Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn một chiều dải rộng

Bộ nguồn chuyển mạch mặc dù đã phát triển không ngừng kể từ khi ra đời nhưng lý thuyết sâu về chúng còn chưa được công bố rộng rãi mà hầu hết ở dạng những bài báo đưa ra các sơ đồ mạch c

-

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn

một chiều dải rộng

ngành : Kỹ THUậT ĐIệN

mã số: 605250 02 Nguyễn văn trương

Người hướng dẫn khoa học : TS Trần văn thịnh

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU 6

1.1 Giới thiệu chung 6

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

1.3 Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch 16

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC/DC cơ sở 19 1.5 Phân loại các bộ nguồn chuyển mạch cơ sở 21

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 23

2.1 Bộ nguồn chuyển mạch không có biến áp cách ly 23

2.2 Bộ nguồn chuyển mạch có biến áp cách ly 34

2.3 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng 47

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH KHÔNG CÓ BIẾN ÁP CÁCH LY 54

3.1 Bộ biến đổi Buck 54

3.2 Bộ biến đổi Boost 61

3.3 Bộ biến đổi Buck-Boost 66

3.4 Bộ biến đổi Cuk 71

C HƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CÓ BIẾN ÁP CÁCH LY 81

4.1 Bộ biến đổi Push-Pull 81

4.2 Bộ biến đổi Forward 86

4.3 Bộ biến đổi Half-Bridge 91

4.4 Bộ biến đổi Full-Bridge 95

4.5 Bộ biến đổi Fly-back 99

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

Để có được kết quả học tập như ngày hôm nay, em xin bày

tỏ lòng biết ơn tới tập thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi để lớp Cao học Thiết bị điện - Điện tử nói chung và

bản thân em nói riêng đã hoàn thành khoá học của mình

Xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện - Điện

tử, đặc biệt là TS Trần Văn Thịnh - người hướng dẫn khoa học trực tiếp cho luận văn tốt nghiệp này TS Trần Văn Thịnh không chỉ gợi ý đề tài mà còn đưa ra nhiều ý kiến quý báu để

em có thể giải quyết được những vấn đề khó khăn nảy sinh trong quá trình thực hiện luận văn

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

có thể đầu tư tối đa thời gian và công sức hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Xin chân thành cảm ơn !

Tác giả

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bộ nguồn một chiều dải rộng thực chất nó là bộ nguồn một chiều mà đầu vào có thể thay đổi trong một dải giá trị nhất định Bộ nguồn đó thực chất là

bộ biến đổi DC/DC, có thể đáp ứng được điều đó bằng cách tự động lấy tín hiệu đầu ra của bộ nguồn làm tín hiệu phản hồi để điều khiển sao cho điện áp đầu ra ổn định Do tính ưu việt của nguồn một chiều mà hiện nay hầu hết các thiết bị điện tử đều sử dụng nguồn một chiều Bộ nguồn chuyển mạch mặc dù

đã phát triển không ngừng kể từ khi ra đời nhưng lý thuyết sâu về chúng còn chưa được công bố rộng rãi 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 ảnh hưởng của các thông số và sơ đồ (xét phần động lực) đến chất lượng của

bộ biến đổi DC/DC, trên cơ sở ấy sẽ giúp cho những ai quan tâm, thiết kế hay sửa chữa bộ biến đổi DC/DC (bộ nguồn chuyển mạch) có hướng điều chỉnh các thông số sao cho phù hợp và nhanh chóng Để làm được điều đó, luận văn được xây dựng chủ yếu dựa trên phần mô phỏng PSIM cho các loại nguồn chuyển mạch cơ bản

Sau khi hoàn thành, luận văn sẽ góp phần làm rõ lý thuyết cũng như cho biết một số hướng điều chỉnh thực tế của việc thiết kế nguồn chuyển mạch

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 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

Các tài liệu được công bố 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 Hoặc đưa ra các số liệu của một bộ nguồn cụ thể mà không cho biết các thông số đó ảnh hưởng đến nhau như thế nào

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

Mục đích:

Luận văn có mục đích nghiên cứu các bộ nguồn một chiều dải rộng để chỉ

ra ảnh hưởng của các thông số tới chất lượng bộ nguồn

Nhiệm vụ:

Đánh giá tổng quan về các loại bộ nguồn một chiều dải rộng

Nghiên cứu sâu hơn một số nguồn thông dụng để tìm ra các thông số ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng của bộ nguồn

Phạm vi nghiên cứu:

Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật cơ bản liên quan tới nguồn chuyển mạch

Mô phỏng các bộ nguồn chuyển mạch cơ bản cho một số giá trị cụ thể, tiêu biểu

4 Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn

Cơ sở lý luận:

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 PSIM

Phương pháp nghiên cứu:

Chủ yếu là phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết

5 Đóng góp về mặt khoa học của luận văn

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

sơ đồ, đồ thị thu được từ việc mô phỏng

Đưa ra các kết quả cụ thể về ảnh hưởng của các thông số thông qua một số giá trị cụ thể nhờ phần mềm mô phỏng

6 Ý nghĩa thực tế của luận văn

Cung cấp cơ sở lý thuyết và một số nhận xét, đánh giá từ việc mô phỏng cho việc phân tích và thiết kế bộ nguồn chuyển mạch

Đánh giá chất lượng của các loại nguồn chuyển mạch

7 Kết cấu của luận văn

Luận văn gồm 4 chương với nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về nguồn một chiều

- Chương 2: Giới thiệu các bộ nguồn chuyển mạch và phần mềm mô phỏng

- Chương 3 và 4: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số tới chất lượng điện áp đầu ra của các bộ nguồn chuyển mạch (xét phần mạch động lực) bằng phần mềm mô phỏng PSIM

Ngoài ra còn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong 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, ắc quy hoặc máy phát điện Hiện nay có nhiều sơ đồ bộ nguồn một chiều khác nhau Mỗi sơ đồ lại có dải thông số và phạm vi ứng dụng riêng Các bộ nguồn đóng cắt có công suất

từ vài W đến vài chục kW, có tần số hoạt động đến vài MHz và với các cấp điện áp khác nhau Bộ biến đổi DC/DC rất quan trọng trong các thiết bị điện

tử như điện thoại, máy tính, ti vi LCD, đó là các thiết bị điện tử sử dụng rất nhiều mức điện áp khác nhau và khác với điện áp cung cấp từ pin hoặc nguồn bên ngoài (có thể cao hơn, thấp hơn điện áp của nguồn và thậm chí có thể đảo chiều điện áp) Ngoài ra điện áp của pin còn bị suy giảm trong quá trình sử dụng, bộ biến đổi DC/DC là một phương pháp để đảm bảo điện áp ra ổn định

và chất lượng đảm bảo

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, các điểm mạnh, điểm yếu của từng sơ đồ bộ nguồn đóng cắt được đánh giá dựa trên các kết quả mô phỏng bằng phần mềm PSIM Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới chất lượng điện áp đầu ra của từng sơ đồ để từ đó giúp cho người kỹ sư thiết

kế bộ nguồn có thể nhanh chóng và dễ dàng lựa chọn được sơ đồ bộ nguồn

phù hợp với các thông số yêu cầu dùng cho một ứng dụng thực tế nào đó 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

3

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

1 - Biến áp ; 2 - Nắn và lọc sơ cấp; 3 - Nguồn dự phòng; 4 - Bộ ổn định

Từ sơ đồ hình 1.1 có thể thấy rất rõ là sự khác biệt của các bộ nguồn để tạo ra chất lượng khác nhau chính là ở khối số 4- Bộ ổn định

Khối 1 và 2 có một số sơ đồ thông dụng như hình 1.2

L

C U

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 phần tử hiệu chỉnh Vì vậy trong phần này ta sẽ xét tới một số sơ đồ điển hình với phần tử hiệu chỉnh 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, phần tử hiệu chỉnh là điôt Zener hoặc điện trở nhiệt Tecmitto được mắc song song với tải theo sơ đồ như hình 1.3:

Hình 1 3: Sơ đồ ổn định a) dùng điôt Zener; b) dùng Tecmitto

Trong sơ đồ hình 1.3a, nội trở của điôt Zener 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 hình 1.3b, nhiệt trở RT được chế tạo bằng chất bán dẫn có hệ

số nhiệt âm, khi nhiệt độ tăng 1000

C 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 phần tử hiệu chỉnh 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 phần tử hiệu chỉnh 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 hình 1.4 còn gọi là bộ ổn định có hồi tiếp, khi đó hệ số ổn định cao và công suất ra lớn

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

Phần tử hiệu chỉnh được điều khiển bằng tín hiệu một chiều từ bộ khuếch đại Trong sơ đồ này phần tử hiệu chỉnh 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 phần tử hiệu

chỉnh 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 điôt Zener 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 hình 1.5:

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 UC 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:

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

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

- 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 phần tử hiệu chỉnh sẽ lớn hơn và do vậy hiệu suất cấp nguồn sẽ giảm đi

Để chứng minh cho điều này có thể xem xét ví dụ sau:

V

Udc (max)

V

Udc-Uo (max)

V

Pi (max)

W

Po (max)

W

Tổn hao Qmax

Hiệu suất Po/Pi(max)

Điện áp DC thô tối thiểu được chọn là (Uo + 2,5V) khi điện áp ngõ vào

AC ở mức dung sai nhỏ – 15% Khi đó, đầu vào DC đạt giá trị cực đại là 1,3(Uo + 2,5V) khi điện áp ngõ vào AC ở mức dung sai lớn +15% Ngoài ra,

từ bảng đó cũng thấy rằng nếu điện áp ra Uo lớn thì hiệu suất cao hơn so với khi điện áp ra nhỏ

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 1.6 chỉ cho phép làm việc với dòng điện tối đa là 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:

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

- Tiêu thụ công suất lớn trên phần tử hiệu chỉnh Dòng phụ tải càng lớn, dải ổn định điện áp càng rộng thì phần tử hiệu chỉnh tiêu thụ công suất càng

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

- Kích thước của phần tử hiệu chỉnh 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

Hình 1 7: Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch

Trong đó:

1) Lọc nhiễu tần số cao

2) Bộ nắn và lọc sơ cấp

3) Phần chuyển mạch chính

4) Bộ nắn và lọc thứ cấp

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

và nhiệt, làm giảm hiệu suất của bộ nguồn Hơn nữa, trong dải tần 10kHz – 500kHz, biến áp dùng lõi ferit có độ từ thẩm hiệu dụng lớn, nên 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 đóng – cắt nên tổn hao công suất rất nhỏ, toả nhiệt đơn giản

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

- 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

là một bộ nguồn chất lượng cao Phần còn lại của luận văn sẽ chỉ đề cập tới loại nguồn này, loại nguồn dùng trong thiết bị điện tử để đáp ứng được yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng cũng như cạnh tranh về giá cả

1.3 Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch

Như đã nói ở phần trên, nguồn chuyển mạch 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:

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 nhiễu cao tần 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 cao tần 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, khối này cần đảm bảo các yêu cầu sau:

Các sơ đồ thông dụng của khối này đã được đề cập trong mục 1.1.2 của chương 1 nên ở đây chỉ nêu ra yêu cầu chất lượng cho khối nắn và lọc sơ cấp như sau:

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

- Các linh kiện, đặc biệt là điôt 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 điôt 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 các chương sau Ở đây, chỉ đề cập tới yêu cầu chất lượng của bộ DC/DC:

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

- Mật độ công suất tải ra đạt mức cao (loại phổ biến là 1 – 4W/inch2

và loại đặc biệt là 40 – 50W/inch2

)

- Mạch đơn giản nhưng hiệu suất cao

- 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

Có các yêu cầu như sau:

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

điều khiển các khóa 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

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

- Bảo vệ quá dòng và quá áp trên tải

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

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC/DC cơ sở

Bộ nguồn biến đổi điện áp DC/DC là một thiết bị mà điện áp đầu vào là

DC và điện áp đầu ra cũng là DC Điện áp đầu ra về cơ bản là khác so với

điện áp đầu vào, bằng cách tích trữ năng lượng vào các phần tử tích năng

lượng sau đó xả năng lượng ra đầu ra ở một mức điện áp khác Phần tử tích

năng lượng có thể là cuộn kháng, máy biến áp hoặc tụ điện Bộ nguồn đóng

cắt bắt đầu được sử dụng rộng rãi đầu thập kỷ 60 Nó dựa trên thành phần chủ

yếu là các các bộ băm áp một chiều Bộ nguồn đóng cắt có hiệu suất cao, có

thể từ 75% đến 98%, cao hơn nhiều so với bộ nguồn tuyến tính Hiệu suất cao

sẽ làm tăng thời gian sử dụng của pin để thiết bị hoạt động Hiệu suất được

tăng lên từ những năm 1980, khi mà sử dụng tranzito trường (FET) có khả

năng đóng cắt với tần số cao hơn nhiều lần so với tranzito lưỡng cực Các

thiết bị đóng cắt điện tử công suất thường được sử dụng là Mosfets công suất,

IGBTs, MCTs, BJTs công suất, hoặc GTOs

Nguyên lý hoạt động như sau: sơ đồ sử dụng một khoá S (tranzito) có tần

số đóng cắt lớn để gián đoạn điện áp một chiều đầu vào theo chu kỳ có thể

điều chỉnh được Bằng cách thay đổi tỷ số thời gian đóng cắt trong một chu

kỳ, dạng sóng ra chứa các xung điện áp với độ rộng xung có thể thay đổi

được, có giá trị trung bình bằng giá trị điện áp một chiều ra tải

Hình 1.9: Bộ biến đổi điện áp DC/DC cơ sở a) Sơ đồ nguyên lý; b) đồ thị điện áp của bộ biến đổi điện áp DC/DC

Khi khoá S đóng, điện áp UO đặt lên tải R bằng với điện áp nguồn, khi

khoá S cắt mạch thì điện áp UO đặt trên R bằng 0 Ta có điện áp ra trung bình

UO là:

T

T U

S

O = (1-1) Trong đó : T là thời gian một chu kỳ

Tonlà thời gian khoá S đóng mạch trong một chu kỳ

Gọi D là tỷ số biến đổi, là tỷ số giữa thời gian khoá S đóng và thời gian

một chu kỳ đóng cắt của khoá S:

T

T T T

T

off on

on = +

Khi đó, điện áp trung bình đầu ra là UO = D.Us Như vậy, có thể điều

chỉnh điện áp đầu ra UO bằng cách điều chỉnh D Bằng cách cảm biến điện áp

một chiều đầu ra và điều khiển chu kỳ đóng cắt mạch thông qua vòng phản

hồi âm, điện áp ra một chiều có thể được điều chỉnh để chống lại sự thay đổi điện áp vào và biến động của tải

Tuỳ vào mục đích sử dụng của bộ nguồn đóng-cắt mà người ta có các sơ

đồ băm áp một chiều khác nhau: Từ các sơ đồ đơn giản như các sơ đồ băm áp không có biến áp cách ly, cho đến các sơ đồ có biến áp cách ly

Một bộ nguồn đóng - cắt hiện nay có thể đạt được mật độ năng lượng 0,01 ÷ 0,02W/cm3 và có khả năng tạo ra nhiều mức điện áp ra từ một đầu vào duy nhất Bộ nguồn này cũng không cần sử dụng biến áp tần số 50 (60) Hz nên kích thước nhỏ Một vài nhà thiết kế dự kiến mật độ năng lượng có thể đạt tới 0,1 ÷ 0,2W/cm3

Bộ nguồn đóng-cắt cũng có các nhược điểm của nó Tuy nhiên, những nhược điểm này không phải là cơ bản và có thể dễ dàng khắc phục: Thứ nhất

là nó phức tạp hơn bộ nguồn tuyến tính Thứ hai là nó tạo ra nhiễu ở đầu ra, đầu vào và phát tán ra môi trường vì vậy cần có thêm bộ lọc và bộ chống từ tính Thứ ba do bộ nguồn gián đoạn nên đáp ứng với thay đổi tải và điện áp đầu vào chậm hơn bộ nguồn tuyến tính

Những nhược điểm này có thể được khắc phục bởi người thiết kế và tác động của chúng đến hệ thống có thể được giảm thiểu

1.5 Phân loại các bộ nguồn chuyển mạch cơ sở

- Bộ nguồn chuyển mạch không có biến áp cách ly có các dạng sơ đồ sau: + Sơ đồ bộ biến đổi giảm áp (Buck)

+ Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp (Boost)

+ Sơ đồ bộ biến đổi tăng, giảm áp (Buck-Boost)

+ Sơ đồ bộ biến đổi hỗn hợp (Cuk)

- Bộ nguồn chuyển mạch có biến áp cách ly có các dạng sơ đồ sau:

+ Sơ đồ bộ biến đổi Push-pull

+ Sơ đồ bộ biến đổi Forward

+ Sơ đồ bộ biến đổi Nửa cầu (Half-Bridge)

+ Sơ đồ bộ biến đổi Cầu (Full-Bridge)

+ Sơ đồ bộ biến đổi Fly-back

KẾT LUẬN

1 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

2 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, 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)

3 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 sau đây sẽ nghiên cứu sâu hơn về phần động lực của các bộ nguồn chuyển mạch cơ sở Nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng đầu ra của bộ nguồn Các loại nguồn hiện nay được phát triển rất nhiều nhưng cũng xuất phát từ các bộ nguồn cơ sở này

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN

MỀM MÔ PHỎNG

Trong phạm vi của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số và sơ đồ mạch tới chất lượng nguồn một chiều dải rộng Vì vậy, sau đây chỉ trình bày phần mạch động lực của các sơ đồ biến đổi điện áp DC/DC

cơ bản

2.1 Bộ nguồn chuyển mạch không có biến áp cách ly

2.1.1 Sơ đồ bộ biến đổi giảm áp (Buck)

Hình 2.1: Bộ biến đổi giảm áp (Buck)

Một trong những sơ đồ băm áp đầu tiên là bộ băm áp nối tiếp Buck có sơ

chiều trung bình là (Uin.Ton)/T Một bộ lọc LC được thêm vào nối tiếp giữa

Uin và UOđể lọc điện áp nhấp nhô tự do một chiều

Hình 2.2: Dạng sóng của dòng điện và điện áp

Để phân tích điện áp của mạch điện này ta phải chú ý đến sự thay đổi của dòng điện trong cuộn kháng trong mỗi chu kỳ Từ quan hệ:

dt

di L U

rằng điện áp không bị tổn hao trên khoá S và điôt trong khi đóng và khoá chuyển mạch là lý tưởng Vì vậy trong thời gian đóng khoá S thì UX=Uin và khi cắt thì UX=0 ta có biểu thức sau:

= = ∫ − + ∫+ −

off on

on

T O T

O

in U dt U dt U

D= on ; MV là tỷ số biến đổi điện áp

Như vậy, quan hệ giữa MV và D biến thiên tuyến tính như trên hình 2.3

Hình 2.3 : Quan hệ giữa M V và D của sơ đồ Buck

Khi đó quan hệ điện áp là: UO=D.Uin Nếu bỏ qua tổn thất thì công suất ở đầu vào và đầu ra phải bằng nhau và giá trị trung bình là UO.IO=Uin.IStừ đó ta

sẽ có IS=D.IO Quan hệ này dựa trên giả thiết dòng điện qua cuộn kháng không đột ngột về không

Căn cứ vào tính liên tục của dòng điện chạy qua cuộn kháng mà bộ biến đổi Buck có hai chế độ là: Chế độ liên tục và chế độ không liên tục Chế độ liên tục là chế độ mà dòng điện chạy qua cuộn kháng luôn luôn lớn hơn không, không có thời điểm nào trở về không Chế độ không liên tục là chế độ

mà dòng điện trên cuộn kháng trở về không trong một phần thời gian khoá

chuyển mạch cắt Khi giá trị dòng điện đầu ra thấp hoặc tần số chuyển mạch thấp thì bộ biến đổi có thể ở chế độ không liên tục Chế độ liên tục sẽ có hiệu suất cao, tốt cho khoá chuyển mạch và các thành phần trong mạch Chế độ không liên tục có thể được sử dụng cho các ứng dụng có yêu cầu điều khiển đặc biệt

Để bộ nguồn hoạt động ở chế độ liên tục, cần tính toán các thông số như sau:

Giá trị tới hạn của cuộn kháng là

f

R D

L gh

2

).

1 ( −

8

).

1 (

f L U

U D C

r O

−

với Ur là giá trị giới hạn đỉnh-đỉnh của điện áp đầu ra tức là

Ur đặc trưng cho mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra

Bộ ổn định Buck có điện áp đầu ra UO = Uin.(Ton/T), nghĩa là độ lớn của điện áp đầu ra phụ thuộc vào chu kỳ T và thời gian khoá chuyển mạch đóng

Ton Nhưng cần xác định giá trị của T là bao nhiêu thì mạch đạt tối ưu

Như đã biết, để nâng cao chất lượng điện đầu ra thì cần phải nâng cao tần

số chuyển mạch, tăng dung lượng cuộn kháng L và tụ điện C Nhưng các thông số này tăng đến mức độ nào để đạt chất lượng mong muốn Để đảm bảo chất lượng điện mà giảm kích thước của mạch lọc L, C cần nâng tần số hoạt động càng cao càng tốt (T càng nhỏ càng tốt) Tuy nhiên, khi ấy tổn hao chuyển mạch cũng sẽ tăng lên (tổn hao chuyển mạch tỉ lệ nghịch với chu kỳ T) và cần sử dụng các bộ toả nhiệt thể tích lớn để giữ nhiệt độ của khoá chuyển mạch ổn định theo yêu cầu Mặc dù sử dụng loại điôt phục hồi nhanh nhưng nếu giảm chu kỳ T thì tổn hao công suất của điôt lúc này sẽ tăng đáng

kể mà không thể bỏ qua được

Trong chương 3 sẽ nghiên cứu rõ hơn về mức độ ảnh hưởng của các thông số: tần số chuyển mạch và các thông số của L, C

2.1.2 Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp (Boost)

Hình 2.4 Sơ đồ biến đổi tăng áp (Boost)

Sơ đồ bộ biến đổi Boost có điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Nó sử dụng các phần tử giống như sơ đồ Buck nhưng chúng được sắp xếp như hình 2.4 và có sự hoạt động khác so với sơ đồ Buck Cuộn dây L được mắc nối tiếp với Uin và khoá S Điểm cuối của cuộn dây L cấp tới tụ điện đầu ra C và điện

trở tải thông qua điôt D

Hình 2.5 : Dạng sóng của bộ biến đổi Boost

Hoạt động: Khi khoá S đóng trong thời gian Ton thì dòng điện trong cuộn kháng sẽ tăng tuyến tính và điôt D bị khóa do chịu điện áp ngược Đồng thời

tụ C (đã được nạp từ trước) phóng điện qua tải R Khi khóa S cắt, L được nạp đến giá trị điện áp lớn hơn Vo thì sẽ phóng điện qua điôt D để cung cấp cho tải R và nạp vào tụ C

Giả thiết dòng điện chạy liên tục qua cuộn kháng (xét chế độ liên tục) Dạng điện áp đặt lên cuộn kháng như hình 2.5 và giá trị điện áp trung bình trên cuộn kháng L trong một chu kỳ phải bằng không (theo định luật Faraday)

U in T on + (U in −U O)T off = 0 (2-7)

Từ đó ta có tỷ số biến đổi điện áp:

) 1 (

1

D T

T U

U M

off in

Như vậy, quan hệ giữa MV và D biến thiên phi tuyến như trên hình 2.6

Hình 2.6 : Quan hệ giữa M V và D của sơ đồ Boost

Để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục thì phải đảm bảo các giá trị giới hạn sau:

Giá trị tới hạn của cuộn kháng là

f

R D D

L gh

2

) 1

Và

f R U

U D C

r

O

.

.

Ur là giá trị đỉnh - đỉnh của điện áp đầu ra, đặc trưng cho mức độ gợn sóng của UO

Bộ ổn định Boost không được sử dụng rộng rãi như bộ ổn định Buck vì có

ít trường hợp cần điện áp cao từ nguồn điện áp thấp (khi đó có nhiều cách lựa chọn để có hiệu suất cao và đơn giản hơn nhiều, ví dụ như dùng biến áp với nhiều cuộn thứ cấp có nhiều ngõ ra)

Bộ ổn định Boost thường sử dụng ở mức công suất thấp (<10W), nó phù hợp cho những bo mạch công suất thấp của máy tính với mức điện áp logic 5V hoặc cho các bộ khuếch đại thuật toán với mức điện áp 12V hoặc 15V Trong một số hệ thống sử dụng nguồn từ 12V – 28V, nếu dùng pin thì khi nguồn pin này giảm đột ngột hoặc xuống quá thấp (ví dụ như xuống 9V – 22V) thì hệ thống sẽ gặp nhiều trục trặc Khi đó người ta có thể dùng bộ ổn định Boost để tăng cường điện áp đầu ra theo mức yêu cầu, những ứng dụng

này có thể đạt công suất từ 50W – 200W

2.1.3 Sơ đồ bộ biến đổi tăng, giảm áp (Buck-Boost)

Hình 2.7: Sơ đồ của bộ biến đổi Buck-Boost

Đây là bộ biến đổi có hoạt động gần giống với bộ biến đổi Boost: nó nạp năng lượng vào cuộn cảm trong một phần của chu kỳ và chuyển nó đến tải trong phần tiếp theo của chu kỳ đó Sự khác nhau giữa bộ biến đổi Boost và Buck-Boost là vị trí của công tắc chuyển mạch và cuộn dây được hoán đổi, đồng thời điôt D cũng bị đảo chiều

Hình 2.8 : Dạng sóng của bộ biến đổi Buck-Boost

Khi S đóng thì UX=Uin và khi S cắt thì UX=UO, thực tế dòng điện sẽ về không tại thời điểm giá trị điện áp trung bình đặt trên cuộn kháng bằng không Phương trình cân bằng:

0 ON + O OFF =

in T U T

từ đó ta có tỷ số điện áp:

) 1 ( D

D U

U M

in

O V

D I

áp đầu ra so với đầu vào

Giá trị tới hạn giữa chế độ liên tục và không liên tục của cuộn kháng được xác định như sau:

f

R D

L gh

2

) 1 ( − 2

Như vậy quan hệ giữa MV và D biến thiên phi tuyến như hình 2.9:

Hình 2.9 : Quan hệ giữa M V và D của sơ đồ Buck-Boost

2.1.4 Sơ đồ bộ biến đổi hỗn hơp (Cuk)

Tất cả các bộ biến đổi Buck, Boost và Buck-Boost đều biến đổi năng lượng giữa điện áp đầu vào và đầu ra bằng cách sử dụng cuộn kháng, phân tích dựa trên sự cân bằng điện áp trên cuộn kháng Bộ biến đổi Cuk năng lượng được truyền qua tụ điện và phân tích dựa trên sự cân bằng dòng điện trên tụ điện Sơ đồ mạch của bộ biến đổi Cuk được trình bày ở hình 2.10

Sơ đồ mạch bộ biến đổi Cuk

Nếu giả thiết rằng dòng điện chạy qua cuộn kháng thuần cảm, chúng ta

có thể khảo sát sự cân bằng của tụ điện C1 Khi khoá S đóng, điôt D khóa và

tụ C1 được nạp bởi dòng IL2 Khi khoá S cắt, điôt dẫn và dòng điện qua D là tổng IL1+IL2 và dòng điện trên C1 là IL1

Hình 2.11 : Dạng sóng của bộ biến đổi Cuk

Từ trạng thái ổn định giả thiết không có sự tăng điện áp của tụ và dòng điện thực là bằng không Ta có:

0 )

) 1

D U

U M

in

O V

R D

L gh

2

).

1 (

1

−

f

R D

L gh

2

).

1 (

2

8

).

1 (

f L U

U D C

r O

U D

r

.

Hình 2.12: Quan hệ giữa M V và D của sơ đồ Cuk

Như vậy tỷ số biến đổi điện áp giống như của sơ đồ biến đổi Buck-boost Thuận lợi của bộ biến đổi Cuk là cuộn kháng đầu vào và đầu ra làm cho dòng điện phẳng hơn ở cả hai phía trong khi các bộ Buck, Boost và Buck-boost có

ít nhất một phía là dòng điện xung

2.1.5 So sánh tỷ số biến đổi điện áp giữa các sơ đồ không có biến áp cách

ly

Điện áp có thể được biến đổi bằng bộ biến đổi DC-DC được tổng hợp ở hình 2.13 Đối với bộ biến đổi Buck có quan hệ tuyến tính giữa tỷ số biến đổi

và điện áp đầu ra Bộ biến đổi Buck-boost và Cuk có cùng tỷ số biến đổi điện

áp và có thể tăng hoặc giảm tỷ số biến đổi điện áp, không thay đổi điện áp ở

tỷ số biến đổi là 0,5 Ở đây ta chỉ so sánh về độ lớn, không so sánh về chiều của điện áp đầu ra so với đầu vào

Hình 2.13 : Quan hệ giữa M V và D

2.2 Bộ nguồn chuyển mạch có biến áp cách ly

Như ta đã thấy ở trên các sơ đồ bộ băm áp không có biến áp cách ly mà chỉ có các phần tử bán dẫn liên kết đầu vào với đầu ra Các phần tử bán dẫn

có điện áp chọc thủng không lớn và khả năng tạo ra hỏng hóc dây chuyền trong bất kỳ bộ nguồn công suất nào Đây không phải là lỗi do sản xuất mà là

do hệ số tản nhiệt và những hoạt động bất thường như các xung nhiễu

Sơ đồ có biến áp cách ly dựa trên cơ sở cách điện điện môi: thông qua sự cách điện của các vòng dây và các lớp cách điện Năng lượng được truyền qua vật liệu sắt từ ferit không dẫn điện để đi tới đầu ra Khả năng cách điện của máy biến áp (MBA) có thể lên đến vài nghìn vôn trước khi nó bị chọc thủng

và nó tạo ra lớp cách điện điện môi khi có phần tử bán dẫn bị hỏng, ngăn

không cho phản ứng dây chuyền xảy ra dẫn tới hàng loạt các phần tử khác hỏng theo

Vì vậy có nhiều ứng dụng của bộ biến đổi DC/DC yêu cầu đầu ra phải cách ly độc lập Việc cách ly giữa đầu vào và đầu ra còn là yêu cầu của các tiêu chuẩn an toàn Ngoài ra sử dụng biến áp còn có thể tạo ra được nhiều đầu

ra với các mức điện áp khác nhau

Các sơ đồ có biến áp cách ly thông dụng là sơ đồ Push-Pull, sơ đồ Forward, sơ đồ Cầu (Full-Bridge), sơ đồ Nửa Cầu (Half-Bridge), sơ đồ Fly-back

2.2.1 Sơ đồ bộ biến đổi Push-Pull

Hình 2.14: Sơ đồ mạch bộ biến đổi Push-Pull

Sơ đồ của bộ biến đổi Push-Pull được thể hiện trên hình 2.14; đây là sơ

đồ có chứa thành phần bộ lọc LC ở đầu ra Sử dụng biến áp xung để nâng hoặc hạ điện áp vào đã được băm xung trước khi đưa nó vào bộ lọc LC đầu

ra Máy biến áp trong bộ Push-Pull đóng vai trò như cuộn dây sơ cấp có điểm giữa, điện áp vào được nối vào điểm này và khoá S được nối với hai đầu cuộn dây Điện áp thứ cấp là dạng sóng chỉnh lưu toàn sóng và sau đó được đưa đến bộ lọc LC

Hình 2.15 : Dạng sóng đặc trưng của bộ biến đổi Push-Pull

Trong đó: U S1, U S2 lần lượt là điện áp giữa 2 đầu của khóa S1 và S2

I S1 , I S2 lần lượt là dòng điện chạy qua khóa S1 và S2

U in là điện áp đầu vào

Bộ biến đổi Push-Pull còn được gọi là sơ đồ kép “double-end” do sử dụng hai khoá S để thực hiện chức năng đóng cắt, hai khoá S này không hoạt động đồng thời mà xen kẽ luân phiên nhau, mỗi khoá S hoạt động 1/2 chu kỳ với cùng một tỷ số đóng cắt D Tuy nhiên D phải nhỏ hơn 0,5 để đảm bảo hai khoá S không đóng đồng thời Hai phía của cuộn dây sơ cấp được quấn theo cùng chiều nhưng có dòng điện chạy ngược chiều nhau Kết quả là từ trường trong lõi thép được tạo ra cả từ trường mang cực tính dương và âm

Khi khoá S1 đóng, điôt D1 dẫn và D2 khoá Trạng thái của điôt sẽ ngược lại khi khoá S2đóng

Các thông số của bộ biến đổi Push-Pull là:

Tỷ số biến đổi điện áp:

n

D U

U M

in

O V

2

=

= , với n=N1/N2 Giá trị giới hạn của cuộn kháng lọc là:

f

R D

L b

4

).

2 1 ( −

Tụ lọc được tính theo kinh nghiệm như sau:

2 min

32

).

2 1 (

f L U

U D C

và tạo ra dòng điện phá hủy khóa S Khi khóa S tiếp theo đóng mạch thì một nửa của cuộn thứ cấp tương ứng chuyển sang trạng thái dẫn và điện áp đặt lên khóa S không dẫn sẽ bằng hai lần điện áp vào do ảnh hưởng của dòng điện này Ta thấy mỗi khóa S và chỉnh lưu hoạt động ở tần số bằng một nửa tần số

hoạt động của bộ băm áp nhưng đặc tính của nó phải đáp ứng được như khi hoạt động với cả tần số làm việc

Mặc dù sơ đồ băm áp này có thể tạo ra công suất đầu ra đến vài kW nhưng nó cũng có những hạn chế đáng kể Một khó khăn trong thực tế là không có hai van bán dẫn giống hệt nhau và hai nửa cuộn dây giống hệt nhau Điều này có nghĩa là sẽ có một nửa của cuộn dây có số vòng dây ít hơn, hoặc một khóa S cắt chậm hơn hoặc có điện áp bão hòa thấp hơn Các nghiên cứu cho thấy lõi thép của MBA không hoạt động đối xứng như đường cong từ hóa B-H Kết quả sẽ dẫn đến một nửa cuộn sơ cấp sẽ có dòng điện đỉnh cao hơn

và dễ bị bão hòa hơn Điều này sẽ nguy hiểm khi có bước nhảy tăng tải đầu

ra Bộ so sánh sai lệch sẽ kéo theo khóa S tới xung mở rộng nhất, gây ra dòng điện lớn dẫn đến sự bão hòa Đây gọi là sự mất cân bằng lõi thép Một cách

để đề phòng trường hợp này là thêm vào bộ cảm biến xung dòng và cắt khóa

S khỏi mạch điều khiển khi có sự cố Việc thêm các phần tử bảo vệ vào bộ điều khiển sẽ làm tăng giá thành bộ nguồn và khiến cho bộ băm áp Push-Pull không hấp dẫn đối với người thiết kế

2.2.2 Sơ đồ bộ biến đổi Forward

Sơ đồ Forward được mô tả như hình 2.17

Sơ đồ này cũng giống với sơ đồ Push-Pull nhưng nó không gặp phải vấn

đề về cân bằng từ thông Và vì nó chỉ có một khoá chuyển mạch nên kinh tế hơn sơ đồ Push-pull

Hình 2.17 : Bộ biến đổi Forward