đề tài bộ biến đổi nguồn dcdc cộng hưởng mạch cộng hưởng llc - luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn điện tử công suất đã bước sang một trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,hiệu suất lớn,mặc dù

Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn điện tử công suất đã bước sang một trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,hiệu suất lớn,mặc dù vậy do yêu cầu của nền công nghiệp phát t triển cũng như yêu câu của đời sống thì các bộ biến đổi còn phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe,như kích thước : phải nhỏ,mật độ công suất lớn độ tin cậy cao ,dé đạt được điêu này người ta đã tìm cách tăng tần số đóng cắt của các van bán dẫn ngày càng cao,bằng cách á áp dụng các phương pháp mới,đặc biệt là phương thức sử dụng mạch cộng hưởng dé đạt được chế độ ZVS(zero voltage switching),hay ché d6 ZCS(zero current switching) ma tổn hao khi chuyén mach giam và tần số chuyên mạch ngày càng được nâng cao đáp ứng được những yêu cầu của thực tế.Một trong các cách để tạo nên sự cộng hưởng

là sử dụng mạch cộng hưởng LLC,đây là một trong những phương pháp mới,và có nhiều ưu điểm.Mặc dù vậy ở Việt Nam phương pháp này chưa có nhiều sự tìm hiểu Vì vậy với đồ án về

“Bộ biến đổi nguông DC/DC cộng hưởng mạch cộng huéng LLC” sé cho thay được những lợi ích mà bộ biến đổi nguồn này đem lại.Đồ án này của em xin trình bày cá: dung sau:

Chương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ ` Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án &

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực WN

Chuong 4: Nguyén ly mach diéu khién O Chương 5: Kết quả chạy mô phỏng BBĐ 4S

Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Trần thành đồ án này Tuy nhiên do còn hạn c

án của em có nhiều thiếu sót

omy This PDF was created using the Sonic PDF Creator

To remove this watermark, please license this product at www.investintech.com

Trang 2

CHUONG 1:

TÌM HIEU VÀ PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ

1.1 Tìm hiểu công nghệ 1.1.1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hướng và các điều kiện chuyển mạch:

Các bộ biến đổi công suất (BBĐ) cần phải đảm bảo yêu cầu là kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn Đối với các BBĐ thông thường, bộ tản nhiệt và các thành phần như tụ điện và điện cảm chiếm thẻ tích rất lớn trong BBD, diéu nay lam cho BBD cồng kềnh và làm giảm đáng kể mật độ công suất của BBĐ Đề giảm kích thước các phần tử trên, các BBĐ dần được thay thế bởi các BBĐ đóng cắt ở tần số cao O

Tuy nhiên, BBĐ này lại gặp phải vấn đề trong quá trình c n mạch, khi trạng thái chuyển mạch là “hard switching” được áp dụng trong bộ biến đØNPWM: dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hay giảm vê es ong quá trình đóng cắt có cả dòng và áp cao sẽ gây ra tổn thất chuyển mạch rất lớn đặc biệt là khi tần số đóng cắt lớn, hơn nữa quá trình này cũng gây nên các xung điện áp và ện khá lớn trên các van Điều này làm cho các thiết bị sử dụng phương pháp có tần số mạch có giới hạn thường là vài chục

kHz (tit 10 dén 50 kHz) ^ b;

Chúng ta có thể sử dụng các mạch phụ troVie giảm sự biến thiên dòng và áp, đòng thời chuyên tốn thât chuyên mạch tuy nhiên tôn chuyên mạch tỉ lệ với tần sô chuyên mạch nên khi tần số chuyển mạch cao thì gây ra tôn,tÑâØ đáng kẻ vì vậy giới hạn tần số làm việc của BBĐ Bên cạnh đó, các thành phần tụ kí sỉ én cam rd gay ra nhiễu điện từ (EM]) lớn

Đối với các BBĐ sử dụng AQ cia mach L-C, sé tao ra diéu kién chuyén mạch mềm cho van Các van sẽ chuyển mạ lòng điện hoặc điện áp rơi trên nó bằng 0 (điều kiện ZCS

và ZVS) Hai điều kiện này ê xảy ra đồng thời, với chuyển mạch ZCS sẽ có tốn thất khi

mở van, với chuyên mạch Z có tổn thất khi đóng van, tuy vậy các tổn thất này rất nhỏ Khi điều kiện chuyển sng) được thực hiện thi tổn thất giảm được đáng kế và nhờ đó cho phép tần số chuyển mạch § Tang cao đến vài trim kHz

A

N 1 N Losses 7

Hình 1.1 So sánh chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm

Losses

Như vậy, khi ta sử dụng BBĐ cộng hưởng sẽ đem lại các lợi ích như giảm đáng kể kích thước của tụ điện, điện cảm và bộ tản nhiệt, từ đó tăng mật độ công suất, giảm kích thước, trọng lượng của BBĐ,Cho phép BBĐ làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn,Tận dụng tụ kí sinh và điện cảm rò vào thành phân cộng hưởng

Trang 3

1.1.2 Quá trinh chuyén mach sir dung MOSFET Truoc kia thyristor được sử dụng rất nhiều trong các bộ biến đổi ,tuy nhiên mỗi thyristor cần phải cưỡng bức dòng về không trong quá trình khóa,trong những năm gần đây các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn như MOSFET,GTO,IGBT đã dần thay thế

Đối với MOSTFET chuyển mạch

trong điêu kiện ZCS, van khóa trong điêu

kiện dòng điện bằng 0, thì tổn hao khóa DO D

băng 0 Van mở thì do năng lượng tích lũy | Ros: | trên diode ngược và tụ kí sinh song song | “An |

được giải phóng qua van nên dòng điện qua Ð “

van khi mở sẽ có xung đỉnh lớn, gây ra —— \ “

nhiễu điện từ và tôn hao khi mở van thông a \ |

đương.Khi MOSFET chuyển mạch trong

điều kiện ZVS, van sẽ mở trong điều kiện

oC Mô hình tương đương của

điện áp trên van bằng 0 vì khi mở thì diode

la khác 0 và gây ra ton hao khi khóa, tuy nhiên

ngược của van đang dẫn dòng Do dòng qua diode ngược của MOSTFET có thời gian khóa bằng thời gian dẫn dòng của MOSTFET trước trước khi điện áp phân cực ngược được đặt lên diode nên không có

áp lực chuyển mạch trên diode Khi khóa van, dòng điện qua van l dòng lúc này nhỏ và chuyên sang nap c! sinh song song của van, khi diode ngược của van dẫn dòng thì điện áp ngược trên tụ giải phóng trước khi van thông, do đó không có tổn hao khi mở van và loại trừ được s@tônNWáo do sự phóng nạp của tụ kí sinh

Vi vậy trong thực tế, người ờng sử dụng MOSTFET làm việc trong điều kiện chuyển mạch khi điện áp về bằng 0 )

1.1.3 Phạm vi ứng dụng⁄wiz Cắc BBĐ cộng hưởng Hiện nay, trê ới đã nghiên cứu và phát triển các BBĐ sử dụng nguyên lý cộng hưởng trong rất oe dụng quan trọng như sau:

- Chấn l n tử cho đèn khí

- Các wi gia nhiệt (bếp điện từ, lò tôi thép, nau thép)

iền đổi DC-DC tần số cao, mật độ công suất cao dùng trong điện tử viễn

xa các thiết bị điện tử như TV LCD, sạc laptop,

11 Yêu âu đối với BBĐ cân thiết kế: -

Điện áp vào Điện áp ra một chiêu Chê độ làm | Công suât tải | Tân số

Trang 4

CHƯƠNG 2: oo, `

PHAN TICH VA LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Phân tích và lựa chọn phương án mạch lực

2.1.1 Phân tích lựa chọn mạch cộng hưởng:

Bộ biến đổi nguồn DC-DC cộng hưởng có sơ đồ khối như sau:

Bộ biến đổi gồm ba khối cơ bản: Nghịch lưu, Cộng hưởng và Chink (va như hình vẽ

Để tạo nên cộng hưởng người ta thường sử dụng các ma hưởng nối tiếp,song song,song song nôi tiêp và đặc biệt mạch cộng hưởng LLC với nhị ưu điểm khắc phục cho những nhược điểm mà các mạch cộng hưởng trên gặp phải

a Mạch cộng hưởng nối tiếp (SRC):

Khôi cộng hưởng và tải hoạt động như bộ phân chia điện áp, khi ta thay đổi tần số của điện áp Vạ ( điện áp sau nghịch lưu nguôn áp) | thì trở kháng của mạch thay đổi, trở kháng này SẼ chia điện áp vào với tải, khiến cho hệ số khuyếch đại DC của mạch SRC luôn nhỏ hơn 1 Tại tần

số cộng hưởng thì trở kháng của mạch rất nhỏ nên toàn bộ điện á áp vào mạch cộng hưởng Vụ sẽ đặt lên tải, vậy hệ số khuyếch đại lớn nhất đạt được là ở tần số cộng hưởng

Hình 2.2 diễn tả đặc tính của BBĐ Vùng hoạt động của bộ chuyên đổi nằm bên phải tần

số cong hưởng f:, đây là vùng đạt điều kiện ZVS, còn nếu ở tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng bộ biến đôi sẽ làm việc ở vùng ZCS

Trang 5

Ưu điểm của BBĐ này là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn dong cia BBD, khi giảm tải thì đồng chạy qua van sẽ giảm do đó giảm tổn thất qua van và các tốn thất khác khi giảm tải vì vậy duy trì được hiệu suất cao khi làm việc trong diều kiện đây tải Nhược điểm của BBĐ này là: trong điều kiện non tải, tần số đóng cắt phải tăng lên rất cao để điều khiển được điện áp ra do vậy BBĐ này không dùng được trong điều kiện non tải hoặc không tải Hơn nữa, khi điện á áp đầu vào tăng, BBĐ sẽ làm việc với tần số lớn hơn so với tần số cộng hưởng rất nhiều, khi tần số tăng thì trở kháng của khối cộng hưởng cũng tăng, năng lượng trả lại nguôn đầu vào (năng lượng tuần hoàn) lớn và dòng khi khóa van tăng cao do vậy tốn thất gặp phải là lớn Tụ lọc ở đầu ra phải mang dòng với độ đập mạch lớn ,vì vậy BBĐ này không phù hợp với các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện cao

b Mạch cộng hưởng song song (PRC):

12

Q-R/Z

Hình 2.3 Sơ đỗ BBĐ cộng hưởng song song

Bộ biến đổi cộng hưởng ng duge chi ra như hình 2.3, thành phần tạo nên khối cộng hưởng là điện cảm cộng hưẻ lược mắc nối tiếp với tụ điện cộng hưởng C;, BBĐ được gọi

là bộ biến đổi cộng hưởng s ong vì tải được mặc song song với tụ điện cộng hưởng Tần số cộng hưởng được tạo ¡ sự cộng hưởng của Lr và Cr, giông như SCR, ta có vùng hoạt động của PRC năm bí Mi tan số cộng hưởng dé đạt được điều kiện ZVS, trở kháng của mạch cũng được thay đổ cách thay đổi tân số của điện á áp vào Vd

} ra, dòng điện chỉnh lưu là liên tục và phù hợp cho những ứng dụng yêu câu dòng “3 với SRC khi không tải tần số không phải thay đổi nhiều để giữ được quy Nhược điểm: so với SRC thì vùng hoạt động của PRC nhỏ hơn nhiều, một vẫn đề lớn gặp phải đôi với SRC là năng lượng tuân hoàn cao ngay cả khi không tải, dòng tuân hoàn tăng khi

mà điện áp vào tăng, dòng này lớn hơn so với SRC làm cho dòng khi khóa van tăng Dòng phía

sơ câp không phụ thuộc vào điêu kiện tải: dòng chính có thê khép vòng qua khôi cộng hưởng ngay cả điêu kiện không tải

c Mạch cộng hưởng nối tiếp song song (SPRC):

Thành phần chính của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp song song là mạch cộng hưởng bao gồm 3 thành phần là điện cảm cộng hưởng Lr, tụ điện cộng hưởng Cr và tụ Cp, mạch cộng hưởng SPRC có thể xem như là sự kết hợp của SRC và PRC, nó giống với SRC ở chỗ có cuộn

Trang 6

cảm lọc được thêm vào phía thứ cấp để đồng bộ về trở kháng Đường đặc tính của SPRC cũng là

sự kết hợp của hai đường đặc tính của SRC và PRC Điều đặc biệt của SPRC là nó có hai tần số cộng hưởng, khi điện áp vào tăng thì bộ biến đổi sẽ làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng Cũng như SRC và PRC, vùng hoạt động của bộ biến đổi nằm bên phải tần số cộng hưởng

Bộ biến đổi SPRC cũng giống như SRC và êu có thê làm việc trong vùng ZCS, nếu so sánh SPRC với PRC và SRC thì có thể tha

nhưng lớn hơn so với SRC điều đó cũng có Giống với PRC và SRC, khi điện áp và

và dòng khi khóa của MOSTFET wih

ong mạch cộng hưởng nhỏ hon so voi PRC

ïa là năng lượng tuần hoàn nhỏ hơn so với PRC thì năng lượng tuần hoàn tăng ngay cả khi non tải

Từ sự phân tu các mạch cộng hưởng truyền thống ta có: khi mạch SRC cũng như mạch PRC làm or sô cộng hưởng thì hiệu suất là lớn nhất Đối với mạch SPRC ta có hai tần số cộng hư: thường mạch làm việc ở tần số cộng hưởng cao hơn sẽ có hiệu suất cao hơn,

để đạt c Niều kiện làm việc điện áp chuyển mạch không (ZVS) thì bộ biến đổi (BBĐ) phải làm việc ở niền đốc xuống của đặc tính DC Tuy nhiên, BBĐ cộng hưởng LCC cũng chưa tối ưu

ở điều kiện điện áp vào cao, lý do tương tự như mạch SRC và PRC, mạch cộng hưởng sẽ làm việc Ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng ở điều kiện điện áp vào cao BBĐ LCC cộng hưởng có hai tần số cộng hưởng nhưng tần số cộng hưởng thấp hơn là vùng ZCS, chúng ta sẽ không thiết

kế BBĐ làm việc ở tần số cộng hưởng này Như vậy dé dat được tần số cộng hưởng mà tại đó vùng làm việc là ZVS, bằng cách thay đổi mạch cộng hưởng LCC ta sẽ có được kết quả: thay thế

L bởi C và ngược lại C bởi L ta sẽ có mạch cộng hưởng LLUC Đặc tính của BBĐ LLC cộng hưởng ngược với đặc tính của BBĐ cộng hưởng LCC, nó vẫn có hai tần số cộng hưởng, tần số thấp hơn được quyết định bởi điện cảm nói tiếp Lr, Lm và

tụ Cr, tần số cao hơn được quyêt định bởi Lr và Cr, tần số cao hơn là vùng làm việc ZVS, nghĩa

là BBĐ được thiết kế dé làm việc xung quanh tần số này Cấu trúc mạch cộng hưởng LLC rất

Trang 7

giống với BBĐ cộng hưởng LC nối tiếp, tuy nhiên độ khuếch đại điện áp của nó khác với của BBĐ LC cộng hưởng nôi tiếp, trong hoạt động cộng hưởng độ tự cảm từ hóa của máy biên áp (MBA) tương đôi nhỏ và phức tạp

Như vậy mạch cộng hưởng LLC sẽ đảm bảo đư Rp yéu cau can thiét va ta sé thiét ké

2.1.2 Lựa chọn mạch nghịch lưu nguồn áp và Nhớ hình lưu

a.Lựa chọn mạch nghịch lưu SO Sử dụng sơ đồ nghịch lưu nử: Qo ít van,diéu khién don giản và tốn thất ít,hiệu suất

bộ biến đổi đạt được có thể lên đề Kee

b.Lựa chọn mach chin!

-Công suất yêu ch ĐỘ nên sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một pha,để đạt được chất lượng điện áp tôt hơn ta sử đô cầu một pha diot

L¿ =Lng+Lu//(n2Ln.) ca 5 “

Hinh 2.8 So dé thay thé cua máy biến áp tích hợp Lõi thép có khe hở không khí để tăng từ thông từ hóa máy biến áp Trong đó từ thông từ hóa máy biên áp thay thê cho Lp Với kích thước khe hở không khí thay đôi ta có thê có được giá trị Lp khác nhau tùy theo yêu câuCoi như điện áp đâu ra là hăng số và các thiệt bị đêu lý tưởng

Trang 8

thì quá trình tính toán máy biến áp phụ thuộc vào giá trị dòng qua cuộn dây cộng hưởng nối tiếp, song song, tải tương đương phía sau mạch

Ưu điểm khi sử dụng máy biến áp tích hợp:

- Tiết kiệm một cuộn dây Lm trong mạch -Giảm kích thước các phần tử từ tính, lõi sắt từ với cùng tính chất thiết kế

- Máy biến áp thiết kế không đòi hỏi phải có đòng rò thấp-> dé chế tạo

- Giảm tổn hao trong máy biến áp 2.2 Nguyên lý làm việc của BBĐ nguồn DC/DC cộng hưởng (mạch công hưởng LLUC) 2.2.1 Nguyên lý làm việc của mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp

Mạch nghịch lưu nguồn áp có nhiệm vụ là tạo ra điện áp dạng xung vuông để đưa vào khối cộng hưởng, 1 4 Khi Q1 và Q2 thay nhau dẫn thì ta có: Khi Q1 dân Q2

khóa điện áp Vạu=Vịn , khi Q1 khóa và Q2 dẫn thì hư,”

điều khiển phát vào các cực điều khiển của Q1 và xen kẽ nhau (sao cho các van dẫn trong thời gi:

nhau) ta có được điện áp ra có dạng xung `

Vout

ge Hình 2.9 Mạch nghịch lưu nửa cầu

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của LLC

Bộ biến đổi có hai tần s ø hưởng, một tần số cộng hưởng là sự cộng hưởng của Lr và

Cr tạo nên, một tần số ưởng được tạo nên bới Cr và Lm +Lr Hai tần số này và đường đặc tính của mạch chia của mạch ra làm ba cùng, vùng ba 3 ứng với vùng ZCS đây là vùng cần tránh rơi vào v: ng hoạt động là vùng 1 và vùng 2 tương ứng vùng trong ZVS

Lm và Lr bằng nhau thì khoảng thời gian này kết thúc và chuyển sang khoảng thời gian tiếp theo khi đóLm bắt đầu tham gia vào cộng hưởng, khi đó tần số cộng hưởng được xác định bởi (Lm+Lr) va Cr Trong khoảng thời gian thứ nhất từ t0 đến t1 lúc này van Q2 bắt đầu khóa lại và van Q1 mở ra,lúc này dòng Ilr <0 ,dòng điện vẫn duy trì theo chiều cũ và chảy qua đi ốt ngược của Q1 tạo nên điều kiện ZVS cho van Q1 do điện áp Uds trên van Q1 lúc chuyển mạch sẽ bằng không,đồng thời dòng TIr này cũng băt đầu tăng lên.điện cả Lm được giữ bởi điện áp ra không đổi nên dòng qua điện cảm Lm tăng tuyến tính

Trang 9

4

Trong khoang thoi ‘hur hai tir t1 dén t2:Khi dong IIr bat dau duong thi diot của Q1 khóa lai va dong chảy qua T QI, trong suốt khoảng thời gian này đầu ra của mạch chỉnh lưu dẫn và điện áp ra đwŸgiữ ở mức Vo cho nên dòng qua Lm tăng tuyến tính nhưng Lm lại không tham gia vào quình cộng hưởng kết thúc khoảng thời gian này là khi dòng qua điện cam Lr va dòng Qua en &m từ hóa bằng nhau và dòng điện ở đầu ra bằng không

dầgg thời gian thứ ba từ t2 đến t3:Kết thúc khoảng thời gian thứ hai tại thời điểm t2 khi

đó dòng qua điện cảm cộng hưởng và điện cảm từ hóa bắng nhau nên dòng điện ở đầu ra của mạch bằng không,đi ot của mạch chỉnh lưu đảo cực tính,điện áp ra Vo khi đó sẽ lớn hơn điện áp

ở đầu vào của mạch chỉnh lưu,ở bên sơ cấp do Lm được tự do nên nó có sẽ tham gia vào quá trình cộng hưởng của mạch ,bây giờ mạch cộng hưởng được tạo nên bởi sự cộng hưởng của Cr

và hai điện cảm nối tiếp là (Lr+Lm),khoảng thời gian cộng hưởng này sẽ kết thúc khi mà van Q1 khóa lại Và ở các chu kỳ sau hoạt động của mạch được lặp lại theo các khoảng thời gian như

Trang 10

b _ Khi tần số chuyển mạch bằng tần số cộng hưởng(fs=fr)

Hình 2.13 Bậ x$ hoạt động khi fs=fr Khi mà tần số cộng hưởng fr bằng với tần số ch ạch,nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi cũng diễn ra như trường hợp fs<fr,chỉ kh cô lúc này không còn khoảng thời gian từ t2 đến t3 ,vì thời gian mà kết thúc quá trình cộng Ngữñg cũng chính là thời gian mà van đã khóa lại.Dạng dòng điện cộng hưởng như hinh 2

C Khi tần số chuyển mạch lớn hơn fa ‘ong hưởng Khi fs>fr bộ biến đổi sẽ làm vi bộ biếnđổi cộng hưởng nối tiếp SRC, Cr va Lr tham gia cộng hưởng còn Lm ai) ia vào quá trìnhcộng hưởng Lm được giữ bởi điện áp ra

và hoạt động như một tải ni) i mạch cộng hưởng.Nhược điểm của bộ biến đổi khi hoạt

Bởi vì mạch chỉnh lưu bên phía thứ cấp làm việc như một MBA trở kháng nên điện trở tải tương đương là khác với điện trở tải thực tế Mạch điện bên phía thứ cấp được thay thế bởi một nguồn dòng hình sin ( I,.) và một điện áp xung vuông ( Vạ¡) xuất hiện ở đầu vào dé cinh lưu Điện trở tương đương được tính như sau:

Trang 11

Mach dién xoay chiéu tương đương rút gọn ( mạch L-L-C) :

Tiêu đề	Bộ biến đổi nguồn DC/DC cộng hưởng mạch cộng hưởng LLC
Tác giả	Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
Người hướng dẫn	TS. Trần Thành
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	9,42 MB