Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn điện tử công suất đã bước sang một
trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,hiệu suất lớn,mặc dù vậy do
yêu cầu của nền công nghiệp phát triển cũng như yêu cầu của đời sống thì các bộ biến đổi còn
phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe,như kích thước phải nhỏ,mật độ công
suất lớn độ tin cậy cao ,để đạt được điều này người ta đã tìm cách tăng tần số đóng cắt của các
van bán dẫn ngày càng cao,bằng cách áp dụng các phương pháp mới,đặc biệt là cách sử
dụng mạch cộng hưởng để đạt được chế độ ZVS(zero voltage switching),hay chế độ ZCS(zero
current switching) mà tổn hao khi chuyển mạch giảm và tần số chuyển mạch ngày càng được
nâng cao đáp ứng được những yêu cầu của thực tế.Một trong các cách để tạo nên sự cộng hưởng
là sử dụng mạch cộng hưởng LLC,đây là một trong những phương pháp mới,và có nhiều ưu
điểm.Mặc dù vậy ở Việt Nam phương pháp này chưa có nhiều sự tìm hiểu .Vì vậy với đồ án về
“Bộ biến đổi nguông DC/DC cộng hưởng mạch cộng hưởng LLC” sẽ cho thấy được những lợi
ích mà bộ biến đổi nguồn này đem lại.Đồ án này của em xin trình bày các nội dung sau:
Chương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực
Chương 4: Nguyên lý mạch điều khiển
Chương 5: Kết quả chạy mô phỏng BBĐ
Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Trần Trọng Minh và các thầy cô trong bộ môn em đã hoàn
thành đồ án này. Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện nên chắc chắn đồ
án của em có nhiều thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp của thầy cô!
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện.
Lý Bá Biên
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha NoiChương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ
CHƯƠNG 1:
TÌM HIỂU VÀ PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ
1.1 Tìm hiểu công nghệ
1.1.1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng và các điều kiện chuyển mạch:
Các bộ biến đổi công suất (BBĐ) cần đảm bảo yêu cầu là kích thước nhỏ gọn, trọng
lượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Đối với các BBĐ thông thường, bộ tản nhiệt và
các thành phần như tụ điện và điện cảm chiếm thể tích rất lớn trong BBĐ, điều này làm cho BBĐ
cồng kềnh và làm giảm đáng kể mật độ công suất của BBĐ. Để giảm kích thước các phần tử
trên, các BBĐ dần được thay thế bởi các BBĐ đóng cắt ở tần số cao.
Tuy nhiên, BBĐ này lại gặp phải vấn đề trong quá trình chuyển mạch, khi trạng thái
chuyển mạch là “hard switching” được áp dụng trong bộ biến đổi PWM: dòng điện và điện áp
trên van không thể ngay lập tức tăng lên hay giảm về không, do đó trong quá trình đóng cắt có cả
dòng và áp cao sẽ gây ra tổn thất chuyển mạch rất lớn đặc biệt là khi tần số đóng cắt lớn, hơn
nữa quá trình này cũng gây nên các xung điện áp và dòng điện khá lớn trên các van. Điều này
làm cho các thiết bị sử dụng phương pháp có tần số chuyển mạch có giới hạn thường là vài chục
kHz (từ 10 đến 50 kHz).
Chúng ta có thể sử dụng các mạch phụ trợ để giảm sự biến thiên dòng và áp, đòng thời
chuyển tổn thất chuyển mạch tuy nhiên tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch nên
khi tần số chuyển mạch cao thì gây ra tổn thất đáng kể vì vậy giới hạn tần số làm việc của BBĐ.
Bên cạnh đó, các thành phần tụ kí sinh và điện cảm rò gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn.
Đối với các BBĐ sử dụng dao động của mạch L-C, sẽ tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm
cho van. Các van sẽ chuyển mạch khi dòng điện hay điện áp rơi trên nó bằng 0 (điều kiện ZCS
và ZVS). Hai điều kiện này không thể xảy ra đồng thời, với chuyển mạch ZCS sẽ có tổn thất khi
mở van, với chuyển mạch ZVS sẽ có tổn thất khi đóng van, tuy vậy các tổn thất này rất nhỏ. Khi
điều kiện chuyển mạch mềm được thực hiện thì tổn thất giảm được đáng kể và nhờ đó cho phép
tần số chuyển mạch có thể nâng cao đến vài trăm kHz.
Hình 1.1 So sánh chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm
Như vậy, khi ta sử dụng BBĐ cộng hưởng sẽ đem lại các lợi ích như giảm đáng kể kích
thước của tụ điện, điện cảm và bộ tản nhiệt, từ đó tăng mật độ công suất, giảm kích thước, trọng
lượng của BBĐ,Cho phép BBĐ làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn,Tận dụng tụ kí sinh và
điện cảm rò vào thành phần cộng hưởng.
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha Noi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiChương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ
1.1.2 Quá trình chuyển mạch sử dụng MOSFET
Trươc kia thyristor được sử dụng rất nhiều trong các bộ biến đổi ,tuy nhiên mỗi thyristor
cần cưỡng bức dòng về không trong quá trình khóa,trong những năm gần đây các van bán
dẫn điều khiển hoàn toàn như MOSFET,GTO,IGBT đã dần thay thế .
Đối với MOSTFET chuyển mạch
trong điều kiện ZCS, van khóa trong điều
kiện dòng điện bằng 0, thì tổn hao khóa
bằng 0. Van mở thì do năng lượng tích lũy
trên diode 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 và tổn hao khi mở van thông
qua điện trở như trên sơ đồ tương
đương.Khi MOSFET chuyển mạch trong
điều kiện ZVS, van sẽ mở trong điều kiện
điện áp trên van bằng 0 vì khi mở thì diode
ngược của van đang dẫn dòng. Do dòng
qua diode ngược của MOSTFET có thời
gian khóa bằng thời gian dẫn dòng của
MOSTFET trước trước khi điện áp phân
cực ngược được đặt lên diode nên không có
áp lực chuyển mạch trên diode
Hình 1.2. Mô hình tương đương của
MOSTFET
Khi khóa van, dòng điện qua van lúc khóa khác 0 và gây ra tổn hao khi khóa, tuy nhiên
dòng lúc này nhỏ và chuyển sang nạp cho tụ kí sinh song song của van, khi diode ngược của van
dẫn dòng thì điện áp ngược trên tụ sẽ được giải phóng trước khi van thông, do đó không có tổn
hao khi mở van và loại trừ được sự tổn hao do sự phóng nạp của tụ kí sinh.
Vì vậy trong thực tế, người ta thường sử dụng MOSTFET làm việc trong điều kiện chuyển
mạch khi điện áp về bằng 0 (ZVS)..
1.1.3 Phạm vi ứng dụng của các BBĐ cộng hưởng
Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển các BBĐ sử dụng nguyên lý cộng
hưởng trong rất nhiều các ứng dụng quan trọng như sau:
- Chấn lưu điện tử cho đèn khí
- Các thiết bị gia nhiệt (bếp điện từ, lò tui 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,…
1.1 Yêu cầu đối với BBĐ cần thiết kế: -
Điện áp vào
một chiều.
Điện áp ra một chiều Chế độ làm
mát bằng gió
Công suất tải Tần số
415(V) 48(V) Ku Ki
2 2
2.5KW 100KHz
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha NoiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
CHƯƠNG 2:
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1. Phân tích và lựa chọn phương án mạch lực
2.1.1. Phân tích lựa chọn mạch cộng hưởng:
Bộ biến đổi nguồn DC-DC cộng hưởng có sơ đồ khối như sau:
DC AC AC DC
Bộ biến đổi gồm ba khối cơ bản: Nghịch lưu, Cộng hưởng và Chỉnh lưu như hình vẽ.
Để tạo nên cộng hưởng người ta thường sử dụng các mạch cộng hưởng nối tiếp,song
song,song song nối tiếp và đặc biệt mạch cộng hưởng LLC với những ưu điểm khắc phục cho
những nhược điểm mà các mạch cộng hưởng trên gặp phải.
a. Mạch cộng hưởng nối tiếp (SRC):
Hình 2.1. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng nối tiếp Hình 2.2. Đặc tính DC của BBĐ cộng hưởng nối
tiếp
Cấu trúc của mạch cộng hưởng nối tiếp được diễn tả trên hình 2.1, trong đó tụ Cr và cuộn
cảm Lr được mắc nối tiếp với nhau tạo ra khối cộng hưởng, khối cộng hưởng làm việc như một
nguồn dòng, mạch lọc đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp với trở kháng.
Khối cộng hưởng và tải hoạt động như bộ phân chia điện áp, khi ta thay đổi tần số của
điện áp Vd ( điện áp sau nghịch lưu nguồn áp) thì trở kháng của mạch thay đổi, trở kháng này sẽ
chia điện áp vào với tải, khiến cho hệ số khuyếch đại DC của mạch SRC luôn nhỏ hơn 1. Tại tần
số cộng hưởng thì trở kháng của mạch rất nhỏ nên toàn bộ điện áp vào mạch cộng hưởng Vd sẽ
đặt lên tải, vậy hệ số khuyếch đại lớn nhất đạt được là ở tần số cộng hưởng.
Hình 2.2 diễn tả đặc tính của BBĐ. Vùng hoạt động của bộ chuyển đổi nằm bên phải tần
số cộng hưởng fr, đây là vùng đạt điều kiện ZVS, còn nếu ở tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng bộ
biến đổi sẽ làm việc ở vùng ZCS.
Nghịch lưu Cộng hưởng Chỉnh lưu
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha Noi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
Ưu điểm của BBĐ này là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn
dòng của BBĐ, khi giảm tải thì dòng chạy qua van sẽ giảm do đó giảm tổn thất qua van và các
tổn thất khác khi giảm tải vì vậy duy trì được hiệu suất cao khi làm việc trong diều kiện đầy tải.
Nhược điểm của BBĐ này là: trong điều kiện non tải, tần số đóng cắt phải tăng lên rất
cao để điều khiển được điện áp ra do vậy BBĐ này không dùng được trong điều kiện non tải
hay không tải. Hơn nữa, khi điện áp đầu vào tăng, BBĐ sẽ làm việc với tần số lớn hơn so với
tần số cộng hưởng rất nhiều, khi tần số tăng thì trở kháng của khối cộng hưởng cũng tăng, năng
lượng trả lại nguồn đầu vào (năng lượng tuần hoàn) lớn và dòng khi khóa van tăng cao do vậy
tổn thất gặp phải là lớn. Tụ lọc ở đầu ra phải mang dòng với độ đập mạch lớn ,vì vậy BBĐ này
không phù hợp với các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện cao.
b. Mạch cộng hưởng song song (PRC):
Hình 2.3. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng song song
Hình 2.4. Đặc tính DC của BBĐ cộng
hưởng song song
Bộ biến đổi cộng hưởng song song được chỉ ra như hình 2.3, thành phần tạo nên khối cộng
hưởng là điện cảm cộng hưởng Lr được mắc nối tiếp với tụ điện cộng hưởng Cr, BBĐ được gọi
là bộ biến đổi cộng hưởng song song vì tải được mắc song song với tụ điện cộng hưởng.Tần số
cộng hưởng được tạo nên bởi sự cộng hưởng của Lr và Cr, giống như SCR, ta có vùng hoạt
động của PRC nằm bên phải tần số cộng hưởng để đạt được điều kiện ZVS, trở kháng của mạch
cũng được thay đổi bằng cách thay đổi tần số của điện áp vào Vd.
Ưu điểm: so với SRC khi không tải tần số không phải thay đổi nhiều để giữ được quy
luật của điện áp ra, dòng điện chỉnh lưu là liên tục và phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu dòng
điện lớn.
Nhược điểm: so với SRC thì vùng hoạt động của PRC nhỏ hơn nhiều, một vấn đề lớn gặp
phải đối với SRC là năng lượng tuần hoàn cao ngay cả khi không tải, dòng tuần hoàn tăng khi
mà điện áp vào tăng, dòng này lớn hơn so với SRC làm cho dòng khi khóa van tăng. Dòng phía
sơ cấp không phụ thuộc vào điều kiện tải: dòng chính có thể khép vòng qua khối cộng hưởng
ngay cả điều kiện không tải.
c. Mạch cộng hưởng nối tiếp song song (SPRC):
Thành phần chính của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp song song là mạch cộng hưởng
bao gồm 3 thành phần là điện cảm cộng hưởng Lr, tụ điện cộng hưởng Cr và tụ Cp, mạch cộng
hưởng SPRC có thể xem như là sự kết hợp của SRC và PRC, nó giống với SRC ở chỗ có cuộn
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha NoiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
cảm lọc được thêm vào phía thứ cấp để đồng bộ về trở kháng. Đường đặc tính của SPRC cũng là
sự kết hợp của hai đường đặc tính của SRC và PRC. Điều đặc biệt của SPRC là nó có hai tần số
cộng hưởng, khi điện áp vào tăng thì bộ biến đổi sẽ làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng.
Cũng như SRC và PRC, vùng hoạt động của bộ biến đổi nằm bên phải tần số cộng hưởng.
Hình 2.5. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng SPRC
Hình 2.6. Đặc tính DC của SPRC
Bộ biến đổi SPRC cũng giống như SRC và PRC đều có thể làm việc trong vùng ZCS, nếu so
sánh SPRC với PRC và SRC thì có thể thấy dòng trong mạch cộng hưởng nhỏ hơn so với PRC
nhưng lớn hơn so với SRC điều đó cũng có nghĩa là năng lượng tuần hoàn nhỏ hơn so với PRC.
Giống với PRC và SRC, khi điện áp vào tăng thì năng lượng tuần hoàn tăng ngay cả khi non tải
và dòng khi khóa của MOSTFET tăng gây tổn thất lớn.
d. Mạch cộng hưởng LLC
Ta thấy, cả ba cấu trúc mạch cộng hưởng truyền thống ( SRC, PRC và SPRC) đều gặp
phải vấn đề lớn là không thể hoạt động tối ưu khi điện áp vào cao và hạn chế dải điện áp vào.
Năng lượng tuần hoàn cao và tổn hao đóng cắt cũng xuất hiện ở điều kiện điện áp cao, điều này
không phù hợp với các yêu cầu của bộ chuyển đổi DC/DC.
Từ sự phân tích các mạch cộng hưởng truyền thống ta có: khi mạch SRC cũng như mạch
PRC làm việc ở tần số cộng hưởng thì hiệu suất là lớn nhất. Đối với mạch SPRC ta có hai tần số
cộng hưởng và bình thường mạch làm việc ở tần số cộng hưởng cao hơn sẽ có hiệu suất cao hơn,
để đạt được điều kiện làm việc điện áp chuyển mạch không (ZVS) thì bộ biến đổi (BBĐ) phải
làm việc ở miền dốc xuống của đặc tính DC. Tuy nhiên, BBĐ cộng hưởng LCC cũng chưa tối ưu
ở điều kiện điện áp vào cao, lý do tương tự như mạch SRC và PRC, mạch cộng hưởng sẽ làm
việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng ở điều kiện điện áp vào cao. BBĐ LCC cộng hưởng có
hai tần số cộng hưởng nhưng tần số cộng hưởng thấp hơn là vùng ZCS, chúng ta sẽ không thiết
kế BBĐ làm việc ở tần số cộng hưởng này. Như vậy để đạt được tần số cộng hưởng mà tại đó
vùng làm việc là ZVS, bằng cách thay đổi mạch cộng hưởng LCC ta sẽ có được kết quả: thay thế
L bởi C và ngược lại C bởi L ta sẽ có mạch cộng hưởng LLC
Đặc tính của BBĐ LLC cộng hưởng ngược với đặc tính của BBĐ cộng hưởng LCC, nó
vẫn có hai tần số cộng hưởng, tần số thấp hơn được quyết định bởi điện cảm nối tiếp Lr, Lm và
tụ Cr, tần số cao hơn được quyêt định bởi Lr và Cr, tần số cao hơn là vùng làm việc ZVS, nghĩa
là BBĐ được thiết kế để làm việc xung quanh tần số này. Cấu trúc mạch cộng hưởng LLC rất
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha Noi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
giống với BBĐ cộng hưởng LC nối tiếp, tuy nhiên độ khuếch đại điện áp của nó khác với của
BBĐ LC cộng hưởng nối tiếp, trong hoạt động cộng hưởng độ tự cảm từ hóa của máy biến áp
(MBA) tương đối nhỏ và phức tạp.
Mạch cộng hưởng LCC Mạch cộng hưởng LLC
Hình 2.7
Các đặc trưng của BBĐ LLC cộng hưởng là: Giảm được tổn hao đóng cắt thông qua
vùng làm việc ZVS và do đó cải thiện hiệu suất, dải tần số biến đổi rộng vượt quá dải biến đổi
của tải, điện áp lúc chuyển mạch bằng không ngay cả trong điều kiện không tải. Năng lượng tuần
hoàn nhỏ khi điện áp vào cao.
Như vậy mạch cộng hưởng LLC sẽ đảm bảo được các yêu cầu cần thiết và ta sẽ thiết kế
mạch cộng hưởng LLC.
2.1.2. Lựa chọn mạch nghịch lưu nguồn áp và khối chỉnh lưu
a.Lựa chọn mạch nghịch lưu
-Sử dụng sơ đồ nghịch lưu nửa cầu vì có ít van,điều khiển đơn giản và tổn thất ít,hiệu suất
bộ biến đổi đạt được có thể lên đến hơn 90%
b.Lựa chọn mạch chỉnh lưu.
-Công suất yêu cầu 2.5KW nên sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một pha,để đạt được chất lượng
điện áp tốt hơn ta sử dụng sơ đồ cầu một pha diot.
2.1.3 Lựa chọn máy biến áp tích hợp
Máy biến áp làm chức nằng biến
đổi điện áp và thay thế cho cả điện cảm
cộng hưởng Lr và Lp. Trong đó từ thông
tản trong máy biến áp sẽ được sử dụng
thay thế cho Lr và từ thông dùng từ hóa
máy biến áp sẽ được thay thế cho Lp
L
p=Lm+Llkp ;
Lr =Llkp+Lm//(n2Llks)
Hình 2.8 Sơ đồ thay thế cuẩ máy biến áp tích hợp
Lõi thép có khe hở không khí để tăng từ thông từ hóa máy biến áp. Trong đó từ thông từ
hóa máy biến áp thay thế cho Lp. Với kích thước khe hở không khí thay đổi ta có thể có được giá
trị Lp khác nhau tùy theo yêu cầuCoi như điện áp đầu ra là hằng số và các thiết bị đều lý tưở
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn điện tử công suất đã bước sang một
trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,hiệu suất lớn,mặc dù vậy do
yêu cầu của nền công nghiệp phát triển cũng như yêu cầu của đời sống thì các bộ biến đổi còn
phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe,như kích thước phải nhỏ,mật độ công
suất lớn độ tin cậy cao ,để đạt được điều này người ta đã tìm cách tăng tần số đóng cắt của các
van bán dẫn ngày càng cao,bằng cách áp dụng các phương pháp mới,đặc biệt là cách sử
dụng mạch cộng hưởng để đạt được chế độ ZVS(zero voltage switching),hay chế độ ZCS(zero
current switching) mà tổn hao khi chuyển mạch giảm và tần số chuyển mạch ngày càng được
nâng cao đáp ứng được những yêu cầu của thực tế.Một trong các cách để tạo nên sự cộng hưởng
là sử dụng mạch cộng hưởng LLC,đây là một trong những phương pháp mới,và có nhiều ưu
điểm.Mặc dù vậy ở Việt Nam phương pháp này chưa có nhiều sự tìm hiểu .Vì vậy với đồ án về
“Bộ biến đổi nguông DC/DC cộng hưởng mạch cộng hưởng LLC” sẽ cho thấy được những lợi
ích mà bộ biến đổi nguồn này đem lại.Đồ án này của em xin trình bày các nội dung sau:
Chương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực
Chương 4: Nguyên lý mạch điều khiển
Chương 5: Kết quả chạy mô phỏng BBĐ
Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Trần Trọng Minh và các thầy cô trong bộ môn em đã hoàn
thành đồ án này. Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện nên chắc chắn đồ
án của em có nhiều thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp của thầy cô!
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện.
Lý Bá Biên
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha NoiChương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ
CHƯƠNG 1:
TÌM HIỂU VÀ PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ
1.1 Tìm hiểu công nghệ
1.1.1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng và các điều kiện chuyển mạch:
Các bộ biến đổi công suất (BBĐ) cần đảm bảo yêu cầu là kích thước nhỏ gọn, trọng
lượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Đối với các BBĐ thông thường, bộ tản nhiệt và
các thành phần như tụ điện và điện cảm chiếm thể tích rất lớn trong BBĐ, điều này làm cho BBĐ
cồng kềnh và làm giảm đáng kể mật độ công suất của BBĐ. Để giảm kích thước các phần tử
trên, các BBĐ dần được thay thế bởi các BBĐ đóng cắt ở tần số cao.
Tuy nhiên, BBĐ này lại gặp phải vấn đề trong quá trình chuyển mạch, khi trạng thái
chuyển mạch là “hard switching” được áp dụng trong bộ biến đổi PWM: dòng điện và điện áp
trên van không thể ngay lập tức tăng lên hay giảm về không, do đó trong quá trình đóng cắt có cả
dòng và áp cao sẽ gây ra tổn thất chuyển mạch rất lớn đặc biệt là khi tần số đóng cắt lớn, hơn
nữa quá trình này cũng gây nên các xung điện áp và dòng điện khá lớn trên các van. Điều này
làm cho các thiết bị sử dụng phương pháp có tần số chuyển mạch có giới hạn thường là vài chục
kHz (từ 10 đến 50 kHz).
Chúng ta có thể sử dụng các mạch phụ trợ để giảm sự biến thiên dòng và áp, đòng thời
chuyển tổn thất chuyển mạch tuy nhiên tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch nên
khi tần số chuyển mạch cao thì gây ra tổn thất đáng kể vì vậy giới hạn tần số làm việc của BBĐ.
Bên cạnh đó, các thành phần tụ kí sinh và điện cảm rò gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn.
Đối với các BBĐ sử dụng dao động của mạch L-C, sẽ tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm
cho van. Các van sẽ chuyển mạch khi dòng điện hay điện áp rơi trên nó bằng 0 (điều kiện ZCS
và ZVS). Hai điều kiện này không thể xảy ra đồng thời, với chuyển mạch ZCS sẽ có tổn thất khi
mở van, với chuyển mạch ZVS sẽ có tổn thất khi đóng van, tuy vậy các tổn thất này rất nhỏ. Khi
điều kiện chuyển mạch mềm được thực hiện thì tổn thất giảm được đáng kể và nhờ đó cho phép
tần số chuyển mạch có thể nâng cao đến vài trăm kHz.
Hình 1.1 So sánh chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm
Như vậy, khi ta sử dụng BBĐ cộng hưởng sẽ đem lại các lợi ích như giảm đáng kể kích
thước của tụ điện, điện cảm và bộ tản nhiệt, từ đó tăng mật độ công suất, giảm kích thước, trọng
lượng của BBĐ,Cho phép BBĐ làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn,Tận dụng tụ kí sinh và
điện cảm rò vào thành phần cộng hưởng.
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha Noi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiChương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ
1.1.2 Quá trình chuyển mạch sử dụng MOSFET
Trươc kia thyristor được sử dụng rất nhiều trong các bộ biến đổi ,tuy nhiên mỗi thyristor
cần cưỡng bức dòng về không trong quá trình khóa,trong những năm gần đây các van bán
dẫn điều khiển hoàn toàn như MOSFET,GTO,IGBT đã dần thay thế .
Đối với MOSTFET chuyển mạch
trong điều kiện ZCS, van khóa trong điều
kiện dòng điện bằng 0, thì tổn hao khóa
bằng 0. Van mở thì do năng lượng tích lũy
trên diode 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 và tổn hao khi mở van thông
qua điện trở như trên sơ đồ tương
đương.Khi MOSFET chuyển mạch trong
điều kiện ZVS, van sẽ mở trong điều kiện
điện áp trên van bằng 0 vì khi mở thì diode
ngược của van đang dẫn dòng. Do dòng
qua diode ngược của MOSTFET có thời
gian khóa bằng thời gian dẫn dòng của
MOSTFET trước trước khi điện áp phân
cực ngược được đặt lên diode nên không có
áp lực chuyển mạch trên diode
Hình 1.2. Mô hình tương đương của
MOSTFET
Khi khóa van, dòng điện qua van lúc khóa khác 0 và gây ra tổn hao khi khóa, tuy nhiên
dòng lúc này nhỏ và chuyển sang nạp cho tụ kí sinh song song của van, khi diode ngược của van
dẫn dòng thì điện áp ngược trên tụ sẽ được giải phóng trước khi van thông, do đó không có tổn
hao khi mở van và loại trừ được sự tổn hao do sự phóng nạp của tụ kí sinh.
Vì vậy trong thực tế, người ta thường sử dụng MOSTFET làm việc trong điều kiện chuyển
mạch khi điện áp về bằng 0 (ZVS)..
1.1.3 Phạm vi ứng dụng của các BBĐ cộng hưởng
Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển các BBĐ sử dụng nguyên lý cộng
hưởng trong rất nhiều các ứng dụng quan trọng như sau:
- Chấn lưu điện tử cho đèn khí
- Các thiết bị gia nhiệt (bếp điện từ, lò tui 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,…
1.1 Yêu cầu đối với BBĐ cần thiết kế: -
Điện áp vào
một chiều.
Điện áp ra một chiều Chế độ làm
mát bằng gió
Công suất tải Tần số
415(V) 48(V) Ku Ki
2 2
2.5KW 100KHz
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha NoiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
CHƯƠNG 2:
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1. Phân tích và lựa chọn phương án mạch lực
2.1.1. Phân tích lựa chọn mạch cộng hưởng:
Bộ biến đổi nguồn DC-DC cộng hưởng có sơ đồ khối như sau:
DC AC AC DC
Bộ biến đổi gồm ba khối cơ bản: Nghịch lưu, Cộng hưởng và Chỉnh lưu như hình vẽ.
Để tạo nên cộng hưởng người ta thường sử dụng các mạch cộng hưởng nối tiếp,song
song,song song nối tiếp và đặc biệt mạch cộng hưởng LLC với những ưu điểm khắc phục cho
những nhược điểm mà các mạch cộng hưởng trên gặp phải.
a. Mạch cộng hưởng nối tiếp (SRC):
Hình 2.1. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng nối tiếp Hình 2.2. Đặc tính DC của BBĐ cộng hưởng nối
tiếp
Cấu trúc của mạch cộng hưởng nối tiếp được diễn tả trên hình 2.1, trong đó tụ Cr và cuộn
cảm Lr được mắc nối tiếp với nhau tạo ra khối cộng hưởng, khối cộng hưởng làm việc như một
nguồn dòng, mạch lọc đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp với trở kháng.
Khối cộng hưởng và tải hoạt động như bộ phân chia điện áp, khi ta thay đổi tần số của
điện áp Vd ( điện áp sau nghịch lưu nguồn áp) thì trở kháng của mạch thay đổi, trở kháng này sẽ
chia điện áp vào với tải, khiến cho hệ số khuyếch đại DC của mạch SRC luôn nhỏ hơn 1. Tại tần
số cộng hưởng thì trở kháng của mạch rất nhỏ nên toàn bộ điện áp vào mạch cộng hưởng Vd sẽ
đặt lên tải, vậy hệ số khuyếch đại lớn nhất đạt được là ở tần số cộng hưởng.
Hình 2.2 diễn tả đặc tính của BBĐ. Vùng hoạt động của bộ chuyển đổi nằm bên phải tần
số cộng hưởng fr, đây là vùng đạt điều kiện ZVS, còn nếu ở tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng bộ
biến đổi sẽ làm việc ở vùng ZCS.
Nghịch lưu Cộng hưởng Chỉnh lưu
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha Noi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
Ưu điểm của BBĐ này là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn
dòng của BBĐ, khi giảm tải thì dòng chạy qua van sẽ giảm do đó giảm tổn thất qua van và các
tổn thất khác khi giảm tải vì vậy duy trì được hiệu suất cao khi làm việc trong diều kiện đầy tải.
Nhược điểm của BBĐ này là: trong điều kiện non tải, tần số đóng cắt phải tăng lên rất
cao để điều khiển được điện áp ra do vậy BBĐ này không dùng được trong điều kiện non tải
hay không tải. Hơn nữa, khi điện áp đầu vào tăng, BBĐ sẽ làm việc với tần số lớn hơn so với
tần số cộng hưởng rất nhiều, khi tần số tăng thì trở kháng của khối cộng hưởng cũng tăng, năng
lượng trả lại nguồn đầu vào (năng lượng tuần hoàn) lớn và dòng khi khóa van tăng cao do vậy
tổn thất gặp phải là lớn. Tụ lọc ở đầu ra phải mang dòng với độ đập mạch lớn ,vì vậy BBĐ này
không phù hợp với các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện cao.
b. Mạch cộng hưởng song song (PRC):
Hình 2.3. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng song song
Hình 2.4. Đặc tính DC của BBĐ cộng
hưởng song song
Bộ biến đổi cộng hưởng song song được chỉ ra như hình 2.3, thành phần tạo nên khối cộng
hưởng là điện cảm cộng hưởng Lr được mắc nối tiếp với tụ điện cộng hưởng Cr, BBĐ được gọi
là bộ biến đổi cộng hưởng song song vì tải được mắc song song với tụ điện cộng hưởng.Tần số
cộng hưởng được tạo nên bởi sự cộng hưởng của Lr và Cr, giống như SCR, ta có vùng hoạt
động của PRC nằm bên phải tần số cộng hưởng để đạt được điều kiện ZVS, trở kháng của mạch
cũng được thay đổi bằng cách thay đổi tần số của điện áp vào Vd.
Ưu điểm: so với SRC khi không tải tần số không phải thay đổi nhiều để giữ được quy
luật của điện áp ra, dòng điện chỉnh lưu là liên tục và phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu dòng
điện lớn.
Nhược điểm: so với SRC thì vùng hoạt động của PRC nhỏ hơn nhiều, một vấn đề lớn gặp
phải đối với SRC là năng lượng tuần hoàn cao ngay cả khi không tải, dòng tuần hoàn tăng khi
mà điện áp vào tăng, dòng này lớn hơn so với SRC làm cho dòng khi khóa van tăng. Dòng phía
sơ cấp không phụ thuộc vào điều kiện tải: dòng chính có thể khép vòng qua khối cộng hưởng
ngay cả điều kiện không tải.
c. Mạch cộng hưởng nối tiếp song song (SPRC):
Thành phần chính của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp song song là mạch cộng hưởng
bao gồm 3 thành phần là điện cảm cộng hưởng Lr, tụ điện cộng hưởng Cr và tụ Cp, mạch cộng
hưởng SPRC có thể xem như là sự kết hợp của SRC và PRC, nó giống với SRC ở chỗ có cuộn
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha NoiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
cảm lọc được thêm vào phía thứ cấp để đồng bộ về trở kháng. Đường đặc tính của SPRC cũng là
sự kết hợp của hai đường đặc tính của SRC và PRC. Điều đặc biệt của SPRC là nó có hai tần số
cộng hưởng, khi điện áp vào tăng thì bộ biến đổi sẽ làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng.
Cũng như SRC và PRC, vùng hoạt động của bộ biến đổi nằm bên phải tần số cộng hưởng.
Hình 2.5. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng SPRC
Hình 2.6. Đặc tính DC của SPRC
Bộ biến đổi SPRC cũng giống như SRC và PRC đều có thể làm việc trong vùng ZCS, nếu so
sánh SPRC với PRC và SRC thì có thể thấy dòng trong mạch cộng hưởng nhỏ hơn so với PRC
nhưng lớn hơn so với SRC điều đó cũng có nghĩa là năng lượng tuần hoàn nhỏ hơn so với PRC.
Giống với PRC và SRC, khi điện áp vào tăng thì năng lượng tuần hoàn tăng ngay cả khi non tải
và dòng khi khóa của MOSTFET tăng gây tổn thất lớn.
d. Mạch cộng hưởng LLC
Ta thấy, cả ba cấu trúc mạch cộng hưởng truyền thống ( SRC, PRC và SPRC) đều gặp
phải vấn đề lớn là không thể hoạt động tối ưu khi điện áp vào cao và hạn chế dải điện áp vào.
Năng lượng tuần hoàn cao và tổn hao đóng cắt cũng xuất hiện ở điều kiện điện áp cao, điều này
không phù hợp với các yêu cầu của bộ chuyển đổi DC/DC.
Từ sự phân tích các mạch cộng hưởng truyền thống ta có: khi mạch SRC cũng như mạch
PRC làm việc ở tần số cộng hưởng thì hiệu suất là lớn nhất. Đối với mạch SPRC ta có hai tần số
cộng hưởng và bình thường mạch làm việc ở tần số cộng hưởng cao hơn sẽ có hiệu suất cao hơn,
để đạt được điều kiện làm việc điện áp chuyển mạch không (ZVS) thì bộ biến đổi (BBĐ) phải
làm việc ở miền dốc xuống của đặc tính DC. Tuy nhiên, BBĐ cộng hưởng LCC cũng chưa tối ưu
ở điều kiện điện áp vào cao, lý do tương tự như mạch SRC và PRC, mạch cộng hưởng sẽ làm
việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng ở điều kiện điện áp vào cao. BBĐ LCC cộng hưởng có
hai tần số cộng hưởng nhưng tần số cộng hưởng thấp hơn là vùng ZCS, chúng ta sẽ không thiết
kế BBĐ làm việc ở tần số cộng hưởng này. Như vậy để đạt được tần số cộng hưởng mà tại đó
vùng làm việc là ZVS, bằng cách thay đổi mạch cộng hưởng LCC ta sẽ có được kết quả: thay thế
L bởi C và ngược lại C bởi L ta sẽ có mạch cộng hưởng LLC
Đặc tính của BBĐ LLC cộng hưởng ngược với đặc tính của BBĐ cộng hưởng LCC, nó
vẫn có hai tần số cộng hưởng, tần số thấp hơn được quyết định bởi điện cảm nối tiếp Lr, Lm và
tụ Cr, tần số cao hơn được quyêt định bởi Lr và Cr, tần số cao hơn là vùng làm việc ZVS, nghĩa
là BBĐ được thiết kế để làm việc xung quanh tần số này. Cấu trúc mạch cộng hưởng LLC rất
Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang
TDH K53-DH Bach Khoa Ha Noi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiChương 2.Phân tích và lựa chọn phương án
giống với BBĐ cộng hưởng LC nối tiếp, tuy nhiên độ khuếch đại điện áp của nó khác với của
BBĐ LC cộng hưởng nối tiếp, trong hoạt động cộng hưởng độ tự cảm từ hóa của máy biến áp
(MBA) tương đối nhỏ và phức tạp.
Mạch cộng hưởng LCC Mạch cộng hưởng LLC
Hình 2.7
Các đặc trưng của BBĐ LLC cộng hưởng là: Giảm được tổn hao đóng cắt thông qua
vùng làm việc ZVS và do đó cải thiện hiệu suất, dải tần số biến đổi rộng vượt quá dải biến đổi
của tải, điện áp lúc chuyển mạch bằng không ngay cả trong điều kiện không tải. Năng lượng tuần
hoàn nhỏ khi điện áp vào cao.
Như vậy mạch cộng hưởng LLC sẽ đảm bảo được các yêu cầu cần thiết và ta sẽ thiết kế
mạch cộng hưởng LLC.
2.1.2. Lựa chọn mạch nghịch lưu nguồn áp và khối chỉnh lưu
a.Lựa chọn mạch nghịch lưu
-Sử dụng sơ đồ nghịch lưu nửa cầu vì có ít van,điều khiển đơn giản và tổn thất ít,hiệu suất
bộ biến đổi đạt được có thể lên đến hơn 90%
b.Lựa chọn mạch chỉnh lưu.
-Công suất yêu cầu 2.5KW nên sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một pha,để đạt được chất lượng
điện áp tốt hơn ta sử dụng sơ đồ cầu một pha diot.
2.1.3 Lựa chọn máy biến áp tích hợp
Máy biến áp làm chức nằng biến
đổi điện áp và thay thế cho cả điện cảm
cộng hưởng Lr và Lp. Trong đó từ thông
tản trong máy biến áp sẽ được sử dụng
thay thế cho Lr và từ thông dùng từ hóa
máy biến áp sẽ được thay thế cho Lp
L
p=Lm+Llkp ;
Lr =Llkp+Lm//(n2Llks)
Hình 2.8 Sơ đồ thay thế cuẩ máy biến áp tích hợp
Lõi thép có khe hở không khí để tăng từ thông từ hóa máy biến áp. Trong đó từ thông từ
hóa máy biến áp thay thế cho Lp. Với kích thước khe hở không khí thay đổi ta có thể có được giá
trị Lp khác nhau tùy theo yêu cầuCoi như điện áp đầu ra là hằng số và các thiết bị đều lý tưở
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
Last edited by a moderator: