nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi buck-boost pfc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XNCN
====o0o====


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK-BOOST PFC



Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Duy Đỉnh
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Phi Long
Lớp : TĐH1 - K53
MSSV : 20081596


Hà Nội, 6-2013

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi
Buck-Boost PFC do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh.
Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 04 tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện


Nguyễn Phi Long




MỤC LỤC
i DANH MỤC HÌNH VẼ
iv DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
1 LỜI NÓI ĐẦU
. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH NÂNG CAO SỐ CÔNG SUẤT (PFC)
3 1.1. Hệ số công suất và nhiễu do sóng hài dòng điện
3 1.1.1. Hệ số công suất
5 1.1.2. Nhiễu do sóng hài dòng điện
5
1.2. Các tiêu chuẩn về nhiễu do sóng hài của các bộ biến đổi.
7 1.3. Đặc điểm của các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường
9 1.4. Các phương pháp nâng cao hệ số công suất
9 1.4.1. Phương pháp Passive PFC
12 1.4.2. Phương pháp Active PFC
13 1.5. Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC
13 1.5.1. Lựa chọn cấu hình khâu DC/DC của bộ PFC
18 1.5.2. Lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ PFC
. Chương 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA MẠCH BUCK-
21 BOOST PFC
21 2.1. Phân tích nguyên lý mạch Buck-Boost PFC
23 2.2. Mô hình hóa đối tượng mạch vòng dòng điện

26 2.3. Mô hình hóa đối tượng mạch vòng điện áp
30 Chương 3. TÍNH TOÁN CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH
30 3.1. Tính toán các giá trị định mức
30 3.2. Thiết kế cuộn cảm
33 3.3. Tính chọn van MOSFET
34 3.4. Tính chọn Diode
35 3.5. Tính chọn tụ điện đầu ra
36 3.6. Tính toán mạch Snubber cho MOSFET
38 Chương 4. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
38 4.1. Sự phát sinh sóng hài dòng điện trong phương pháp điều khiển Current mode
38 4.1.1. Sóng hài dòng điện do khâu Feedforward
40 4.1.2. Sóng hài dòng điện do phản hồi điện áp V
0
(t)
42 4.2. Tính toán vòng điều khiển dòng điện


49 4.3. Tính toán mạch FeedForward giá trị hiệu dụng điện áp lưới
51 4.4. Tính toán mạch vòng điều khiển điện áp
. 56 Chương 5 MÔ PHỎNG MẠCH BUCK-BOOST PFC
56 5.1. Xây dựng hệ thống mô phỏng trên phần mềm PSIM
58 5.2. Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost PFC
. 63 Chương 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
63 6.1. Kết quả thực nghiệm
67 6.2. Nhận xét
68 KẾT LUẬN
69 TÀI LIỆU THAM KHẢO
71 PHỤ LỤC

Danh mục hình vẽ


i
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Quan hệ giữa THD và hệ số méo K
p.
4
Hình 1.2. Cấu trúc của một bộ nguồn chỉnh lưu thông thường. 7
Hình 1.3. Khâu chỉnh lưu cầu trong cấu trúc 1.3 [4]. 8
Hình 1.4. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.4 [4]. 8
Hình 1.5. Hệ thống công suất phân tán điển hình sử dụng PFC [5]. 9
Hình 1.6. Mạch chỉnh lưu cầu có cuộn cảm nối tiếp phía điện áp lưới [4]. 10
Hình 1.7. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.6 [4]. 10
Hình 1.8. Các thành phần sóng hài ứng với trường hợp L = 25mH [4]. 11
Hình 1.9. Cấu trúc mạch Active PFC. 12
Hình 1.10. Cấu hình mạch Buck PFC [4]. 14
Hình 1.11. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck PFC [4] 14
Hình 1.12. Cấu hình mạch Boost PFC [4]. 15
Hình 1.13. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Boost PFC [4]. 16
Hình 1.14. Cấu hình mạch Buck-Boost PFC [4] 17
Hình 1.15. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck-Boost PFC khi V
0
>V
in
(t) [4]. 17
Hình 1.16. Sơ đồ hệ thống điều khiển – điều khiển Current mode. 19
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost PFC 21
Hình 2.2. (a). Tín hiệu mở van; (b). Điện áp trên cuộn cảm; (c). Dòng điện cuộn cảm; 22

(d). Dòng điện qua van S
1
, S
2
; (e). Dòng điện qua diode D
1
, D
2
; (f), (g), (h), (k). Điện áp
trên van S
1
, S
2
, và Diode D
1
, D
2
. 22
Hình 2.3. Mạch tương đương khi S
1
, S
2
dẫn. 23
Hình 2.4. Mạch tương đương khi S
1
, S
2
khóa. 24
Hình 2.5. Dạng điện áp trên cuộn cảm và dòng điện của tụ C 24
Hình 2.7. Mô hình tương đương khi lấy trung bình trên một nửa chu kỳ lưới. 29

Danh mục hình vẽ


ii
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển 38
Hình 4.2. Sự méo dòng điện đầu vào do ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc hai
nd
2
rip
v
trong điện áp ra
. 41
Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 43
Hình 4.4. (a) Đồ thị Bode của đối tượng G
di
(s); (b) Đồ thị Bode của đối tượng G
i0
(s). 45
Hình 4.5. Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện. 48
Hình 4.7. Mạch Feedforward giá trị hiệu dụng của điện áp lưới. 49
Hình 4.8. Đồ thị Bode của khâu Feedforward G
ff
(s). 50
Hình 4.9. Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp. 51
Hình 4.10. (a) Đồ thi Bode của đối tượng G
v0
(s); (b) Đồ thị Bode của đối tượng G
v1

(s). 53
Hình 4.11. Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp. 54
Hình 4.12. Bộ bù loại hai của mạch vòng điện áp. 55
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC. 56
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC 56
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC. 57
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57
Hình 5.3. Đặc tính khởi động không tải khi V
in,rms
=220V. 58
Hình 5.4. Đặc tính khởi động không tải khi Vin,rms=100V. 58
Hình 5.5. Đặc tính động của bộ biến đổi khi khởi động với tải định mức. 59
Hình 5.6. Đặc tính động của bộ biến đổi khi thay đổi tải. 59
Hình 5.7. Đặc tính động của bộ biến đổi khi điện áp sụt từ 220V xuống 110 V 60
Hình 5.8. Dạng dòng điện, điện áp đầu vào và hệ số công suất. 60
Hình 5.9. Nhấp nhô của điện áp đầu ra khi hệ thống ổn định. 61
Hình 5.10. Đặc tính động của bộ biến đổi khi tải mang tính cảm. 61


Danh mục hình vẽ


iii
Hình 6.1. Sơ đồ thực nghiệm tổng thể 63
Hình 6.2: Dạng dòng điện và điện áp khi không có PFC. 64
Hình 6.3. Dạng xung mở van 64
Hình 6.4. Đáp ứng điện áp khi khởi động không tải 65
Hình 6.5. Điện áp đầu ra khi ổn định không tải 65
Hình 6.6. Điện áp đầu ra khi tải trở định mức 66

Hình 6.7. Dạng dòng điện trong cuộn cảm 66
Hình 6.8. Dạng dòng điện và điện áp đầu vào 67


Danh mục bảng số liệu


iv
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp A [3] 6
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp C [3] 6
Bảng 1.3. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp D [3] 7
Bảng 1.4. Đặc điểm các bộ biến đổi DC/DC trong PFC. 18
Bảng 3.1. Thông số lõi cuộn cảm 31
Bảng 3.2. Tham số dây quấn. 32
Bảng 3.3. Tham số cơ bản của MOSFET 34
Bảng 3.4. Tham số cơ bản của Diode 35
Bảng 3.5. Tham số cơ bản của SF18 37

Danh mục từ viết tắt


v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PF
Power Factor
Hệ số công suất
PFC
Power Factor Corrector
Bộ nâng cao hệ số công suất
THD
Total Harmonic Distortion
Tổng hệ số méo sóng hài
IEC
International Electrotechnical Commission
Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế
AC
Alternative Current
Dòng điện xoay chiều
DC
Direct Current
Dòng điện một chiều
LFR
Loss-Free Resistor
Điện trở không tổn hao

Lời nói đầu


1
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của điện tử công suất nói chung và các bộ nguồn nói riêng đã đáp tốt
ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe của đời sống. Sự bùng nổ của thiết bị tin học, hệ

thống mạng máy tính, các hệ thống nguồn phân tán đã đặt ra các bài toán thiết kế các bộ
nguồn một chiều có điện áp đầu ra ổn định. Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng đầu
ra tốt, kích thước nhỏ thì những bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng
dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống và có hệ số công suất thấp. Do
số lượng các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng là đáng kể tới hệ
thống lưới điện. Trên thực tế, một số tiêu chuẩn đã được đưa ra quy định cụ thể về mức
phát sóng hài đối với các thiết bị thương mại. Từ đó, người thiết kế cần phải đưa ra biện
pháp để đáp ứng yêu cầu này. Có hai phương pháp nâng cao hệ số công suất được đưa ra
là Passive PFC và Active PFC. Mặc dù, phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản,
nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụng với các các thiết bị ở dải công suất thấp. Trong khi
phương pháp Active PFC đáp ứng được cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao,
kích thước nhỏ gọn. Qua nhiều năm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất
Active PFC ngày càng chiếm ưu thế.
Đồ án này đề xuất cấu hình Buck-Boost PFC với các ưu điểm như khả năng điều
khiển hoàn toàn dòng điện đầu vào, hoạt động trong toàn dải điện áp, cấu trúc đơn giản.
Đây cũng chình là các hạn chế của các cấu hình cơ bản Buck PFC, Boost PFC. Qua
nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này có khả năng áp
dụng vào thực tế.
Toàn bộ đồ án được hoàn thành với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh
và được báo cáo trong 6 chương.
Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất.
Chương 2. Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC.
Chương 3. Tính toán các linh kiện trong mạch.
Chương 4. Tính toán hệ thống điều khiển.
Chương 5. Mô phỏng mạch Buck-boost PFC.
Chương 6. Kết quả thực nghiệm.


Lời nói đầu

2
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt
tình của thầy Nguyễn Duy Đỉnh về rất nhiều mặt trong nghiên cứu. Qua đây em xin gửi
lời cảm ơn chân thành tới thầy đã giúp em hoàn thành đề tài này. Đồng thời em cũng gửi
lời cảm ơn tới các cán bộ thuộc trung tâm Nghiên cứu, Ứng dụng và Sáng tạo công nghệ
-Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, môi trường thuận lợi trong quá trình em
thực hiện đề tài.
Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và điều kiện thực
nghiệm, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế em kính mong nhận được những
lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để em khắc phục và hoàn thiện các phần
còn thiếu sót của bản đồ án.

Hà Nội, ngày 04 tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện


Nguyễn Phi Long


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ
MẠCH NÂNG CAO SỐ CÔNG SUẤT (PFC)

1.1. Hệ số công suất và nhiễu do sóng hài dòng điện
1.1.1. Hệ số công suất

Hệ số công suất (PF) của một thiết bị điện bất kỳ là đại lượng đặc trưng cho hiệu
quả truyền năng lượng từ nguồn lưới tới tải. Hệ số công suất được tính bằng tỷ số giữa
công suất tác dụng và công suất biểu kiến được đo ở nguồn cấp cho thiết bị.
n,rms n,rms n
n1
rms rms
V .I .cos
P
PF
S V .I






(1.1)
Đối với nguồn lưới, ta có thể coi điện áp có dạng sin lý tưởng. Khi đó, điện áp lưới
không có các thành phần sóng hài.
2,rms 3,rms 4,rms
V V V 0V   

(1.2)
Thay (1.2) vào (1.1) ta có:
1,rms 1
p1
rms
I .cos
PF K .cos
I


  

(1.3)
Trong đó:
V
n,rms
là giá trị hiệu dụng điện áp của sóng hài bậc n.
I
n,rms
là giá trị hiệu dụng dòng điện của sóng hài bậc n.


là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp của sóng hài bậc n.
Kp mô tả mối quan hệ giữa giá trị hiệu dụng của thành phần dòng điện cơ bản với
giá trị hiệu dụng của dòng điện, thường gọi là hệ số méo [1].
Một tham số để đánh giá tỷ lệ các thành phần sóng hài trong dòng điện là tổng độ
méo sóng hài (THD). THD là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của các thành phần sóng hài


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


4
dòng điện và giá trị hiệu dụng của thành phần dòng điện có tần số cơ bản. Tham số này
đánh giá mức độ méo dạng của dòng điện do sóng hài gây ra.
2
n,rms
n2
1,rms

I
THD
I





(1.4)
Từ (1.4) và (1.3) ta có quan hệ giữa PF và THD
1
1
PF .cos
1 THD




(1.5)
Từ (1.3) và (1.5) ta có quan hệ giữa K
p
và THD
p
1
K
1 THD



(1.6)
Phương trình (1.6) được vẽ trên hình 1.1. Từ đây cho thấy thành phần sóng hài
trong dòng điện không ảnh hưởng nhiều tới hệ số K
p
cũng như hệ số công suất. Ví dụ nếu
THD = 10 % thì PF = 99,5 %, tăng THD lên tới THD = 20 % thì PF = 98 %. Vậy các
thành phần sóng hài hay THD không ảnh hưởng nhiều tới hệ số công suất trừ khi nó có
giá trị rất lớn.

Hình 1.1. Quan hệ giữa THD và hệ số méo K
p.

Như vậy, nhiệm vụ chính của việc nâng cao hệ số công suất là điều khiển hệ số
công suất 

  tức là dòng điện và điện áp đầu vào thiết bị đồng pha. Đồng thời
cần làm giảm các nhiễu do sóng hài sinh ra, tức là ở mức THD cho phép.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


5
1.1.2. Nhiễu do sóng hài dòng điện
Ngày nay, hầu hết các thiết bị điện sử dụng nguồn điện lưới đều qua một bộ biến
đổi điện tử công suất đầu vào, điển hình là bộ chỉnh lưu. Những bộ này tạo ra dòng điện
có dạng không sin do đặc tính phi tuyến của nó đối với lưới. Ví dụ, các thiết bị một pha
công suất nhỏ cần có bộ biến đổi công suất đầu vào như tivi, thiết bị văn phòng, sạc pin,
các thiết bị gia đình…Các thiết bị công suất lớn sử dụng chỉnh lưu ba pha như biến tần,
các thiết bị công nghiệp. Tất cả các bộ chỉnh lưu này đều có tụ lọc lớn ở đầu ra để lấy

được điện áp một chiều có độ nhấp nhô nhỏ. Do đó, dòng điện đầu vào có dạng không sin
và chứa nhiều thành phần sóng hài có biên độ lớn. Số lượng thiết bị như vậy tồn tại rất
nhiều trong thực tế nên có ảnh hưởng không nhỏ tới cả người dùng lẫn mạng lưới điện.
Sau đây là một số các tác hại do sóng hài gây ra [2]:
- Tổn hao và phát nóng trên máy biến áp, dây cáp, động cơ làm chúng già hóa cách
điện và nhanh hỏng.
- Dòng điện qua dây trung tính của hệ thống ba pha bốn dây vượt quá giá trị cho
phép làm quá nhiệt dây trung tính và rơ-le bảo vệ tác động.
- Hệ số công suất suy giảm nên công suất tác dụng tạo ra bởi thiết bị nhỏ hơn công
suất biểu kiến của lưới cung cấp, giảm hiệu quả truyền công suất của nguồn lưới.
- Hiện tượng cộng hưởng điện sẽ sinh ra điện áp và dòng điện có giá trị đỉnh rất
lớn, có thể dẫn tới hỏng thiết bị.
- Phát sinh lỗi trong các thiết bị đo lường.
1.2. Các tiêu chuẩn về nhiễu do sóng hài của các bộ biến đổi.
Sự xuất hiện của các thành phần sóng hài trong dòng điện tạo ra những tác động
tiêu cực tới lưới và các thiết bị khác. Một số tiêu chuẩn đã đưa ra quy định cụ thể về mức
sóng hài mà các nhà sản xuất thiết bị phải tuân theo khi thiết kế, chế tạo các thiết bị điện.
Một trong những tiêu chuẩn mà được thế giới áp dụng là IEC 1000-3-2 (IEC95), được
đưa ra bởi ủy ban Điện tử quốc tế và được châu Âu điều chỉnh thành chuẩn EN 61000-3-
2. Chuẩn IEC 1000-3-2 [3] áp dụng cho các thiết bị điện với dòng định mức một pha đến
16A, điện áp định mức một pha 220÷240V hoặc ba pha 380÷415V, tần số 50Hz hoặc
60Hz. Chuẩn IEEE 519-1992 (IEE92) áp dụng cho các thiết bị với điện áp và công suất
cao hơn. Nội dung cơ bản của chuẩn IEC 1000-3-2 là đưa ra giới hạn cho phép của giá trị
mỗi thành phần dòng điện sóng hài đối với từng lớp thiết bị.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


6

- Lớp A bao gồm các thiết bị 3 pha đối xứng và tất cả các thiết bị không thuộc 3
lớp B, C, D được nêu tiếp sau đây. Giới hạn cho lớp thiết bị loại A được đưa ra ở
dạng giá trị dòng điện cực đại của mỗi sóng hài và được đưa ra ở bảng 1.1.
- Lớp B bao gồm các công cụ cầm tay, máy hàn hồ quang không chuyên. Giá trị
dòng sóng hài tối đa cho phép gấp 1.5 lần thiết bị loại A.
- Lớp C bao gồm các thiết bị chiếu sáng, kể cả các thiết bị chiếu sáng có điều
chỉnh độ sáng với công suất trên 25 W. Giới hạn dòng sóng hài không vượt quá
giá trị trong bảng 1.2.
- Lớp D là các thiết bị có dạng dòng điện đầu vào đặc biệt (ví dụ như bộ nguồn có
cầu chỉnh lưu đầu vào) và công suất tác dụng nhỏ hơn 600 W và lớn hơn 75 W.
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp A [3]
Sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn
Bậc sóng hài
Dòng điện cực đại (A)
Bậc sóng hài
Dòng điện cực đại (A)
3
2.3
2
1.08
5
1.14
4
0.43
7
0.77
6
0.3
9

0.4
8≤ n ≤40
1.84/n
11
0.33


13
0.21


15≤ n ≤39
2.25/n


Bảng 1.2. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp C [3]
Sóng hài bậc n
Phần trăm cực đại dòng sóng hài so với
dòng điện ở tần số cơ bản (%)
2
2
3
30.PF
5
10
7
7
9
5
11≤ n ≤39 (chỉ đối với bậc lẻ)

3
PF: hệ số công suất mạch



Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


7
Bảng 1.3. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp D [3]
Sóng hài bậc lẻ
Bậc sóng hài
Dòng điện cực đại (A)
Dòng điện sóng hài cực đại cho phép trên
1 W công suất (mA/W)
3
2.3
3.4
5
1.14
1.9
7
0.77
1.0
9
0.4
0.5
11
0.33
0.35

13≤ n ≤39
2.25/n
3.85/n
1.3. Đặc điểm của các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường
Những năm vừa qua, nhu cầu về các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường có điện áp ra
ổn định ngày một gia tăng. Các bộ nguồn này được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị
điện tử, hệ thống sạc điện hay mạng điện phân tán Cấu trúc được sử dụng phổ biến
trong các bộ nguồn như trên hình 1.2. Trong đó, khâu đầu tiên thường là một cầu chỉnh
lưu cùng với một tụ điện lớn để ổn định điện áp đầu ra, minh họa trong hình 1.3. Dòng
điện đầu vào của khâu chỉnh lưu này bị gián đoạn và có dạng xung nhọn vì Diode chỉ dẫn
khi điện áp lưới lớn hơn điện áp trên tụ, minh họa trong hình 1.4. Dòng điện đầu vào có
dạng như vậy là do các thành phần sóng hài của dòng điện có giá trị đáng kể so với dòng
điện ở thành phần cơ bản. Hệ số PF của các bộ nguồn này khoảng 0,6. [4]

Hình 1.2. Cấu trúc của một bộ nguồn chỉnh lưu thông thường.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


8

Hình 1.3. Khâu chỉnh lưu cầu trong cấu trúc 1.3 [4].

Hình 1.4. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.4 [4].
Có thể thấy rằng, các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường có các nhược điểm chính
sau:
- Tạo ra sóng hài và nhiễu điện từ.
- Hệ số công suất thấp.
- Tổn hao lớn.

- Giảm hiệu quả truyền năng lượng của nguồn.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


9
Như vậy, vấn đề nâng cao hệ số công suất (PFC) là một yêu cầu cấp thiết đối với
các thiết bị điện tử công suất nói chung và các nguồn chỉnh lưu thông thường nói riêng.
1.4. Các phương pháp nâng cao hệ số công suất
Các phương pháp nâng cao hệ số công suất đã được phát triển vài thập niên gần
đây. Ưu điểm của các bộ PFC có thể liệt kê ở đây:
- Nâng cao hệ số công suất từ 0.95 tới 0.999.
- Giảm sóng hài.
- Cho điện áp đầu ra ổn định với một dải điện áp đầu vào 100V-240V
- Điện áp đầu ra ổn định cho phép các mạch sử dụng đầu ra của PFC được thiết kế
với chi phí thấp, tính khả thi cao và hiệu quả.
- Tụ lọc đầu ra có kích thước và chi phí nhỏ hơn.
Một trong những ứng dụng điển hình của mạch PFC là sử dụng trong hệ thống
nguồn phân tán cho các thiết bị như máy tính, hệ thống mạng.

Hình 1.5. Hệ thống công suất phân tán điển hình sử dụng PFC [5].
Ngoài ra, bộ nâng cao hệ số công suất còn được ứng dụng trong các chấn lưu điện
tử, biến tần động cơ xoay chiều cho các loại máy nén, máy lạnh, bơm, quạt [6].
1.4.1. Phương pháp Passive PFC
Phương pháp nâng cao hệ số công suất Passive PFC được thực hiện nhờ việc thêm
các phần tử thụ động như L, C vào mạch. Một phương pháp đơn giản nhất là thêm một
cuộn cảm vào phía trước cầu chỉnh lưu Diode, nối tiếp với điện áp lưới (hình 1.6).
Phương pháp này cải thiện hệ số công suất, thực tế có thể đạt được PF=0.82 và giảm

Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


10
thành phần sóng hài. Điện áp đầu ra không được điều chỉnh và nhấp nhô điện áp thay đổi
theo tải. Dạng dòng điện đầu vào được mô phỏng trên hình 1.7 với tải có công suất 200W
và phổ các thành phần sóng hài bậc chẵn của dòng điện ứng với L=25 mH như hình 1.8.

Hình 1.6. Mạch chỉnh lưu cầu có cuộn cảm nối tiếp phía điện áp lưới [4].


Hình 1.7. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.6 [4].


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


11

Hình 1.8. Các thành phần sóng hài ứng với trường hợp L = 25mH [4].
Ngoài ra, còn một số phương pháp khác như: Cuộn cảm nối tiếp phía sau cầu chỉnh
lưu (hệ số công suất có thể đạt PF=0,9), sử dụng mạch lọc phía trước cầu chỉnh lưu để lọc
các thành phần sóng hài bậc 3 và 5 (PF= 0,99), mắc nối tiếp tụ ở đầu vào hay thêm tụ
điện, Diode và cuộn cảm ở đầu ra của cầu chỉnh lưu [4].
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp Passive PFC
Ưu điểm:
- Đơn giản, khả thi và không nhạy với nhiễu.
- Không tạo ra các tác động về nhiễu điện từ (EMI).
- Không có tổn hao chuyển mạch.

- Cải thiện hệ số công suất đáng kể.
Nhược điểm:
- Bộ lọc nặng và cồng kềnh do chúng được sử dụng ở tần số lưới.
- Đáp ứng động kém.
- Điện áp đầu ra không được điều khiển.
- Hình dạng dòng điện đầu vào phụ thuộc vào tải.
- Công suất giới hạn dưới 200 W.
- Vẫn tồn tại sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp lưới lớn.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


12
Với các hạn chế nêu trên thì phương pháp Passive PFC không phù hợp với các ứng
dụng cần kích thước nhỏ gọn và công suất lớn.
1.4.2. Phương pháp Active PFC
Cấu trúc của phương pháp Active PFC là thêm một khâu DC/DC vào giữa cầu
chỉnh lưu và tụ lọc đầu ra. Bộ DC/DC này chuyển mạch với tần số cao hơn nhiều tần số
lưới với một bộ điều khiển phù hợp [6]. Phương pháp này có một số đặc điểm sau:

Hình 1.9. Cấu trúc mạch Active PFC.
Ưu điểm:
- Thành phần sóng hài thấp hơn so với phương pháp Passive PFC.
- Giảm giá trị dòng điện của tụ điện đầu ra.
- Hệ số công suất gần bằng 1.
- Giảm kích thước, trọng lượng, chi phí so với phương pháp Passive PFC.
Nhược điểm:
- Hệ thống phức tạp hơn do có thêm bộ PFC .
Với những ưu điểm trên, phương pháp Active PFC ngày càng được sử dụng phổ

biến trong việc thiết kế các bộ nguồn đảm bảo các tiêu chuẩn về kỹ thuật. Do vậy, mục
tiếp sau sẽ đi phân tích chi tiết về cấu hình khâu DC/DC và phương pháp điều khiển
trong bộ PFC.



Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


13
1.5. Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC
Mục tiêu của mục này là lựa chọn cấu trúc thực hiện mạch PFC phù hợp với những
yêu cầu của bài toán. Những tham số của bài toán thiết kế bộ nâng cao hệ số công suất:
- Điện áp lưới đầu vào V
in
= 100

240
rms
V
.
- Tần số lưới 48

52 Hz.
- Hệ số công suất PF > 0,95.
- Điện áp đầu ra V
0
= 400

5

DC
V
.
- Công suất đầu ra P
0
= 360 W.
- Tần số chuyển mạch
s
f 100 kHz
.
- Thời gian hold-up t
h
= 20ms.
- Điện áp hold-up V
h
= 350V.
- Hiệu suất
90%
.
- Không cách ly.
- Công suất truyền theo một chiều.
- Đáp ứng tiêu chuẩn IEC 1000-3-2.
1.5.1. Lựa chọn cấu hình khâu DC/DC của bộ PFC
Có rất nhiều cấu hình DC/DC có thể được sử dụng trong bộ PFC tùy theo những
yêu cầu của tải [7]. Với yêu cầu bài toán đã nêu trên, một số cấu trúc PFC có thể xem xét
như Buck PFC, Boost PFC, Buck-Boost PFC.
a) Mạch Buck PFC
Mạch Buck PFC là mạch giảm áp, tức là điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu
vào như minh họa trên hình 1.10 và 1.11. Vì mạch chỉ hoạt động khi điện áp V
in

(t) lớn
hơn điện áp đầu ra V
0
nên trong khoảng thời gian t
1
và t
2
sẽ không có dòng điện chạy từ
lưới. Điều này sẽ làm cho dòng điện lưới bị nhiễu khi điện áp nhỏ gần bằng không. Mặc
dù dòng điện qua cuộn cảm liên tục nhưng dòng điện đầu vào lại bị gián đoạn trong mỗi
chu kỳ chuyển mạch của khóa S. Điều này làm gia tăng biên độ các thành phần tần số
cao, yêu cầu lọc đầu vào để giảm méo dòng điện lưới do sóng hài.


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


14

Hình 1.10. Cấu hình mạch Buck PFC [4].

Hình 1.11. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck PFC [4].


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


15
b) Mạch Boost PFC
Boost PFC là mạch tăng áp, cấu hình mạch như trên hình 1.12 và dạng dòng điện,

điện áp lưới như hình 1.13. Mạch Boost yêu cầu điện áp một chiều đầu ra luôn phải lớn
hơn giá trị điện áp đỉnh của lưới nên nó không phù hợp với chuẩn 300 V
DC
biến đổi từ
nguồn lưới. Thường thì người ta tạo ra điện áp đầu ra là 400 V
DC
, một khi cấp điện áp
tăng thì các thiết bị lấy nguồn từ Boost PFC phải yêu cầu linh kiện có cấp điện áp hoạt
động cao hơn, làm tăng chi phí sản xuất. Dòng điện đầu vào liên tục nên ít gây ra nhiễu
tới lưới, không yêu cầu lọc cao. Do dòng qua cuộn cảm cũng là dòng đầu vào nên có thể
điều khiển trực tiếp dòng điện đầu vào theo dạng điện áp lưới sau chỉnh lưu. Ngoài những
ưu điểm nêu trên thì mạch Boost PFC cũng có những nhược điểm của nó. Nhược điểm
lớn nhất của nó là không kiểm soát được dòng điện nạp cho tụ đầu ra khi khởi động. Khi
điện áp đầu ra nhỏ hơn đầu vào thì cũng không thể điều khiển được, ví dụ khi khởi động
hoặc khi điện áp nguồn bị đóng ngắt do bảo vệ do sự cố. Khi đó, dòng điện tăng lên nhiều
lần so với giá trị cực đại, làm bão hòa cuộn cảm và hỏng các thiết bị. Người ta có thể hạn
chế phương pháp này bằng cách thêm các mạch phụ trợ. Tuy nhiên, việc thêm mạch phụ
sẽ làm cho hệ thống trở lên phức tạp, cồng kềnh hơn.

Hình 1.12. Cấu hình mạch Boost PFC [4].


Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất


16

Hình 1.13. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Boost PFC [4].
c) Mạch Buck-Boost PFC
Cấu hình này được xem như là sự kết hợp của hai cấu hình buck và boost nên nó sẽ

mang các đặc điểm của cả hai mạch này. Buck-Boost PFC khắc phục được các nhược
điểm của mạch Boost PFC và Buck PFC. Nó hoạt động được cả chế độ tăng áp và chế độ
giảm áp, tức là mạch Buck-Boost PFC có thể hoạt động trên toàn dải điện áp lưới nên
không có hiện tượng méo dòng điện khi điện áp qua không. Điện áp trên các van khi
khóa chỉ bằng điện áp V
0
hoặc điện áp lưới V
in
(t). Giống như mạch Buck PFC, dòng điện
đầu vào cũng bị gián đoạn, yêu cầu mạch lọc các thành phần tần số cao nhiều hơn so với
mạch Boost. Hình 1.14 và 1.15 minh họa cấu hình và dạng dòng điện, điện áp của mạch
Buck-Boost PFC.
Thực tế đã có một số tác giả thực hiện cấu hình này với các phương pháp điều khiển
khác nhau. Người ta có thể điều khiển hai van S
1
và S
2
độc lập [8]. Mục tiêu của phương
án này là điều khiển mạch ở chế độ Buck khi V
in
(t)> V
0
và điều khiển mạch ở chế độ
Boost khi V
in
(t) < V
0
. Tuy nhiên, tác giả không dừng lại ở cấu hình này mà phát triển
thêm để chúng được tối ưu về phần năng lượng được truyền trực tiếp từ nguồn tới tải và
giảm điện áp đặt lên van. Cấu hình mạch lực lúc này trở nên phức tạp hơn, điều khiển