Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp

Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM QUANG VƯỢNG

MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI

CỘNG HƯỞNG KIỂU NỐI TIẾP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này do tôi tự thực hiện dưới sự hướng

dẫn khoa học của TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu, kết quả tính toán và mô phỏng

trong luận văn là hoàn toàn trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Học viên

Phạm Quang Vượng

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG 3

1.1 Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng 3

1.1.1 Bộ biến đổi cộng hưởng 4

1.1.2 So sánh nghịch lưu cộng hưởng với nghịch lưu truyền thống 6

1.2 Cấu trúc bộ biến đổi tải cộng hưởng 8

1.2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp 9

1.2.2 Bộ biến đổi cộng hưởng song song 11

1.2.3 Bộ biến đổi cộng hưởng song song – nối tiếp 12

1.3 Điều kiện chuyển mạch trên van bán dẫn 13

1.3.1 Chuyển mạch cứng (Hard switching) 13

1.3.2 Mạch trợ giúp van (Snubber circuit) 14

1.3.3 Chuyển mạch mềm (Soft switching) 18

1.3.4 So sánh các điều kiện chuyển mạch van 20

Chương 2 PHÂN TÍCH BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC 21

2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC 21

2.2 Hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 24

2.3 Phân tích thông số bộ biến đổi cộng hưởng LLC 29

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC 37

3.1 Giới thiệu về cấu trúc điều khiển 37

3.1.1 Điều khiển tần số không đổi 38

3.1.2 Ðiều khiển tần số thay đổi 38

3.2 Phương pháp điều khiển vòng khoá pha PLL 40

3.2.1 Sơ lược về vòng khóa pha (Phase – locked loop) 40

3.2.2 Ứng dụng PLL điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng LLC 41

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46

4.1 Thiết kế và tính toán các thông số bộ biến đổi 46

4.1.1 Tính toán mạch cộng hưởng cho bộ biến đổi 46

4.1.2 Tính toán máy biến áp cho bộ biến đổi cộng hưởng 47

4.1.3 Tính toán thông số mạch chỉnh lưu 48

4.1.4 Tính chọn MOSFET cho mạch nghịch lưu 48

4.2 Mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC bằng Simulink và PLECS 49

4.2.1 Mô hình bộ biến đổi và cấu trúc điều khiển PLL 49

4.2.2 Kết quả mô phỏng 51

4.2.3 Nhận xét kết quả mô phỏng 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Cp: Tụ điện của mạch cộng hưởng song song

Cr: Tụ điện của mạch cộng hưởng LLC

Cs: Tụ điện của mạch cộng hưởng nối tiếp

fr: Tần số cộng hưởng

fs: Tần số chuyển mạch

Io: Dòng điện đầu ra

Lm: Điện cảm song song của mạch LLC

Lr: Điện cảm nối tiếp của mạch LLC

Ls: Điện cảm của mạch cộng hưởng nối tiếp

Q: Hệ số chất lượng

Q1, Q2: Van chuyển mạch của mạch nghịch lưu

Ro: Điện trở tải đầu ra

Vo: Điện áp đầu ra

AC: Xoay chiều

SPRC: Bộ biến đổi cộng hưởng song song nối tiếp

SRC: Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

ZCS: Chuyển mạch dòng điện qua không

ZVS: Chuyển mạch điện áp qua không

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 46

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bộ biến đổi xung truyền thống 3

Hình 1.2 Phân loại các bộ biến đổi cộng hưởng 5

Hình 1.3 Bộ biến đổi kiểu cộng hưởng 6

Hình 1.4 Một số cấu hình khối cộng hưởng 9

Hình 1.5 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp 9

Hình 1.6 Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp 10

Hình 1.7 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song 11

Hình 1.8 Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng song song 12

Hình 1.9 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LCC 13

Hình 1.10 Quá trình chuyển mạch cứng 13

Hình 1.11 Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch 14

Hình 1.12 Mạch trợ giúp van RC 15

Hình 1.13 Điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch 16

Hình 1.14 Mạch trợ giúp van RCD 17

Hình 1.15 Dạng điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch 17

Hình 1.16 Chuyển mạch điện áp qua không 18

Hình 1.17 Chuyển mạch dòng điện qua không 19

Hình 1.18 Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất 20

Hình 2.1 Khối cộng hưởng LCC và LLC 22

Hình 2.2 Đặc tính DC của bộ biến đổi LCC 22

Hình 2.3 Đặc tính DC của bộ biến đổi LLC 23

Hình 2.4 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC half-bridge 23

Hình 2.5 Đặc tính của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 24

Hình 2.6 Ba vùng hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 25

Hình 2.7 Mô phỏng dạng sóng hoạt động ở vùng 1 26

Hình 2.8 Mô phỏng dạng sóng trong vùng 2 27

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện giai đoạn 1 trong vùng 2 27

Hình 2.10 Sơ đồ mạch điện giai đoạn 2 trong vùng 2 28

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện giai đoạn 3 trong vùng 2 28

Hình 2.12 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC half-bridge 30

Hình 2.13 Dạng sóng đặc trưng của bộ biến đổi LLC half-bridge 30

Hình 2.14 Trở kháng tải tương đương Rac 31

Hình 2.15 Mạch điện AC tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 33

Hình 2.16 Mạch điện AC tương đương đơn giản của bộ LLC 34

Hình 2.17 Đường cong khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 35

Hình 2.18 Điểm cực đại so với Q tại các giá trị k khác nhau 36

Hình 3.1 Cấu trúc bộ biến đổi LLC 37

Hình 3.2 Các cấu trúc điều khiển cho mạch nghịch lưu DC/AC 38

Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển tần số thay đổi 39

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại điện áp và tần số 39

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PLL 40

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PLL cho bộ biến đổi LLC 41

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 4046 42

Hình 3.8 Hoạt động của bộ so sánh pha PC1 43

Hình 3.9 Tín hiệu dòng điện, điện áp thực và phản hồi 44

Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển PLL cho bộ biến đổi LLC 45

Hình 4.1 Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi LLC với Q=0,43 47

Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi LLC trên PLECS 49

Hình 4.3 Mô hình bộ điều khiển PLL 4046 trên Simulink 49

Hình 4.4 Mô hình mạch chuyển đổi Pos2pm 50

Hình 4.5 Mô hình mạch chuyển đổi Sin2rect 50

Hình 4.6 Mô hình bộ biến đổi với cấu trúc điều khiển PLL 50

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi LLC khi Vin=400V 51

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PLL khi Vin=400V 51

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi LLC khi Vin=300V 52

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PLL khi Vin=300V 52

Hình 4.11 Hoạt động chuyển mạch của van khi Vin=400V 53

Hình 4.12 Hoạt động chuyển mạch của van khi Vin=300V 53

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là một yêu cầu tất yếu Quá trình

xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời,…) Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu Bởi bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp vì mô hình của bộ biến đổi có tính phi tuyến

Bộ biến đổi thông thường sử dụng mạch nghịch lưu là các van bán dẫn được điều khiển bằng phương pháp PWM để tạo ra điện áp AC dạng xung vuông và đưa qua máy biến áp để thay đổi mức điện áp Điện áp đầu ra được duy trì ổn định bằng cách thay đổi độ rộng xung (thời gian mở van) trong khi vẫn giữ chu kỳ chuyển mạch của van là không đổi Phương pháp điều khiển này đã được sử dụng cho các ứng dụng công suất trong nhiều năm qua Tuy nhiên, phương pháp này không đạt được hiệu suất cao và tồn tại nhiễu điện từ lớn do các van trong mạch nghịch lưu phải làm việc trong điều kiện chuyển mạch cứng (Hard switching) Để khắc phục những nhược điểm đó, bộ biến đổi cộng hưởng đã ra đời với nhiều ưu điểm vượt trội, các van nghịch lưu được làm việc trong điều kiện chuyển mạch mềm (Soft switching) làm giảm tổn hao khi chuyển mạch, nâng cao tần số làm việc và mật độ công suất của bộ biến đổi đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng thực

tế Với những lý do đó, đề tài “Mô hình hoá và thiết kế bộ điều khiển trượt cho các

bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp” được lựa chọn để làm rõ hơn những ưu điểm

mà bộ biến đổi cộng hưởng mang lại, đồng thời đề xuất phương pháp thết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi này

Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm làm rõ các đặc tính hoạt động của bộ biến đổi dựa trên nguyên tắc cộng hưởng, trên cơ sở đó xây dựng và tổng hợp bộ điều khiển cho thiết bị này Kết quả nghiên cứu phải xây dựng được bộ điều khiển cho bộ biến đổi dựa trên nguyên tắc cộng hưởng góp phần nâng cao hiệu suất và mật độ công suất của các thiết bị điện tử công suất Đối tượng nghiên cứu của đề tài

là phân tích các bộ biến đổi cộng hưởng, lựa chọn cấu hình cộng hưởng tối ưu để xây dựng bộ điều khiển cho cấu hình đó

Nội dung của bản luận văn này gồm có 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng, trình bày các cấu trúc cơ

bản của bộ biến đổi tải cộng hưởng và những vấn đề về điều kiện chuyển mạch trên van bán dẫn

Chương 2: Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng LLC, trình bày cấu trúc bộ biến

đổi cộng hưởng LLC, phân tích hoạt động và các thông số của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC, trình bày

các cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC, xây dựng bộ điều khiển bám theo nguyên tắc vòng khoá pha (PLL-Phase Locked Loop) cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Chương 4: Kết quả mô phỏng, trình bày kết quả tính toán, mô hình hoá và

kiểm chứng kết quả hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC với bộ điều khiển bám PLL sử dụng IC 4046 trên nền MATLAB/SIMULINK và PLECS

Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian vừa qua của TS Đỗ Mạnh Cường Do khả năng cũng như các nguồn tài liệu tham khảo còn hạn chế nên kết quả luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót Tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng nghiệp để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG

1.1 Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng

Ngày nay, với khả năng tích hợp ngày càng cao của các thiết bị bán dẫn, nhu cầu tiêu thụ công suất của các thiết bị này cũng ngày một nâng cao Các thiết bị điện

tử hiện đại đặt ra yêu cầu đối với bộ biến đổi công suất phải có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao và mật độ công suất lớn Bộ tản nhiệt và thành phần

từ tính là thành phần chiếm thể tích lớn nhất trong bộ biến đổi, có thể lên tới 80% Đặc biệt với bộ biến đổi công suất lớn thì kích thước của các thành phần này cũng

sẽ rất lớn Giảm kích thước các thành phần trên, đặc biệt bộ tản nhiệt sẽ tăng mật độ công suất của bộ biến đổi lên rất nhiều Do đó, các bộ biến đổi tuyến tính sử dụng biến áp lực dần được thay thế bằng các bộ biến đổi xung sử dụng van bán dẫn, chuyển mạch ở tần số cao để giảm kích thước L, C Bộ biến đổi xung có cấu trúc như sau [10]:

Nghịch lưu cao tần

Chỉnh lưu đầu ra

Lọc đầu ra Ro

+ -

Hình 1.1 Bộ biến đổi xung truyền thống

Bộ biến đổi xung truyền thống gồm có: mạch nghịch lưu tần số cao (High Frequency Inverter), biến áp cách ly, mạch chỉnh lưu đầu ra (Output Rectifier) và mạch lọc thông thấp (Output Filter) ở đầu ra Điện áp DC ở đầu vào được băm với tần số cao để tạo ra điện áp AC dạng xung vuông Điện áp AC này có thể được tăng lên hoặc hạ xuống bởi biến áp Sau đó được chỉnh lưu và lọc để có được điện áp ra

DC theo yêu cầu Thời gian tích cực của xung vuông xác định biên độ của điện áp

ra Và nó có thể thay đổi giá trị để ổn định điện áp ra khi điện áp vào thay đổi

Tuy nhiên, bộ biến đổi này lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch, các van phải chuyển mạch trong điều kiện chuyển mạch cứng, nghĩa là khi van đóng hoặc cắt thì dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hoặc giảm về không

nên các van công suất phải đóng cắt trong điều kiện dòng và áp cao gây ra tổn thất chuyển mạch lớn dẫn đến mật độ công suất thấp và tồn tại nhiễu trường điện từ lớn Quá trình này cũng khiến các van phải chịu các xung dòng điện và điện áp khá lớn Các mạch phụ trợ Snubber thường được thêm vào để giảm du/dt, di/dt và chuyển tổn hao chuyển mạch, ứng suất trên van công suất sang mạch phụ trợ Phương pháp này vẫn bị hạn chế bởi tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch nên khi tần số chuyển mạch tăng cao thì tổn thất chuyển mạch là rất đáng kể, do đó tần số làm việc của bộ biến đổi bị giới hạn Đồng thời các thành phần tụ kí sinh và điện cảm rò là nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn

Để khắc phục những hạn chế của các bộ biến đổi trên, bộ biến đổi cộng hưởng đã ra đời Với việc sử dụng dao động của mạch L-C bộ biến đổi cộng hưởng

đã tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm cho van, các van sẽ được phát xung đóng hoặc mở khi dòng qua van hoặc điện áp rơi trên van bằng có giá trị bằng 0 Hai điều này không thể xảy ra đồng thời nên khi chuyển mạch ở điều kiện điện áp qua không (ZVS) thì sẽ phải chịu tổn hao khi khóa van, còn chuyển mạch ở điều kiện dòng điện qua không (ZCS) thì sẽ chịu tổn hao khi mở van Tuy nhiên lượng tổn hao này rất nhỏ so với bộ biến đổi xung truyền thống vì lúc này dòng và áp trên van có giá trị nhỏ Vấn đề về các điều kiện chuyển mạch sẽ được làm rõ hơn ở mục 1.3

1.1.1 Bộ biến đổi cộng hưởng

Bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng một mạch cộng hưởng L-C để tạo điều kiện cho các thiết bị chuyển mạch bán dẫn đóng – cắt khi dòng điện hoặc điện áp của chúng bằng 0 Điều này làm giảm các ứng suất trên các van bán dẫn và giảm tổn hao trong quá trình chuyển mạch Điều kiện chuyển mạch này là chuyển mạch mềm

Bộ biến đổi cộng hưởng có ưu điểm là giảm được tổn hao đóng cắt và do đó làm tăng tần số chuyển mạch của van hay tăng tần số làm việc của mạch; khắc phục được hiện tượng nhiễu trường điện từ Nhược điểm của bộ biến đổi này là cấu trúc

bộ biến đổi và mạch điều khiển phức tạp hơn

Bộ biến đổi làm việc trên nguyên lý cộng hưởng người ta chia ra thành các loại như sơ đồ sau [11]:

Các bộ biến đổi 1 chiều kiểu cộng hưởng

Các bộ biến đổi cộng

hưởng truyền thống

Các bộ biến đổi bán cộng hưởng

Các bộ biến đổi đa cộng hưởng

Mô hình điều khiển

BBĐ Cộng hưởng song song – nối tiếp

Tần số làm việc không đổi

Tần số làm việc thay đổi

Tần số làm việc thay đổi

Tần số làm việc không đổi

Hình 1.2 Phân loại các bộ biến đổi cộng hưởng

Bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống (Conventional Resonant Converter):

Là bộ biến đổi sử dụng các khối cộng hưởng LC (Resonant Tank) để đạt được các điều kiện chuyển mạch mềm cho van

Bộ biến đổi bán cộng hưởng (Quasi-resonant Converter): Là sự kết hợp giữa

bộ biến đổi cộng hưởng và bộ biến đổi PWM truyền thống

Bộ biến đổi đa cộng hưởng (Multi-resonant Converter): 2 dạng bộ biến đổi trên chỉ có thể đạt được điều kiện chuyển mạch mềm cho van công suất hoặc điốt chỉnh lưu đầu ra mà không thể đạt được cho cả hai cùng lúc Bộ biến đổi đa cộng hưởng ra đời khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử dụng van đa cộng hưởng (Multi-resonant switches)

Ðối với các ứng dụng yêu cầu điện áp thấp dòng cao ở đầu ra thì bộ biến đổi tải cộng hưởng (Load resonant converter) là phù hợp hơn cả Trong phạm vi đề tài này chúng ta cũng chỉ phân tích và thiết kế bộ biến đổi loại này

1.1.2 So sánh nghịch lưu cộng hưởng với nghịch lưu truyền thống

Các mạch nghịch lưu truyền thống đang được sử dụng phổ biến ở các bộ biến đổi xung PWM Sơ đồ bộ biến đổi với mạch nghịch lưu truyền thống được thể hiện trên hình 1.1

Bộ biến đổi thông thường hoạt động theo nguyên tắc chuyển mạch nghịch lưu để điện áp DC ở đầu vào được băm với tần số cao, tạo ra điện áp AC dạng xung vuông Sau đó điện áp AC này được đưa qua máy biến áp và chỉnh lưu để đưa điện

áp DC tới đầu ra Mạch nghịch lưu truyền thống được điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM nghĩa là điều khiển thay đổi thời gian tích cực của xung vuông trong khi chu kỳ đóng cắt van không thay đổi để ổn định điện áp ra khi điện áp vào thay đổi

Với nghịch lưu cộng hưởng, nó hoạt động một cách khác Sơ đồ của bộ biến đổi cộng hưởng được minh họa trong hình 1.3 [10]

Nghịch lưu cao tần

Chỉnh lưu đầu ra

Lọc đầu ra Ro

+ -

Khối cộng hưởng

Hình 1.3 Bộ biến đổi kiểu cộng hưởng

Về mặt cấu trúc, bộ biến đổi cộng hưởng có thêm khối cộng hưởng ở sau khối nghịch lưu tần số cao và trước biến áp Điện áp DC ở đầu vào được được băm xung để có xung vuông AC ở khối nghịch lưu tần số cao, sau đó điện áp AC được đưa tới khối cộng hưởng và điều khiển dòng năng lượng tới đầu ra thông qua một biến áp, sau đó chỉnh lưu và lọc để có được điện áp DC theo yêu cầu

Phương pháp nghịch lưu cộng hưởng điều chỉnh điện áp đầu ra có thể coi như một bộ chia trở kháng giữa khối cộng hưởng với đầu ra Trở kháng của khối cộng hưởng được điều khiển bởi tần số chuyển mạch của bộ nghịch lưu để điều chỉnh điện áp đầu ra khi có sự biến đổi điện áp vào hoặc biến đổi của tải ở đầu ra Khi điện áp vào cao hơn, tần số chuyển mạch được tăng lên để khối cộng hưởng có

trở kháng cao hơn do đó mà điện áp trên điện trở đầu ra vẫn ổn định (không đổi) Khi dòng điện tải cao hơn, điện trở đầu ra thấp hơn, tần số chuyển mạch được giảm xuống để giữ cho trở kháng của khối cộng hưởng thấp hơn và do đó điều chỉnh điện

áp đầu ra Khác với nghịch lưu truyền thống, nghịch lưu cộng hưởng được điều khiển bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch tức là chu kỳ chuyển mạch của van thay đổi còn thời gian tích cực của xung vuông luôn có thời gian là một nửa chu kỳ chuyển mạch của van tại mỗi thời điểm

Bộ biến đổi cộng hưởng có thể hoạt động cả ở trên và dưới tần số cộng hưởng của khối cộng hưởng, nó phụ thuộc vào điều kiện chuyển mạch của phần tử chuyển mạch Nếu tần số chuyển mạch thấp hơn tần số cộng hưởng, bộ biến đổi có thể thực hiện bằng chuyển mạch dòng điện qua không (ZCS) Nếu tần số chuyển mạch cao hơn tần số cộng hưởng, bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chuyển mạch điện áp qua không (ZVS) Với phần tử chuyển mạch bằng MOSFET, bộ biến đổi hoạt động trên tần số cộng hưởng được sử dụng nhiều hơn nhằm giảm tổn thất chuyển mạch

Trong biến đổi PWM, điện áp AC được tạo ra bằng bộ băm xung có dạng sóng hài cơ bản là dạng xung vuông Nhiễu điện từ (EMI) được tạo ra ở cả hai dạng dẫn và bức xạ, cần được giảm đi Khi các chuyển mạch được bật và tắt với dòng điện cao sẽ tiêu hao năng lượng Tổn hao này phụ thuộc vào tần số chuyển mạch, khi tần số chuyển mạch cao thì tổn hao chuyển mạch sẽ là đáng kể và có thể gây phá hủy một phần vì phát nóng

Bộ biến đổi kiểu cộng hưởng tự nhiên có đặc tính của ZVS Nó làm cho bộ biến đổi cộng hưởng tạo ra ít nhiễu EMI hơn bộ biến đổi PWM Cũng vì ZVS có thể thực hiện một cách tự nhiên mà bộ chuyển đổi giảm được tổn thất chuyển mạch, nó

có thể hoạt động ở một tần số tương đối cao, tạo ra bộ lọc thụ động kích thước nhỏ

ở cả phía đầu vào và đầu ra

Ngày nay, các bộ biến đổi công suất đòi hỏi phải hoạt động được với tần số cao, kích thước nhỏ gọn và cải thiện hiệu suất thì bộ biến đổi kiểu cộng hưởng là phù hợp hơn cả cho những yêu cầu trên

1.2 Cấu trúc bộ biến đổi tải cộng hưởng

Bộ biến đổi tải cộng hưởng có cấu trúc như trên hình 1.3

Ðiện áp một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu tần số cao, đóng cắt thành điện áp dạng xung vuông Ðiện áp này bao gồm thành phần sóng cơ bản và các sóng hài lẻ bậc cao, sẽ được đưa qua khối cộng hưởng (Resonant Tank) Tần số cộng hưởng của khối cộng hưởng này được điều chỉnh gần với tần số cơ bản của điện áp xung vuông sau nghịch lưu, cũng chính là tần số chuyển mạch fs Khi đó, bộ cộng hưởng có tác dụng loại bỏ ảnh hưởng của các thành phần hài bậc cao tồn tại trong điện áp xung vuông và chỉ cho các thành phân cơ bản (dạng hình sin) đi qua Dòng điện và điện áp hình sin sau thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu và lọc để đạt được điện áp một chiều có giá trị yêu cầu ở đầu ra

Việc điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra có thể được xem như một bộ phân áp giữa khối cộng hưởng và điện trở tải đầu ra Trở kháng của khối cộng hưởng sẽ được điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch của khối nghịch lưu, qua

đó điều chỉnh điện áp đầu ra có giá trị không đổi trước sự thay đổi của điện áp đầu vào và của tải Khi điện áp vào tăng lên, tần số chuyển mạch sẽ được điều chỉnh tăng để tăng trở kháng của khối cộng hưởng, nhờ vậy mà điện áp đầu ra được giữ cố định Tương tự, khi tăng dòng tải (điện trở tải giảm), tần số chuyển mạch được điều chỉnh giảm làm giảm trở kháng của khối cộng hưởng, qua đó điều chỉnh được điện

áp đầu ra không đổi

Có rất nhiều cấu hình bộ cộng hưởng được tạo thành từ các phần tử L và C, tuy nhiên có 3 cấu hình được dùng phổ biến nhất đó là: khối cộng hưởng nối tiếp, khối cộng hưởng song song và khối cộng hưởng song song nối tiếp [8]

Hình 1.4 Một số cấu hình khối cộng hưởng

Các bộ biến đổi sử dụng các bộ cộng hưởng này lần lượt có tên là: bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp (SRC), bộ biến đổi cộng hưởng song song (PRC) và bộ biến đổi cộng hưởng song song – nối tiêp (SPRC)

1.2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

Hình 1.5 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

Hình 1.5 là sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp half-bridge [10] Trong đó, điện cảm LS và tụ điện CS mắc nối tiếp với nhau tạo thành khối cộng hưởng Q1, Q2, C1, C2 tạo ra một xung vuông hai chiều có chu kỳ làm việc (duty cycle) là 50% đưa tới khối cộng hưởng Khối cộng hưởng làm việc như một nguồn dòng điện Tụ lọc CO ở phía thứ cấp được sử dụng để hòa hợp trở kháng Có thể xem khối cộng hưởng và tải đầu ra RO tạo thành một mạch phân áp

Khi điện áp tải hoặc điện áp đầu vào thay đổi, sự thay đổi trở kháng của khối cộng hưởng sẽ duy trì điện áp trên tải là không đổi Bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch, trở kháng của khối cộng hưởng có thể được kiểm soát, do đó điện áp đầu ra được điều chỉnh

Đặc tính khuếch đại được cho ở hình 1.6 với 5 đường cong tương ứng với các giá trị khác nhau của Q Qua đó ta thấy, khi giảm tải (Q giảm) thì tần số chuyển mạch tăng lên rất nhiều so với khi Q lớn Ví dụ: so sánh tần số chuyển mạch giữa Q=1 với Q=10 và hệ số khuếch đại là 0.6 thì tần số góc tương đối với Q=10 là 1.1 trong khi với Q=1 là 1.8 Xét với điều kiện không tải, bộ biến đổi có thể gặp khó khăn trong việc điều khiển điện áp đầu ra bởi tần số làm việc sẽ tăng lên rất cao

Hình 1.6 Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

Một nhược điểm khác của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là tụ lọc đầu ra phải mang dòng điện với độ gợn cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện 1 chiều

Do đó bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng có điện áp

ra thấp, dòng điện cao

1.2.2 Bộ biến đổi cộng hưởng song song

Với bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nguồn dòng ở trên, mặc dù chúng có thể đạt hiệu quả cao cho các ứng dụng có điện áp cao, dòng điện tương đối nhỏ, nhưng chúng không phù hợp với các ứng dụng có điện áp thấp và dòng điện cao

Hình 1.7 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song

Hình 1.7 chỉ ra sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi cộng hưởng song song [10] Khối cộng hưởng được tạo thành từ một cuộn cảm và một tụ điện Khi tụ điện được mắc song song với máy biến áp thì bộ biến đổi được gọi là bộ biến đổi song song Khối cộng hưởng xuất hiện trở kháng thấp để mạch điện đầu ra được xem như một nguồn điện áp Một bộ lọc LC được đặt ở đầu ra để hòa hợp trở kháng So sánh với

bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nguồn dòng, bộ biến đổi cộng hưởng song song có thể cho ta gợn sóng đầu ra thấp bằng cách sử dụng bộ lọc tổn hao thấp LC

Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện ở hình 1.8 Từ những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi nối tiếp thì bộ biến đổi song song có thể điều khiển điện áp đầu ra ở chế độ không tải bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch trên tần số cộng hưởng

Hình 1.8 Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng song song

1.2.3 Bộ biến đổi cộng hưởng song song – nối tiếp

Bằng cách thêm tụ nối tiếp vào bộ biến đổi song song hoặc thêm tụ cộng hưởng song song vào bộ biến đổi nối tiếp, ta có cấu trúc của bộ biến đổi cộng hưởng song song – nối tiếp (Series – Parallel Resonant Converter), còn được gọi là

bộ biến đổi cộng hưởng LCC

Bộ biến đổi LCC tận dụng được ưu điểm của cả bộ biến đổi nối tiếp và song song, khắc phục được các nhược điểm của chúng như vấn đề điều chỉnh không tải ở

bộ biến đổi nối tiếp và dòng điện vòng lớn khi tải nhẹ ở bộ biến đổi song song Cấu trúc bộ biến đổi LCC được thể hiện ở hình 1.9 [10]

Hình 1.9 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LCC

Bộ biến đổi LCC có thể coi là sự kết hợp giữa bộ biến đổi nối tiếp và bộ biến đổi song song Khối cộng hưởng bao gồm 3 thành phần cộng hưởng: Ls, Cs và Cp Bằng việc thêm tụ nối tiếp Cs vào khối cộng hưởng song song, dòng điện vòng chạy qua van nhỏ hơn so với bộ biến đổi song song Với việc thêm vào tụ song song Cp,

bộ biến đổi LCC có thể điều chỉnh điện áp đầu ra trong điều kiện không tải Tụ song song Cp cũng tạo ra trở kháng nhỏ đối với mạch đầu ra, do đó hòa hợp với mạch lọc L-C, tạo ra dòng điện với độ gợn nhỏ chạy qua tụ lọc Do đó bộ biến đổi LCC thích hợp với các ứng dụng yêu cầu điện áp nhỏ, dòng lớn

1.3 Điều kiện chuyển mạch trên van bán dẫn

1.3.1 Chuyển mạch cứng (Hard switching)

Chuyển mạch cứng là thực hiện việc đóng cắt van bán dẫn khi điện áp hoặc dòng điện trên van vẫn còn cao Quá trình chuyển mạch của van trong các bộ biến đổi xung truyền thống được thể hiện như hình vẽ dưới [6]:

Losses HARD SWITCHING

Hình 1.10 Quá trình chuyển mạch cứng

Do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức thay đổi nên tại thời điểm đóng cắt, trên van tồn tại cả điện áp và dòng điện khá lớn gây ra tổn hao đóng cắt Tổn hao này lại phụ thuộc vào tần số chuyển mạch cm s  on on off off

Mặt khác, do tồn tại các thành phần điện cảm rò và tụ kí sinh trong mạch nên

ở điều kiện chuyển mạch cứng các van bán dẫn phải chịu các xung dao động của dòng điện và điện áp như hình vẽ [11]:

Hình 1.11 Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch

Chính các xung dao động này là nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu trường điện từ EMI trong mạch, ngoài ra khi các xung đỉnh này có giá trị lớn còn có thể phá hỏng van bán dẫn công suất của mạch

1.3.2 Mạch trợ giúp van (Snubber circuit)

Ðể khắc phục các tồn tại của chuyển mạch cứng đã nêu trên, mạch trợ giúp van (snubber circuit) ra đời

Mạch trợ giúp van là những mạch được nối thêm vào cạnh van, giúp bảo vệ van và tăng hiệu quả làm việc của van Mạch trợ giúp có thể đem lại nhiều khả năng cho van:

- Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng

- Hạn chế dU/dt, dI/dt

- Ðưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn (SOA)

- Truyền năng lượng phát nhiệt của van sang điện trở ngoài hoặc sang hướng khác có lợi

- Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt

- Giảm nhiễu trường điện từ do dập tắt nhanh các dao động dòng và áp

Có nhiều loại mạch trợ giúp van nhưng phổ biến nhất là 2 loại: mạch RC (trở-tụ) và mạch RCD (trở - tụ - điốt)

a Mạch trợ giúp RC đơn giản

Mạch trợ giúp gồm điện trở Rs và tụ Cs mắc song song với van như hình vẽ:

Hình 1.12 Mạch trợ giúp van RC

Ðiện trở Rs được chọn sao choI0 E R0 S Như vậy khi van ngắt, dòng có thể chuyển sang mạch trợ giúp mà điện áp trên van không vượt quá mức E0 Sau đó khi van dẫn dòng, năng lượng tích trên tụ được phóng và tiêu tán trên điện trở RS

Tụ điện CS được chọn sao cho dao động sinh ra khi chuyển mạch là tắt dần Muốn vậy phải chọn Cs ít nhất bằng 2 lần giá trị của tụ kí sinh CP

Ví dụ, với MOSFET IRF540, I0 = 1A, E0 = 12V, CP = Coss = 250pF, tần số chuyển mạch fs = 100kHz, ta chọn CS = 2Cp = 500pF; RS = E0/I0 = 12, Công suất tiêu tán trên điện trở RS sẽ là:

 s

P C E f 500.10 10 100.10 7, 2 mW

Cách tính trên đây chỉ là phương pháp giúp thiết kế nhanh một mạch trợ giúp

RC đơn giản Trong quá trình làm việc ta phải hiệu chỉnh các giá trị RC bằng thực nghiệm

Bằng cách đo và hiển thị dạng điện áp trên 2 cực D-S của van trên oscilloscope, ta có thể thấy rõ hơn tác dụng của mạch trợ giúp RC [4]:

Hình 1.13 Điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch

a Khi không có mạch trợ giúp RC

b Mạch trợ giúp RCD

Mạch RCD có thêm điốt DS mắc song song với điện trở RS như sau:

Hình 1.14 Mạch trợ giúp van RCD

Trong mạch RCD tụ vẫn phóng điện qua điện trở khi van mở nhưng giá trị của điện trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van nên giá trị

có thể chọn linh hoạt hơn Mạch RCD có những ưu điểm hơn mạch RC như sau:

- Mạch cho phép suy giảm xung điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt của van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp

- Cho phép van làm việc trong vùng an toàn (SOA) tốt hơn Tuy nhiên, dòng nạp qua tụ lấy thẳng qua điốt không phải là giá trị tối ưu nên quá điện áp trên van sẽ lớn hơn so với sơ đồ RC [4]:

Hình 1.15 Dạng điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch

a Với mạch trợ giúp RC

b Với mạch trợ giúp RCD

Ta thấy với cùng giá trị của R và C, mạch trợ giúp RCD có Uvan = 10V trong khi với mạch RC thì Uvan = 7,8V Như vậy, các xung dao động điện áp và dòng điện trên van được chuyển sang tiêu tán bớt trên các mạch trợ giúp chứ không phải được triệt tiêu hoàn toàn

1.3.3 Chuyển mạch mềm (Soft switching)

Chuyển mạch mềm là thực hiện việc đóng cắt van khi điện áp trên van bằng không (ZVS) hoặc dòng điện trên van bằng không (ZCS) Như vậy chuyển mạch mềm được chia ra làm 2 loại như sau:

- Chuyển mạch điện áp qua không: zero voltage switching (ZVS)

- Chuyển mạch dòng điện qua không: zero current switching (ZCS)

Hai quá trình này không thể xảy ra đồng thời, mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng

a Chuyển mạch điện áp qua không (ZVS)

Như đã phân tích ở trên, nguyên nhân gây ra tổn hao đóng cắt trên van chính

là do dòng điện và điện áp trên van có giá trị lớn tại thời điểm chuyển mạch Vậy nếu bằng một cách nào đó ta làm cho điện áp trên van rất nhỏ (có thể coi là bằng

không) ngay trước thời điểm cấp xung điều khiển để ngắt van thì ta hoàn toàn có thể

triệt tiêu được tổn hao trong quá trình chuyển mạch từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn (off -> on) của van

Từ hình trên ta thấy điện áp trên van được giảm về không trước khi dòng qua van bắt đầu tăng lên, như vậy Poff -> on = fs.Vsw.isw.ton = 0 Ðồng thời, trong quá trình khóa van (on -> off), quá trình tăng điện áp trên van cũng được làm trễ đi, điện áp tăng lên khi dòng điện trên van là nhỏ và làm giảm tổn hao khi khóa van

Như vậy quá trình chuyển mạch điện áp qua không ZVS chỉ có thể xảy ra ở quá trình mở van và vẫn tồn tại tổn hao đóng cắt trong quá trình van chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa

b Chuyển mạch dòng điện qua không (ZCS)

Quá trình ZCS xảy ra ngược lại so với quá trình ZVS, nó chỉ có thể xảy ra ở quá trình khóa van (van chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa) bằng cách làm cho dòng điện qua van trở về không trước khi khóa van (điện áp trên van tăng lên), qua đó có thể triệt tiêu gần như hoàn toàn tổn hao trong quá trình khóa van

v sw

i sw

Hình 1.17 Chuyển mạch dòng điện qua không

a Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van

b Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van

Cũng giống như quá trình ZVS, mặc dù loại bỏ được tổn hao khi khóa nhưng

ta vẫn phải chấp nhận tổn hao trong quá trình mở van Chuyển mạch ZCS chỉ có thể giảm thiểu được tổn hao này bằng cách làm trễ quá trình tăng của dòng điện qua van như hình 1.17.b

Mặc dù có nhược điểm là mạch điều khiển và thiết kế phức tạp, cần thêm các mạch phụ trợ để đạt được quá trình chuyển mạch mềm, tuy nhiên với ưu điểm nổi

trội là giảm thiểu gần như hoàn toàn tổn hao chuyển mạch của van nên các kỹ thuật soft switching đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi Các bộ biến đổi làm việc trên nguyên lý này được gọi là các bộ biến đổi cộng hưởng (Resonant converter)

1.3.4 So sánh các điều kiện chuyển mạch van

Hình 1.18 [11] đánh giá tổng quan tổn hao giữa các điều kiện chuyển mạch

I

V Off

On

Soft-switching

Hard-switching Safe Operating Area

snubbered

Hình 1.18 Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất

Trong vùng làm việc an toàn (SOA) thì chuyển mạch cứng xảy ra ở điều kiện dòng điện và điện áp trên van là lớn nhất do đó tổn thất chuyển mạch trên van cũng

là lớn nhất Khi có thêm mạch trợ giúp snubber thì dòng điện và điện áp thấp hơn chuyển mạch cứng, tổn thất chuyển mạch trên van thấp hơn Chuyển mạch mềm xảy ra ở điều kiện điện áp và dòng điện nhỏ nhất nên tổn thất chuyển mạch trên van trong trường hợp này là nhỏ nhất

Như vậy rõ ràng mạch trợ giúp Snubber chỉ làm mềm hơn quá trình chuyển mạch của van nhưng hiệu quả vẫn không đáng kể vì van vẫn phải đóng cắt dưới điều kiện dòng điện và điện áp khá cao Một cách logic ta có thể thấy rằng, nếu ta làm giảm được điện áp và dòng điện trên van tại thời điểm đóng cắt thì ta sẽ giảm được tổn hao chuyển mạch trên van, đây chính là thế mạnh của các bộ biến đổi cộng hưởng làm việc trên nguyên lý chuyển mạch mềm (soft switching)

Chương 2 PHÂN TÍCH BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC

2.1 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Ba bộ biến đổi với ba cấu trúc cộng hưởng cơ bản đã được phân tích ở phần trên Từ kết quả đó, chúng ta thấy tất cả các bộ biến đổi trên đều bị giới hạn khi thiết kế cho dải đầu vào rộng Chuyển đổi năng lượng và tổn thất chuyển mạch cao

sẽ xuất hiện khi điện áp đầu vào cao Chúng không phù hợp cho các ứng dụng DC/DC

Đối với một khối cộng hưởng, làm việc ở tần số cộng hưởng của nó là cách hoạt động hiệu quả nhất Quy luật này áp dụng rất tốt với SRC và PRC Với SPRC thì nó có hai tần số cộng hưởng Thông thường, làm việc ở tần số cộng hưởng cao nhất của nó sẽ có hiệu quả cao hơn

Để đạt được ZVS, bộ biến đổi phải làm việc ở sườn dốc xuống của đường đặc tính DC

Từ phân tích ở trên, bộ biến đổi cộng hưởng LCC cũng không được tối ưu hoá cho mạch có điện áp đầu vào cao Lý do cũng giống như SRC và PRC, bộ biến đổi sẽ làm việc ở tần số chuyển mạch xa tần số cộng hưởng khi điện áp đầu vào cao Nhìn vào đặc tính DC của bộ biến đổi cộng hưởng LCC cho thấy có hai tần số cộng hưởng Một tần số cộng hưởng thấp được xác định bởi khối cộng hưởng nối tiếp Ls

và Cs Một tần số cộng hưởng cao được xác định bởi Ls và điện dung tương đương của Cs và Cp mắc nối tiếp Với một bộ biến đổi cộng hưởng thì nó sẽ đạt hiệu quả cao khi làm việc ở tần số cộng hưởng; với bộ biến đổi cộng hưởng LCC thì nó có hai tần số cộng hưởng, nhưng tần số cộng hưởng thấp lại nằm trong vùng ZCS Vì vậy mà ta không thể thiết kế bộ biến đổi làm việc ở tần số cộng hưởng thấp này Chúng ta cần phải tìm được một tần số cộng hưởng làm việc tại vùng ZVS Điều đó

có thể thực hiện được bằng cách thay thế khối cộng hưởng LCC bằng hệ thống cộng hưởng kép của nó

Hình 2.1 Khối cộng hưởng LCC và LLC

Như trên hình 2.1, thay thế L bởi C và C bởi L ta có được khối cộng hưởng LLC [7] Các đặc tính DC của hai bộ biến đổi này được thể hiện trên hình 2.2 và 2.3 Đặc tính DC của bộ biến đổi LLC giống như là hình ảnh đối xứng với đặc tính DC của bộ biến đổi LCC Vẫn có hai tần số cộng hưởng Trong trường hợp này Lr và Cr sinh ra tần số cộng hưởng cao hơn, tần số cộng hưởng thấp hơn được sinh ra bởi điện cảm nối tiếp Lr và Lm Tần số cộng hưởng cao hơn nằm trong vùng ZVS, nghĩa là bộ biến đổi có thể được thiết kế để hoạt động trên tần số này

Hình 2.2 Đặc tính DC của bộ biến đổi LCC

Hình 2.3 Đặc tính DC của bộ biến đổi LLC

Hình 2.4 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC half-bridge

Như một vấn đề của thực tế, bộ biến đổi cộng hưởng LLC đã tồn tại trong thời gian rất dài Nhưng vì thiếu sự hiểu biết về đặc tính của bộ biến đổi này, nó được sử dụng như một bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp với tải thụ động Điều đó có nghĩa là nó được thiết kế để hoạt động với tần số chuyển mạch cao hơn tần số cộng hưởng của khối cộng hưởng nối tiếp Lr và Cr Khi hoạt động trong vùng này, bộ biến đổi cộng hưởng LLC hoạt động rất giống với SRC Lợi ích của bộ biến đổi

cộng hưởng LLC là có thể giảm tần số chuyển mạch khi tải nhẹ và khả năng ZVS ngay cả khi không có tải

Trong luận văn này, chỉ đề cập đến một số vùng hoạt động chưa được khai thác của bộ biến đổi cộng hưởng LLC Trong những vùng hoạt động này, bộ biến đổi cộng hưởng LLC sẽ có một số đặc tính đặc biệt, làm cho nó trở thành phổ biến trong các ứng dụng biến đổi DC/DC

2.2 Hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Hình 2.5 Đặc tính của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Đặc tính DC của bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể chia thành hai vùng: vùng ZVS và vùng ZCS như trên hình 2.5 Bộ biến đổi này có hai tần số cộng hưởng, một được xác định bởi các thành phần cộng hưởng Lr và Cr, tần số khác được xác định bởi Lr, Lm và điều kiện tải Khi tải lớn hơn, tần số cộng hưởng sẽ chuyển thành tần số cao hơn Hai tần số cộng hưởng này là:

11

Với đặc tính này, khi hoạt động ở 400V tần số cộng hưởng của nó có thể được đặt ở fr1, tần số của khối cộng hưởng nối tiếp Lr và Cr Khi điện áp vào giảm xuống, nó có thể được thực hiện với tần số chuyển mạch thấp hơn Với lựa chọn thích hợp của khối cộng hưởng, bộ biến đổi có thể hoạt động trong vùng ZVS

Có một số điều đặc biệt của đường đặc tính này Bên phải fr1, bộ biến đổi này có đặc tính giống với đặc tính của SRC Còn bên trái fr1, đặc tính của bộ biến đổi mang cả hai đặc điểm của PRC và SRC Khi tải nặng thì đặc tính của SRC sẽ chiếm ưu thế Khi tải nhẹ hơn thì đặc tính sẽ giống như của PRC Với những đặc tính đặc biệt này, chúng ta có thể thiết kế bộ biến đổi làm việc ở tần số cộng hưởng của SRC để đạt được hiệu suất cao Sau đó chúng ta có thể cho bộ biến đổi hoạt động với tần số thấp hơn tần số cộng hưởng của SRC mà vẫn nhận được ZVS bởi đặc trưng của PRC sẽ chiếm ưu thế trong dải tần số đó

Như vậy, đặc tính DC của bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể được chia làm

ba vùng theo các chế độ hoạt động khác nhau như trên hình 2.6 Các vùng hoạt động được sử dụng là vùng 1 và vùng 2 Còn vùng 3 là vùng ZCS Bộ biến đổi này cần được ngăn chặn sự xâm nhập vào vùng 3 Dạng sóng mô phỏng cho vùng 1 và vùng 2 được thể hiện trong hình 2.7 và hình 2.8

Hình 2.6 Ba vùng hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Trong vùng 1, bộ biến đổi hoạt động giống như SRC Ở vùng này, Lm không bao giờ cộng hưởng với tụ cộng hưởng Cr; nó bị kẹp bởi điện áp đầu ra của khối cộng hưởng và hoạt động như tải của khối cộng hưởng nối tiếp Với tải thụ động này, bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể hoạt động ở chế độ không tải mà không theo quy luật tần số chuyển mạch cao Ngoài ra, với tải thụ động Lm, ZVS có thể được đảm bảo với bất kỳ chế độ tải nào Ở đây sẽ không trình bày chi tiết các chế

độ hoạt động này, các chế độ hoạt động trong điều kiện tải nhẹ được trình bày trong phụ phục A

Hình 2.7 Mô phỏng dạng sóng hoạt động ở vùng 1

Trong vùng 2, hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC phức tạp hơn Các dạng sóng được chia thành hai phần rõ ràng Phần thứ nhất, Lr cộng hưởng với Cr,

Lm bị kẹp bởi điện áp đầu ra Khi dòng Lr cộng hưởng trở lại cùng mức với dòng

Lm thì cộng hưởng giữa Lr và Cr dừng lại, thay vào đó Lm sẽ tham gia vào cộng hưởng và bắt đầu phần thứ hai Trong suốt khoảng thời gian này, các thành phần cộng hưởng sẽ thay đổi giữa Cr và Lm nối tiếp với Lr Được thể hiện với dạng sóng như một vùng phẳng Trong thực tế, đó là một phần của quá trình cộng hưởng giữa

Lm + Lr với Cr Như vậy, bộ biến đổi LLC là một bộ biến đổi đa cộng hưởng với

tần số cộng hưởng tại những khoảng thời gian khác nhau là khác nhau Bởi vì sự cộng hưởng giữa Lm và Cr, làm xuất hiện một điểm khuếch đại cực đại ở tần số cộng hưởng của Lm + Lr và Cr Hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong vùng 2 được chia thành ba giai đoạn, mỗi giai đoạn là một chế độ làm việc

Hình 2.8 Mô phỏng dạng sóng trong vùng 2

Giai đoạn 1 (t0 đến t1):

Giai đoạn này bắt đầu khi Q2 bị khoá tại t0 Tại thời điểm này, dòng điện của

Lr có giá trị âm, nó sẽ chạy qua điốt của Q1 để tạo ra điều kiện ZVS cho Q1

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện giai đoạn 1 trong vùng 2

Khi dòng điện của Lr chạy qua điốt của Q1 Dòng điện ILr bắt đầu tăng, làm cho D1 phía thứ cấp dẫn và Io bắt đầu tăng Ngoài ra, từ thời điểm này biến áp có điện áp đầu ra ở phía thứ cấp Lm được nạp với điện áp không đổi

Giai đoạn 2 (t1 đến t2):

Giai đoạn này bắt đầu khi dòng điện của Lr có giá trị chuyển sang dương Kể

từ khi Q1 dẫn trong giai đoạn 1, dòng điện sẽ chạy qua MOSFET Q1

Hình 2.10 Sơ đồ mạch điện giai đoạn 2 trong vùng 2

Trong suốt giai đoạn này, điốt chỉnh lưu đầu ra D1 luôn dẫn Điện áp biến áp được giữ ở Vo Lm được nạp tuyến tính với điện áp đầu ra, vì vậy nó không tham gia cộng hưởng trong thời gian này Trong giai đoạn này mạch điện làm việc như một SRC với các thành phần cộng hưởng Lr và Cr

Giai đoạn này kết thúc khi dòng điện của Lr tương đương với dòng điện của

Lm Dòng điện đầu ra bằng không

Giai đoạn 3 (t2 đến t3) :

Tại t2, dòng điện của hai cuộn cảm bằng nhau Dòng điện đầu ra bằng không

Cả hai điốt chỉnh lưu đầu ra D1 và D2 bị phân cực ngược Điện áp thứ cấp của máy biến áp thấp hơn điện áp đầu ra Đầu ra được tách ra khỏi máy biến áp

Trong thời gian này, kể từ khi đầu ra được tách khỏi biến áp, Lm được tự do

để tham gia cộng hưởng Nó sẽ tạo thành một khối cộng hưởng của Lm nối tiếp Lr cộng hưởng với Cr

Giai đoạn này kết thúc khi Q1 bị khoá Như có thể thấy trên dạng sóng, Q1 khoá tại t3 là nhỏ so với dòng cực đại Nửa chu kỳ tiếp theo hoạt động tương tự như

đã phân tích ở trên

Từ dạng sóng mô phỏng chúng ta có thể thấy rằng MOSFET đã dẫn với ZVS Điều kiện ZVS đã đạt được với dòng từ hoá không liên quan đến dòng tải, vì thế mà ZVS được thực hiện ngay cả khi không tải Dòng điện từ hoá này cũng lần lượt ngắt dòng của MOSFET Chọn các điện cảm từ hoá khác nhau có thể điều khiển nó Dòng điện ngắt có thể nhỏ hơn nhiều so với dòng điện tải, do đó tổn thất ngắt dòng

có thể giảm Ngoài ra, dòng điện điốt phía thứ cấp giảm dần đến không và ngắt, sự phục hồi ngược lại cũng được loại bỏ Vậy tổn thất chuyển mạch của bộ biến đổi là rất nhỏ

2.3 Phân tích thông số bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Phía sơ cấp máy biến áp của bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể là một mạch nghịch lưu cầu (full-bridge) hoặc nửa cầu (half-bridge) Phía đầu ra có thể dùng mạch chỉnh lưu cầu với tụ lọc đầu ra Hình 2.12 là sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC được xây dựng với mạch nghịch lưu half-bridge ở đầu vào và chỉnh lưu cầu full-bridge ở đầu ra [14] Trong đó Lm là độ tự cảm từ hoá, Llkp và Llks tương ứng là độ tự cảm rò của cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp