LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: “ Nghiên cứu, phát triển các
bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng ” do em tự thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường. Các số liệu và kết quả hoàn toàn
trung thực.
Ngoài các TLTK đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép các
công trình hoặc TKTN của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam
đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên Nguyễn Đức Nghĩa MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
1
Chương 1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng ...................................................... 2
1.1. Sự ra đời và phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng ............................................ 2
1.1.1. Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng .................................................... 2
1.1.2. Quá trình phát triển và các ứng dụng ...................................................... 4
1.2. Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS......................................................... 5
1.2.1. Chuyển mạch dòng điện không (ZCS) ................................................... 5
1.2.2. Chuyển mạch điện áp không(ZVS) ........................................................ 6
1.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải ..................................................... 8

Kết luận

Lời nói đầu 1
LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, vấn đề nâng cao hiệu suất và mật độ công suất của các bộ biến đổi sử
dụng van bán dẫn (ví dụ như nguồn switching) đang là một xu hướng được quan tâm và
phát triển trong các ứng dụng điện tử công suất. Để giải quyết yêu cầu này thì việc tăng tần
số làm việc của các van bán dẫn là một phương án rất hiệu quả, tuy nhiên khi tăng tần số
đóng cắt của các van bán dẫn sẽ dẫn đến việc tăng tổn hao và các khó khăn về tản nhiệt.
Mạch biến đổi cộng hưởng ra đời, tạo ra bước đột phá với điều kiện chuyển mạch mềm
(soft switching) nhờ phát xung điều khiển đóng mở van tại các thời điểm mà khi đó dòng
điện chảy qua van, hoặc điện áp rơi trên van là rất nhỏ (lý tưởng là bằng không - điều kiện
ZCS và ZVS), giảm thiểu tổn hao và áp lực cho van công suất, tận dụng các thành phần kí
sinh vào mạch cộng hưởng, biến chúng từ có hại sang có lợi.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và chế tạo như của hãng ST, Intersil, TI,
Vishay… nhưng ở Việt Nam hiện nay lại chưa có nghiên cứu hay báo cáo chính thức nào.
Với các tiền đề như vậy, đề tài “Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa
trên nguyên lý cộng hưởng” được đề xuất để xem xét, giải quyết các vấn đề của các bộ
biến đổi công suất làm việc dựa trên các mạch cộng hưởng.
Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản như sau:
- Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.
- Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng half bridge.
- Phân tích phương pháp điều khiển.
- Thiết kế thử nghiệm.
Sau 4 tháng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường và các
thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án

Tuy nhiên phương pháp này vẫn bị hạn chế. Do tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần
số chuyển mạch (
on on off off
=f .V.(I t I t ) / 2
cm s
P
) nên khi tần số chuyển mạch tăng cao
thì tổn thất chuyển mạch là rất đáng kể, do đó giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi.
Đồng thời các thành phần tụ kí sinh & điện cảm rò là nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ
(EMI) lớn.
Bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng dao động của mạch L-C tạo ra điều kiện chuyển
mạch mềm cho van. Các van sẽ được phát xung đóng, mở khi dòng qua van hoặc điện áp
rơi trên van bằng 0 (điều kiện ZCS và ZVS). 2 điều này không thể xảy ra đồng thời nên
khi chuyển mạch ở điều kiện ZVS thì sẽ phải chịu tổn hao khi khóa van, còn chuyển
mạch ở điều kiện ZCS thì sẽ chịu tổn hao khi mở van. Tuy nhiên lượng tổn hao này rất
nhỏ so với PWM truyền thống vì lúc này dòng và áp trên van có giá trị nhỏ. Vấn đề
chuyển mạch mềm ZVS và ZCS sẽ được làm rõ hơn ở mục 1.3.
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 3

Hình 1-1 So sánh tổn hao chuyển mạch cứng và chuyển mạch cộng hưởng
Hình 1-2 Đường quỹ đạo đóng, cắt của các hình thức chuyển mạch

Các hình vẽ so sánh cho ta thấy rõ bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch mềm cho
tổn hao chuyển mạch rất nhỏ so với các bộ biến đổi xung truyền thống.

Ở Việt Nam hiện nay, bộ biến đổi sử dụng nguyên lý cộng hưởng cũng đã được ứng
dụng, tuy nhiên trong lĩnh vực chế tạo nguồn hiệu suất cao và kích thước nhỏ thì chưa có
nghiên cứu hay báo cáo chính thức nào.
1.2. Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS Hình 1-4 Cấu hình mạch minh họa điều kiện chuyển mạch mềm

Bộ nghịch lưu đưa ra xung vuông điện áp cấp vào khối cộng hưởng. Do tác dụng
lọc của khối cộng hưởng, dòng điện chảy qua cuộn cảm Ls là hình sin. Tùy theo dòng
chảy vào khối cộng hưởng sớm pha hay trễ pha so với điện áp đặt vào khối cộng hưởng
(thành phần cơ bản của xung vuông điện áp do bộ nghịch lưu đưa vào) mà ta có được
điều kiện chuyển mạch dòng điện không (ZCS) hay chuyển mạch điện áp không (ZVS).
1.2.1. Chuyển mạch dòng điện không (ZCS)
Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không được thể hiện trong
hình 1-5. Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng sớm pha hơn điện áp đặt vào hay chính là
điện áp U
DS
của van low-side T2. Khi dòng cộng hưởng giảm về 0 và đảo chiều thì dòng
điện chảy qua van T2 về bằng 0 và dòng cộng hưởng được dẫn qua điot ngược của van
T2 do lúc này xung điều khiển vẫn được duy trì trên van T2, điện áp trên van vẫn bằng 0.
Do đó van T2 khóa trong điều kiện dòng điện bằng 0, tổn hao khi khóa van bằng zero.
Tuy nhiên khi phát xung điều khiển để mở van thì do năng lượng tích lũy ở điot
ngược và tụ kí sinh song song được giải 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.

Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 6

cộng hưởng để đạt được điều kiện chuyển mạch ZVS. Hình 1-6 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS
Dòng cộng hưởng Dòng cực máng U
DS
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 8
1.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải

Hình 1-7 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng
Điện áp 1 chiều đầu vào V
in
qua bộ nghịch lưu cho ra điện áp xoay chiều dạng
xung vuông. Để đạt được mật độ công suất cao, người ta thường sử dụng bộ nghịch lưu
với tần số chuyển mạch lớn để giảm kích thước thành phần từ tính. Xung vuông điện áp
sau khối nghịch lưu được đưa vào khối cộng hưởng (Resonant Tank) để tạo ra điều kiện
chuyển mạch mềm. Biến áp xung được sử dụng để cách ly giữa đầu ra và đầu vào, đồng
thời cũng có tác dụng biến đổi điện áp. Điện áp xoay chiều ở thứ cấp biến áp xung được
đưa qua bộ chỉnh lưu tần số cao và bộ lọc để tạo ra điện áp 1 chiều trên tải.
Để ổn áp nguồn trước sự biến động của tải cũng như điện áp đầu vào thì điện áp
đầu ra được đưa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đưa vào mạch so sánh với điện áp chuẩn
V
ref
để đưa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu sẽ được điều
khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộng xung để ổn định điện áp đầu ra. Vấn đề
điều khiển này sẽ được trình bày ở chương 3.
Trong phạm vi đồ án này, bộ nguồn cộng hưởng nghiên cứu là loại cộng hưởng tải

Mạch lọc phía đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp trở kháng.
Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn
mạch do tính chất nguồn dòng của bộ biến đổi. Ưu điểm khác của bộ biến đổi nối tiếp là
dòng chạy qua van công suất giảm khi giảm tải. Điều này dẫn tới tổn thất dẫn qua van
cũng như các tổn thất khác giảm khi giảm tải, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi
làm việc đầy tải.
Xét đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp:
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 11

Hình 2-2 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp

Từ hình 2-2 ta thấy khi giảm tải (Q giảm) thì tần số chuyển mạch tăng lên rất
nhiều so với khi Q lớn. Đặc biệt khi tải quá nhẹ hay không tải thì tần số chuyển mạch
tăng lên giá trị vô cùng lớn. Do vậy, bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp cho
các ứng dụng yêu cầu chế độ làm việc không tải.
Một nhược điểm khác của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là tụ lọc đầu ra phải
mang dòng điện với độ gợn cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện 1 chiều [10]. Do đó
bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng có áp ra thấp, dòng
điện cao.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 12
2.1.2. Cấu trúc LLC

Hình 2-3 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC


Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song, khối cộng hưởng gồm cuộn
cảm Ls và tụ cộng hưởng Cp mắc song song với biến áp. Do đó khối cộng hưởng có trở
kháng thấp đối với mạch đầu ra và được coi như là nguồn áp. Mạch lọc đầu ra gồm cuộn
kháng L
f
và tụ C
0
để hòa hợp trở kháng.
Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện ở hình 2-6. Từ
những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi nối tiếp thì bộ biến đổi
song song có thể điều khiển điện áp đầu ra ở chế độ không tải bằng cách thay đổi tần số
chuyển mạch trên tần số cộng hưởng.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 15

Hình 2-6 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song

Nhược điểm chính của bộ biến đổi song song là dòng điện chạy qua van công suất
và các thành phần cộng hưởng tương đối độc lập với tải [1]. Kết quả là tổn thất dẫn qua
van và các thành phần cộng hưởng không đổi khi giảm tải, do đó hiệu suất khi tải nhẹ
giảm rất mạnh. Hơn nữa, dòng điện này tăng khi điện áp đầu vào bộ biến đổi tăng lên. Vì
vậy bộ biến đổi này không lý tưởng cho các ứng dụng có điện áp đầu vào thay đổi lớn và
yêu cầu làm việc ở hiệu suất cao khi non tải. Ngược lại, bộ biến đổi song song phù hợp
hơn với các ứng dụng có điện áp đầu vào ít thay đổi (ví dụ: 15%) và làm việc gần với
công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75% công suất cực đại thiết kế).
Bộ biến đổi song song phù hợp cho các ứng dụng điện áp đầu ra thấp, dòng ra lớn.
Điều này có được do bộ lọc đầu ra có cuộn cảm lọc, do đó hạn chế được các dòng gợn đi
vào tụ lọc, dòng điện đầu ra tương đối bằng phẳng.

M
hay điện áp trên van Q
2
 Dòng điện chạy qua cuộn cảm cộng hưởng I
L

 Dòng điện từ hóa biến áp phản ánh từ dòng đầu ra hay dạng xung dòng điện đầu
vào khối chỉnh lưu.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 17
 Điện áp trên tụ song song V
Cp
2.2.1. Hoạt động ở chế độ liên tục

Hình 2-8 Dạng sóng hoạt động cơ bản của bộ LCC ở chế độ liên tục

Hoạt động của bộ LCC ở chế độ liên tục được thể hiện qua 5 giai đoạn nhỏ:
 Giai đoạn 1 (t
0
đến t
1
): tại t
0
van Q
1
đang thông, van Q
2
đang khóa, điện áp trên

mở tức thì tại thời điểm t
2
.
Vì dòng cộng hưởng trễ pha so với điện áp nên Q
2
mở ở điều kiện chuyển mạch ZVS.
Điện áp trên Cp trong giai đoạn này giữ giá trị dương cho đến t
3
.
 Giai đoạn 4 (t
3
đến t
4
): tại t
3
, điện áp trên Cp về 0 và hướng xuống phía âm. Dòng
trên biến áp cũng đổi chiều. Tại t
4
, Q
2
khóa và Q
1
mở. Vì dòng cộng hưởng chậm pha so
với điện áp nên Q
1
mở ở điều kiện ZVS.
 Giai đoạn 5 (t
4
đến t
5

và r
DS2
. Xét các van đóng cắt với chu kỳ làm việc 50%.
Chỉnh lưu biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu có thể được thay thế bằng nguồn
dòng xung vuông như hình 2-8 (b). Vì thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào xung
vuông trùng pha với điện áp đầu vào của chỉnh lưu nên phía chỉnh lưu có thể thay thế
bằng điện trở vào của nó như hình 2-8 (c).

Hình 2-10 Bộ biến đổi cộng hưởng LCC
a- Mạch LCC với chỉnh lưu biến áp có điểm giữa
b- Mạch tương đương với chỉnh lưu được thay bằng nguồn dòng xung vuông
c- Mạch tương đương với chỉnh lưu được thay bằng điện trở vào của nó

Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 20
Giả thiết tổn thất chuyển mạch có thể bỏ qua do thỏa mãn điều kiện chuyển mạch
mềm và dòng điện chạy qua cuộn cảm cộng hưởng là hình sin, sử dụng phương pháp xấp
xỉ hình sin ta sẽ có được các phân tích về bộ biến đổi LCC ở chế độ xác lập.
2.3.2. Hàm truyền đạt áp
a) Hàm truyền đạt áp của khối van điều khiển
Điện áp đầu vào khối cộng hưởng v
DS2
là xung vuông có biên độ V
I
cho bởi:

2
, 0< t

i1
là
/ 2 2 / 0,4502
rms m I I
V V V V

  
. Hàm truyền đạt
áp từ V
I
đến thành phần cơ bản tại đầu vào của khối cộng hưởng là :
1
2
0,4502
rms
I
I
V
M
V

  
(2.3)
b) Hàm truyền đạt áp của khối cộng hưởng
Dựa vào mạch điện tương đương 2-10 (c) ta tính được hàm truyền đạt áp của khối cộng
hưởng như sau:
Điện trở vào của mạch cộng hưởng là:
Z
i
= L nt C

V

  
(2.6)
Với
2
2 2 2 2
0
2
0 L 0
1
ω
ω 1 ω A
(1+A) [1-( ) ] + ( - )
ω Q ω ω A+1
I
M 
(2.7)
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 21
0
L0
2
0
ω
1 ωA
(-
Q ω ω A+1

= 1/ LC là tần
số góc, V
Ri
là giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào chỉnh lưu.
00
/
L i i
Q CR R L


là hệ số phẩm chất của mạch hay điện trở tải chuẩn hóa của bộ
nghịch lưu.
Như vậy biên độ hàm truyền điện áp của bộ nghịch lưu là:

Ri
I I1 I2
2 2 2 2
0
2
0 L 0
V2
| M | M . M
ω
ω 1 ω A
(1+A) [1-( ) ] + ( - )
ω Q ω ω A+1
I
V

  