BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐOÀN VĂN KHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT HIỆU SUẤT CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học
nào trước đó.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi đều được chỉ rõ
nguồn gốc.

Tác giả

Đoàn Văn Khương

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt


Volt-ampere reactive
Alternating Current
Direct current
Power Factor
Power Factor Correction
Zero voltage switching
Zero current switching
Uninterruptible Power Supply
Pulse width modulation
Total harmonic distortion

Đơn vị điện năng tiêu thụ
Đơn vị công suất biểu kiến
Đơn vị công suất phản kháng
Điện xoay chiều
Điện một chiều
Hệ số công suất
Bộ điều chỉnh hệ số công suất
Chuyển mạch không điện áp
Chuyển mạch không dòng điện
Bộ nguồn liên tục
Điều biến độ rộng xung
Tổng méo sóng hài

Wh
VA
VAr
AC
DC
PF

3.4. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống [10, 11] ..........................................................40
3.4.2.Giá trị tụ cộng hưởng......................................................................................................45
3.4.3.Giá trị kháng cộng hưởng...............................................................................................45
3.4.4.Tính toán bộ lọc đầu ra...................................................................................................47
3.4.5. Tính toán lựa chọn van lực............................................................................................53
3.4.6. Tính toán lựa chọn diode chỉnh lưu đầu ra....................................................................54
3.4.7. Tính khâu điều chỉnh một cực một không.....................................................................54
4.1 Phần mềm Matlab.................................................................................................................57
4.3. Đánh giá kết quả mô phỏng về chất lượng điện áp ra:.........................................................63
4.4. Đánh giá kết quả mô phỏng về hiệu suất..............................................................................63

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp............................................................................................9
Hình 1.2: Quá trình chuyển mạch cứng...........................................................................................11
Hình 1.3. Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch..........................................................12
a. Dạng xung lý tưởng; b. Dạng xung thực tế..................................................................................12
Hình 1 .4. Mạch bảo vệ van RC........................................................................................................13
Hình 1.5. Mạch bảo vệ van RCD (RCD Snubber)..............................................................................14
Hình 1 6. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất.......................................................14
Hình 1.7. Chuyển mạch không điện áp............................................................................................15
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van.............................................................................15
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van..........................................................................15
Hình 1.8. Chuyển mạch không dòng điện (ZCS)...............................................................................16
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình khoá van..........................................................................16
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van............................................................................16
Hình 1.9. Một số cấu trúc của khối cộng hưởng..............................................................................17
a. Kiểu nối tiếp; b. Kiểu song song; c. Kiểu nối tiếp – song song......................................................17

Hình 3.6. Giản đồ khâu tạo xung dốc..............................................................................................36
Hình 3.7. Giản đồ minh họa khối bảo vệ quá tải..............................................................................37
Hình 3.8. Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi .............................................................................37
Hình 3.9. Sơ đồ khâu điều chỉnh một cực một không......................................................................39
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực.....................................................................................40
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ..................................................................................40
Hình 3.12. Kích thước lõi ETD..........................................................................................................42
Hình 3.13. Dạng sóng trên kháng lọc đầu ra....................................................................................47
Hình 4 – 2 Biểu đồ Bode của Gh......................................................................................................55
Hình 3.14. Sơ đồ khâu điều chỉnh một điểm cực một điểm không..................................................56
Hình 4.1 Giao diện màn hình khởi động Matlab..............................................................................58
Hình 4.2 Giao diện Simulink.............................................................................................................58
Hình 4.3 Giao diện màn hình thiết kế mô phỏng.............................................................................59
Hình 4.5 Giao diện màn hình hiệu chỉnh thông số...........................................................................60
Hình 4.6 Giao diện màn hình chạy mô phỏng..................................................................................60
Hình 4.7 Giao diện màn hình quan sát thông số mô phỏng.............................................................61
Hình 4.8. Sơ đồ mạch trên Matlab...................................................................................................61
Hình 4.09. Dạng sóng dòng điện và điện áp trên van Q2.................................................................62
Hình 4.10. Dạng sóng dòng điện và điện áp đầu ra ở 60% tải.........................................................62
Hình 4.11. Dạng sóng dòng điện và điện áp đầu ra đầy tải..............................................................63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

6


Bảng 3. 1. Bảng tra dây quấn...........................................................................................................43
Bảng 3.2 Tính toán thiết kế kháng lọc đầu ra..................................................................................49
Bảng 3.3. Bảng tra lõi Ferrite ETD [10].............................................................................................49
Bảng 3.4. Bảng tra dây dẫn.............................................................................................................50

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG

1.1. Giới thiệu chung
Như chúng ta đã biết thì nguồn điện là một phần rất quan trọng đối với một
mạch điện hay một hệ thống điện nào đó. Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt
động của mạch hay hệ thống. Đối với mỗi mạch điện hay hệ thống cần đòi hỏi các
đầu ra khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định hay có sẵn. Các nguồn DC đầu ra
được sử dụng cho các phụ tải khác nhau trong các mạch điện tử trong công nghiệp
cũng như trong sinh hoạt.
Hiện nay, trong hầu hết các thiết bị biến đổi điện áp DC đều sử dụng chỉnh
lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang điện một chiều. Nguồn điện
một chiều sau chỉnh lưu đóng vai trò nguồn cấp cho tất cả các modun trong thiết bị.
Để đảm bảo độ phẳng của điện áp ta phải sử dụng tụ hoặc điện cảm để san
phẳng nên thường có điện dung lớn sau chỉnh lưu. Chính điều này dẫn đến một số
vấn đề cần quan tâm mà điển hình là sóng hài. Hiện tượng sóng hài được minh họa
như trong hình 1.1.

Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp
Dòng điện từ lưới là dòng điện gián đoạn và tồn tại trong những khoảng
thời gian ngắn (sóng hài). Sở dĩ có vấn đề này là do sự phóng nạp liên tục của tụ
lọc, thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong khoảng thời gian tụ nạp, khi các hài

9


này sinh ra sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống lưới điện, tác hại của hài này
càng lớn khi công suất tải càng lớn hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài
cùng mắc vào lưới. Như ta đã biết chất lượng của hệ thống cung cấp điện được đánh
giá bằng chỉ tiêu là hệ số công suất (Power factor - PF) và tổng lượng sóng hài

điện từ như động cơ,cuộn kháng được đo bằng VAR hay kVAR.
Tổng của hai thành phần trên gọi là công suất biểu kiến được đo bằng VA
hay kVA. Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng có ích tiêu hao
trong tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ. Hệ số này mang ý nghĩa kinh tế
quan trọng.
Yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi công suất là kích thước nhỏ, trọng
lượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Bộ tản nhiệt và thành phần từ tính
là thành phần chiếm thể tích lớn nhất trong bộ biến đổi, có thể lên tới 80%. Đặc

10


biệt với bộ biến đổi công suất lớn thì kích thước của các thành phần này sẽ rất lớn.
Giảm kích thước các thành phần trên, đặc biệt bộ tản nhiệt sẽ tăng mật độ công
suất lên rất nhiều. Do đó, các bộ biến đổi tuyến tính sử dụng biến áp lực dần được
thay thế bằng các bộ biến đổi switching, chuyển mạch ở tần số cao để giảm kích
thước L,C. Tuy nhiên bộ biến đổi switching lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch là
“hard-switching”: do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng
lên hoặc giảm về không nên các van công suất phải đóng, cắt trong điều kiện dòng
và áp cao gây ra tổn thất chuyển mạch lớn. Quá trình này cũng khiến các van phải
chịu các xung dòng điện và điện áp khá lớn. Các mạch phụ trợ Snubber thường
được thêm vào để giảm du/dt, di/dt và chuyển tổn hao chuyển mạch, ứng suất trên
van công suất sang mạch phụ trợ. Tuy nhiên phương pháp này vẫn bị hạn chế. Do
tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch (∆Pcm=fs.V.(Ion.ton + Ioff.toff)/2)
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). Hai điều này không thể xảy ra đồng thời nên


Is
I0

Vs

Vs

Vin

Vin
(b)

(a)

Hình 1.3. Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch
a. Dạng xung lý tưởng; b. Dạng xung thực tế
Chính các xung dao động này là nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu
trường điện từ EMI trong mạch, ngoài ra khi các xung đỉnh này có giá trị lớn sẽ làm
van đóng mở không đúng lúc gây trùng dẫn phá hủy van.
Để khắc phục những tồn tại trên, mạch bảo vệ van (snubber circuit) được
dùng.

12


2.

Mạch bảo vệ van (Snubber circuit)
Mạch bảo vệ van giúp bảo vệ và tăng hiệu quả làm việc của van. Cụ thể như


13


Hình 1.5. Mạch bảo vệ van RCD (RCD Snubber)
Trong mạch RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở nhưng giá trị của
trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van nên giá trị có thể
chọn linh hoạt hơn. Mạch RCD có những ưu điểm hơn mạch RC như sau:
− Mạch cho phép suy giảm xung điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt
của van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp
− Cho phép van làm việc trong vùng an toàn (SOA) tốt hơn
c) Đánh giá
Hình vẽ sau sẽ đánh giá tương quan tổn hao giữa các hình thức chuyển mạch:

Hình 1 6. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất
Từ hình 1.6 ta thấy mạch bảo vệ van chỉ làm mềm hơn quá trình chuyển
mạch của van nhưng hiệu quả vẫn không đáng kể vì van vẫn phải đóng cắt dưới
điều kiện dòng và áp khá cao. Một cách logic ta có thể thấy rằng, nếu ta làm giảm
được điện áp và dòng điện trên van tại thời điểm đóng cắt thì ta sẽ giảm được tổn

14


hao chuyển mạch trên van, đây chính là tư tưởng của các bộ biến đổi cộng hưởng
làm việc trên nguyên lý chuyển mạch mềm (soft switching).
3. Chuyển mạch mềm (soft switching)
Nguyên lý chuyển mạch mềm gồm 2 hình thức:
− Chuyển mạch không điện áp: Zero voltage switching (ZVS)
− Chuyển mạch không dòng điện: Zero current switching (ZCS)
Hai quá trình này không thể xảy ra đồng thời, mỗi loại có những ưu và nhược



khi mở van, và vẫn tồn tại tổn hao đóng cắt trong quá trình van chuyển từ trạng thái
dẫn sang trạng thái khóa, tuy nhiên tổn hao này đã được làm giảm đi.
b) Chuyển mạch không dòng điện ZCS (Zero Current Switching)
Quá trình chuyển mạch không dòng điện ZCS xảy ra ngược lại so với quá
trình chuyển mạch không điện áp (ZVS), nó chỉ có thể xảy ra khi khóa van (van
chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa) bằng cách làm cho dòng điện qua van
trở về không trước khi khóa van (điện áp trên van tăng lên), qua đó có thể triệt tiêu
gần như hoàn toàn tổn hao trong quá trình khóa van.
isw

vsw

isw

vsw

(b)

(a)

`
Hình 1.8. Chuyển mạch không dòng điện (ZCS)
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình khoá van
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van
Cũng giống như quá trình chuyển mạch không điện áp (ZVS), quá trình
chuyển mạch không dòng điện (ZCS) mặc dù loại bỏ được tổn hao khi khóa nhưng
ta vẫn phải chấp nhận tổn hao trong quá trình mở van và tổn hao này cũng được
giảm thiểu bằng cách làm trễ quá trình tăng của dòng điện qua van như hình vẽ

không điện áp xuất hiện tổn hao khi khóa van còn chuyển mạch không dòng điện
tổn hao khi mở van. Tuy nhiên lượng tổn hao này rất nhỏ so với bộ biến đổi điều
chế độ rộng xung (PWM) truyền thống vì dòng và áp đã được khống chế tăng chậm
hơn.

(a)Hình 1.9. Một số cấu trúc
(b)của khối cộng hưởng (c)

a. Kiểu nối tiếp; b. Kiểu song song; c. Kiểu nối tiếp – song song
2. Quá trình phát triển và các ứng dụng của bộ biến đổi công suất

17


Quá trình phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng được thể hiện trong bảng
1.1.
Trên thế giới, hiện nay các bộ biến đổi sử dụng nguyên lý cộng hưởng đã
nghiên cứu và phát triển cho rất nhiều ứng dụng như:
- Chấn lưu điện tử cho đèn khí
- Các thiết bị y sinh (máy tạo tia X trong máy chụp X quang)
- Các thiết bị gia nhiệt (bếp điện từ, lò tôi thép, nấu thép)
- Các bộ biến đổi DC-DC tần số cao, mật độ công suất cao dùng trong điện
tử viễn thông và các thiết bị điện tử như TV LCD, sạc laptop,…
Thời gian
Những năm 60 trở
về trước

Bộ biến đổi

Đặc điểm

3. Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng
Các bộ biến đổi cộng hưởng có thể phân ra làm các loại như sau:
− Bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống (Conventional Resonant Converter):
Là bộ biến đổi sử dụng các khối cộng hưởng LC (Resonant Tank) để đạt được
các điều kiện chuyển mạch mềm cho van.
− Bộ biến đổi g ầ n cộng hưởng (Quasi-resonant Converter): Là sự kết hợp
giữa bộ biến đổi cộng hưởng và bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) truyền
thống, bằng cách thay thế van công suất trong các bộ biến đổi PWM bởi van cộng
hưởng (Resonant switch).
− Bộ biến đổi đa cộng hưởng (Multi-resonant Converter): Hai dạng bộ biến

18


đổi trên chỉ có thể đạt được điều kiện chuyển mạch mềm cho hoặc van công
suất hoặc diode chỉnh lưu đầu ra mà không thể đạt được cho cả hai cùng lúc. Bộ
biến đổi đa cộng hưởng ra đời khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử
dụng van đa cộng hưởng (multi-resonant switches).

Hình 1.10. Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng
4. Cấu trúc chung của bộ biến đổi cộng hưởng tải
Điện áp một chiều đầu vào Vin 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

19

Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp với nghịch lưu cấu hình cầu như trên
hình 2.1.

C0

Hình 2.1. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp
Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp có tải mắc nối tiếp với khối cộng
hưởng gồm cuộn kháng L và tụ C như hình 2.1. Trong bộ biến đổi này, khối cộng
hưởng có tác dụng như một nguồn dòng, vì vậy ở đầu ra của tải chỉ cần một tụ lọc
Co mắc song song với tải để hòa hợp trở kháng.
Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp là khả năng làm việc
trong trường hợp ngắn mạch tải do tính chất nguồn dòng của khối cộng hưởng. 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 tải
giảm, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi làm việc đầy tải. Tuy nhiên, cấu trúc
này có nhược điểm là khó điều chỉnh ở điều kiện tải nhẹ hoặc không tải. Điều này
thấy rõ từ đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp như trên hình
2.2.

21


Hình 2. 2. Đường đặc tính khuếch đại áp
của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp
Chỉ số chất lượng Q xác định theo công thức: Q =

LC
R( load )

Để ổn định điện áp đầu ra ở giá trị không đổi, bộ biến đổi phải duy trì được

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. 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
(trong khoảng 15%) và làm việc gần với công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75%
công suất cực đại thiết kế).

23


Hình 2 .4. Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu song song
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. Ngoài ra bộ biến
đổi này có khả năng làm việc ở chế độ ngắn mạch, bởi vì khi đó toàn bộ điện áp
dạng xung vuông sau mạch nghịch lưu sẽ được đặt lên cuộn kháng cộng hưởng làm
cho dòng điện bị giởi hạn bởi trở kháng của cuộn kháng này. Vì vậy, bộ biến đổi
song song cũng rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cả chế độ làm việc ngắn
mạch.
2.1.3.Bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC

Hình 2 .5. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu hỗn hợp LLC

24


Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC như trên hình 2.5.