Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lượng cao dùng trong thiết bị điện tử

Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lượng cao dùng trong thiết bị điện tử

đại học giao thông vận tải

-

Phạm thanh huyền

Nghiên cứu giải pháp thiết kế

bộ nguồn chất l−ợng cao

dùng trong thiết bị điện tử

Xin cám ơn các thầy cô trong Khoa

Điện - Điện tử, đặc biệt là TS Nguyễn Thanh Hải - người hướng dẫn khoa học trực tiếp cho luận văn tốt nghiệp này

TS Nguyễn Thanh Hải không chỉ gợi ý

đề tài mà còn đưa ra nhiều ý kiến quý báu để tác giả có thể giải quyết được những vấn đề khó khăn nảy sinh trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và tạo mọi điều kiện

để tác giả có thể đầu tư tối đa thời gian

và công sức hoàn thành công việc của mình

Xin chân thành cám ơn !

Tác giả

Mục lục Danh mục một số từ viết tắt

Mở đầu

Chương 1

Tổng quan chung và các yêu cầu của bộ nguồn trong

thiết bị điện tử

1.1 Tổng quan chung 7

1.1.1 Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống 7

1.1.2 Các loại nguồn sử dụng trong thiết bị điện tử 7

1.2 Đánh giá các phương án thiết kế nguồn ổn định 9

1.2.1 Bộ nguồn ổn định tuyến tính 9

1.2.2 Bộ nguồn chuyển mạch 13

1.3 Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch 15

1.3.1 Khối lọc nhiễu đầu vào 15

1.3.2 Khối nắn và lọc sơ cấp 16

1.3.3 Khối chuyển mạch tần số cao, nắn và lọc thứ cấp 17

1.3.4 Khối điều khiển 17

Chương 2 Bộ biến đổi điện áp DC/DC 2.1 Phương pháp biến đổi điện áp DC/DC 19

2.1.1 Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ A 20

2.1.2 Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B 21

2.1.3 Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ C 22

2.1.4 Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ D 22

2.1.5 Mạch ngắt quãng hoạt động ở cả 4 chế độ 23

2.2 Các bộ biến đổi điện áp DC/DC 24

2.2.1 Bộ biến đổi thế hệ thứ nhất 24

2.2.2 Bộ biến đổi thế hệ thứ hai 33

2.2.3 Bộ biến đổi thế hệ thứ ba 34

2.2.4 Bộ biến đổi thế hệ thứ tư 35

2.2.5 Bộ biến đổi thế hệ thứ năm 36

2.2.6 Bộ biến đổi thế hệ thứ sáu 36

Chương 3 Các giải pháp thiết kế bộ nguồn chuyển mạch 3.1 Mục đích và yêu cầu 38

3.2 Thiết kế khối công suất 39

3.2.1 Bộ chuyển mạch Buck 39

3.2.2 Bộ chuyển mạch Boost 42

3.2.3 Bộ chuyển mạch kiểu đẩy - kéo 46

3.2.4 Bộ chuyển mạch cầu bán phần 52

3.2.5 Bộ chuyển mạch cầu toàn phần 55

3.3 Thiết kế khối điều khiển 58

3.3.1 Giới thiệu chung 58

3.3.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) 59

Chương 4 Mô phỏng 4.1 Giới thiệu chung về các phần mềm mô phỏng 62

4.1.1 Phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink 62

4.1.2 Phần mềm thiết kế mạch điện tử 64

4.1.3 Giới thiệu một số họ IC điều khiển công suất thông dụng 65 4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 67

4.2.1 Giới thiệu chung 67

4.2.2 Tính toán thông số và lựa chọn linh kiện cho từng đầu ra 69 4.3 Đánh giá và thí nghiệm kết quả trên mô hình mô phỏng 88

4.3.1 Mô phỏng cho mạch đơn 88

4.3.2 Mô phỏng cho mạch tổng hợp: 88

Tài liệu tham khảo 92

Danh mục Một số từ viết tắt

AC Xoay chiều

AC/AC Biến đổi điện áp xoay chiều sang xoay chiều

AC/DC Biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều

BJT Transistor lưỡng cực

DC Một chiều

DC/AC Biến đổi điện áp một chiều sang xoay chiều

DC/DC Biến đổi điện áp một chiều sang một chiều

EMI Nhiễu điện từ

FET Transistor hiệu ứng trường

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kỹ thuật cấp nguồn là kỹ thuật liên quan tới việc cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị sử dụng Điều này có tính quan trọng sống còn đối với ngành công nghiệp điện tử Các bộ chuyển đổi dạng năng lượng điện được chia thành 4 loại là:

ƒ Biến áp biến đổi AC / AC

ƒ Bộ chỉnh lưu biến đổi AC/DC

ƒ Bộ nghịch lưu biến đổi DC/AC

ƒ Bộ biến đổi DC/DC

Trong đó, biến áp và bộ chỉnh lưu khá đơn giản, chúng xuất hiện từ rất lâu và được nghiên cứu đầy đủ từ lý thuyết tới xây dựng mạch thực tế Tới nay vấn đề này có thể coi như đã được hoàn thiện Còn bộ nghịch lưu và bộ biến đổi DC/DC còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu Bộ biến đổi DC/DC (cơ sở để xây dựng bộ nguồn chuyển mạch chất lượng cao và bộ điều khiển

động cơ một chiều) xuất hiện sau một thời gian dài và mặc dù phát triển không ngừng kể từ khi ra đời nhưng lý thuyết về chúng còn rất ít mà hầu hết ở dạng những bài báo đưa ra các sơ đồ mạch cụ thể mà các nhà nghiên cứu tìm ra để đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng nhất định nào đó

Trước thực tế đó, tác giả luận văn này mạnh dạn đi sâu nghiên cứu về lý thuyết của việc chuyển đổi DC/DC, trên cơ sở ấy đưa ra các giải pháp thiết

kế nguồn chuyển mạch Để minh chứng cho lý thuyết một cách trực quan

và sinh động hơn, luận văn có xây dựng phần mô phỏng cho một ứng dụng

cụ thể

Sau khi hoàn thành, luận văn sẽ góp phần làm rõ lý thuyết cũng như cho biết một số điều chỉnh thực tế của việc thiết kế nguồn chất lượng cao dùng trong thiết bị điện tử

2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

Vấn đề nghiên cứu nguồn chuyển mạch là một vấn đề không mới nhưng có thể nói là rất khó vì chúng thay đổi rất nhanh nhằm đáp ứng những đòi hỏi ngày càng phức tạp của thực tế Mặc dù mang tính thực tiễn và ứng dụng rất cao nhưng nghiên cứu lý thuyết về nguồn chuyển mạch thì còn thiếu rất nhiều Mặt khác, do tính cạnh tranh về thương mại mà các nhà sản xuất có

thể đưa ra sản phẩm nhưng không hề công bố lý thuyết kèm theo Vì vậy, những người dùng khi cần sửa chữa hoặc muốn tự thiết kế theo yêu cầu riêng là rất khó khăn

Các đề tài nghiên cứu trong nước hầu như không có, tất nhiên không kể tới những tài liệu nói về điện tử công suất cơ bản

Trên thế giới có rất ít người nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này Tài liệu chỉ ở dạng các bài báo đăng trên tạp chí IEEE về các kỹ thuật liên quan tới bộ nguồn chuyển mạch như kỹ thuật DC/DC, hoặc sơ đồ mang tính giới thiệu của các hãng sản xuất (nếu lắp ráp như vậy phần lớn mạch không hoạt

động và cũng không có cơ sở để lựa chọn linh kiện hay thay đổi cấu hình) Tuy vậy, cũng có tài liệu nói tới việc thiết kế nhưng lại theo kinh nghiệm là chủ yếu

3 Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật mạch điện tử,

điện tử công suất, hệ thống điều khiển có phản hồi …

Các bài báo, tài liệu khoa học …

Hướng dẫn sử dụng các phần mềm mô phỏng như Matlab, LTspice, SW Cad III, BodeCad, Swift Desinger, TPS 40 Desinger, LoPwrDC Desinger …

Phương pháp nghiên cứu:

Chủ yếu là phương pháp tổng hợp và phân tích trên cơ sở lý thuyết đã có Ngoài ra, còn thống kê, so sánh để lựa chọn phương án tối ưu

5 Đóng góp về mặt khoa học của luận văn

Giới thiệu và làm rõ lý thuyết cơ bản về nguồn chuyển mạch

Xây dựng thử nghiệm công cụ thiết kế nguồn chuyển mạch một cách nhanh chóng và tiện lợi nhờ phần mềm mô phỏng

6 ý nghĩa thực tế của luận văn

Cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc phân tích và thiết kế bộ nguồn chuyển mạch

Đánh giá chất lượng và hiệu suất với loại nguồn chuyển mạch

7 Kết cấu của luận văn

Luận văn gồm 4 chương với 3 chương lý thuyết và một chương trình bày phần mô phỏng Ngoài ra còn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo

Chương 1

Tổng quan chung và các yêu cầu của bộ

nguồn trong thiết bị điện tử

1.1 Tổng quan chung

1.1.1 Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống

Nguồn điện trong các hệ thống điện tử đóng vai trò hết sức quan trọng Đó

là nơi cung cấp năng lượng điện cho hệ thống hoạt động cũng như trái tim cung cấp máu đi nuôi cơ thể Vì vậy có thể nói rằng việc tạo ra bộ nguồn chất lượng cao có vai trò quyết định tới sự sống còn của cả hệ thống

Các hệ thống điện tử ngày nay đều sử dụng năng lượng của dòng điện một chiều, việc cấp nguồn một chiều có thể thực hiện bằng cách sử dụng các nguồn pin, acquy, pin mặt trời nhưng các nguồn này không có tính ổn

định (nguồn yếu đi sau một thời gian hoặc phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện bên ngoài) Do đó, với các hệ thống yêu cầu hoạt động tin cậy trong một thời gian dài thì yêu cầu bộ nguồn phải đảm bảo về độ ổn định cao và phạm vi ổn định rộng Để đáp ứng được yêu cầu đó các bộ nguồn dùng trong thiết bị điện tử đều sử dụng phương án tối ưu là lấy nguồn cung cấp chính từ đường dây điện lực, đồng thời kết hợp với nguồn dự phòng là pin hoặc máy phát điện

Tuy nhiên, phần quan trọng nhất để quyết định tính ổn định của bộ nguồn lại không phụ thuộc vào cách dùng nguồn chính hay nguồn dự phòng vì sau đó chúng đều cần đi qua phần ổn định để đảm bảo đầu ra không đổi Chúng ta sẽ làm rõ điều này ở các phần tiếp theo đây

1.1.2 Các loại nguồn sử dụng trong thiết bị điện tử

Cùng với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử, các bộ nguồn cũng liên tục được thay đổi để đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao

về chất lượng cũng như sự đa dạng trong mục đích sử dụng

Sự ổn định của nguồn cung cấp quyết định sự an toàn cho thiết bị, tăng

sự chính xác trong hoạt động và kéo dài tuổi thọ của chúng, hiện nay việc

ổn định này được thực hiện hoàn toàn tự động với chất lượng rất cao

Hình 1 1: Sơ đồ khối đơn giản của một bộ nguồn

Khối 1: Biến áp

Khối 2: Nắn và lọc sơ cấp

Khối 3: Nguồn dự phòng

Khối 4: Bộ ổn định

Từ sơ đồ trên có thể thấy rất rõ là sự khác biệt của các bộ nguồn để tạo

ra chất lượng khác nhau chính là ở khối 4 Bộ ổn định

Khối 1 và 2 có một số sơ đồ thông dụng như hình dưới đây:

C2

C1 ac

Ui

TR

dc ac

Ui

Uo Rt

Phần tử cơ bản trong bộ ổn định được gọi là phần tử hiệu chỉnh (PTHC) Dựa vào phần tử này ta có thể phân loại các bộ nguồn như sau:

+ Dựa vào cách mắc phần tử hiệu chỉnh với tải, ta có bộ nguồn ổn định song song và bộ ổn định nối tiếp

+ Dựa vào loại dòng điện mà bộ ổn định làm việc, ta có bộ nguồn ổn định xoay chiều và bộ nguồn ổn định một chiều

+ Dựa vào đặc tính làm việc của PTHC, ta có bộ ổn định liên tục (tuyến tính) và bộ ổn định ngắt quãng (bộ ổn định chuyển mạch)

Sau đây ta chỉ xét một số mạch ổn định tuyến tính và mạch ổn định chuyển mạch để thấy được ưu nhược điểm của từng loại mà lựa chọn cho phù hợp với yêu cầu

1.2 Đánh giá các phương án thiết kế nguồn ổn định

1.2.1 Bộ nguồn tuyến tính

Như đã nói ở phần trên sự khác nhau cơ bản của các bộ nguồn chính là ở PTHC Vì vậy trong phần này ta sẽ xét tới một số sơ đồ điển hình với PTHC khác nhau để nhận ra được ưu khuyết điểm của bộ nguồn tuyến tính

1.2.1.1 Phần tử hiệu chỉnh mắc song song với tải

Bộ ổn định này khá đơn giản, PTHC là diode Zene hoặc điện trở nhiệt Tecmitto được mắc song song với tải theo sơ đồ như hình dưới đây:

-Rt D

ZENER

Rcb

+

R Rt Rdc

-Trong sơ đồ thứ nhất, nội trở của diode Zene giảm theo sự gia tăng của

điện áp ngược đặt vào, khi đó Uz = Iz Rz ≈ const, tức là giữ cho điện áp giữa hai đầu điện trở tải Rt ổn định

Trong sơ đồ thứ hai, nhiệt trở RT được chế tạo bằng chất bán dẫn có hệ số nhiệt âm, khi nhiệt độ tăng 1000C thì điện trở bản thân của RT giảm xuống

từ 20 – 400 lần Khi điện áp đầu vào tăng thì dòng cũng tăng làm cho nhiệt trở nóng lên, dẫn đến điện trở của nó giảm xuống, kết quả là tổng trở của nhánh RT, Rp song song với tải giảm xuống, sụt áp trên Rcb tăng và giữ cho

Vo ổn định

Từ sơ đồ nguyên lý và hoạt động của các mạch trên có thể nhận thấy rằng chúng có ưu điểm là đơn giản nhưng khả năng ổn định của mạch hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu chế tạo linh kiện làm PTHC Thêm nữa, các mạch này chỉ có thể tạo ra được điện áp thấp ổn định từ điện

áp cao hơn, tức là không thể nâng được điện áp lên khi nó bị giảm Mặt khác, bản thân các PTHC này làm tiêu hao một phần công suất khá lớn nên

ảnh hưởng tới hiệu suất của toàn mạch

1.2.1.2 Phần tử hiệu chỉnh mắc nối tiếp với tải

Bộ ổn định này còn gọi là bộ ổn định có hồi tiếp, khi đó hệ số ổn định cao

và công suất ra lớn

Phần tử hiệu chỉnh

Bộ khuếch đại

Mạch hồi tiếp

Bộ

so sánh Nguồn chuẩn

Ur

Điện áp một chiều ổn định

Uv

Điện áp một chiều

chưa ổn định

Tải

Hình 1 4: Sơ đồ khối của bộ ổn định có hồi tiếp

PTHC được điều khiển bằng tín hiệu một chiều từ bộ khuếch đại Trong sơ đồ này PTHC là các BJT hoặc FET loại công suất làm việc ở chế độ khuếch đại, khi đó nội trở của chúng biến đổi theo điện áp ra, nếu bằng

cách nào đó điều khiển được sự thay đổi của nội trở này ta sẽ làm cho điện

áp trên tải ổn định

Mạch hồi tiếp lấy điện áp ra hoặc một phần điện áp ra đưa về bộ so sánh

Bộ so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ra của mạch hồi tiếp với nguồn

điện áp chuẩn Kết quả so sánh là điện áp một chiều được đưa tới PTHC sau khi qua bộ khuếch đại để tăng khả năng điều khiển

Nguồn chuẩn tạo ra điện áp ổn định không phụ thuộc vào sự thay đổi của

điện áp vào hay điện áp ra để cung cấp cho bộ so sánh Nguồn chuẩn thường dùng diode Zene để tạo điện áp chuẩn ổn định

Để đánh giá ưu nhược điểm của bộ nguồn tuyến tính có hồi tiếp ta xét sơ

đồ phổ biến sau đây:

Vo

Khuếch đại dòng Vref

Bộ khuếch đại sai số Vi

ac

Io

+ R1

Hình 1 5: Bộ nguồn tuyến tính có hồi tiếp

Trong đó, Transistor hoạt động ở chế độ tuyến tính, có nội trở thay đổi để

điện áp ra luôn là hằng số Bộ khuếch đại sai số thực chất là bộ so sánh một phần điện áp ra (lấy qua bộ chia áp R1, R2) với điện áp chuẩn Vref Điện

áp ra của bộ khuếch đại sai số điều khiển cực gốc của BJT thông qua bộ khuếch đại dòng điện

Nếu điện áp ngõ ra tăng (do tăng điện áp ngõ vào hoặc do giảm dòng tải) thì điện áp cực phát của BJT tăng, trong khi điện áp cực gốc giảm vì tín hiệu hồi tiếp đưa tới bộ so sánh là hồi tiếp âm, do đó nội trở của BJT tăng lên, sụt áp trên BJT tăng và điện áp ngõ ra giảm xuống Điện áp mới được tạo ra lại tiếp tục được so sánh với điện áp mẫu tới khi đạt trạng thái cân bằng với điện áp mẫu Nhưng khi điện áp ngõ ra giảm, quá trình trên lại không diễn ra ngược lại

Như vậy có thể thấy khuyết điểm rõ ràng của bộ ổn định tuyến tính có hồi tiếp là:

ƒ Chỉ tạo được điện áp thấp từ điện áp cao hơn

ƒ Ngõ vào và ngõ ra không được cách ly về mặt một chiều

ƒ Toàn bộ dòng tải qua transistor, transistor này làm việc liên tục ở chế

độ tuyến tính nên tổn hao là quá lớn Trong hầu hết các trường hợp sụt áp trên transistor là 2.5V đối với loại NPN và 1V đối với loại PNP

Khi điện áp DC thô lấy ra từ cuộn thứ cấp của biến áp đã được chỉnh lưu,

và sử dụng tụ lọc đủ lớn để lọc độ gợn sóng vô nghĩa, thường chọn số vòng dây cuộn thứ cấp để điện áp thứ cấp đã chỉnh lưu là Vo + 2.5V khi ngõ vào

AC ở mức dung sai nhỏ Nhưng khi điện áp AC có dung sai lớn thì sai lệch

sẽ lớn hơn và tổn hao trên PTHC sẽ lớn hơn và do vậy hiệu suất cấp nguồn

Hiệu suất Po/Pi(max) %

đó cũng thấy rằng nếu điện áp ra Vo lớn thì hiệu suất cao hơn so với khi

78L05

Hình 1 6: Sơ đồ mạch ổn áp dương và âm dùng IC ổn áp

Vi mạch tích hợp được sử dụng trong các bộ nguồn ổn định tuyến tính thực chất là một mạch bao gồm đầy đủ các thành phần của một sơ đồ ổn áp

có hồi tiếp, có mạch hạn chế dòng và bảo vệ quá áp Điều này khiến cho việc ổn định nguồn trở nên đơn giản và thuận lợi cho người sử dụng Tuy nhiên, các mạch này thường có dòng nhỏ (ví dụ hai loại 78L05 và 79L05 như hình trên chỉ cho dòng 100mA) vì khi dòng lớn (từ 3A trở lên) thì IC phải có vỏ bọc kim loại với giá thành cao và tổn hao bên trong của các transistor cũng khá lớn

Tóm lại, ưu điểm lớn nhất của bộ nguồn ổn định tuyến tính là sự đơn

giản trong sơ đồ, nhưng nhược điểm cơ bản lại tương đối nhiều, có thể kể ra là:

ƒ Sử dụng biến áp nguồn với tần số thấp (50 – 60Hz) nên kích thước và trọng lượng lớn

ƒ Tiêu thụ công suất lớn trên PTHC Dòng phụ tải càng lớn, dải ổn định

điện áp càng rộng thì PTHC tiêu thụ công suất càng lớn Vì vậy, bộ nguồn tuyến tính chỉ làm việc với dòng ngõ ra nhỏ hơn 5A

ƒ Hiệu suất của mạch thấp (thường từ 30% - 60%)

ƒ Kích thước của PTHC lớn vì phải toả nhiệt, mật độ công suất tải ra chỉ từ 0.2 – 0.3W/in3, nghĩa là tương đối lớn với hệ thống nhỏ làm bằng IC

1.2.2 Bộ nguồn chuyển mạch

Vào cuối những năm 70 của thế kỷ 20, người ta đã tạo ra được một loại nguồn ổn định mới là nguồn ngắt quãng (nguồn xung) hay còn gọi là nguồn chuyển mạch (SMPS – Switching Mode Power Supply) Bộ nguồn này làm việc với hiệu suất cao (từ 80 – trên 90%), dải điện áp làm việc rộng và kích thước, trọng lượng nhỏ nhẹ

Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch được cho trong hình 1.7 Chú ý rằng sơ đồ này là sơ đồ đầy đủ với nguồn cấp ban đầu là nguồn điện lưới xoay chiều, tuỳ những điều kiện cụ thể mà sơ đồ của bộ nguồn thực tế có thể không có một số khối Ví dụ, nếu bộ nguồn chuyển mạch dùng pin hay acquy thì không cần có khối (1) – Khối lọc nhiễu đầu vào và (2) – Khối nắn

và lọc sơ cấp

(6) (9)

5) Hồi tiếp để lấy mẫu điện áp ra

6) Khuếch đại sai lệch của điện áp lấy mẫu và điện áp chuẩn (thực chất là

bộ so sánh có khuếch đại)

7) Bộ tạo điện áp chuẩn

8) Bộ tạo xung tam giác

số vòng dây sẽ giảm đi rất nhiều, tức là giảm được kích thước và trọng lượng của biến áp, cuộn chặn so với bộ nguồn thông thường có cùng công suất

Phần chuyển mạch chính sử dụng các BJT và MOSFET công suất lớn, tần số chuyển mạch cao, làm việc ở chế độ ngắt / mở nên tổn hao công suất rất nhỏ, toả nhiệt đơn giản

Từ các đặc điểm trên làm cho SMPS có các ưu điểm vượt trội so với bộ nguồn tuyến tính như sau:

ƒ Phần tử chuyển mạch tích cực hoạt động ở một trong hai chế độ đóng hoặc ngắt nên khả năng truyền tải công suất lớn hơn nhiều so với ở chế độ tuyến tính Nhờ vậy hiệu suất cao (80 – 90%) trong khi các bộ nguồn tuyến tính có hiệu suất thấp (<60%)

ƒ Không sử dụng biến áp nguồn 50/60Hz ở đầu vào, do vậy giảm thiểu kích thước và trọng lượng của bộ nguồn

ƒ Dải làm việc ổn định rộng cho nhiều đầu ra khác nhau

1.3 Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch

Như đã nói ở phần trên, SMPS bao gồm nhiều khối, vì vậy để đưa ra được yêu cầu của cả bộ nguồn một cách chi tiết ta sẽ phân tích nó theo sơ đồ khối

để thấy được các yêu cầu riêng của từng khối

1.3.1 Khối lọc nhiễu đầu vào

Cấu trúc:

C2 C1

Lch

Hình 1 8: Khối lọc nhiễu đầu vào

Khối này có nhiệm vụ lọc bỏ các nhiễu cao tần Trong không gian có rất nhiều các nhiễu cao tần phát ra từ các thiết bị điện tử có nguồn phát xạ RFI Thêm nữa, bản thân nguồn xung cũng là nguồn tạo ra các thành phần tần số cao gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh

Bộ lọc sẽ chặn lại các tín hiệu nhiễu đó không đưa ra đường dây, đồng thời nó cũng chặn các xung nhiễu RFI từ ngoài không cho ảnh hưởng tới bộ nguồn (đặc biệt là khối chuyển mạch)

Bộ lọc gồm các tụ lọc cao tần và biến áp cao tần Biến áp này có rất ít vòng dây, có nhiệm vụ chặn nhiễu cao tần đối xứng từ đầu vào và đầu ra nhưng trở kháng của nó lại coi như bằng không với dòng cung cấp tần số

50 - 60Hz Tụ lọc cao tần có điện dung chỉ vài chục nF, với nhiệm vụ lọc nhiễu cao tần không đối xứng từ đầu vào và đầu ra, trở kháng của các tụ này rất lớn (coi như ∞) với dòng cung cấp tần số 50 – 60Hz

Từ nhiệm vụ như trên của khối lọc nhiễu cao tần, ta thấy khối này cần

Các sơ đồ thông dụng của khối này đã được đề cập trong phần 1.1 của chương 1 nên ở đây chỉ nêu ra yêu cầu chất lượng cho khối nắn và lọc sơ cấp như sau:

ƒ Tạo ra điện áp DC có độ ổn định tốt, tức là độ gợn sóng càng nhỏ càng tốt

ƒ Các linh kiện, đặc biệt là diode phải có khả năng chịu điện áp ngược

và dòng điện ngược lớn vì loại nguồn chuyển mạch không dùng biến

áp, nghĩa là điện áp 220V AC được trực tiếp chỉnh lưu nên các tham

số này lớn hơn rất nhiều so với mạch có sử dụng biến áp nguồn Tuy nhiên, công suất tổn hao dưới dạng nhiệt của diode phải càng nhỏ càng tốt

Để loại bỏ các thành phần gợn sóng của điện áp ra sau khi nắn, cần sử dụng các mạch lọc nguồn Nhưng mạch lọc nguồn không được phá vỡ chế

độ hoạt động bình thường của mạch chỉnh lưu, không được gây méo thêm, không được gây ra quá trình quá độ làm hỏng van chỉnh lưu, tần số dao

động riêng của bộ lọc phải khác xa tần số của thành phần gợn sóng mà nó phải lọc để tránh hiện tượng cộng hưởng làm phá hỏng chế độ hoạt động của mạch nắn, và tổn hao trên mạch lọc phải nhỏ

1.3.3 Khối chuyển mạch tần số cao, nắn và lọc thứ cấp

Khối này còn được gọi là bộ biến đổi DC/DC vì đầu vào là một chiều và

đầu ra cũng là một chiều Đây là khối cơ bản của nguồn chuyển mạch, việc phân tích cấu trúc của khối này để tìm ra được phương án tối ưu được trình bày kỹ trong chương 2 và chương 3 ở đây, chỉ đề cập tới yêu cầu chất lượng của bộ DC/DC:

ƒ Tiêu thụ công suất nhỏ trên phần tử chuyển mạch để tăng hiệu suất của mạch

ƒ Mật độ công suất tải ra đạt mức cao (loại phổ biến là 1 – 4W/inch2 và loại đặc biệt là 40 – 50W/inch2)

ƒ Mạch đơn giản nhưng hiệu suất cao

ƒ Công suất, điện áp và dòng điện đầu ra phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng

1.3.4 Khối điều khiển

Khối điều khiển của nguồn chuyển mạch gồm các khối 5, 6, 7, 8, 9, 10 Việc phân tích cấu trúc của khối này sẽ được trình bày cụ thể trong chương

3 Tuy nhiên, có thể nhận ra yêu cầu của khối này như sau:

ƒ Tạo ra các xung vuông độ rộng biến đổi ngược với điện áp trên tải để

điều khiển các transistor chuyển mạch Có thể điều khiển được điện

áp trung bình ở ngõ ra bằng cách thay đổi dãy xung vuông này Để tạo ra dãy xung vuông có độ rộng xung thay đổi người ta có thể thực hiện theo cách giữ cho tần số cố định hoặc thay đổi tần số trong khi giữ cho thời gian không có xung cố định

ƒ Cung cấp đủ công suất kích thích cho các chuyển mạch chính

ƒ Bảo vệ quá dòng và quá áp trên tải

ƒ Bảo vệ khử điện áp vào quá thấp hoặc quá cao

Kết luận:

Khối cấp nguồn dùng cho các thiết bị điện tử có thể được thiết kế theo hai phương án là nguồn tuyến tính hoặc nguồn chuyển mạch Theo những phân tích ở trên thì nguồn chuyển mạch có nhiều ưu thế hơn cả, đây chính

là xu hướng phát triển của kỹ thuật cấp nguồn trong thời gian qua Với những ưu điểm hoàn toàn vượt trội của mình, loại nguồn này xuất hiện trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại

Tuy nhiên, cũng nhận thấy ngay rằng để có được những ưu điểm đó, nguồn chuyển mạch có cấu trúc phức tạp và rất đa dạng tuỳ vào những ứng dụng khác nhau Với những bước tiến không ngừng của kỹ thuật tích hợp thì hiện nay các bộ nguồn chuyển mạch cũng được đơn giản hoá khá nhiều vì phần lớn mạch đã được tích hợp trong các IC chính (ví dụ như IC điều khiển)

Việc xác định được yêu cầu cơ bản của bộ nguồn chuyển mạch dùng trong thiết bị điện tử sẽ giúp cho việc thiết kế bộ nguồn được chính xác và

đạt hiệu quả cao Các chương tiếp theo sẽ phân tích lý thuyết và đưa ra các cấu hình mạch để đáp ứng được các yêu cầu đó

Chương 2

Bộ biến đổi điện áp DC/DC

Như đã nói ở trên, bộ biến đổi DC/DC là một trong những phần quan trọng nhất của một SMPS, vì vậy việc nghiên cứu kỹ thuật biến đổi DC/DC là rất cần thiết Có thể nói, kỹ thuật biến đổi DC/DC là một hướng nghiên cứu quan trọng của lĩnh vực điện tử công suất với thời gian phát triển tương đối dài (từ đầu những năm 20 của thế kỷ 20) Các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử khác nhau và cả các bộ điều khiển

động cơ một chiều Các bộ biến đổi DC/DC phát triển rất nhanh và chiếm thị phần thậm chí còn lớn hơn cả các bộ AC/DC, theo hai hướng chính là

điện áp thấp và mật độ công suất cao

Khi yêu cầu về nguồn cung cấp một chiều điện áp thấp ngày càng trở nên cấp bách thì kỹ thuật biến đổi DC/DC được dịp phát triển nhanh với dạng mạch sơ khai là các mạch ngắt quãng Để hiểu được các xu hướng phát triển của bộ DC/DC, phần tiếp theo đây sẽ giới thiệu các mạch ngắt quãng

là mạch nguyên lý để biến đổi điện áp DC/DC và các bộ DC/DC tiên tiến Sau đó sẽ đi vào chi tiết phân tích sự phát triển của kỹ thuật biến đổi DC/DC và đưa ra mô hình mạch lựa chọn

2.1 Phương pháp biến đổi điện áp DC/DC

Các phương pháp biến đổi điện áp DC/DC dựa trên hoạt động của mạch ngắt quãng Tuỳ vào chiều của điện áp và dòng điện ở lối ra, người ta chia hoạt động của mạch ngắt quãng thành 4 chế độ: A, B, C, D Có thể mô tả

Hình 2 1: 4

điều này trong hình 2.1:

chế độ hoạt động của mạch ngắt quãng

I V

Chế độ D Chế độ C

Trong đó: C

ng Nguyên tắc chung của việc biến đổi điện áp DC/DC chính là “băm nhỏ”

dạng điện áp liên tục ban đầu thành dãy xung, khi đó điện áp trung bình của dãy xung này có thể thay đổi được nhờ thay đổi độ rộng xung của dãy xung

đó Như vậy có thể sử dụng thêm bộ lọc thông thấp để lấy ra được điện áp

DC ở đầu ra với giá trị tuỳ chọn

Điện áp và dòng điện ra đều mang dấu dương Sơ đ

điện áp tương ứng được cho trong hình 2.2 Chuyển mạch S có thể là các linh kiện bán dẫn như BJT, IGBT hoặc MOSFET

Vi

Hình 2 2: Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch ngắt quãng chế độ A

theo trạng thái đóng / mở của chuyển mạch S mà điện áp Vp có

liên tục / ngắt quãng tương ứng Giả sử tất cả các linh kiện trong mạch đều

lý tưởng (chưa có bộ lọc thông thấp LC) thì điện áp trung bình của Vp(t) là

on

on

dt dt

V T dt t V

V T

Trong đó: T = 1/f, f là tần số ngắt quãng của chuyển mạch S

Ton là thời gian chuyển mạch dẫn, k được gọi là hệ số dẫn

Như vậy, nếu thay đổi hệ số dẫn k thì điện áp đầu ra sẽ thay đổ

n áp đầu vào vì 0< k< 1 Tuy nhiên, điện áp trên tải có dạng

ông liên tục, để giảm thiểu độ gợn sóng của điện áp này người ta mắc thêm một bộ lọc thông thấp LC như hình vẽ và khi đó Vo có thể coi như lý tưởng sẽ có dạng đường thẳng không đổi

S

L +

dt t V

V k V

T

T

) 1 ( ư

= (2 2)

Trong đó: T là thời gian mà chuyển mạch ngắt Toff = T - Ton

on/T off

k là hệ số dẫn, k = T

Công thức (2 nên Vi > Vp(avr), tức là nếu cung cấ

p điện áp đầu vào tại Vo, điện áp đầu ra Vi sẽ lớn hơn điện áp cung cấp

đầu vào Do đó, mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B là mạch cơ sở để

xây dựng bộ ổn định Boost (bộ ổn định tăng cường), sẽ nói chi tiết ở phần

2.2

2

Vi

t Vp

t Vo

ức tính điện áp đầu ra (giá trị tuyệt đối) giống ở mạch chế độ A Tức là giống biểu thức (2.1):

i i on

ện áp đầu ra mang dấu âm còn dòng điện ra mang dấu dương Cách tính

điện áp (giá trị tuyệt đối) giống như mạch chế độ B Tức là:

off

i

V T

T

) 1 ( ư

+ Vo

S3

S4

D3

D4 S2

S1

D2

D1 +

Vi

Hình 2 6: Sơ đồ tổng quát của mạch ngắt quãng hoạt động ở 4 chế độ

đồ mạch như trên, điện áp đầu vào dương, điện áp đầu ra và

đầu ra cũng có thể dương và cũng có thể âm Từ sơ đồ tổng quát này có thể thấy trạng thái của các chuyển mạch và của các diode ở các chế độ đơn

được cho trong bảng sau:

S / D

S1 Hoạ t động Không hoạt động Không hoạt động Hoạ t động

D1 Không hoạt động Hoạt động Hoạt động Không hoạt động S2 Không hoạt động Hoạt động Hoạt động Không hoạt động D2 Hoạt động Không hoạt động Không hoạt động Hoạt động

S3 Không hoạt động Không hoạt động Đóng Không hoạt động D3 Không hoạt động Không hoạt động Không hoạt động Đóng

S4 Đóng Không hoạt động Không hoạt động Không hoạt động D4 Không hoạt động Đóng Không hoạt động Không hoạt động

Các bộ biến đổi DC/DC hoạt động dựa trên nguyên lý của mạch ngắt

.2 Các bộ biến đổi điện áp DC/DC

bộ biến đổi cơ sở hoạt động ở chế độ

đơn (A, B, C hoặc D) và trong dải công suất thấp (dưới 100W) Người ta

quãng, chúng không chỉ được ứng dụng trong việc thiết kế nguồn chuyển mạch mà còn là cơ sở để xây dựng các mạch điều khiển động cơ (một xu hướng phát triển không kém phần quan trọng của bộ biến đổi DC/DC)

2

Theo thống kê chưa đầy đủ, hiện có khoảng 500 loại mạch khác nhau của

bộ biến đổi DC/DC Do vậy, việc phân loại các kiểu mạch này là cần thiết

để thấy được ưu nhược điểm của từng loại, từ đó xác định phạm vi ứng dụng

cụ thể cho chúng Có thể phân chia các loại mạch của bộ biến đổi DC/DC thành 6 thế hệ như sau:

ƒ Thế hệ thứ nhất: c

ƒ Thế hệ thứ hai: các bộ biến đổi hoạt độn

ƒ Thế hệ thứ ba: các bộ biến đổi với các phần tử chuyển mạc

ƒ Thế hệ thứ tư: các bộ biến đổi chuyển mạch mềm ZCS/ZVS/ZT

ƒ Thế hệ thứ năm: các bộ biến đổi với mạch chỉnh lưu đồng bộ SR

ƒ Thế hệ thứ sáu: các bộ biến đổi với nhiều phần tử tích trữ năng lưcộng hưởng từ MER

vậy, có thể hình dun

/DC là một công việc khó khăn, đòi hỏi thời gian cũng như kiến thức cực

kỳ lớn Trong khuôn khổ có hạn của một luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ở đây sẽ chỉ trình bày những vấn đề cơ bản nhất, cụ thể là về bộ biến đổi DC/DC thế

hệ thứ nhất (phân tích hoạt động và thiết kế chi tiết) Tuy nhiên, để nắm bắt vấn đề một cách tổng quan tác giả vẫn xin trình bày sơ lược về các bộ biến

đổi thế hệ sau đó

2.2.1 Bộ biến đổi thế hệ thứ nhất

Các bộ biến đổi thế hệ thứ nhất là các

phân chia các bộ biến đổi điện áp DC/DC thế hệ thứ nhất thành 5 nhóm

theo trình tự xuất hiện của chúng:

ƒ Bộ biến đổi cơ bản

ƒ Bộ biến đổi kiểu biến áp

ƒ Bộ biến đổi cải tiến

ƒ Bộ biến đổi nhân áp

ƒ Bộ biến đổi siêu nhân áp

2.2.1.1 Bộ biến đổi cơ bản

ến đổi Buck, Boost và Buck – Boost

đó xây dựng các bộ biến đổi DC/DC, về thực

a điện áp đầu ra là rất lớn

Sơ đồ mạch và dạng sóng đầu vào / ra của mạch đ−ợc cho trong hình 2.7

Hình 2 7: Sơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng vào / ra của bộ biến đổi Buck

Khoá S và diode D luân phiên làm việc ở chế độ dẫn và ngắt, trong khi

g qua cuộn dây chảy liên tục

-+

C S

D

L

R

Bộ biến đổi này chính là mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ A, do đó

điện áp đầu ra V2 được tính theo công thức (2.1) như đã nói ở phần 2.1

V2 = V1T

T on

= k V1

Với Ton là thời gian dẫn của khoá S k được gọi là hệ số dẫn k = Ton/T

Vì k luôn nhỏ hơn 1 nên bộ biến đổi Buck còn gọi là bộ giảm điện áp

vớ

ơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng của dòng vào và ra như hình 2.8

Khoá S và diode D luân phiên làm việc ở chế độ dẫn và ngắt, trong khi

dò

được sử dụng khi cần điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp DC đầu v

i hệ số k có thể điều chỉnh được Việc phân tích hoạt động và thiết kế cho

bộ biến đổi này được trình bày cụ thể trong chương 3

Bộ biến đổi Boost

S

ng qua cuộn dây chảy liên tục

Hình 2 8: Sơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng vào / ra của bộ biến đổi Boost

-+

C D

S L

Bộ biến đổi Boost chính là mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B Điện

áp

V2 =

được tính theo công thức (2.2) Do đó V2 được tính như sau:

1 1

1

1

T

V k

V

Vì 0 < k < 1 nên V2 > V1 Như vậy bộ biến đổi cho phép điện áp đầu ra lớ

ổi Buck – Boost

ạng sóng của dòng vào và ra của bộ biến đổi Bu

vào giá trị k Điện áp đầu ra được tính theo công thức:

n hơn điện áp đầu vào, người ta gọi bộ biến đổi Boost là bộ biến đổi

tăng cường Mạch này cho phép tạo ra điện áp đầu ra DC lớn hơn điện áp

đầu vào DC với hệ số k thay đổi được Việc phân tích hoạt động và thiết kế

cho bộ biến đổi này được trình bày cụ thể trong chương 3

i2 i1

C D

Hình 2 9: Sơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng vào / ra của bộ biến đổi Buck-Boost

Bộ biến đổi Buck – Boost là bộ biến đổi có khả năng tăng hoặc giảm áp tuỳ

V2 = 1 1

1 k V

k V T T

– B

Các bộ biến đổi cơ bản đã nói ở phần trên có sự liên hệ về phần một chiều

iện áp còn tương đối thấp Để cải thiện

ward Converter ull Converter

r

B

ộ biến đổi thuận có sơ đồ như hình 2.10 Chuyển mạch S và diode D1 hoạt

động đóng / mở một cách đồng bộ còn diode D2 luân phiên đóng / mở

< 1/2 ó: V2 < V1 thể sử dụng bộ biến đổi này để tạo ra đư

hoặc thấp hơn điện áp đầu vào Vì lý dooost được sử dụng tương đối rộng rãi

2.2.1.2 Bộ biến đổi kiểu biến áp

từ đầu vào tới đầu ra, hệ số tăng đ

điều này người ta đưa ra các bộ biến đổi kiểu biến áp có khả năng cách ly giữa đầu vào và đầu ra, có hệ số truyền đạt điện áp cao (phụ thuộc vào loại biến áp có tỉ số vòng dây là bao nhiêu)

Bộ biến đổi kiểu biến áp có 6 dạng chính:

ƒ Bộ biến đổi thuận - For

ƒ Bộ biến đổi kiểu đẩy kéo - Push P

ƒ Bộ biến đổi hồi tiếp - Fly back Converter

ƒ Bộ biến đổi cầu bán phần - Half bridge Converte

ƒ Bộ biến đổi cầu - Bridge Converter

ƒ Bộ biến đổi ZETA - ZETA Converter

ộ biến đổi thuận

B

Mạch hoạt động ở chế độ không liên tục, vì khoá S nối tiếp với cuộn sơ cấp

đầu vào nên dòng đầu vào không liên tục

-R

C D2

S 1:N

Hình 2 10: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi thuận

Bộ biến đổi thuận thực chất là bộ biến đổi Buck nhưng có thêm hệ số N của biến áp, do đó còn được gọi là bộ biến đổi Buck kiểu biến áp, điện áp

đầu ra được tính theo công thức:

Mạch này được sử dụng rộng rãi khi công suất ngõ ra từ 150 đến 200W với điện áp DC ngõ vào biến đổi trong phạm vi từ 60 đến 250V

ợng bão hoà lõi thép của biến áp

Sơ đồ mạch cho ở hình dưới đây

Bộ biến đổi kiểu đẩy – kéo

Đây chính là bộ biến đổi Boost làm việc ở trạng thái đẩy – kéo, điều này sẽ hạn chế một cách hữu hiệu hiện tư

D2 S2

Hình 2 11: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi đẩy - kéo

Trong mạch có 2 khoá S làm việc luân phiên, điện áp đầu ra sẽ được nhân đôi, nghĩa là tính theo công thức:

Với N là tỉ số vòng dây của biến áp, k là hệ số dẫn k = Ton / T

Mạch này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3

Bộ biến đổi

Bộ

iode D và chuyển mạch S luân phiên

đóng / mở Dòng đầu vào bị ngắt quãng theo sự đóng mở của chuyển mạch

S

.

hồi tiếp

biến đổi này có sơ đồ mạch cho ở hình dưới đây Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến áp được mắc ngược cực D

Vo -

Bộ biến đổi hồi tiếp cho điện áp đầu ra Vo tính theo công thức:

lớ

Bộ biến đổi cầu bán phầ

Bộ biến đổi này có cuộn dây thứ cấp đ

-.

D1

R L

Bộ biến đổi cầu toàn phần

Bộ biến đổi cầu toàn phần sử dụng nhiều chuyển mạch và do vậy điện áp

đầu ra đ−ợc tăng gấp đôi Sơ đồ mạch nh− sau:

Hình 2 13: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi bán phần

Điện áp đ

+

1:N

.

S3

R L

C1

D2 D1

Hình 2 14: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi cầu toàn phần

Công thức tính điện áp đầu ra là:

Vo = 2.k.N.Vi (2 8)

tiế

tiến được tạo ra để khắc phục một nhược điểm lớn của

ộ biến đổi cơ bản là có độ gợn lớn bằng cách sử dụng thêm bộ lọc thông

n áp đầu ra được cải thiện đáng kể và chỉ còn

ều có công thức tính điện áp đầu ra là:

tích hoạt động và thiết kế của mạch này được p

t trong chương 3

2.2.1.3 Bộ biến đổi cải tiến

Các bộ biến đổi cải

b

thấp Khi này độ gợn của điệ

thấp hơn 2%

Ngoài ra, bộ biến đổi cải tiến còn cho phép tạo ra được điện áp đầu ra có

độ lớn tuỳ ý, có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với đầu vào Tất cả các bộ biến đổi này đ

Các bộ biến đổi cải tiến bao gồm các loại chính là: bộ biến đổi Luo và bộ

biến đổi Cúk (LUO và CúK

là tên của hai nhà nghiên cứu đưa ra các kiểu

Bộ biến đổi Luo

Bộ biến đổi

ƒ Bộ biến đổi Lu

ƒ Bộ biến đổi Luo có 2 đầ

ba dạng trên đều được cải tiến từ bộ biến đ

chúng như sau:

Bộ biến đổi Luo P/O

Vi+

-Vo-

Vo-

+Vi

R Co L

Lo S

Bộ biến đổi Luo D/O

L1

Lo1 +

L

Hình 2 16: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi Cúk

Bộ biến đổi Cu Khi giá trị của L

.2.1.4 Bộ biến đổi nhân áp

háp để nâng cao điện áp đầu ra, nó được áp

chục cho tới hàng tră

.2.1.5 Bộ biến đổi siêu nhân áp

n được ứng dụng rất nhiều và nó mở ra

ch điển hình cho bộ biến đổi siêu nhân áp là:

a dương

.2.2 Bộ biến đổi thế hệ thứ hai

bộ biến đổi hoạt động ở nhiều chế độ

ược xây dựng từ các mạch ngắt quãng hoạt động ở nhiều chế độ và

k có dòng liên tục ở cả hai ngõ vào và ra

và Lo chọn đủ lớn thì có thể cải thiện đáng kể biên độ của sóng răng cưa của dòng đầu ra Thậm chí, nếu quấn L và Lo trên cùng một lõi thì biên độ của sóng này có thể giảm xuống 0 (để đạt được hiệu suất ghép 100% thì lõi cuộn cảm phải chọn có chất lượng rất cao và thường có giá thành đắt)

2

Kỹ thuật nhân áp là phương p

dụng rộng rãi trong việc thiết kế mạch điện tử Trong suốt một thời gian dài, kỹ thuật này ngày càng hoàn thiện và đạt được nhiều thành công trong việc tạo ra các bộ DC/DC có nhiều mức điện áp đầu ra

Các bộ nhân áp cho phép nâng điện áp đầu ra từ hàng

m lần Các bộ biến đổi loại này bao gồm các loại: nhân đôi, nhân ba, nhân bốn và nhân nhiều tầng

2

Kỹ thuật nhân áp là kỹ thuật cơ bả

hướng thiết kế các bộ biến đổi DC/DC có hệ số khuếch đại áp cao Bộ biến

đổi nhân áp thực hiện dựa trên 3 mạch Luo cơ bản (đã nói ở phần trên) Tuy nhiên, để tăng hệ số khuếch đại áp trong chế độ công suất thấp người ta xây dựng kỹ thuật siêu nhân áp Khi đó điện áp đầu ra sẽ tăng theo từng tầng của mạch

Có 4 loại mạ

ƒ Bộ biến đổi Luo siêu nhân áp đầu ra dương

ƒ Bộ biến đổi Luo siêu nhân áp đầu ra âm

ƒ Bộ biến đổi tăng cường dạng chuỗi đầu r

ƒ Bộ biến đổi tăng cường dạng chuỗi đầu ra âm

2

Các bộ biến đổi thế hệ thứ hai là các

(2 hoặc 4 chế độ) với dải công suất đầu ra ở mức trung bình (hàng trăm Watt hoặc cao hơn) Dạng mạch của chúng có thể chia thành 2 nhánh chính:

ƒ Đ

/ hoặc các bộ biến đổi thế hệ thứ nhất

Được xây dựng bằng cách sử dụng biến

Như ụng ít nhất 1 khoá chuyển m

ổi Luo đầu ra dương / âm (thế hệ thứ nhất) được lấy làm cơ sở

để

ó thể thay đổi hướng dò

.2.3 Bộ biến đổi thế hệ thứ ba

gọi là các bộ biến đổi chuyển mạch tụ

.2.3.1 Bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện

vì không có cuộn dây nên kích

.2.3.2 Bộ biến đổi Luo chuyển mạch tụ điện hoạt động ở nhiều chế độ

c

đã biết, chế độ hoạt động đơn yêu cầu sử d

ạch Do vậy, bộ biến đổi hoạt động ở 2 chế độ sẽ cần ít nhất 2 khoá, 4 chế

độ sẽ cần ít nhất 4 khoá Những bộ biến đổi loại này được tạo ra trên cơ sở các bộ ngắt quãng tương ứng và chúng được sử dụng để điều khiển động cơ một chiều

Bộ biến đ

xây dựng bộ biến đổi Luo nhiều chế độ hoạt động

Bộ biến đổi nhiều chế độ hoạt động kiểu biến áp c

ng điện bằng cách lựa chọn cực của biến áp và diode chỉnh lưu phù hợp Các loại chính của bộ biến đổi này được xây dựng từ bộ biến đổi thuận, bộ biến đổi cầu bán phần và bộ biến đổi cầu

2

Các bộ biến đổi thế hệ thứ ba được

điện (hoặc là cuộn dây) Chúng hoạt động ở 2 hoặc 4 chế độ với dải công suất đầu ra lớn (hàng nghìn Watt) Vì trong mạch chỉ chứa các phần tử chuyển mạch và hoặc là tụ điện, hoặc là cuộn dây nên mạch tương đối nhỏ, trong khi mật độ công suất và hiệu suất cao

2

Trong bộ biến đổi này chỉ chứa tụ điện,

thước của mạch rất nhỏ Ngoài ra, các bộ biến đổi này còn có ưu điểm vượt trội là tiêu hao công suất thấp, nhiễu điện từ nhỏ, và bức xạ điện từ là không

đáng kể Nhờ các ưu điểm đó bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch tụ điện có thể được tích hợp trong vi mạch (IC), nghĩa là kích cỡ được giảm thiểu rất nhiều Tuy nhiên, khi đầu vào và đầu ra khác nhau nhiều thì topo của mạch chính và mạch điều khiển trở nên cực kỳ phức tạp Các bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện thường làm việc ở chế độ đơn hoặc đẩy kéo

2.2.3.3 Bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện đẩy kéo nhân áp

Các bộ biến đổi loại này cho phép tạo ra điện áp đầu ra lớn nhờ kỹ thuật nhân áp, mật độ công suất cao, nhiễu EMI nhỏ, kích thước nhỏ nhờ chỉ dùng chuyển mạch và tụ điện, và hiệu suất cao nhờ dùng mạch đẩy kéo

2.2.3.4 Bộ biến đổi chuyển mạch cuộn dây hoạt động ở nhiều chế độ

Như đã nói ở trên, các bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện có nhiều ưu điểm nhưng cũng có nhược điểm là mạch trở nên phức tạp hơn khi có sự sai khác lớn giữa đầu vào và đầu ra, số lượng tụ điện khi ấy cũng cần nhiều hơn Để giải quyết điều này người ta sử dụng bộ biến đổi chuyển đổi tụ điện với ưu thế đặc biệt là bằng cách chỉ sử dụng duy nhất một cuộn dây trong mạch thì vấn đề sai khác giữa đầu vào và đầu ra không còn là vấn đề lớn nữa Đặc

điểm này vô cùng trọng đối với lĩnh vực biến đổi công suất lớn

Việc sử dụng một cuộn dây thay cho các tụ điện thực sự là một cải tiến lớn của mô hình mạch biến đổi DC/DC Khi đó bộ biến đổi có các ưu điểm là: cấu trúc mạch đơn giản, mạch điều khiển đơn giản, hiệu suất cao, công suất lớn, mật độ công suất cao, kích thước nhỏ gọn, có khả năng điều chỉnh điện

áp đầu vào trong một dải rộng và hoạt động được ở nhiều chế độ (đáp ứng

được nhiều ứng dụng)

2.2.4 Bộ biến đổi thế hệ thứ tư

Các bộ biến đổi DC/DC thế hệ thứ tư được gọi là các bộ biến đổi chuyển mạch mềm (bộ biến đổi chuyển mạch cộng hưởng) Bằng cách dựa trên hiện tượng cộng hưởng mà các bộ biến đổi này hoạt động độc lập với tải

Có 3 dạng chính cho bộ biến đổi thế hệ thứ tư:

ƒ Chuyển mạch dòng zero (ZCS)

ƒ Chuyển mạch áp zero (ZVS)

ƒ Chuyển mạch chuyển tiếp zero (ZT)

Hầu hết các bộ biến đổi này hoạt động ở chế độ đơn nhưng chúng cũng

có thể hoạt động ở 2 hoặc 4 chế độ với dải công suất đầu ra cao (hàng nghìn Watt)

Kỹ thuật chuyển mạch cộng hưởng cho phép giải quyết vấn đề mất mát năng lượng trong suốt quá trình chuyển mạch đóng và chuyển mạch ngắt Nhờ vậy giảm thiểu năng lượng bị suy hao, đồng nghĩa với việc tăng hiệu suất của mạch Có 3 trạng thái cộng hưỏng là cộng hưởng hoàn toàn, cộng hưởng tối ưu và tựa cộng hưởng Tuy nhiên chỉ có trạng thái thứ ba có 2

điểm qua zero trong chu kỳ lặp lại nên trạng thái tựa cộng hưởng được ứng dụng để tạo ra các bộ biến đổi ZCS và ZVS tựa cộng hưởng

2.2.5 Bộ biến đổi thế hệ thứ năm

Các bộ biến đổi thế hệ thứ năm được gọi là các bộ biến đổi DC/DC chỉnh lưu đồng bộ Hướng phát triển này là nhằm phục vụ cho ngành thiết bị máy tính để đáp ứng được các yêu cầu: tiêu thụ công suất siêu thấp, mật độ IC cao, khoảng cách giữa các tầng càng hẹp càng tốt, các bộ cấp nguồn với

điệu áp đầu ra nhỏ, dòng lớn … Intel là hãng đi đầu trong những nghiên cứu về vấn đề này, các dòng vi xử lý Pentium I, II, III và IV đều sử dụng nguồn 3.3V Trong tương lai, máy tính còn gia tăng bộ nhớ, tốc độ thì nhu cầu về điện áp nguồn cung cấp cần giảm rất nhiều nữa, ví dụ 2.5, 1.8, 1.5, thậm chí là 1.1V Hiển nhiên là các nguồn điện áp thấp như thế không thể

có được nhờ các bộ chỉnh lưu cầu truyền thống vì điện áp rơi trên diode là quá lớn Từ đầu những năm 90 người ta đã tạo ra loại MOSFET mới có trở kháng khi dẫn chỉ từ 6 – 8mΩ, khi ấy điện áp rơi thuận chỉ từ 0.05 – 0.2V Dạng mạch cơ bản của các bộ biến đổi chỉnh lưu đồng bộ được xây dựng

từ bộ biến đổi thuận và sử dụng các mạch ghim tích cực, biến áp phẳng, chuyển mạch mềm và mạch tăng dòng

2.2.6 Bộ biến đổi thế hệ thứ sáu

Đây là thế hệ các bộ biến đổi cộng hưởng với nhiều phần tử tích trữ năng lượng để có được hiệu suất truyền đạt công suất tối ưu từ đầu vào tới đầu ra

Có hai dạng chính là:

ƒ Bộ biến đổi cộng hưởng DC/DC

ƒ Bộ biến đổi cộng hưởng DC/AC

Các bộ biến đổi này sử dụng 2, 3 hoặc 4 phần tử tích trữ năng lượng là tụ

điện hoặc cuộn dây với nhiều cách nối khác nhau theo kiểu nối tiếp hoặc song song Khi ấy sẽ có 8 mô hình mạch cho loại 2 phần tử, 38 mô hình mạch cho loại 3 phần tử và 98 mô hình mạch cho loại 4 phần tử

Kết luận:

Các sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC/DC gồm rất nhiều loại nhưng xét cho cùng chúng đều xuất phát từ các sơ đồ cơ bản thuộc bộ biến đổi thế hệ thứ nhất Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của mạch mà người ta liên tục cải tiến với cấu trúc ngày càng phức tạp và đi sâu vào nghiên cứu các phản ứng của các phần tử có tính chất cộng hưởng là tụ điện và cuộn dây Ngoài

ra tính phức tạp của mạch còn thể hiện ở số lượng các chuyển mạch sử dụng trong sơ đồ mạch, xem hình dưới đây:

Hình 2 17: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi thuộc thế hệ thứ ba và thứ sáu

Trong khuôn khổ có hạn của luận văn thạc sỹ kỹ thuật, không mất tính tổng quát, tác giả chỉ xin trình bày thiết kế chi tiết về bộ biến đổi thế hệ thứ nhất trong chương 3 Trên cơ sở hiểu rõ các mạch cơ bản này việc nghiên cứu và cải tiến để tạo ra các mạch thế hệ sau sẽ thuận lợi và mang tính tất yếu

Chương 3

Các giải pháp thiết kế bộ nguồn chuyển mạch

3.1 Mục đích và yêu cầu

Thiết kế bộ nguồn, đối với bất kỳ hệ thống nào, đều là phần cực kỳ quan trọng Việc thiết kế nguồn chuyển mạch đã được thực hiện từ rất lâu với nhiều thay đổi cho phù hợp với sự phát triển của công nghệ và đáp ứng được yêu cầu rất riêng của các ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, xu hướng phát triển chính của việc thiết kế này hầu như không đổi, đó là: làm cho kích thước và trọng lượng của bộ nguồn trở nên nhỏ gọn hơn, mật độ công suất cao hơn, tần số chuyển mạch lớn hơn và tích hợp nhiều chức năng hơn trong một IC Việc lựa chọn mạch nguồn và thông số của nó dĩ nhiên sẽ phụ thuộc vào yêu cầu của đầu vào và đầu ra Có rất nhiều vấn đề cần quan tâm trong việc này như: lựa chọn dạng mạch, tần số hoạt động, thông số của biến áp, ảnh hưởng của RFI … Trong khuôn khổ rất hạn chế về thời gian và dung lượng của một luận văn thạc sỹ, trong đây chỉ trình bày những vấn đề cơ bản nhất của việc thiết kế một bộ nguồn chuyển mạch Cụ thể là, các giải pháp thiết kế khối công suất (bộ DC/DC) và khối điều khiển

Như đã nói ở chương 2, bộ biến đổi DC/DC có rất nhiều dạng mạch nhưng đều dựa trên các dạng mạch cơ bản, vì vậy phần này sẽ tập trung nói tới việc thiết kế các bộ DC/DC cơ bản:

ƒ Bộ biến đổi Buck

ƒ Bộ biến đổi Boost

ƒ Bộ biến đổi đẩy kéo

ƒ Bộ biến đổi cầu bán phần

ƒ Bộ biến đổi cầu toàn phần

Còn với khối điều khiển, phương pháp được sử dụng nhiều nhất và hiệu quả nhất là phương pháp điều chế độ rộng xung điều khiển cực gốc của các transistor trong khối công suất