc lập với yêu cầu của tải, mỗi bộ biến đổi tải này cũng độc lập với tải khác Điều này cải thiện lợi ích đáng kể với yêu cầu hệ thống thay đổi nhanh Với ngồn DPS, khi thay đổi công nghệ, chỉ bộ biến đổi liên quan đến tải cần thiết kế lại được tác động, ảnh hưởng đến toàn hệ thống là rất nhỏ Nguồn DPS là một giải pháp có cấu trúc mở, dễ dàng thay đổi được Hệ thống nguồn có thể tái cấu hình lại khi tải thay đổi mở rộng hoặc nâng cấp Đây là một hệ thống có thể tăng công suất nếu cần Với thiết kế thay đổi được, độ tin cậy cao sẽ đạt được với nhiều tải

1.3.2 Nhược điểm

- Chi phí cao với một lượng lớn bộ biến đổi DC/DC

- Các tụ lọc lớn ở mỗi đầu vào bộ biến đổi

- Dòng khởi động cao đến đầu vào các tụ lọc

- Sự tương tác điện thế giữa các bộ biến đổi

- Vấn đề ổn định điện áp của trở kháng âm đến bộ lọc một chiều

- Vấn đề ổn định điện áp của bus phân phối và lọc đỉnh với dải tín hiệu rộng

1.4 Ứng dụng và phương hướng phát triển nguồn DPS

Ngày nay, nguồn DPS được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực bao gồm viễn thông, vệ tinh, nguồn máy tính, các thiết bị văn phòng và các ứng dụng khác…Bên cạnh độ an toàn cao nó còn có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao, kinh

tế và bảo trì thuận lợi Bởi vậy xu hướng trong tương lai là sẽ thay thế hệ thống nguồn tập trung truyền thống Bởi vì nguồn DPS có những tính năng mở rộng và

hiện đại, áp dụng cho các tình huống khác nhau

Hình 1.9 Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi Adapter)

Hình 1.10 Phương hướng phát triển nguồn DPS (AC/DC)

Vào những năm 1970, khái niệm về nguồn DPS đã tồn tại và nó đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực nguồn viễn thông Trước đó, thường phải có hai bộ

nguồn giống nhau cho một hệ thống viễn thông, mặc dù vậy thì sự phụ thuộc được cải thiện nhưng chi phí lại gấp đôi Sự ra đời của nguồn DPS không chỉ cải thiện sự phụ thuộc mà còn giảm được chi phí nên nó được quan tâm rộng rãi Nó tách tải tổng thể ra thành vài nhóm và cung cấp nguồn cho từng nhóm bằng bộ biến đổi nguồn đơn Mỗi hệ con được độc lập, giảm tác động lỗi của thiết bị máy móc riêng

lẻ trên toàn hệ thống con

1.5 Kết luận

Với sự phát triển trong ngành công nghệ thông tin, thị trường cấp nguồn cho các thiết bị viễn thông và máy tính luôn luôn tăng trưởng mạnh mẽ Hệ thống nguồn DPS đã được chấp nhận rộng rãi trong các ứng dụng viễn thông và máy tính với tính năng hiệu suất và ổn định cao Một trong những khối quan trọng trong nguồn DPS, bộ biến đổi DC/DC trong bộ biến đổi front-end vẫn đang chịu áp lực tăng hiệu suất và mật độ công suất Gần đây, yêu cầu về mật độ công suất cao với dải tải rộng đang là yêu cầu cấp bách và bộ biến đổi cộng hưởng LLC ra đời với tính năng đạt hiệu suất cao với khả năng đáp ứng dải điện áp đầu vào rộng bởi vì đặc tính khuếch đại của nó Ở chương sau, tôi đi sâu vào phân tích bộ biến đổi cộng hưởng LLC qua

đó làm tiền đề để dễ dàng hơn trong việc thiết kế, mô phỏng

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG

Bộ biến đổi cộng hưởng đã được nghiên cứu mạnh mẽ vào những năm 80 của thế kỷ trước Nó có thể đạt được tổn thất chuyển mạch rất nhỏ do kích hoạt mạch cộng hưởng, để hoạt động ở tần số chuyển mạch cao Trong các bộ biến đổi cộng hưởng thì bộ biến đổi nối tiếp (SRC), bộ biến đổi song song (PRC) và bộ biến đổi nối tiếp song song là những bộ phổ biến nhất Việc phân tích và thiết kế đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, việc ứng dụng cho bộ Front-end converter sẽ được trình bày dưới đây

2.1 Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hưởng phổ biến

2.1.1 Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter)

Sơ đồ của bộ biến đổi được trình bày ở hình 2.1, điện cảm cộng hưởng Lr và

tụ điện cộng hưởng Cr được mắc nối tiếp để tạo thành khối cộng hưởng Khối cộng hưởng được mắc nối tiếp với tải Từ cấu hình này, khối cộng hưởng và tải hoạt động như bộ chia điện áp Bằng cách thay đổi tần số của điện áp đầu vào Va, tổng trở của khối cộng hưởng sẽ thay đổi Vì hoạt động như bộ chia điện áp, hệ số khuếch đại điện áp luôn nhỏ hơn 1 Tại tần số cộng hưởng, tổng trở của khối cộng hưởng sẽ rất nhỏ, tất cả điện áp đầu vào rơi trên tải Bởi vậy với bộ SRC hệ số điện

áp lớn nhất xảy ra ở tần số cộng hưởng

Hình 2.1 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

Đặc tính và vùng hoạt động của bộ SRC như ở trên hình 2.2

- Không thể điều chỉnh đầu ra được ở chế độ không tải

- Dòng điện chỉnh lưu đập mạch(đầu ra của tụ điện) hạn chế cho ứng dụng dòng điện đầu ra cao

- Có thể tận dụng đặc tính tại một điểm làm việc nhưng không phải với dải điện áp đầu vào rộng và tải thay đổi

Hình 2.2 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC

Nhận xét:

Với những phân tích trên ta có thể thấy bộ biến đổi SRC không phải là sự lựa chọn tốt cho bộ biến đổi front-end DC/DC Vì các vấn đề chính là : điều chỉnh không tải, năng lượng truyền trong mạch cao và dòng điện ngắt van trong điều kiện điện áp đầu vào cao

2.1.2 Bộ cộng hưởng song song PRC (Parallel Resonant converter)

Sơ đồ bộ biến đổi song song được trình bày như hình 2.3, ta nhận thấy khối cộng hưởng vẫn mắc nối tiếp, nó được gọi là bộ biến đổi cộng hưởng song song bởi

vì trong trường hợp này tải mắc song song với tụ điện cộng hưởng Chính xác hơn, nên gọi là bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp với tải song song Bởi vì phía sơ cấp máy biến áp là tụ điện nên một điện cảm được mắc thêm vào mạch thứ cấp để phù hợp với điện kháng

Hình 2.3 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song

Hình 2.4 biểu diễn đường đặc tính và vùng hoạt động của bộ PRC Ta nhận thấy tương tự như bộ SRC, vùng hoạt động được thiết kế ở bên tay phải của tần số cộng hưởng để đạt được chuyển mạch ZVS So với bộ SRC, vùng hoạt động của bộ PRC nhỏ hơn nhiều Ở vùng hoạt động không tải, tần số chuyển mạch không cần phải thay đổi quá nhiều để giữ điện áp đầu ra điều chỉnh được Bởi vậy vấn đề điều chỉnh không tải không tồn tại trong bộ PRC

Tuy nhiên, vấn đề với bộ PRC là năng lượng lan truyền trong mạch rất cao kể

cả ở chế độ không tải Bởi vì tải mắc song song với tụ cộng hưởng, thậm trí ở chế

độ không tải, đầu vào vẫn có một lượng trở kháng nhỏ vừa phải của khối cộng hưởng nối tiếp Điều này gây ra năng lượng lan truyền trong mạch cao cả khi ở chế

độ không tải

Hình 2.4 Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC

* Ưu điểm:

- Không vấn đề đối với việc điều chỉnh đầu ra ở chế độ không tải

- Dòng điện chỉnh lưu liên tục (đầu ra cuộn cảm) thích hợp cho các ứng dụng dòng điện đầu ra cao

Nhận xét: Với những phân tích trên, chúng ta thấy bộ PRC cũng không phải là một

sự lựa chọn tốt cho bộ front-end DC/DC Vấn đề chính là năng lượng lan truyền trong mạch cao và dòng ngắt van lớn ở điều kiện điện áp đầu vào cao

2.1.3 Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter)

Hay còn gọi là bộ biến đổi cộng hưởng LCC Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC được trình bày ở hình 2.5, khối cộng hưởng của nó bao gồm ba thành phần cộng hưởng: Lr, Cs và Cp Khối cộng hưởng của LCC có thể coi như sự kết hợp của hai bộ SRC và PRC Tương tự như bộ PRC, một điện cảm lọc ra phía thứ cấp được mắc thêm vào để cân bằng trở kháng Đối với bộ SPRC, nó kết hợp các đặc tính tốt

của bộ SRC và PRC, với tải mắc nối tiếp với mạch nối tiếp Lr,Cs Năng lượng lan truyền nhỏ hơn bộ PRC Với tụ mắc song song Cp, điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được ở chế độ không tải

Hình 2.6 nói về đặc tính một chiều và vùng hoạt động của bộ SPRC Tương tự

bộ SRC và PRC, vùng hoạt động cũng được thiết kế ở bên tay phải của tần số cộng hưởng để đạt được chuyển mạch ZVS Từ đồ thị vùng hoạt động có thể thấy rằng dải tần số chuyển mạch của bộ SPRC hẹp với sự thay đổi của tải so với bộ SRC Do dòng điện đầu vào nhỏ nên năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ hơn bộ PRC

Hình 2.6 Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC Hình 2.5 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC

* Ưu điểm:

- Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ hơn bộ PRC

- Kết hợp các đặc tính tốt của hai bộ biến đổi cộng hưởng SRC và PRC Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ và không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thay đổi của tải

Nhận xét: Với những phân tích trên, ta có thể thấy bộ SPRC kết hợp các đặc tính

tốt của 2 bộ SRC và PRC Năng lượng lan truyền nhỏ hơn và không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tải Tuy nhiên, với dải điện áp đầu vào rộng, tổn thất chuyển mạch và dẫn điện sẽ tăng với điện áp đầu vào cao

 Qua việc phân tích và đánh giá ba bộ biến đổi cộng hưởng SRC, PRC, SPRC ta nhận thấy cả ba bộ biến đổi cộng hưởng này đều không đạt hiệu suất cao ở dải điện

áp đầu vào cao, điều này sẽ dẫn đến tổn thất dẫn điện và tổn thất chuyển mạch Để đạt được tần số chuyển mạch cao với hiệu suất cao hơn, ta sẽ đi vào phân tích bộ biến đổi cộng hưởng LLC

2.2 Bộ cộng hưởng LLC

2.2.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây , bộ biến đổi cộng hưởng LLC đóng vai trò ngày càng tăng trong các bộ cộng hưởng thông dụng Các thành phần ký sinh có thể đóng vai trò trong bộ c ộng hưởng giúp giảm toàn dung lượng của thành phần từ hóa Do vậy, điều kiện chuyển mạch mềm từ không tải đến toàn tải đạt được Ưu điểm khác của bộ LLC là có thể dễ dàng thiết kế với dải điện áp đầu vào rộng mà vẫn đạt được hệ số nguồn và hiệu suất cao Với những ưu điểm đó, bộ biến đổi LLC thường được

áp dụng cho những ứng dụng bộ nguồn Front -end như bộ nguồn điện cho viễn thông, nguồn cho các thiết bị máy tính , laptop (adaptor), thiết bị điện tử…

2.2.2 Sơ đồ bộ LLC

Hình 2.7 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Sơ đồ mạch bán cầu bộ biến đổi cộng hưởng LLC được trình bày như hình 2.7, điện cảm Lr và tụ Cr mắc nối tiếp tạo thành khối cộng hưởng nối tiếp, Lm mắc song song với tải Về cấu tạo, bộ biến đổi LLC chỉ khác bộ biến đổi LCC ở các thành phần L,C hoán đổi vị trí trong khối cộng hưởng

Hình 2.8 Khối cộng hưởng LCC và LLC

Từ cách hoán đổi vị trí các thành phần cộng hưởng, ta có tần số cộng hưởng khác nhau dẫn đến hiệu suất các bộ cộng hưởng cũng khác nhau Những phân tích chi tiết về bộ biến đổi LLC sẽ được trình bày sau đây

Bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể thay đổi chuyển mạch van bên sơ cấp bằng 3 sơ đồ half bridge, full bridge, two switch toward

Hình 2.9 Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp

Bộ biến đổi LLC cũng có thể thay đổi sơ đồ bên phía chỉnh lưu thứ cấp để tạo thành các mạch half wave rectifier, full bridge rectifier, center tapped rectifier, current doubler rectifier Tùy vào yêu cầu bài toán mà ta sẽ có cách lựa chọn, thiết

Hình 2.11 Các vùng làm việc của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Với bộ biến đổi này ta có 2 tần số cộng hưởng , một tần số được xác định dựa vào sự kết hợp Lr và Cr, một tần số được xác định dựa vào Lm, Cr và điều kiện tải Khi tải trở nên nặng hơn, tần số cộng hưởng sẽ di chuyển đến tần số cao hơn 2 tần

số được xác định:

1

12

f





 2

Ở vùng này bộ biến đổi hoạt động như bộ biến đổi nối tiếp SRC Ở vùng này,

Lm không bao giờ kết hợp với tụ cộng hưởng Cr Lm bị kẹp bởi điện áp đầu ra và hoạt động như tải của bộ nối tiếp Với tải bị động, bộ LLC có thể hoạt động ở chế

độ không tải mà không hề có nhược điểm của điện áp chuyển mạch cao Bởi vậy, kể

cả với tải thụ động Lm, chuyển mạch ZVS có thể đạt được ở bất kỳ chế độ tải nào

Hình 2.12 Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 1

b Vùng 2

Ở vùng này, chế độ hoạt động của bộ LLC phức tạp hơn, dạng sóng đầu ra có thể phân chia làm 2 vùng rõ rệt Ở vùng 1, Lr cộng hưởng với Cr, Lm bị kẹp bởi điện áp đầu ra Khi dòng cộng hưởng Lm quay trở về mức như Lr, mạch cộng hưởng giữa Lr và Cr kết thúc Thay vào đó, Lm tham gia vào quá trình cộng hưởng khi giai đoạn thứ hai bắt đầu Trong suốt giai đoạn này, các thành phần cộng hưởng thay đổi từ Cr, Lm mắc nối tiếp với Lr, đây chính là dạng sóng bằng phẳng như trên hình vẽ Trên thực tế, đây là một phần của quá trình cộng hưởng giữa Lm+Lr và Cr

Từ dạng sóng mô phỏng ta có thể thấy, van Mosfet được mở với chuyển mạch ZVS Chuyển mạch ZVS có thể đạt được với dòng từ hóa, mà dòng này không liên quan đến dòng tải nên ZVS có thể đạt được cả ở chế độ không tải Dòng từ hóa cũng có thể ngắt dòng van Mosfet, chọn các giá trị điện cảm khác nhau có thể điều khiển được việc này Dòng ngắt van có thể nhỏ hơn dòng tải nên tổn thất ngắt mạch có thể giảm Vậy tổn thất chuyển mạch van rất nhỏ

Hình 2.13 Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 2

c Vùng 3

Đây là vùng hoạt động ZCS dẫn đến tổn thất khi chuyển mạch van Ở vùng này, đặc tính hệ số khuếch đại một chiều sẽ có dạng sườn dương

Đây không phải là chế độ hoạt động tốt của bộ biến đổi cộng hưởng, khi thiết

kế nên tránh hoạt động ở vùng này

Hình 2.14 Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 3

2.2.4 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.15 Các vùng thời gian trong nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của bộ LLC có thể chia ra làm 2 vùng thời gian Ở khoảng thời gian thứ nhất, quá trình cộng hưởng xảy ra do tụ cộng hưởng Cr và điện cảm cộng hưởng Lr Khoảng thời gian còn lại quá trình cộng hưởng gồm tụ cộng hưởng Cr, điện cảm cộng hưởng Lr và điện cảm từ hóa Lm Bởi vậy bộ biến đổi LLC là bộ biến đổi đa cộng hưởng vì tần số cộng hưởng khác nhau ở mỗi khoảng thời gian

a Chế độ 1 (t 1 –t 2 )

Van Q2 ngắt không hoạt động, vì dòng điện qua điện cảm Lr âm nên nó chạy qua diode của van Q1 tạo nên chuyển mạch ZVS ở van Q1 Dòng điện qua Lr bắt đầu tăng vì quá trình cộng hưởng giữa Lr và Cr Tại thời điểm này, diode D1 bên thứ cấp đang dẫn và điện áp qua Lm bị kẹp chặt vào điện áp đầu ra Do đó, dòng điện ID1 bắt đầu tăng Chế độ kết thúc khi dòng qua Lr tiến dương tại t1

Hình 2.16 Chế độ 1

b Chế độ 2 (t 2 –t 3 )

Van Q1 đóng mạch hoạt động, tại thời điểm này dòng qua Lr dương và dòng chạy qua van Q1 Dòng qua Lr tăng lên vì sự cộng hưởng giữa Lr và Cr Tuy nhiên, dòng qua diode D1 vẫn dẫn và điện cảm Lm bị chặn bởi điện áp đầu ra nên dòng qua Lr tăng tuyến tính Chế độ kết thúc khi dòng qua Lr bằng giá trị dòng qua Lm

và dòng qua D1 tiến về không ở t2

Hình 2.17 Chế độ 2

c Chế độ 3 (t 3 –t 4 )

Khi dòng điện qua Lr và Lm bằng nhau, điện áp thứ cấp của máy biến áp nhỏ hơn điện áp đầu ra, có nghĩa đầu ra đã bị tách khỏi MBA, bởi vậy dòng qua diode D1 bằng không trong suốt chế độ này, cả 2 diode D1 và D2 đều không dẫn Khi Lm không bị chặn bởi điện áp đầu ra, Lm tự do để tham gia vào mạch cộng hưởng với

Lr, Cr

Hình 2.18 Chế độ 3

d Chế độ 4 (t 4 –t 5 )

Van Q1 ngắt không hoạt động ở thời gian t3 Dòng qua Lr chạy qua diode của van Q2 tạo điều kiện chuyển mạch ZVS cho van Q2 Dòng qua Lr bắt đầu giảm do

sự cộng hưởng giữa Lr và Cr Cùng thời điểm này, diode D2 dẫn dòng và điện áp

Lm bị chặn bởi điện áp đầu ra Do đó, dòng qua Id2 bắt đầu tăng Chế độ kết thúc khi dòng qua Lr âm ở thời gian t4

Hình 2.19 Chế độ 4

e Chế độ 5 (t 5 –t 6 )

Tại t4, van Q2 mở hoạt động Tại thời điểm này, dòng qua Lr âm và dòng chạy qua van Q2 Dòng qua Lr giảm vì sự cộng hưởng giữa Lr và Cr Tuy nhiên diode D2 dẫn dòng và điện áp qua Lr bị chặn bởi điện áp đầu ra, điều này có nghĩa dòng qua Lr giảm tuyến tính Chế độ này kết thúc khi dòng qua Lr bằng dòng qua Lm và

Id2 tăng đến không ở chế độ t5

Hình 2.20 Chế độ 5

g Chế độ 6 (t 6 –t 7 )

Ở chế độ này, dòng qua Lr và dòng qua Lm bằng nhau, điện áp thứ cấp MBA nhỏ hơn điện áp đầu ra, điều này có nghĩa điện áp đầu ra bị tách khỏi MBA Bởi vậy, diode D1, D2 không dẫn, dòng qua Id2 tiến đến không Vì Lm không bị chặn bởi điện áp đầu ra, Lm tự do để tham gia vào mạch cộng hưởng cùng Lr,Cr Chu trình được lặp đi lặp lại

Hình 2.21 Chế độ 6

2.3 Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Bộ biến đổi cộng hưởng LLC có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các bộ biến đổi cộng hưởng khác như

- Giảm tổn thất chuyển mạch thông qua chế độ chuyển mạch ZVS dẫn đến nâng cao hiệu suất

- Dải thay đổi tần số hẹp với dải tải rộng

- Chuyển mạch ZVS với cả chế độ không tải

- Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ

- Dải điện áp đầu vào lớn

- Đạt hiệu suất rất cao

- Điện áp ra nhỏ đi kèm với dòng lớn

- Chuyển mạch ZVS/ZCS đạt được với toàn bộ điều kiện hoạt động

2.4 Nâng cao hiệu suất của bộ nguồn sử dụng chỉnh lưu đồng bộ ở đầu ra

2.4.1 Giới thiệu về chỉnh lưu đồng bộ

Sơ đồ bộ biến đổi dùng chỉnh lưu diode Shottky:

Bộ biến đổi dùng chỉnh lưu đầu ra sau máy biến áp là các diode Shottky có ưu điểm đơn giản nhưng nhược điểm là khi diode dẫn dòng thì sụt áp trên diode tương đối lớn , dẫn đến tổn hao công suất trên mạch lớn làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi Vì vậy muốn nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi thì phải giảm được tổn hao chỉnh lưu đầu ra Để làm việc đó người ta dùng chỉnh lưu đồng bộ bằng cách thay thế các diode Shottky bằng các Mosfet

Do điện trở dẫn của Mosfet rất nhỏ nên tổn hao trên Mosfet khi dẫn dòng nhỏ hơn nhiều so với diode Shottky Vì vậy nâng cao được hiệu suất của bộ nguồn

Ta có đặc tính Vol – Ampe ( V-A) như hình sau:

Hình 2.22 Sơ đồ bộ biến đổi dùng diode Shottky

Quan sát trên đặc tính V – A đưa ra bảng nhận xét như sau:

Dòng điện qua bộ chỉnh

lưu (A)

Sụt áp khi sử dụng chỉnh lưu đồng bộ (V)

Sụt áp khi sử dụng chỉnh lưu diode Shottky (V)

Từ đó ta đưa ra sơ đồ bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu đồng bộ như sau:

Hình 2.23 Đặc tính V-A của chỉnh lưu đồng bộ và chỉnh lưu diode

Q2 D2

2.4.2 Điều khiển chỉnh lưu đồng bộ

Trên thực tế việc thực hiện chỉnh lưu đồng bộ phần thứ cấp trong mạch cộng hưởng gặp không ít khó khăn Khi điện áp đầu vào cộng hưởng và điện áp đầu ra không cùng pha, việc đồng bộ các tín hiệu từ phần sơ cấp để điều khiển phần thứ cấp của MOSFETs là không hề dễ dàng Do đó, một sơ đồ điều khiển mới đã được phát triển và làm việc độc lập với quá trình chuyển mạch bên sơ cấp

mà không yêu cầu bất kỳ sự đồng bộ hóa nào Bằng cách đo chính xác điện áp trên thứ cấp của MOSFETs, phương pháp điều khiển mới này có thể đóng/cắt chính xác bộ chỉnh lưu đồng bộ dùng các MOSFETs Giải pháp này có thể cạnh tranh với bộ chỉnh lưu dùng diode Schottky bởi các ưu điểm của MOSFETs Khi tổn thất dẫn của MOSFET là tích của dòng điện cực máng (D) và điện trở giữa cực D và cực gốc (S) RDS (trạng thái on), giữ cho RDS (trạng thái on) chuyển dịch rất chậm để có được sự suy giảm đáng kể về tiêu tán công suất trong linh kiện Khi đó tổn thất công suất là nhỏ nhất và hiệu suất biến đổi năng lượng là lớn nhất

Để thực hiện chỉnh lưu đồng bộ ta đưa ra sơ đồ điều khiển Về cơ bản, sơ

đồ điều khiển đặc trưng này thu được điện áp ngang qua MOSFET và so sánh nó với hai điện áp ngưỡng âm để xác định chính xác chuyển dịch đóng/cắt cho các thiết bị Ngưỡng điện áp âm lớn hơn, VTH2, xác định dòng điện chạy qua diode

và do vậy sẽ điều khiển vùng chuyển đổi đóng của thiết bị bán dẫn công suất Tương tự, ngưỡng điện áp âm, VTH1, quyết định mức của dòng điện mà tại đó thiết bị sẽ cắt, như trình bày trong hình 2.25 Logic điều khiển được kết hợp vào trong sơ đồ mới sẽ làm giảm thiểu các ảnh hưởng nhiễu tạp và ngăn chặn đóng/cắt nhầm cũng như là tiếng ồn (chattering) khi dòng điện trong linh kiện chuyển dịch giữa diode và kênh Ngoài ra, mạch điều khiển được thiết kế để phù hợp với nguồn cấp VCC, nhằm cho phép nó được cấp nguồn trực tiếp từ đầu ra của bộ biến đổi

Trễ lan truyền khi đóng/cắt là rất thấp, như trong hình 2.26, nhằm tạo cho quá trình đóng và cắt một lượng chuyển dịch gần với dòng bằng zero Ước tính rằng, ứng với mỗi một lượng thời gian sườn lên tr bằng 10 ns và lượng thời gian sườn xuống tf bằng 5 ns, thì trễ lan truyền tương ứng là tDon và tDoff bằng 60 và 70 ns

Hai bộ so sánh điện áp cao, tốc độ cao sẽ cảm biến điện áp kiểu vi sai giữa cực máng D và cực gốc S (VDS) của MOSFETs, trong khi đó dòng qua thiết bị được cảm biến bằng cách xử dụng RDS(on) như là một điện trở mắc song song và điều

Hình 2.26 Trễ lan truyền trong thời gian đóng cắt Hình2.25 Vùng chuyển đổi đóng cắt của thiết bị bán dẫn công suất