TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XNCN
====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK-BOOST PFC
Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Duy Đỉnh
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Phi Long
Lớp : TĐH1 - K53
MSSV : 20081596 Hà Nội, 6-2013

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi
Buck-Boost PFC do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh.
Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 04 tháng 06 năm 2013

26 2.3. Mô hình hóa đối tượng mạch vòng điện áp
30 Chương 3. TÍNH TOÁN CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH
30 3.1. Tính toán các giá trị định mức
30 3.2. Thiết kế cuộn cảm
33 3.3. Tính chọn van MOSFET
34 3.4. Tính chọn Diode
35 3.5. Tính chọn tụ điện đầu ra
36 3.6. Tính toán mạch Snubber cho MOSFET
38 Chương 4. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
38 4.1. Sự phát sinh sóng hài dòng điện trong phương pháp điều khiển Current mode
38 4.1.1. Sóng hài dòng điện do khâu Feedforward
40 4.1.2. Sóng hài dòng điện do phản hồi điện áp V
0
(t)
42 4.2. Tính toán vòng điều khiển dòng điện 49 4.3. Tính toán mạch FeedForward giá trị hiệu dụng điện áp lưới
51 4.4. Tính toán mạch vòng điều khiển điện áp
. 56 Chương 5 MÔ PHỎNG MẠCH BUCK-BOOST PFC
56 5.1. Xây dựng hệ thống mô phỏng trên phần mềm PSIM
58 5.2. Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost PFC
. 63 Chương 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
63 6.1. Kết quả thực nghiệm
67 6.2. Nhận xét
68 KẾT LUẬN
69 TÀI LIỆU THAM KHẢO
71 PHỤ LỤC
(d). Dòng điện qua van S
1
, S
2
; (e). Dòng điện qua diode D
1
, D
2
; (f), (g), (h), (k). Điện áp
trên van S
1
, S
2
, và Diode D
1
, D
2
. 22
Hình 2.3. Mạch tương đương khi S
1
, S
2
dẫn. 23
Hình 2.4. Mạch tương đương khi S
1
, S
2
khóa. 24
Hình 2.5. Dạng điện áp trên cuộn cảm và dòng điện của tụ C 24
Hình 2.7. Mô hình tương đương khi lấy trung bình trên một nửa chu kỳ lưới. 29

(s). 53
Hình 4.11. Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp. 54
Hình 4.12. Bộ bù loại hai của mạch vòng điện áp. 55
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC. 56
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC 56
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC. 57
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57
Hình 5.3. Đặc tính khởi động không tải khi V
in,rms
=220V. 58
Hình 5.4. Đặc tính khởi động không tải khi Vin,rms=100V. 58
Hình 5.5. Đặc tính động của bộ biến đổi khi khởi động với tải định mức. 59
Hình 5.6. Đặc tính động của bộ biến đổi khi thay đổi tải. 59
Hình 5.7. Đặc tính động của bộ biến đổi khi điện áp sụt từ 220V xuống 110 V 60
Hình 5.8. Dạng dòng điện, điện áp đầu vào và hệ số công suất. 60
Hình 5.9. Nhấp nhô của điện áp đầu ra khi hệ thống ổn định. 61
Hình 5.10. Đặc tính động của bộ biến đổi khi tải mang tính cảm. 61 Danh mục hình vẽ iii
Hình 6.1. Sơ đồ thực nghiệm tổng thể 63
Hình 6.2: Dạng dòng điện và điện áp khi không có PFC. 64
Hình 6.3. Dạng xung mở van 64
Hình 6.4. Đáp ứng điện áp khi khởi động không tải 65
Hình 6.5. Điện áp đầu ra khi ổn định không tải 65
Hình 6.6. Điện áp đầu ra khi tải trở định mức 66

Danh mục từ viết tắt v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PF
Power Factor
Hệ số công suất
PFC
Power Factor Corrector
Bộ nâng cao hệ số công suất
THD
Total Harmonic Distortion
Tổng hệ số méo sóng hài
IEC
International Electrotechnical Commission
Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế
AC
Alternative Current
Dòng điện xoay chiều
DC
Direct Current
Dòng điện một chiều
LFR
Loss-Free Resistor
Điện trở không tổn hao


thống mạng máy tính, các hệ thống nguồn phân tán đã đặt ra các bài toán thiết kế các bộ
nguồn một chiều có điện áp đầu ra ổn định. Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng đầu
ra tốt, kích thước nhỏ thì những bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng
dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống và có hệ số công suất thấp. Do
số lượng các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng là đáng kể tới hệ
thống lưới điện. Trên thực tế, một số tiêu chuẩn đã được đưa ra quy định cụ thể về mức
phát sóng hài đối với các thiết bị thương mại. Từ đó, người thiết kế cần phải đưa ra biện
pháp để đáp ứng yêu cầu này. Có hai phương pháp nâng cao hệ số công suất được đưa ra
là Passive PFC và Active PFC. Mặc dù, phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản,
nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụng với các các thiết bị ở dải công suất thấp. Trong khi
phương pháp Active PFC đáp ứng được cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao,
kích thước nhỏ gọn. Qua nhiều năm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất
Active PFC ngày càng chiếm ưu thế.
Đồ án này đề xuất cấu hình Buck-Boost PFC với các ưu điểm như khả năng điều
khiển hoàn toàn dòng điện đầu vào, hoạt động trong toàn dải điện áp, cấu trúc đơn giản.
Đây cũng chình là các hạn chế của các cấu hình cơ bản Buck PFC, Boost PFC. Qua
nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này có khả năng áp
dụng vào thực tế.
Toàn bộ đồ án được hoàn thành với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh
và được báo cáo trong 6 chương.
Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất.
Chương 2. Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC.
Chương 3. Tính toán các linh kiện trong mạch.
Chương 4. Tính toán hệ thống điều khiển.
Chương 5. Mô phỏng mạch Buck-boost PFC.
Chương 6. Kết quả thực nghiệm. Lời nói đầu


Hệ số công suất (PF) của một thiết bị điện bất kỳ là đại lượng đặc trưng cho hiệu
quả truyền năng lượng từ nguồn lưới tới tải. Hệ số công suất được tính bằng tỷ số giữa
công suất tác dụng và công suất biểu kiến được đo ở nguồn cấp cho thiết bị.
n,rms n,rms n
n1
rms rms
V .I .cos
P
PF
S V .I






(1.1)
Đối với nguồn lưới, ta có thể coi điện áp có dạng sin lý tưởng. Khi đó, điện áp lưới
không có các thành phần sóng hài.
2,rms 3,rms 4,rms
V V V 0V   

(1.2)
Thay (1.2) vào (1.1) ta có:
1,rms 1
p1
rms
I .cos
PF K .cos
I

I
THD
I





(1.4)
Từ (1.4) và (1.3) ta có quan hệ giữa PF và THD
1
1
PF .cos
1 THD

(1.5)
Từ (1.3) và (1.5) ta có quan hệ giữa K
p
và THD
p
1
K
1 THD


được điện áp một chiều có độ nhấp nhô nhỏ. Do đó, dòng điện đầu vào có dạng không sin
và chứa nhiều thành phần sóng hài có biên độ lớn. Số lượng thiết bị như vậy tồn tại rất
nhiều trong thực tế nên có ảnh hưởng không nhỏ tới cả người dùng lẫn mạng lưới điện.
Sau đây là một số các tác hại do sóng hài gây ra [2]:
- Tổn hao và phát nóng trên máy biến áp, dây cáp, động cơ làm chúng già hóa cách
điện và nhanh hỏng.
- Dòng điện qua dây trung tính của hệ thống ba pha bốn dây vượt quá giá trị cho
phép làm quá nhiệt dây trung tính và rơ-le bảo vệ tác động.
- Hệ số công suất suy giảm nên công suất tác dụng tạo ra bởi thiết bị nhỏ hơn công
suất biểu kiến của lưới cung cấp, giảm hiệu quả truyền công suất của nguồn lưới.
- Hiện tượng cộng hưởng điện sẽ sinh ra điện áp và dòng điện có giá trị đỉnh rất
lớn, có thể dẫn tới hỏng thiết bị.
- Phát sinh lỗi trong các thiết bị đo lường.
1.2. Các tiêu chuẩn về nhiễu do sóng hài của các bộ biến đổi.
Sự xuất hiện của các thành phần sóng hài trong dòng điện tạo ra những tác động
tiêu cực tới lưới và các thiết bị khác. Một số tiêu chuẩn đã đưa ra quy định cụ thể về mức
sóng hài mà các nhà sản xuất thiết bị phải tuân theo khi thiết kế, chế tạo các thiết bị điện.
Một trong những tiêu chuẩn mà được thế giới áp dụng là IEC 1000-3-2 (IEC95), được
đưa ra bởi ủy ban Điện tử quốc tế và được châu Âu điều chỉnh thành chuẩn EN 61000-3-
2. Chuẩn IEC 1000-3-2 [3] áp dụng cho các thiết bị điện với dòng định mức một pha đến
16A, điện áp định mức một pha 220÷240V hoặc ba pha 380÷415V, tần số 50Hz hoặc
60Hz. Chuẩn IEEE 519-1992 (IEE92) áp dụng cho các thiết bị với điện áp và công suất
cao hơn. Nội dung cơ bản của chuẩn IEC 1000-3-2 là đưa ra giới hạn cho phép của giá trị
mỗi thành phần dòng điện sóng hài đối với từng lớp thiết bị. Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 6

0.4
8≤ n ≤40
1.84/n
11
0.33 13
0.21 15≤ n ≤39
2.25/n Bảng 1.2. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp C [3]
Sóng hài bậc n
Phần trăm cực đại dòng sóng hài so với
dòng điện ở tần số cơ bản (%)
2
2
3
30.PF
5
10
7
7
9
5
11≤ n ≤39 (chỉ đối với bậc lẻ)

13≤ n ≤39
2.25/n
3.85/n
1.3. Đặc điểm của các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường
Những năm vừa qua, nhu cầu về các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường có điện áp ra
ổn định ngày một gia tăng. Các bộ nguồn này được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị
điện tử, hệ thống sạc điện hay mạng điện phân tán Cấu trúc được sử dụng phổ biến
trong các bộ nguồn như trên hình 1.2. Trong đó, khâu đầu tiên thường là một cầu chỉnh
lưu cùng với một tụ điện lớn để ổn định điện áp đầu ra, minh họa trong hình 1.3. Dòng
điện đầu vào của khâu chỉnh lưu này bị gián đoạn và có dạng xung nhọn vì Diode chỉ dẫn
khi điện áp lưới lớn hơn điện áp trên tụ, minh họa trong hình 1.4. Dòng điện đầu vào có
dạng như vậy là do các thành phần sóng hài của dòng điện có giá trị đáng kể so với dòng
điện ở thành phần cơ bản. Hệ số PF của các bộ nguồn này khoảng 0,6. [4]

Hình 1.2. Cấu trúc của một bộ nguồn chỉnh lưu thông thường. Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 8

Hình 1.3. Khâu chỉnh lưu cầu trong cấu trúc 1.3 [4].

Hình 1.4. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.4 [4].
Có thể thấy rằng, các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường có các nhược điểm chính
sau:
- Tạo ra sóng hài và nhiễu điện từ.
- Hệ số công suất thấp.
- Tổn hao lớn.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 10
thành phần sóng hài. Điện áp đầu ra không được điều chỉnh và nhấp nhô điện áp thay đổi
theo tải. Dạng dòng điện đầu vào được mô phỏng trên hình 1.7 với tải có công suất 200W
và phổ các thành phần sóng hài bậc chẵn của dòng điện ứng với L=25 mH như hình 1.8.

Hình 1.6. Mạch chỉnh lưu cầu có cuộn cảm nối tiếp phía điện áp lưới [4]. Hình 1.7. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.6 [4]. Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 11

Hình 1.8. Các thành phần sóng hài ứng với trường hợp L = 25mH [4].
Ngoài ra, còn một số phương pháp khác như: Cuộn cảm nối tiếp phía sau cầu chỉnh
lưu (hệ số công suất có thể đạt PF=0,9), sử dụng mạch lọc phía trước cầu chỉnh lưu để lọc
các thành phần sóng hài bậc 3 và 5 (PF= 0,99), mắc nối tiếp tụ ở đầu vào hay thêm tụ
điện, Diode và cuộn cảm ở đầu ra của cầu chỉnh lưu [4].
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp Passive PFC
Ưu điểm:
- Đơn giản, khả thi và không nhạy với nhiễu.
- Không tạo ra các tác động về nhiễu điện từ (EMI).
- Không có tổn hao chuyển mạch.

biến trong việc thiết kế các bộ nguồn đảm bảo các tiêu chuẩn về kỹ thuật. Do vậy, mục
tiếp sau sẽ đi phân tích chi tiết về cấu hình khâu DC/DC và phương pháp điều khiển
trong bộ PFC.
Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 13
1.5. Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC
Mục tiêu của mục này là lựa chọn cấu trúc thực hiện mạch PFC phù hợp với những
yêu cầu của bài toán. Những tham số của bài toán thiết kế bộ nâng cao hệ số công suất:
- Điện áp lưới đầu vào V
in
= 100

240
rms
V
.
- Tần số lưới 48

52 Hz.
- Hệ số công suất PF > 0,95.
- Điện áp đầu ra V
0
= 400

5

(t) lớn
hơn điện áp đầu ra V
0
nên trong khoảng thời gian t
1
và t
2
sẽ không có dòng điện chạy từ
lưới. Điều này sẽ làm cho dòng điện lưới bị nhiễu khi điện áp nhỏ gần bằng không. Mặc
dù dòng điện qua cuộn cảm liên tục nhưng dòng điện đầu vào lại bị gián đoạn trong mỗi
chu kỳ chuyển mạch của khóa S. Điều này làm gia tăng biên độ các thành phần tần số
cao, yêu cầu lọc đầu vào để giảm méo dòng điện lưới do sóng hài. Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 14

Hình 1.10. Cấu hình mạch Buck PFC [4].

Hình 1.11. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck PFC [4]. Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 15
b) Mạch Boost PFC
Boost PFC là mạch tăng áp, cấu hình mạch như trên hình 1.12 và dạng dòng điện,

mang các đặc điểm của cả hai mạch này. Buck-Boost PFC khắc phục được các nhược
điểm của mạch Boost PFC và Buck PFC. Nó hoạt động được cả chế độ tăng áp và chế độ
giảm áp, tức là mạch Buck-Boost PFC có thể hoạt động trên toàn dải điện áp lưới nên
không có hiện tượng méo dòng điện khi điện áp qua không. Điện áp trên các van khi
khóa chỉ bằng điện áp V
0
hoặc điện áp lưới V
in
(t). Giống như mạch Buck PFC, dòng điện
đầu vào cũng bị gián đoạn, yêu cầu mạch lọc các thành phần tần số cao nhiều hơn so với
mạch Boost. Hình 1.14 và 1.15 minh họa cấu hình và dạng dòng điện, điện áp của mạch
Buck-Boost PFC.
Thực tế đã có một số tác giả thực hiện cấu hình này với các phương pháp điều khiển
khác nhau. Người ta có thể điều khiển hai van S
1
và S
2
độc lập [8]. Mục tiêu của phương
án này là điều khiển mạch ở chế độ Buck khi V
in
(t)> V
0
và điều khiển mạch ở chế độ
Boost khi V
in
(t) < V
0
. Tuy nhiên, tác giả không dừng lại ở cấu hình này mà phát triển
thêm để chúng được tối ưu về phần năng lượng được truyền trực tiếp từ nguồn tới tải và
giảm điện áp đặt lên van. Cấu hình mạch lực lúc này trở nên phức tạp hơn, điều khiển