Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1.2.2.2. Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS 13
1.2.2.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hƣởng tải 16
1.2.3. Tải tiêu thụ 17
1.3. Ƣu nhƣợc điểm của nguồn DPS 18
1.3.1. Ƣu điểm 18
1.3.2. Nhƣợc điểm 18
1.4. Ứng dụng và phƣơng hƣớng phát triển nguồn DPS 18
1.5. Kết luận 20
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƢỞNG 21
2.1. Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hƣởng phổ biến 21
2.1.1. Bộ cộng hƣởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter) 21
2.1.2. Bộ cộng hƣởng song song PRC (Parallel Resonant converter) 22
2.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter) 24
2.2. Bộ cộng hƣởng LLC 26
2.2.1. Giới thiệu chung 26
2.2.2. Sơ đồ bộ LLC 26
2.2.3. Các vùng làm việc 28
2.2.4. Nguyên lý hoạt động 31
2.3. Ƣu điểm của bộ biến đổi cộng hƣởng LLC 35
2.4. Nâng cao hiệu suất của bộ nguồn sử dụng chỉnh lƣu đồng bộ ở đầu ra 36
2.4.1. Giới thiệu về chỉnh lƣu đồng bộ 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
2.4.2. Điều khiển chỉnh lƣu đồng bộ 38
2.5. Kết luận 45
Chƣơng 3. PHÂN TÍCH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 46
3.1. Phƣơng pháp điều khiển tần số 46
5.4.4. Hàm truyền tần số đầu ra (frequency – to - out) 70
5.5. Giới thiệu qua IC FSRS 2100 74
5.5.1. Các khối cơ bản 76
5.5.2. Khối dao động bên trong (internal oscillator) 76
5.5.3. Khâu cài đặt tần số 77
5.5.4. Mạch bảo vệ 79
5.6. Kết luận 80
Chƣơng 6. MÔ PHỎNG 81
6.1. Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải và điện áp vào khối VCO 82
6.2. Đáp ứng dòng điện, điện áp qua van và trên khối cộng hƣởng 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG
Hình 1.1. Cấu trúc bộ Front-End
10
Hình 1.2. Cấu trúc bộ Front-End
10
Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC
11
Hình 1.4. Hiện tượng cộng hưởng
12
Hình 1.5. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS
14
Hình 1.6. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS
29
Hình 2.12. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 1
30
Hình 2.13. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 2
31
Hình 2.14. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 3
31
Hình 2.15. Các vùng thời gian trong nguyên lý hoạt động
32
Hình 2.16. Chế độ 1
32
Hình 2.17. Chế độ 2
33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Hình 2.18. Chế độ 3
34
Hình 2.19. Chế độ 4
34
Hình 2.20. Chế độ 5
35
Hình 2.21.Chế độ 6
35
Hình 2.22. Sơ đồ bộ biến đổi dùng diode Shottky
36
Hình 2.23. Đặc tính V-A của chỉnh lưu đồng bộ và chỉnh lưu diode
37
Hình 4.3. Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7
54
Hình 4.4. Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA
55
Hình 4.5. Sơ đồ mạch điện quy đổi của MBA
56
Hình 4.6. Dải hoạt động của tần số chuyển mạch
57
Hình 4.7. Chọn lõi MBA
58
Hình 5.1. Cấu trúc mạch phản hồi bộ biến đổi LLC sử dụng bộ ghép quang
60
Hình 5.2. Chế độ hoạt động bộ
61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
Hình 5.3. Vùng làm việc bộ biến đổi
62
Hình 5.4. Mạch thiết lập cho mô phỏng bước đầu
63
Hình 5.5. Mạch thiết lập cho mô phỏng bước hai
63
Hình 5.6. Sơ đồ bộ biến đổi ứng với tín hiệu nhỏ
64
Hình 5.7. Dạng đáp ứng đầu ra bộ biến đổi khi thay đổi tần số
64
Hình 5.8. Đáp ứng đầu ra bộ biến đổi ở vùng 1
Hình 6.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong Matlab
81
Hình 6.2. Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải
82
Hình 6.3. Đáp ứng điện áp vào khối VCO khi tải hay điện áp vào thay
đổi
82
Hình 6.4. Đáp ứng dòng điện, điện áp qua van và trên khối cộng hưởng
84
Bảng 4.1. Bảng chọn thông số
rp
LL ,
54
Bảng 5.1. Thông số IC
75
Bảng 5.2. Chức năng các chân trong IC
75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, bộ nguồn điện nói chung là một khái niệm rất quen thuộc trong đời
sống hàng ngày. Trong công nghiệp cũng nhƣ trong sinh hoạt thƣờng nhật, bộ
nguồn điện không chỉ có chức năng cung câp nguồn điện mà nó còn giúp biến đổi,
chuyển hóa các mức điện áp và dòng điện phụ thuộc vào từng yêu cầu của tải.Sự đa
dạng về tải tiêu thụ đặt ra các yêu cầu cao hơn về nguồn cung cấp nhƣ hiệu suât,
mật độ điện năng cao, cung cấp nhiều tải cùng lúc, tổn thất trong mạch nhỏ, độ bền
hiện luận văn.
Các vấn đề đƣợc đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh
khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và
các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Tác giả
Nguyễn Văn Việt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
Chƣơng 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)
Trong khi kỹ thuật vi xử lý ngày càng phát triển không ngừng, các mức điện
áp đƣợc giảm xuống và yêu cầu về dòng điện và nguồn tăng lên. Nhƣ điều tất yếu,
công suất lớn hơn, các hệ thống số gọn nhẹ đang trở nên sẵn có. Với những thay đổi
tuyệt vời trong mạch hệ thống số cũng đặt ra những thách thức trong việc quản lý
nguồn phát. Thử thách này đến từ vài khía cạnh thay đổi của hệ thống số. Đầu tiên
là nhiều phần tử bán dẫn đƣợc tích hợp trong mạch chip, nguồn yêu cầu cho hoạt
động chíp tăng lên rất nhanh. Thứ hai, với các chất bán dẫn hoạt động ở tần số cao,
điện áp cung cấp có thể giảm trong thời gian rất nhanh và yêu cầu điều chỉnh khó
khăn. Thứ ba, khi công nghệ mạch tích hợp quy mô lớn phát triển nhanh, yêu cầu về
hệ thống nguồn cung cấp cũng phát triển tƣơng ứng.
Hệ thống nguồn phân tán đang ngày càng thay thế hệ thống nguồn tập trung
Thành phần quan trọng nhất của hệ thống nguồn phân tán là bộ front-end
converter, đóng vai trò chính trong khái niệm về hệ thống nguồn phân tán. Sau đây
là cấu trúc bộ front-end converter. Bộ font-end converter gồm hai bộ PFC và bộ
DC/DC hợp thành: AC LINE
INPUT
OUTPUT TO
LOAD PFC Front –
End
Rectifice
Hình 1.1. Cấu
trúc nguồn
Bộ PFC biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 400V, từ điện
áp một chiều qua bộ DC/DC biến đổi xuống cấp điện áp nhỏ hơn cung cấp cho mạch.
1.2.1. Bộ PFC(Power Factor Correction)
PFC là bộ nắn dòng tích cực để chuyển tín hiệu xoay chiều (AC) từ đầu vào
thành tín hiệu một chiều ở đầu ra. Nó cung cấp một công suất phản kháng tƣơng
ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng đƣợc tạo ra của thiết bị, nhằm triệt
tiêu công suất phản kháng và tăng hệ số công suất PF.
tacdung
toanphan
P
P
PF
PS
(1-1)
Bộ PFC là bộ hiệu chỉnh hệ số công suất đầu vào. Đầu vào bộ PFC phải qua
bộ lọc nhiễu EMI. Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực
tiếp điện áp lƣới. Việc điều chỉnh có thể đạt đƣợc bằng việc thêm vào hay bớt ra các
cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị. Nhƣ động cơ mang tính cảm kháng có thể điều
chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt
tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF. Thiết bị
điều chỉnh hệ số công suất không những đƣợc áp dụng trong ngành công nghiệp
điện mà nó còn có thể sử dụng với ngƣời dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao
trên đƣờng truyền và ổn định điện áp cho tải.
Ở một tần số đặc biệt hai
điện kháng sẽ có độ lớn bằng
nhau nhƣng trái dấu nhau
X
L
= - X
C
Hình 1.4. Hiện tượng cộng hưởng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
Q là tỷ số giữa công suất dự trữ và công suất phát tán trong mạch. Hệ số Q nói
lên sự thay đổi của tải ở các chế độ khác nhau (độ lớn của thành phần cảm kháng X
so với tải thuần trở R).
R
X
phóng qua van nên dòng điện qua van khi mở sẽ có xung đỉnh lớn, gây ra nhiễu
điện từ EMI và tổn hao khi mở van.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Hình 1.5. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS
b. Chuyển mạch ZVS (Zero Voltage Switching)
Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch điện áp không, đƣợc thể hiện
cộng hƣởng để đạt đƣợc điều kiện chuyển mạch ZVS.
Hình 1.6. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS
Dòng cộng hƣởng
Dòng cực máng
U
DS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
đây ta lựa chọn cấu hình half bridge do tính đơn giản, sử dụng ít van công suất và
điều khiển dễ hơn cấu hình full bridge. Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta
sẽ phải sử dụng cấu hình full bridge để phát huy hết công suất của mạch. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Mục tiêu thiết kế bộ nguồn trong luận văn này hƣớng tới là phục vụ cho các
ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện lớn (nhƣ các ứng dụng trong điện tử, viễn
thông) nên khối cộng hƣởng đƣợc sử dụng có cấu trúc LLC là sự lựa chọn lý tƣởng
nhất. Điều này sẽ đƣợc tìm hiểu kỹ ở chƣơng sau.
1.2.3. Tải tiêu thụ
Tải tiêu thụ ở đây phần lớn là các hệ thống điện tử, hệ thống số yêu cầu mức
điện áp đầu vào thấp. Ở đây tùy vào từng thiết bị mà ngƣời ta có thể áp dụng cấu
trúc bus trung gian IBA (Intermediate Bus Architecture).
Ở trong sơ đồ dƣới, bộ biến đổi bus trung gian (bus converter) đƣợc tạo ra để
phục vụ hai nhiệm vụ chính. Đầu tiên nó dùng để cách ly với nguồn 1 chiều 48V từ bộ
Front-End converter. Thứ hai, nó dùng để giảm điện áp 48V xuống các mức điện áp
thấp hơn mà ở đó không cần cách ly và hoạt động không cần bộ biến đổi điện áp nữa.
Đặc điểm:
- Độ tin cậy, hiệu suất cao, ít phát nhiệt, yêu cầu về cấu hình bộ biến đổi phải có tần
số chuyển mạch cao, tổn thất ít.
- Chất lƣợng đặc tính động tốt, độ chính xác cao.
- Cách ly.
- Không ảnh hƣởng đến lƣới: đầu vào sin, cosφ = 1.
- Có tích trữ năng lƣợng (acquy).
- Các tụ lọc lớn ở mỗi đầu vào bộ biến đổi.
- Dòng khởi động cao đến đầu vào các tụ lọc.
- Sự tƣơng tác điện thế giữa các bộ biến đổi.
- Vấn đề ổn định điện áp của trở kháng âm đến bộ lọc một chiều.
- Vấn đề ổn định điện áp của bus phân phối và lọc đỉnh với dải tín hiệu rộng.
1.4. Ứng dụng và phƣơng hƣớng phát triển nguồn DPS
Ngày nay, nguồn DPS đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực bao gồm viễn
thông, vệ tinh, nguồn máy tính, các thiết bị văn phòng và các ứng dụng khác…Bên
cạnh độ an toàn cao nó còn có ƣu điểm là tiết kiệm năng lƣợng, hiệu suất cao, kinh
tế và bảo trì thuận lợi. Bởi vậy xu hƣớng trong tƣơng lai là sẽ thay thế hệ thống
nguồn tập trung truyền thống. Bởi vì nguồn DPS có những tính năng mở rộng và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
hiện đại, áp dụng cho các tình huống khác nhau.
Hình 1.9. Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi Adapter)
tính năng hiệu suất và ổn định cao. Một trong những khối quan trọng trong nguồn
DPS, bộ biến đổi DC/DC trong bộ biến đổi front-end vẫn đang chịu áp lực tăng hiệu
suất và mật độ công suất. Gần đây, yêu cầu về mật độ công suất cao với dải tải rộng
đang là yêu cầu cấp bách và bộ biến đổi cộng hƣởng LLC ra đời với tính năng đạt
hiệu suất cao với khả năng đáp ứng dải điện áp đầu vào rộng bởi vì đặc tính khuếch
đại của nó. Ở chƣơng sau, tôi đi sâu vào phân tích bộ biến đổi cộng hƣởng LLC qua
đó làm tiền đề để dễ dàng hơn trong việc thiết kế, mô phỏng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
Chƣơng 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƢỞNG
Bộ biến đổi cộng hƣởng đã đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ vào những năm 80 của
thế kỷ trƣớc. Nó có thể đạt đƣợc tổn thất chuyển mạch rất nhỏ do kích hoạt mạch
cộng hƣởng, để hoạt động ở tần số chuyển mạch cao. Trong các bộ biến đổi cộng
hƣởng thì bộ biến đổi nối tiếp (SRC), bộ biến đổi song song (PRC) và bộ biến đổi
nối tiếp song song là những bộ phổ biến nhất. Việc phân tích và thiết kế đã đƣợc
nghiên cứu kỹ lƣỡng, việc ứng dụng cho bộ Front-end converter sẽ đƣợc trình bày
dƣới đây.
2.1. Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hƣởng phổ biến
2.1.1. Bộ cộng hƣởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter)
Sơ đồ của bộ biến đổi đƣợc trình bày ở hình 2.1, điện cảm cộng hƣởng Lr và
tụ điện cộng hƣởng Cr đƣợc mắc nối tiếp để tạo thành khối cộng hƣởng. Khối cộng
hƣởng đƣợc mắc nối tiếp với tải. Từ cấu hình này, khối cộng hƣởng và tải hoạt
động nhƣ bộ chia điện áp. Bằng cách thay đổi tần số của điện áp đầu vào Va, tổng
trở của khối cộng hƣởng sẽ thay đổi. Vì hoạt động nhƣ bộ chia điện áp, hệ số
khuếch đại điện áp luôn nhỏ hơn 1. Tại tần số cộng hƣởng, tổng trở của khối cộng
hƣởng sẽ rất nhỏ, tất cả điện áp đầu vào rơi trên tải. Bởi vậy với bộ SRC hệ số điện
Hình 2.2. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC
Nhận xét:
Với những phân tích trên ta có thể thấy bộ biến đổi SRC không phải là sự lựa
chọn tốt cho bộ biến đổi front-end DC/DC. Vì các vấn đề chính là : điều chỉnh
không tải, năng lƣợng truyền trong mạch cao và dòng điện ngắt van trong điều kiện
điện áp đầu vào cao.
2.1.2. Bộ cộng hƣởng song song PRC (Parallel Resonant converter) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
Sơ đồ bộ biến đổi song song đƣợc trình bày nhƣ hình 2.3, ta nhận thấy khối
cộng hƣởng vẫn mắc nối tiếp, nó đƣợc gọi là bộ biến đổi cộng hƣởng song song bởi
vì trong trƣờng hợp này tải mắc song song với tụ điện cộng hƣởng. Chính xác hơn,
nên gọi là bộ biến đổi cộng hƣởng nối tiếp với tải song song. Bởi vì phía sơ cấp
máy biến áp là tụ điện nên một điện cảm đƣợc mắc thêm vào mạch thứ cấp để phù
hợp với điện kháng.
Hình 2.4. Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC
* Ƣu điểm:
- Không vấn đề đối với việc điều chỉnh đầu ra ở chế độ không tải.
- Dòng điện chỉnh lƣu liên tục (đầu ra cuộn cảm) thích hợp cho các ứng dụng dòng
điện đầu ra cao.
* Nhƣợc điểm:
- Dòng điện phía sơ cấp độc lập với các điều kiện của tải, dòng điện đáng kể có thể
lan truyền trong mạch cộng hƣởng, kể cả ở chế độ không tải.
- Dòng điện lan truyền tăng lên khi điện áp đầu vào tăng dẫn đến hạn chế đối với
dải điện áp đầu vào rộng.
Nhận xét: Với những phân tích trên, chúng ta thấy bộ PRC cũng không phải là một
sự lựa chọn tốt cho bộ front-end DC/DC. Vấn đề chính là năng lƣợng lan truyền
trong mạch cao và dòng ngắt van lớn ở điều kiện điện áp đầu vào cao.
2.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter)
Hay còn gọi là bộ biến đổi cộng hƣởng LCC. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hƣởng
SPRC đƣợc trình bày ở hình 2.5, khối cộng hƣởng của nó bao gồm ba thành phần
cộng hƣởng: Lr, Cs và Cp. Khối cộng hƣởng của LCC có thể coi nhƣ sự kết hợp của
hai bộ SRC và PRC. Tƣơng tự nhƣ bộ PRC, một điện cảm lọc ra phía thứ cấp đƣợc
mắc thêm vào để cân bằng trở kháng. Đối với bộ SPRC, nó kết hợp các đặc tính tốt
Copyright: Tài liệu đại học ©