LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, ngày càng có nhiều ứng
dụng mới được đưa vào cuộc sống nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao của thực
tế. Tuy lí thuyết về hiện tượng áp điện đã ra đời từ rất lâu, nhưng tới tận những thập kỉ 70 -
80 của thể kỉ XX, những ứng dụng trong lĩnh vực điện tử công suất của 1 thiết bị làm việc
dựa trên hiện tượng áp điện – biến áp áp điện mới được phát triển. Ngay sau đó, những sản
phẩm ứng dụng đã được thương phẩm và bán rộng rãi trên thị trường với nhiều tính năng
ưu việt của biến áp áp điện như: hiệu suất cao, mật độ công suất lớn, không có nhiễu điện
từ…Mở ra khả năng thay thế các biến áp điện từ truyền thống trong dải công suất vừa và
nhỏ.
Biến áp áp điện, một đối tượng làm việc cộng hưởng. Vấn đề điều khiển nó đã được
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Nhưng do sự phát triển của khoa học kĩ thuật,
đặc biệt là do những yêu cầu mới về khả năng tích hợp, về tính linh hoạt của các ứng dụng
của biến áp áp điện, đã dẫn đến yêu cầu về 1 giải pháp phần mềm để thay thế cho phương
pháp điều khiển biến áp áp điện bằng phần cứng.
Với yêu cầu của thực tế, nhóm em đã được thày giáo TS. ĐỖ MẠNH
CƯỜNG, giao cho đề tài: “Nghiên cứu, phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử
dụng biến áp áp điện”. Phát triển đề tài này thành đồ án tốt nghiệp, chúng em đã tập
trung giải quyết được các vấn đề cụ thể sau:
 Tìm hiểu tổng quan về biến áp áp điện
 Tìm hiểu đặc tính, mô hình của biến áp áp điện và thực hiện mô phỏng
 Tìm hiểu về vấn đề đề điều khiển biến áp áp điện,
 Xây dựng thuật toán PLL trên nền của DSP TMS F2812
 Thiết kế mạch ứng dụng thực nghiệm
Trong thời gian thực hiện đề tài này, đã có không ít khó khăn như:
 Đây là đề tài còn tương đối mới
 Ở Việt Nam, biến áp áp điện rất ít, gây khó khăn cho việc thiết kế thực tế
Tuy nhiên, được sự hướng dẫn tận tình, sự động viên không ngừng, những
kinh nghiệm thực tế quí báu và những hỗ trợ tối đa về thiết bị và điều kiện làm việc của
1
thày giáo TS. ĐỖ MẠNH CƯỜNG, nhóm em đã hoàn thành những mục tiêu mà ban đầu

tạo ra điện áp cao cho ống tia cathode của tivi. Một số công ty khác sử dụng biến áp áp
điện làm mồi cho các lò nướng đốt ga.
Những năm 80, nhiều hãng có tên tuổi như Siemens, General Electric dùng biến áp
áp điện để điều khiển đóng mở các van công suất như THYRISTOR, MOSFET[4].
Thập kỷ 90, kỹ thuật điện tử, điện tử công suất đã có sự phát triển bùng nổ cùng với
nhu cầu giảm kích thước, khối lượng và giá thành các bộ biến đổi điện. Trong bối cảnh đó,
3
biến áp áp điện đã thu hút được sự chú ý của nhiều công ty công nghệ và các nhà nghiên
cứu bằng các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Các công ty Nhật Bản
như NEC, Tokin, Matsushita dẫn đầu xu thế này. Mục tiêu của họ là sử dụng biến áp áp
điện thay thế các biến áp điện từ trong các ứng dụng đòi hỏi điện áp cao, công suất vừa và
nhỏ. Trong đó, ứng dụng tiêu biểu là làm bộ nguồn cho đèn nền CCFL (Cold Cathode
Fluorescent Lamp) của màn hình LCD (laptop, PDA, máy ảnh số,…), hay ballast điện tử
cho đèn LED, bộ mồi điện cho đèn HID…
Trong những năm gần đây, ngành công nghệ vật liệu và kỹ thuật điện tử, điều khiển
có những bước tiến vượt bậc đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu, phát triển đưa ra
nhiều ứng dụng sử dụng biến áp áp điện. Một số ví dụ điển hình như: ballast điện tử đèn
cao áp, bộ biến đổi DC/DC, DC/AC, sạc điện cho laptop, điện thoại di động…
So với máy biến áp điện từ truyền thống, biến áp áp điện có một số ưu điểm nổi
trội:
Mật độ công suất lớn
Hiệu suất cao
Không có tổn hao điện từ
Kích thước, khối lượng nhỏ
Độ cách ly điện áp cao
Tuy vậy, biến áp áp điện cũng có những nhược điểm:
Có tính cộng hưởng: biến áp áp điện thường chỉ hoạt động hiệu quả ở một hay một
vài dải tần số cộng hưởng nhất định.
Dải công suất thấp
Giá thành cao

Các ứng dụng của vật liệu áp điện nói chung và biến áp áp điện nói riêng đều chỉ có
thể hoạt động khi khối vật liệu áp điện đã bị phân cực vì chỉ khi đó, các hiệu ứng áp điện
mới xảy ra. Quá trình phân cực hóa vật liệu áp điện được thể hiện như hình 1-2. Theo đó, ở
dưới nhiệt độ Curie, vật liệu áp điện có các lưỡng cực điện được sắp xếp tự do (hình1-2a).
Ta có thể định hướng cho các lưỡng cực điện này nhờ đặt vật liệu áp điện vào một điện
trường (hình 1-2b). Với một điện trường đủ mạnh và sau một thời gian nhất định thì khối
vật liệu áp điện sẽ duy trì tính chất phân cực kể cả sau khi ngắt điện trường đặt lên nó
(hình 1-2c).
5
Hình 1-2. Quá trình phân cực biến áp áp điện.
1.2.2. Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện
Như đã đề cập ở trên, sau khi vật liệu áp điện được phân cực hóa thì tính phân cực
của nó vẫn được duy trì kể cả sau khi đã bỏ điện trường đi và chỉ sau khi được phân cực
hóa thì các vật liệu áp điện mới được đưa vào ứng dụng. Tuy nhiên có một số nguyên nhân
có thể dẫn tới mất một phần hoặc hoàn toàn tính phân cực ở vật liệu áp điện và do đó các
thiết bị áp điện sẽ bị hỏng. Những nguyên nhân đó gồm:
Nguyên nhân cơ học: khi có một lực cơ học đủ lớn đặt lên khối vật liệu áp điện thì
sự sắp xếp có hướng các lưỡng cực điện trong khối vật liệu có thể bị xáo trộn và do
đó khối vật liệu bị mất tính chất phân cực điện. Giới hạn của lực cơ học gây mất tính
phân cực của khối vật liệu rất khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu.
Nguyên nhân về điện: khi đặt khối vật liệu áp điện đã phân cực hóa trong một điện
trường đủ mạnh ngược chiều với điện trường sử dụng để phân cực khối vật liệu thì
khối vật liệu có thể bị mất tính phân cực. Độ mạnh của điện trường để làm mất sự
phân cực của khối vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó phải kể đến là: loại
vật liệu, thời gian khối vật liệu bị đặt trong điện trường đó và nhiệt độ.
6
Nguyên nhân về nhiệt: khi khối vật liệu áp điện đã được phân cực hóa được nung
nóng lên tới ngưỡng nhiệt độ Curie của nó thì sự sắp xếp có hướng của các lưỡng cực
điện trong khối vật liệu trở nên bị xáo trộn do các phân tử hoạt động mạnh. Do vậy
để tính phân cực của khối vật liệu được đảm bảo lâu bền và các ứng dụng vật liệu áp

trường và độ phân cực của phần tử áp điện.
Ở phương trình (1-1), là véctơ thể hiện độ biến dạng của phần tử áp điện khi có
tác dụng của lực căng và điện trường với cường độ lên. Khi không có lực căng đặt lên
vật liệu thì độ biến dạng
S
r
chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường
E
r
. Lúc này phương
trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện nghịch .
Tương tự như vậy ở phương trình (1-2),
D
r

là véctơ mật độ điện tích thể hiện sự
phân cực của vật liệu áp điện khi có tác dụng của lực căng là điện trường với cường độ
lên vật liệu. Khi không có điện trường ngoài đặt lên vật liệu thì
D
r

chỉ phụ thuộc vào lực
tác dụng
T
r
. Lúc này, phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện thuận.
Các đại lượng khác hai trong phương trình bao gồm ma trận hằng số đàn hồi
E
s
,

với hướng của phân cực điện P như hình 1-5:
8
Hình 1-5. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang.
Ứng dụng hai kiểu dao động trên của phần tử áp điện, người ta chế tạo được 3 loại
biến áp thông dụng:
Biến áp áp điện kiểu Rosen
Biến áp áp điện kiểu rung bề dày
Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính
2. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen
Máy biến áp áp điện loại này có phía sơ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo
kiểu dao động ngang và phía thứ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động
dọc. Khi đặt vào hai đầu điện cực của phần sơ cấp một điện áp V
in
thì phần sơ cấp sẽ bị
phân cực theo hướng song song với bề dày của phần tử áp điện sơ cấp. Những biến dạng
cơ học theo hướng vuông góc với hướng phân cực của phần sơ cấp sẽ tạo nên những dao
động lực tác động lên phần tử áp điện thứ cấp. Do những lực tác động này mà phía thứ cấp
của máy biến áp vốn là phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc sẽ có một mật
độ điện tích nhất định xuất hiện trên 2 điện cực. Mật độ điện tích này sẽ tạo ra một điện áp
V
out
ở đầu ra. Biến áp áp điện loại này cho ra tỷ lệ tăng áp lớn nhất.
Hình 1-6. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen.
9
3. Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày
Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày được Nhật chế tạo từ những năm 1990.
Loại máy biến áp áp điện này được cấu tạo từ các phần tử áp điện kiểu dao động dọc ở cả
phía sơ cấp và phía thứ cấp. Khi đặt vào phía sơ cấp một điện áp V
in
thì phía sơ cấp sẽ

Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện

ĐẶC TÍNH CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN
1.4. Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện
Để khảo sát được các đặc tính hoạt động của biến áp áp điện, ta cần có mô hình lí
thuyết của nó để thực hiện mô phỏng. Do khó có thể xây dựng mô hình dựa trên lí thuyết
về hiện tượng áp điện, vì các mối quan hệ bên trong của vật liệu hết sức phức tạp, chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố. Đặc biệt là quá trình chuyển hóa năng lượng điện – cơ. Theo [1],
biến áp áp điện trên thực tế có thể hoạt động ở 3 tần số cộng hưởng. Do vậy, ta đơn giản
hóa bằng cách mô hình hóa mỗi tần số cộng hưởng đó bằng 1 mạch điện có điểm cộng
hưởng tại tần số đó. Ta sử dụng hình 2-1 là sơ đồ thay thế tương đương ứng với 3 tần số
cộng hưởng này. Tuy vậy, để đơn giản hóa và giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, đồ án
này sẽ xem xét sơ đồ tương đương của biến áp áp điện tại một trong những tần số cộng
hưởng của nó mà vẫn đảm bảo được những đặc tính hoạt động chung của biến áp. Theo
[2], sơ đồ tương đương của biến áp áp điện tại một tần số cộng hưởng được trình bày ở
hình 2-2. Theo đó, đầu ra của biến áp áp điện được tách thành hai nguồn phụ thuộc: nguồn
áp
/
Co
V n
và nguồn dòng
/
Lr
I n
,
in
V
và
out
V

Hình 2-10. Sơ đồ thay thế biến áp áp điện tại 1 tần số cộng hưởng.
1.5. Phân tích hoạt động của biến áp áp điện
2.2.1. Hệ số biến áp
Một trong những thông số quan trọng của biến áp nói chung và biến áp áp điện nói
riêng là hệ số biến áp. Với biến áp điện từ truyền thống, tỷ số này quyết định bởi tỷ số giữa
số vòng dây quấn phía thứ cấp và số vòng dây quấn phía sơ cấp. Nhưng đối với biến áp áp
điện tỷ số biến áp lại không được tính một cách rõ ràng như vậy được. Là một thiết bị
mang tính chất cộng hưởng, biến áp áp điện có hệ số biến áp phụ thuộc vào tần số làm
việc, tải của nó và rất nhiều yếu tố khác nữa mà sẽ xét ở sau. Để đơn chỉ xem hệ số biến áp
phụ thuộc vào tần số làm việc và tải của nó.
Để xác định hệ số biến áp của biến áp áp điện và để đơn giản hơn trong việc tính
toán, mô phỏng, nghiên cứu đặc điểm làm việc, ta giả thiết nối một tải thuần trở R
o
vào
phía thứ cấp của biến áp (hình 2-3).
13
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
Hình 2-11. Sơ đồ thay thế máy biến áp áp điện với tải thuần trở.
Dựa vào nguyên tắc cân bằng năng lượng giữa hai phía sơ cấp và thứ cấp, ta có thể
qui đổi phía thứ cấp về phía sơ cấp và bỏ qua điện dung đầu vào C
in
. Sơ đồ mạch như hình
2-4.
Hình 2-12. Sơ đồ qui đổi biến áp áp điện tải thuần trở về phía sơ cấp.
Các thông số được tính qui đổi như sau:
'
2
o
o
R

o o
R
=R
+1 ωCR
( 2-0)
( )
( )
2
' '
" '
2
' '
1
+
=
o o
o o
o o
C R
C C
C R
ω
ω
( 2-0)
Trong đó, là tần số hoạt động
Từ sơ đồ thay thế hình 2-4, hình 2-5 và các phương trình (2-1)→(2-5), ta có thể tính
được tần số cộng hưởng
m
ω
của biến áp áp điện:

( 2-0)
rs
ω
là tần số cộng hưởng khi ngắn mạch
( )
0
0R
=
1
rs
r r
L C
=
ω
(2-0)
ro
ω
là tần số cộng hưởng khi hở mạch
( )
o
R
=∞
'
'
1
ro
r o
r
r o
C C

= − − + + − +
   
   
   
   
   
   
   
m rs
rs o rs rs m
R
A A
Y A
R Q Q
ω
ω ω ω
ω ω ω ω
( 2-0)
Các thông số:
Tỷ số điện dung A:
'
=
o
r
C
A
C
( 2-0)
Hệ số chất lượng điện:
=

lượng điện và hệ số chất lượng cơ tương ứng.
16
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
2.2.2. Công suất đầu ra
Từ hình 2-3 và hình 2-4 và phương trình (2-5) công suất đầu ra của biến áp áp điện
được tính từ công thức:
( )
( )
( )
2
2 2
'
21
' '
out
out in
o
o
o o
V
V n V
P
R
R R
= = =
( 2-0)
Công thức (2-16) chỉ ra sự phụ thuộc của công suất đầu ra biến áp áp điện vào điện
trở tải và tần số hoạt động. Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể các các phần sau.
Theo [2], tại một tần số hoạt động nhất định công suất đầu ra của biến áp áp điện
lớn nhất khi điện trở tải

R
R
R R
R R
R
= = £
+
+ +

( 2-0)
Dấu “=” xảy ra khi:
''
0
R R
m
=
. (Bất đẳng thức Cauchy)
Từ phương trình (2-4), đồ thị của
''
0
R
theo R’ có dạng lồi như hình 2-7. Do vậy, ứng
với mỗi giá trị
''
0
R
sẽ có 2 giá trị
'
0
R

Công thức (2-18) chỉ ra:
Hiệu suất của mỗi biến áp phụ thuộc vào cả tần số hoạt động và giá trị điện trở tải.
Vấn đề này sẽ được xem xét kỹ hơn ở các chương sau.
Nếu
"
o m
R R
>>
thì hiệu suất của biến áp càng lớn. Do
m
R
là hằng số phụ thuộc
biến áp nên hiệu suất đạt được cực đại khi
"
o
R
đạt giá trị lớn nhất. Từ (2-4) và hình 2-
7,
"
o
R
đạt cực đại tại:
'
'
1
=
o
o
R
C

Hình 2-16. Hệ số biến áp.
19
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
Hình 2-17. Công suất đầu ra.
Hình 2-18. Hiệu suất biến áp.
Nhận xét kết quả mô phỏng :
Hệ số biến áp thay đổi theo tần số hoạt động và giá trị tải
Ứng với mỗi tải đều có một giá trị tần số mà tại đó hệ số biến áp là cực đại - tần số
cộng hưởng của biến áp. Giá trị này cũng thay đổi khi tải thay đổi
Công suất đầu ra biến áp thay đổi theo tần số hoạt động và giá trị tải
20
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
Tại tần số cộng hưởng của biến công suất đầu ra biến áp là cực đại
Hiệu suất làm việc của biến áp khi làm việc với tải của là rất cao, đặc biệt là ở giá
trị tải tối ưu.
21
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
22
Chương 3. Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện
NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN
1.6.Các mô hình điều khiển biến áp áp điện
3.1.1. Giới thiệu chung
Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tín
hiệu điều khiển vào nó thành tín hiệu mong muốn để chuyển tải công suất. Trong các ứng
dụng thực tế của máy biến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến áp áp
điện trong đó là tạo ra các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp cao hay các
mạch biến đổi DC/DC (thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với chỉnh lưu đầu ra ).
Có nhiều mô hình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên.
Vì máy biến áp áp điện nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải công suất
thấp, giá thành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải có cấu trúc đơn giản, sử dụng

Ở hình vẽ trên thì V
GS1
và V
GS2
là hiệu điện thế giữa cực G và cực S của hai khóa
S
1
, S
2
. V
in
, i
in
là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng hưởng (dòng
i
Lr
trên hình 3-1) chạy trong biến áp. Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các giai đoạn:
Từ t
0
đến t
1
: giai đoạn nạp của tụ C
in
Từ t
0
đến t
2
: thời gian chết (hai khóa S
1
và S

ψ
là biên độ và pha ban đầu của dòng điện cộng hưởng i(t). Sau khi khóa
S
2
chuyển sang trạng thái OFF tại thời điểm t
0
thì dòng điện này không chạy qua S
2
nữa mà
chạy qua tụ điện C
in
và tụ điện C
in
được nạp trong thời gian từ t
0
đến t
1
, vì qui ước về chiều
khác nhau nên dòng nạp cho tụ C
in
trong thời điểm này là:
( ) ( ) sin( )
c m
i t i t I t
ω ψ
= − = −
( 3-0)
Điện áp tụ C
in
trong giai đoạn này sẽ tăng cho tới khi vượt quá điện áp một chiều

hay cũng chính là điện áp
trên khóa S
2
giảm và do đó điện áp trên khóa S
1
tăng. Khi điện áp đầu vào V
in
về 0 tại t
4
thì
diode song song ngược của S
2
(không thể hiện trên hình vẽ) dẫn dòng. Quá trình phóng/nạp
của tụ C
in
cứ lặp đi lặp lại nhằm đảm bảo điều kiện đóng cắt ZVS (Zero Voltage
Switching). Đây là một điều kiện quan trọng để nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi[5].
Để đảm bảo mạch hoạt động theo điều kiện đóng cắt ZVS thì hai điều kiện sau đây
phải thỏa mãn:
25

Trích đoạn Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng Với mạch vòng hở

---