Ngoài tổn thất do mạch điều khiển sinh ra đã đề cập đến ở những phần tử cụ thể nói trên. Ta sẽ phân tích các thành phần tổn thất trong các chế độ làm việc của van sau đây.
1.8.1 Tổn thất trong chế độ tĩnh
Khi phần tử đang ở trong chế độ dẫn dòng hoặc đang khóa tổn hao công suất bằng tích của dòng điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó. Khi phần tử đang khóa, điện áp trên nó có thể lớn nhưng dòng rò qua van sẽ có giá trị rất nhỏ, vì vậy tổn hao công suất có thể bỏ qua. Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh ra khi van dẫn dòng. Với đa số các phần từ bán đẫn, điện áp rơi trên van khi dẫn thường không đổi, ít phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua. Như vậy có thể dễ dàng xác định được tổn hao công suất trong trạng thái van dẫn.
1.8.2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt
Trong quá trình dòng cắt, công suất tổn hao tức thời có thể có giá trị lớn vì dòng điện và điện áp trên van đều có thể có giá trị lớn đồng thời. Nói chung, thời gian đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chu kỳ hoạt động của phần tử nên tổn hao công suất trong chế độ đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình. Tuy nhiên khi phần tử phải làm việc với tần số đóng cắt cao thì tổn hao do đóng cắt lại chiếm một phần chính trong công suất phát nhiệt.
Hình 1.27 Bộ biến đổi xung áp một chiều, dùng MOSFET
31
Xác định công suất tổn hao trong chế độ đóng cắt là nhiệm vụ không đơn giản, vì phải phân biệt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt do đó ảnh hưởng đến tổn hao công suất. Để ví dụ ta xét các thành phần tổn hao công suất cho sơ đồ bộ biến đổi xung áp một chiều dùng MOSFET như trên hình 1.27.
1.8.2.1. Tổn hao do thời gian mở và khóa
Giả sử trong sơ đồ diode là phần tử lý tưởng, còn MOSFET mở, khóa với thời gian hữu hạn. Với tải trở cảm, dòng điện iv(t) và điện áp uV(t) không thể thay đổi tức thời. Dạng dòng và áp trong quá trình khóa thể hiện trên hình 1.28.
Trong thời gian chuyển mạch rất ngắn dòng tải chưa kịp thay đổi và có giá trị it = It, trong khoảng thời gian t0 < t < t2. Tại t0, có tín hiệu khóa MOSFET V, điện áp trên V tăng tuyến tính từ không đến giá trị điện áp nguồn một chiều E trong khoảng từ t0 đến t1. Trong khoảng này diode D0 chưa mở nên dòng qua V vẫn bằng It. Bắt đầu từ t1 diode D0 mở ra, do đó dòng qua V giảm tuyến tính về không ở thời điểm t2, tại đó dòng qua diode D0 tăng lên đến bằng dòng tải.
Hình 1.28 Dạng sóng quá trình van khóa ở sơ đồ hình 1.27
Tổn hao công suất tức thời trên V bằng pv(t) = iv(t)/uv(t) có dạng tam giác trong khoảng thời gian t0 < t < t2. Tổn hao năng lượng trên V chính là diện tích của tam giác này: 1 ( 2 1) 1
2 2
off t t off
W = EI t −t = EI t
trong đó: toff là thời gian khóa của MOSFET.
32
Trong quá trình mở, đồ thị dòng điện, điện áp trên các phần tử có dạng giống như ở hình 1.28. Dòng qua V phải tăng từ 0 đến It, dòng qua diode giảm từ It về không. Chỉ khi dòng qua diode đã về đến không thì điện áp trên V mới bắt đầu giảm từ E về đến không. Năng lượng tổn hao khi mở bằng: 1
on 2 t on
W = EI t
trong đó: ton là thời gian mở của van. Tổng tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt bằng Woff +Won. Nếu chu kỳ hoạt động của van là T ứng với tần số đóng cắt của van là: f = 1/T, công suất tổn hao sẽ bằng: PS 1.(Woff Won) f W.( off Won)
=T + = +
Như vậy tổn hao công suất tỷ lệ với tần số đóng cắt 1.8.2.2. Tổn hao do quá trình phục hồi
Ở phần trên ta giả sử rằng diode là phần tử lý tưởng mà chỉ xét đến tổn hao công suất do thời gian khóa, mở của MOSFET gây ra. Với giả thiết thời gian đóng cắt của MOSFET rất ngắn so với thời gian khóa lại của diode thì tổn thất công suất sẽ chủ yếu do quá trình phục hồi của diode sinh ra. Vẫn với sơ đồ trên hình 1.27, ta xét quá trình MOSFET khóa lại. Dạng sóng của quá trình này biểu diễn trên hình 1.29.
Hình 1.29 Tổn hao công suất do diode phục hồi
Khi diode khóa sẽ có một dòng điện ngược đi ra ngoài. Biên độ dòng điện ngược có thể lớn gấp vài lần giá trị dòng điện diode dẫn trước đó. Trên đồ thị ở hình 1.29, tại thời điểm t0 MOSFET bắt đầu mở ra làm diode D0 bắt đầu khóa lại.
33
Dòng điện ngược của diode tạo nên xung dòng trên giá trị It qua van V. Trong khoảng t0 đến t1 diode vẫn còn phân cực thuận nên điện áp trên van V vẫn bằng E.
Tại t1 dòng qua diode bằng không, diode bắt đầu bị phân cực ngược. Từ tl đến t2
dòng điện ngược của diode nạp cho tụ tương đương của tiếp giáp p-n phân cực ngược. Điện áp trên van V giảm dần về không tại t2, tại đó diode khóa lại hoàn toàn.
Khoảng thời gian từ tl đến t2 gọi là thời gian phục hồi của diode, tr. Những diode có khoảng thời gian t2 - tl nhỏ hơn nhiều lần khoảng t1 – t0 gọi là diode dập, hay diode cắt nhanh. Nếu thời gian cắt dòng của diode rất ngắn thì thời gian đóng cắt của các phần tử cũng sẽ rất nhanh. Tuy nhiên nếu tốc độ giảm dòng quá nhanh sẽ dẫn đến quá điện áp trên các điện cảm ký sinh, và do đó, cho các phần tử trong mạch. Quá điện áp có thể được suy giảm bằng các mạch RC song song với phần tử (snubber circuit), nhưng các mạch này lại tăng thêm các tổn thất trên sơ đồ. Nói chung phải có một sự thỏa hiệp giữa mong muốn giảm tổn thất trong quá trình đóng cắt và độ an toàn cho các phần tử trên sơ đồ.
Tổn thất năng lượng trong quá trình mở van V được tính bằng:
2
0
t ( )
v v
W =t u t i dt
Nếu dùng diode cắt nhanh thì (t2 - tl) << (t1 - t0), từ đó tích phân này có thể được tính đơn giản hơn. Coi điện áp trên van V bằng E trong phần lớn thời gian phục hồi tr = t2 - t0, dòng qua van iV(t) = It - ID0(t), do đó:
2
0
( ( ) .I .
t
v t v t r r
W =t E I −i t dt=E t +E Q
Trong đó: Qr là điện tích phục hồi của diode, giá trị này có thể tìm thấy trong đặc tính kỹ thuật của diode. Tổn thất năng lượng do thời gian phục hồi của diode phụ thuộc thời gian phục hồi tr của diode và điện áp một chiều của bộ biến đổi.
Năng lượng này có thể chiếm một phần lớn trong tổn thất do quá trình đóng cắt.
Tổn hao này có thế giảm đáng kể nếu sử dụng các diode cắt nhanh, tuy nhiên khi đó phải áp dụng các biện pháp để tránh quá áp cho các phần tử trong sơ đồ.
34