mô hình hóa và điều khiển bộ dc dc ứng dụng led driver

<span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS. Lê Minh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Lê Mỹ Hà

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2024.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS. Huỳnh Thái Hoàng - Chủ tịch Hội đồng 2. TS. Nguyễn Trọng Tài - Thư ký Hội đồng 3. TS. Nguyễn Vĩnh Hảo - Cán bộ Phản biện 1 4. PGS.TS Lê Mỹ Hà - Cán bộ Phản biện 2 5. TS. Ngô Thanh Quyền - Ủy viên Hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<small>ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </small>

<small>CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc </small>

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

<small>Họ tên học viên: BÙI ĐỨC AN ... MSHV: 1970638... Ngày, tháng, năm sinh: 09/11/1994 ... Nơi sinh: Long An ... Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa ... Mã số:8520216 ... </small>

I. <small>TÊN ĐỀ TÀI: </small>

MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ DC/DC ỨNG DỤNG LED DRIVER

MODELING AND DESIGNING OF DC-DC LED DRIVER

- Tìm hiểu cơng nghệ các bộ biến đổi công suất ứng dụng trong đèn Led chiếu sáng. - Mơ hình hóa bộ lái Led 1 tầng và 2 tầng biến đổi cơng suất có tích hợp PFC. - Mơ phỏng bộ biến đổi cơng suất và thiết kế bộ điều khiển bằng Matlab Simulink. - Thiết kế phần cứng các bộ lái Led

III. <small>NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023 ... </small>

IV. <small>NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2023 ... </small>

V. <small>CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS. LÊ MINH PHƯƠNG ... </small>

<small>Tp. HCM, ngày tháng năm 20 </small>

<small>TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến GS.TS Lê Minh Phương và Thầy Nguyễn Minh Huy, cảm ơn các thầy đã dìu dắt em đến với điện tử cơng suất từ những ngày đầu và đến khi thực hiện luận văn thạc sĩ này, tuy bộn bề công việc, thầy vẫn dành thời gian tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em. Cảm ơn thầy đã có những định hướng quý giá giúp em thực hiện luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô quản lý Phịng thí nghiệm điện tử công suất Pelab 115B1 đã tạo điều kiện thuận lợi, cho phép em được sử dụng các trang thiết bị của phịng thí nghiệm nhằm hồn thành các thực nghiệm của luận văn tốt nghiệp này.

Xin được khắc ghi những tình cảm thân thiết, hỗ trợ nhiệt tình, ln sẵn lòng giúp đỡ của các anh, em, bạn bè ở Pelab 115B1.

Cuối cùng con xin cảm ơn gia đình đã ln sát cánh bên con từ lúc con chập chững, luôn động viên, tin tưởng con, giúp con vững niềm tin vượt qua những ngưỡng cửa của cuộc đời.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 2 năm 2024 Học viên

Bùi Đức An

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu về việc mơ hình hóa và điều khiển bộ DC-DC ứng dụng trong LED driver. Luận văn nghiên cứu đối với các bộ lái LED một tầng và 2 tầng công suất. Cụ thể là bộ chuyển đổi Flyback và Half-Brigde LLC resonant. Lý thuyết được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thục nghiệm

Luận văn gồm 4 chương : - Chương 1 : Giới thiệu

- Chương 2 : Bộ chuyển đổi Flyback

- Chương 3 : Bộ chuyển đổi Half-Brigde LLC resonant - Chương 4 : Kết luận

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

ABSTRACT

This thesis presents researches on modeling and controlling DC-DC LED drivers. Thesis research on single-stage and 2-stage power LED drivers. Specifically, Flyback converter and Half-Bridge LLC resonant converter. The theory is verified through simulation and experimentation.

The thesis consists of 4 chapters: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Flyback converter

- Chapter 3: Half-Bridge LLC resonant converter - Chapter 4: Conclusion

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng yêu cầu.

Tác giả luận văn

Bùi Đức An

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ... 1

1.1 Tổng quang về đèn LED ... 1

1.2 Bộ lái LED ... 4

1.3 Nhiệm vụ luận văn ... 7

1.3.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài ... 7

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu ... 7

CHƯƠNG 2. BỘ CHUYỂN ĐỔI FLYBACK ... 8

2.1 Nguyên lý hoạt động Flyback ... 8

2.1.1 Chế độ CCM ... 9

2.1.2 Mơ hình khơng gian trạng thái tín hiệu lớn và nhỏ trong CCM ... 12

2.1.3 Các mô hình tín hiệu nhỏ trong miền tần số ... 15

2.2 Thiết kế bộ lái LED một tầng ... 23

2.3 Kết quả thực nghiệm bộ lái LED một tầng ... 25

CHƯƠNG 3. BỘ CHUYỂN ĐỔI LLC ... 33

3.1 Nguyên lý hoạt động bộ chuyển đổi LLC ... 34

3.2 Mơ hình hóa và mô phỏng bộ lái LED hai tầng công suất. ... 37

3.3 Thiết kế bộ lái LED hai tầng công suất ... 42

3.4 Kết quả thực nghiệm bộ lái LED hai tầng ... 48

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ... 52

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ... 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 54

PHỤ LỤC ... 56

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ... 66

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Năng lợng tiêu thụ của một số khu vực. ... 1

Hình 1.2 Hiệu quả chiếu sáng lm/W của các loại đèn [5]. ... 2

Hình 1.3 Cấu trúc bên trong của LED ... 2

Hình 1.4 VI đặc tính của đèn LED ... 3

Hình 1.5 Cấu hình của bộ lái đèn LED. ... 5

Hình 1.6 Hình ảnh mơ-đun PFC chế độ thụ động. ... 6

Hình 2.1 Mơ hình hóa đơn giản của bộ chuyển đổi Flyback. ... 8

Hình 2.2 Dạng sóng dịng điện cảm từ hóa của bộ biến đổi Flyback trong CCM ... 9

Hình 2.3 Mạch tương dương trong khoản0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑑𝑇𝑝𝑤𝑚 ... 10

Hình 2.4 Mạch tương dương trong khoảng 𝑑𝑇𝑝𝑤𝑚 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇𝑝𝑤𝑚 ... 11

Hình 2.5 Mơ hình bộ điều khiển và bộ cơng suất của bộ lái LED một tầng ... 17

Hình 2.6 Kết quả mơ phỏng dịng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 220VAC ... 19

Hình 2.7 Kết quả mô phỏng điện áp và dòng điện trên tải tại điện áp đầu vào 220VAC ... 19

Hình 2.8 Dịng điện từ hóa trên biến áp tại điện áp đầu vào 220VAC ... 20

Hình 2.9 Kết quả mơ phỏng dịng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 150VAC ... 20

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng điện áp và dòng điện trên tải tại điện áp đầu vào 150VAC ... 21

Hình 2.11 Kết quả mơ phỏng dòng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 150VAC ... 21

Hình 2.12 Kết quả mơ phỏng dịng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 150VAC ... 22

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ lái LED một tầng. ... 23

Hình 2.14 Phần cứng của bộ lái LED một tầng. ... 25

Hình 2.15 Thí nghiệm để đo điện áp đầu vào và dịng điện ... 26

Hình 2.16 Thí nghiệm đo hệ số cơng suất và hiệu suất ... 26

Hình 2.17 Dạng sóng của dòng điện đầu vào và điện áp ở 180 V (a) và 220 V (b) với CH1 là dòng điện đầu vào, CH2 là điện áp đầu vào ... 27

Hình 2.18 Dạng sóng điện áp MOSFET với đầu vào 180 V (a) và đầu vào 220 V (b) trong điều kiện đầy tải. CH1 là Vgs và CH2 là Vds ... 29

Hình 2.19 Điện áp đầu ra (CH2) và dòng điện (CH1) của bộ lái Led với đầu vào 220 V và đầy tải. ... 29

Hình 2.20 Hiệu suất với tải định mức (công suất đầu ra 65 W) trong điều kiện điện áp đầu vào khác nhau. ... 30

Hình 2.21 Hiệu suất với điện áp đầu vào định mức (220 V) và điều kiện tải khác nhau. ... 31

Hình 2.22 Nhiễu EMI ở đầu vào 220V với cơng suất đầu ra 65W ... 32

Hình 3.1 Sơ đồ khối LED Driver –Half-Bridge LLC ... 33

Hình 3.2 Sơ đồ khối LED Driver –Half-Bridge LLC ... 34

Hình 3.3 Giản đồ điện áp dịng điện LED Driver –Half-Bridge LLC ... 36

Hình 3.4 Mạch điện trở tương dương của bộ chuyển đổi LLC ... 36

Hình 3.5 Mơ hình hóa cơng suất của bộ lái LED 2 tầng ... 37

Hình 3.6 Bộ điều khiển hệ số cơng suất (PFC) ... 38

Hình 3.7 Bộ điều khiển dòng điện đầu ra của bộ lái LED 2 tầng ... 38

Hình 3.8 Điện áp đầu vào và dịng điện đầu vào của bộ lái LED hai tầng ... 39

Hình 3.9 Kết quả mơ phỏng điện áp và dịng điện trên tải ... 39

Hình 3.10 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào của bộ lái LED hai tầng ... 40

Hình 3.11 Kết quả mơ phỏng điện áp và dòng điện trên tải ... 40

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Hình 3.12 Kết quả mơ phỏng điện áp và dịng điện trên tải ... 41

Hình 3.13 Kết quả mơ phỏng điện áp và dịng điện trên tải ... 41

Hình 3.14 Sơ đồ thiết kế LED Driver –Half-Bridge LLC ... 42

Hình 3.15 Đường cong mạng cộng hưởng sử dụng độlợi lớn nhất (m=6) ... 46

Hình 3.16 Bộ lái LED 250W hai tầng cơng suất ... 48

Hình 3.17 Thí nghiệm đo hệ số cơng suất và hiệu suất ... 48

Hình 3.18 Dạng sóng điện áp đầu vào và dịng điện đầu vào với điều kiện đầu vào 220V và tải đầy. CH2: Điện áp đầu vào, CH4: Dòng điện đầu vào ... 49

Hình 3.19 Dạng sóng của bộ chuyển đổi Half-Brigde LLC resonant trong điều kiện điện áp đầu vào 220V với tải đầy và tải nhẹ. CH2: Dạng sóng đóng cắt trên khóa Q của Half-Brigde, CH4: Dòng điện đi qua bộ cộng hưởng, CH1, CH3: Dạng sóng trên diode chỉnh lưu đầu ra D1, D2. ... 50

Hình 3.20 Hiệu suất với tải định mức (cơng suất đầu ra 250 W) trong điều kiện điện áp đầu vào khác nhau. ... 51

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số thiết kế của bộ lái LED ... 23

Bảng 2.2 Thông số biết áp và danh mục thiết bị trong bộ lái LED ... 25

Bảng 2.3 Kết quả thực nghiệm của bộ lái LED một tầng Flyback Quasi-resonant. . 28

Bảng 2.4 Kết quả thực nghiệm bộ lái LED một tầng tại điều kiện điện áp đầu vào định mức và tải thay đổi. ... 31

Bảng 3.1 Thông số mô phỏng của bộ lái LED hai tầng. ... 37

Bảng 3.2 Thông số thiết kế của bộ Half-Bridge LLC resonant. ... 42

Bảng 3.3 Danh sách các thiết bị cho bộ lái LED 2 tầng. ... 49

Bảng 3.4 Kết quả thực nghiệm bộ lái LED 250W tại điều kiện điện áp đầu vào thay đổi với tải định mức ... 51

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LED Light-Emitting Diode

SMPS Switched-Mode Power Supply AC Alternating Current.

CCM Continuous Conduction Mode. CRM Critical-Conduction-Mode DC Direct Current.

DCM Discontinuous Conduction Mode. EMI Electromagnetic Interference.

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. PFC Predictive Functional Control.

PWM Pulse-Width Modulation. THD Total Harmonic Distortion. ZVS Zero-Voltage Switched

ZCS Zero-Current Switched

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quang về đèn LED

Ngay nay, do sự nóng lên tồn cầu và việc cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch đã trở thành mối quan tâm chính. Theo số liệu thống kê toàn cầu minh họa rằng khoảng 30% tổng mức tiêu thụ năng lượng và khoảng 60% mức tiêu thụ điện được chi cho các tòa nhà như hình 1.1. Hơn nữa, chiếu sáng là một trong những tiêu thụ chính của điện xây dựng và làm thế nào để cải thiện hiệu quả chiếu sáng là một vấn đề cần được giải quyết.

Hình 1.1 Năng lợng tiêu thụ của một số khu vực.

Trong những năm gần đây, ánh sáng LED trở thành nguồn sáng chính vì hiệu quả phát sáng của nó cao như được thể hiện trong Hình 1.2. Ngoài ra so với các nguồn sáng truyền thống với cấu trúc vật lý độc đáo, đặc tính điện và quang học. Đèn LED có nhưng ưu điểm riêng. Ví dụ: 1) tiết kiệm năng lượng, 40% điện năng được chuyển thành ánh sáng; 2) tuổi thọ dài, hơn 100000 giờ; 3) đáp ứng nhanh, thời gian bắt đầu của đèn LED ở mức nano giây; 4) đóng gói trạng thái rắn, thuộc về nguồn sáng lạnh; 5) thân thiện với môi trường, các yếu tố có hại như Pb và Hg khơng được bao gồm; 6) Chỉ số hồn màu thích hợp [1], [2], [3], [4].

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Hình 1.2 Hiệu quả chiếu sáng lm/W của các loại đèn [5].

Cấu trúc bên trong của LED có thể xem như điốt bán dẫn gồm vật liệu bán dẫn đặc biệt với cấu trúc p-n có thể phát ra bức xạ khi phân cực thuận.

Hình 1.3 Cấu trúc bên trong của LED

Khi tiếp giáp p-n bị phân cực thuận, quá trình này tương đương với sự rơi của các electron từ trạng thái năng lượng cao hơn (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp hơn (vùng hóa trị). Như vậy, nếu các electron có xu hướng kết hợp lại với lỗ trống thì chúng phải mất đi một phần năng lượng để rơi vào vùng năng lượng thấp hơn. Các electron có thể mất năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Các electron trong các hợp chất bán dẫn Silicon và Germanium mất năng lượng dưới

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

dạng nhiệt, các hợp chất bán dẫn như Gallium Phosphide (Gap), Gallium Arsenide (GaAs), Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) v.v. phát ra ánh sáng khi các electron-lỗ trống kết hợp lại. Theo đặc tính đường cong của đặc tính V-I của đèn LED như hình Hình 1.4 và trong [6] mối quan hệ giữa dịng điện và điện áp của đèn LED có thể được biểu thị bằng phương trình sau:

𝐼 = 𝐼 (𝑒 <small>/</small> − 1)

Trong đó, 𝐼 là dịng điện của đèn LED, 𝐼 là dòng bão hòa ngược, 𝑒 là viết tắt của điện tích electron, 𝐾 là hằng số Boltzmann và 𝑇 là nhiệt độ tuyệt đối của đường giao nhau. Điện áp của đèn LED tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, cụ thể, khi nhiệt độ tăng điện áp của đèn LED giảm. Nếu đèn LED được cung cấp bởi nguồn điện áp, khi nó hoạt động trong một thời gian dài và nhiệt độ tăng lên, dòng điện LED sẽ tăng nhanh, điều này cũng gây ra sự tăng trưởng của nhiệt độ. Do đó, dịng điện sẽ tăng cho đến khi đèn LED bị đốt cháy nếu nhiệt không thể được giải phóng kịp thời. Tuy nhiên, nếu một nguồn dịng được sử dụng thì sự gia tăng nhiệt độ chỉ gây ra sự sụt giảm điện áp, không gây hại cho đèn LED.

Hình 1.4 VI đặc tính của đèn LED

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

1.2 Bộ lái LED

Do đặc tính của đèn LED các bộ lái LED cần cung cấp dịng điện một chiều khơng đổi cho đèn LED. Các bộ lái LED thường là các bộ điều chỉnh DC-DC có thể được xây dựng dựa trên nguyên tắc mạch tuyến tính hoặc mạch chuyển mạch. So với mạch tuyến tính, mạch (SMPS) thích hợp hơn trong các ứng dụng hiện đại do hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, vượt quá hiệu suất thu được từ phương pháp tuyến tính truyền thống. Ví dụ, một bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn thường cung cấp hiệu suất 30%, thấp hơn nhiều so với hiệu suất, dao động từ 70% đến 95%, của SMPS hiện có [7], [8]. Hơn nữa, việc sử dụng tần số chuyển mạch cao trong SMPS dẫn đến giảm đáng kể cả kích thước và trọng lượng của các thành phần cơ bản, so với các bộ điều chỉnh tuyến tính có cùng định mức công suất. Những tiến bộ gần đây trong điều khiển kỹ thuật số, thiết bị bán dẫn và các thành phần từ tính, làm cho SMPS thậm chí cịn nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Thông thường các bộ lái LED có u cầu hệ số cơng suất bằng 1 tuân thủ quy định EN 61000-3-2 Class C. Do đó cần được tích hợp một bộ PFC cùng với bộ biến đổi DC-DC nguồn dòng. Dựa theo số lượng tầng của bộ lái đèn LED, các bộ chuyển đổi này có thể được phân loại thành: một tầng cơng suất và hai tầng cơng suất. Các đặc điểm chính mà bộ chuyển đổi cho hệ thống chiếu sáng LED cần đảm bảo là độ tin cậy cao, hiệu suất cao và trong một số trường hợp là cách ly điện.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Bộ chuyển đổi một tầng là một bộ chuyển đổi DC-DC có dịng điện đầu ra không đổi, trong khi bộ chuyển đổi hai tầng gồm có một mạch hiệu chỉnh hệ số công suất và một bộ chuyển đổi DC-DC như trong Hình 1.5. (a)(b). Ưu điểm của các bộ chuyển đổi một tầng là dễ thiết kế với khả năng điều khiển chính xác hơn. Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của bộ chuyển đổi một tầng là giá trị cao của tụ điện lưu trữ, điều này cũng làm tăng kích thước của bộ chuyển đổi. Đối với hệ thống hai giai đoạn, cần nhiều thiết bị hơn, có nghĩa là chi phí khá cao và độ tin cậy tương đối thấp [10-12].

Hình 1.5 Cấu hình của bộ lái đèn LED.

Tầng PFC để giảm tác động của các thành phần song hài lên dòng điện đầu vào, một bộ hiệu chỉnh hệ số công suất là không thể thiếu trong hệ thống chiếu sáng. Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) và Energy Star phát hành tiêu chuẩn cho các ứng dụng chiếu sáng với các mức công suất khác nhau như Total Harmonic Distortion (THD), Correlated Color Temperature (CCT), Color Rendering Index (CRI), v.v. Tầng PFC có thể được chia thành hai loại theo chế độ chủ động hoặc thụ động [10], [11]:

 Đối với chế độ PFC thụ động bằng cách thêm cuộn cảm lọc và tụ điện được kết nối với đầu vào, các thành phần thụ động thực hiện hiệu chỉnh hệ số công suất. Phương pháp này không cần thêm mạch điều khiển giúp cải thiện chi phí và độ phức tạp của hệ thống và khơng có vấn đề nhiễu điện từ (EMI). Vì tính đơn giản của nó, chế độ thụ động PFC vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Nhưng chế độ thụ động PFC có một số nhược điểm. Điều kiện làm việc tần số thấp có nghĩa là kích thước cồng kềnh và nặng do thêm cuộn cảm và tụ điện như trong hình 1.6. Khi mạch hoạt động trong các điều kiện khác nhau thì chức năng PFC không phù hợp

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

với hầu hết các điều, dẫn đến PF thấp. Đặc biệt, đối với các ứng dụng chiếu sáng LED khi PF thấp khơng tn thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2.

Hình 1.6 Hình ảnh mơ-đun PFC chế độ thụ động.

 Đối với chế độ hoạt động PFC tích cực, có thể đạt được hệ số cơng suất tốt hơn. Nói chung, mạch PFC tích cực có các cấu hình như Buck, Boost, BuckBoost, Flyback, v.v. có thể hoạt động trong CCM, BCM và DCM.

Tầng DC-DC về cơ bản, bộ chuyển đổi DC-DC được phân loại theo cấu hình cách ly hay khơng cách ly. Đối với các cấu hình cách ly cơ bản, các mạch chính thường là flyback, forward, push-pull, half-bridge và fullbridge [12], [13]. Nhược điểm của cấu trúc liên kết flyback và forward là sử dụng máy biến áp kém do hoạt động đơn hướng của chúng. Đối với bộ chuyển đổi push-pull half-bridge và full-bridge là số lượng khóa và đồng bộ hóa lớn. Ngồi ra, vấn đề kết nối thiết bị đầu cuối điều khiển công tắc tồn tại ở nửa cầu và toàn cầu. Đối với bộ chuyển đổi khơng bị cơ lập, có bảy bộ chuyển đổi cơ bản như, Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, SEPIC và Zeta [14], [15], [16].

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

1.3 Nhiệm vụ luận văn

1.3.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Bộ lái LED 1 tầng và 2 tầng điều khiển công suất. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu: Khảo sát và thiết kế các bộ lái LED 1 tầng và 2 tầng công suất đáp ứng các yêu cầu sau:

- Dải điện áp đầu vào rộng từ 150-260 VAC - Nguồn dòng

- Hệ số công suất bằng 1 tuân thủ theo tiêu chuẩn IEC61000-3-2. - Đạt hiệu suất trên 90%

- Cách ly giữa sơ cấp và thức cấp. 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được hồn thiện thơng qua 3 bước nghiên cứu từ lý thuyết để thực nghiệm. Các bước nghiên cứu có thể được tóm tắt như sau:

1.3.2.1 Tìm hiểu và đánh giá

Tìm hiểu các bộ lái LED và các bộ chuyển đổi DC-DC nhằm chỉ ra ưu điểm và nhược điểm giữa các bộ lái đèn LED một tầng và hai tầng cơng suất. Từ đó có cái nhìn tổng qt về các cơng nghệ hiện tại và định hướng nghiên cứu.

1.3.2.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng trên Matlab

- Phân tích trạng thái hoạt động của các khóa điện tử (MOSFET, Diode….), đưa ra mơ hình tín hiệu nhỏ

- Mơ phỏng mơ hình tín hiệu nhỏ này trên Matlab - Mơ phỏng mơ hình biến đổi cơng suất trên Matlab 1.3.2.3 Thiết kế các bộ led lái LED

- Thiết bộ lái LED một tầng công suất dựa trên cấu hình PFC và Flyback tích hợp đáp ứng cái yêu cầu của luận văn.

- Thiết bộ lái LED hai tầng công suất: gồm một tầng PFC và một tầng Bridge LLC resonant đáp ứng các yêu cầu của luận văn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Half-CHƯƠNG 2. BỘ CHUYỂN ĐỔI FLYBACK

2.1 Nguyên lý hoạt động Flyback

Bộ chuyển đổi Flyback có thể được giải thích đầy đủ thơng qua mơ hình đơn giản của nó, như được trình bày trong hình 2.1. D và Q là các thiết bị chuyển mạch lý tưởng trong khi máy biến áp flyback được mơ hình hóa bởi một điện cảm từ hóa𝐿 song song với một máy biến áp lý tưởng, có tỷ lệ biến đổi 𝑛 được xác định bởi

trong đó 𝑁 và 𝑁 lần lượt là một số vòng của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Cần lưu ý rằng cuộn cảm 𝐿 được sử dụng trong mạch tương đương máy biến áp để bắt chước đặc tính đặc biệt của thiết bị vật lý, có khả năng lưu trữ năng lượng. Tải ở đầu ra của bộ chuyển đổi flyback có thể là điện trở khơng đổi hoặc nguồn dịng không đổi hoặc không xác định. Ở đây tải tổng qt được sử dụng để mơ hình hóa, bao gồm một điện trở song song với nguồn dòng, như minh họa trong hình 2.1.

Hình 2.1 Mơ hình hóa đơn giản của bộ chuyển đổi Flyback.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Tùy thuộc vào phương áp thiết kế và cấp công suất, hoạt động của bộ chuyển đổi flyback DC-to-DC có thể được chia thành: (1) chế độ dẫn liên tục (CCM), trong đó chỉ một phần năng lượng được lưu trữ trong máy biến áp flyback, khi Q được bật, được đưa đến đầu ra trong thời gian tắt công tắc Q và (2) chế độ dẫn không liên tục (DCM), trong đó tất cả năng lượng tích lũy trong máy biến áp, trong thời gian mở của công tắt Q, được chuyển sang tải vào cuối chu kỳ chuyển mạch. Luận văn tập trung thiết kế bộ flyback ở chế độ CCM. Chế độ DCM sẽ được mô hình hóa và trình bày trong phần phụ lục.

2.1.1 Chế độ CCM

Vì năng lượng được lưu trữ trong máy biến áp có thể được xác định từ dịng điện cuộn cảm từ hóa 𝑖 , điều kiện để bộ chuyển đổi ở trong chế độ CCM tương đương với 𝑖 (𝑡) không bao giờ giảm xuống 0 trong chu kỳ chuyển mạch như minh họa trong hình 2.2. Mặc dù dạng sóng của 𝑖 (𝑡) phụ thuộc vào duty và sự đóng cắt của các khóa điều khiển bên ngồi, thơng thường ở chế độ tải nặng hoặc tần số đóng cắt cao, dịng điện 𝑖 (𝑡) sẽ khơng giảm về 0 và khi đó bộ biến đổi công suất hoạt động ở chế độ CCM.

Hình 2.2 Dạng sóng dịng điện cảm từ hóa của bộ biến đổi Flyback trong CCM

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Mơ hình hóa có thể được xây dựng bằng cách tuyến tính hóa từng phần dựa trên trạng thái đóng cắt của từng phần tử điện tử công suất. Các phương trình vi phân mơ hình hóa mạch điện được đưa ra tương ứng với từng trạng thái ON hoặc OFF của Q hoặc D, sau đó được tổng hợp lại theo ngun tắc trung bình. Chúng ta hãy giả sử rằng tín hiệu PWM có chu kì là 𝑇 và duty là 𝑑 , như được vẽ trong hình 2.2. Hoạt động của bộ chuyển đổi flyback CCM trong một chu kỳ chuyển mạch có thể được phân tích như sau:

 Đối với 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑑𝑇 : Công tắc Q đang bật và diode D tắt như hình 2.3

Hình 2.3 Mạch tương dương trong khoản0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑑𝑇

Phương trình trạng thái của điện áp cuộn dây, dòng điện tụ điện, điện áp ngõ vào theo Kirchhoff có thể viết như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

là ma trận không gian trạng thái, trong khi

𝑥(𝑡) = ^{𝑖 (𝑡)}

𝑣 (𝑡) , 𝑢(𝑡) = _𝑖^{𝑣 (𝑡)}_(𝑡) , 𝑦(𝑡) = [𝑣 (𝑡)] (2.4) Tương ứng là vectơ trạng thái, vectơ đầu vào và vectơ đầu ra tương ứng.

 Đối với khoảng 𝑑𝑇 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇 : Công tắc Q tắt trong khi diode D đang bật như Hình 2.4.

Hình 2.4 Mạch tương dương trong khoảng 𝑑𝑇 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇Các phương trình khơng gian trạng thái mô tả hệ thống trong chế độ này là:

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

2.1.2 Mơ hình khơng gian trạng thái tín hiệu lớn và nhỏ trong CCM 2.1.2.1 Mơ hình tín hiệu lớn trung bình

Nếu tần số PWM được chọn cao hơn đáng kể so với tần số tự nhiên của bộ chuyển đổi flyback và tín hiệu kích thích, các giá trị trung bình của các biến trạng thái sẽ không sai lệch nhiều so với các giá trị tức thời của chúng. Trong trường hợp như vậy, mơ hình của bộ biến đổi được thể hiện bằng các phương trình trung bình (2.2) và (2.5) trong mỗi chu kì hoạt động:

2.1.2.2 Mơ hình tín hiệu lớn

Nếu chu kì nhiệm vụ 𝑑(𝑡) = 𝐷 cố định theo thời gian và thông số đầu vào không đổi, tức là 𝑢(𝑡) = 𝑈 = [𝑉 𝐼 ] , bộ chuyển đổi flyback sẽ đạt đến trạng thái ổn định sau khi tất cả các quá độ đã giảm xuống nghĩa là 𝑥(𝑡) = 𝑋 =[𝐼 𝑉 ] và 𝑦(𝑡) = 𝑌 = [𝑉 ]. Phương trình khơng gian trạng thái mô tả bộ chuyển đổi ở trạng thái cân bằng có thể được suy ra bằng cách đơn giản hóa (2.9) thành:

0 = (𝐷𝐴 + (1 − 𝐷)𝐴 )𝑋 + (𝐷𝐵 + (1 − 𝐷)𝐵 )𝑈

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Thay thế các biểu thức cho A1, A2, B1, B2, C1, C2, E1 và E2 trong (2.3) và (2.6) thành (2.11), các giá trị trung bình của dịng điện cuộn cảm từ hóa, tụ điện và điện áp đầu ra như:

1 − 𝐷𝑉

𝑅 ^{+ 𝐼} 𝑉 = 𝑉

2.1.2.3 Mơ hình tín hiệu nhỏ

Để xây dựng một mơ hình tín hiệu nhỏ của hệ thống, phương trình (2.9) được viết lại bằng cách tác động một tín hiệu dao động nhỏ xung quanh giá trị trung bình của chúng, đồng thời loại bỏ các thành phần bậc cao xuất hiện trong quá trình biến đổi. Gọi các biến tín hiệu nhỏ là 𝑑(𝑡) và 𝑢(𝑡) = [𝑣 (𝑡) 𝚤̃ (𝑡)] và thay thế các biến tương ứng vào các giá trị trung bình đã cho 𝐷 và 𝑈 = [𝑉 𝐼 ]. Điều này sẽ dẫn đến

𝑑(𝑡) = 𝐷 + 𝑑(𝑡)

Phương trình (2.13) mơ tả các biến đầu vào tín hiệu nhỏ của hệ thống, biến trạng thái và vectơ đầu ra, 𝑥(𝑡) và 𝑦(𝑡) bao gồm các giá trị trung bình ổn định 𝑋 =[𝐼 𝑉 ] và 𝑌 = [𝑉 ] và đầu ra tín hiệu nhỏ 𝑥(𝑡) = [𝚤̃ (𝑡) 𝑣 (𝑡)] và 𝑦(𝑡) =[𝑣 (𝑡)]. Các giá trị trung bình được tính tốn lại theo phương trình (2.14).

𝑥(𝑡) = 𝑋 + 𝑥(𝑡)

Thay thế các biến nhiễu loạn trong (2.13) và (2.14) vào mơ hình tín hiệu lớn trung bình phi tuyến tính trong (2.9)

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

𝑋 + 𝑥(𝑡) = (𝐴 − 𝐴 ) 𝐷 + 𝑑(𝑡) 𝑋 + 𝑥(𝑡) + (𝐵 − 𝐵 ) 𝐷 + 𝑑(𝑡) 𝑈 +𝑢(𝑡) + 𝐴 𝑋 + 𝑥(𝑡) + 𝐵 𝑈 + 𝑢(𝑡)

(2.18)

𝐶 = [0 1], 𝐸 = [0 0], 𝐾 = [0]

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

2.1.3 Các mơ hình tín hiệu nhỏ trong miền tần số

Mơ hình tín hiệu nhỏ của bộ chuyển đổi flyback CCM, được phát triển trong Phần 2.1.2.3, được thể hiện ở định dạng không gian trạng thái (hoặc miền thời gian), nó khơng được sử dụng phổ biến trong thiết kế điều khiển và đánh giá độ ổn định của bộ chuyển đổi điện. Lý do là biểu diễn ở dạng không gian trạng thái không trực tiếp cho thấy biến đầu ra, bị ảnh hưởng như thế nào bởi nhiễu loạn trong các biến đầu vào, tức là điện áp đầu vào và dòng tải, và tín hiệu điều khiển, tức là tỷ lệ nhiệm vụ. Do đó, mơ hình tín hiệu nhỏ của bộ chuyển đổi flyback trong miền tần số được phát triển trong phần này. Phương trình khơng gian trạng thái trong Eq. (2.17) có thể được chuyển đổi thành miền tần số bằng phép biến đổi Laplace như sau: 𝑠𝑥(𝑠) = 𝐴 𝑥(𝑠) + 𝐵 𝑢(𝑠) + 𝐹 𝑑(𝑠)

𝑥(𝑠) = ^{𝚤̃ (𝑠)}

𝑣 (𝑠) , 𝑢(𝑠) = _𝚤̃^{𝑣 (𝑠)}_(𝑠) , 𝑦(𝑠) = [𝑣 (𝑠)] (2.20) Lưu ý rằng đạo hàm của Eq. (2.19) được thực hiện với các điều kiện ban đầu bằng không. Giải Eq. (2.19) cho 𝑥(𝑠) và 𝑦(𝑠) dẫn đến

<small>( ) ̃( ), ( )</small>

= ⁽ ₍ ₎⁾

𝐺 (𝑠) = ^{̃ ( )}<small>̃( )</small>

<small>( ), ( )</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

𝐺 (𝑠) = ^{̃ ( )}

<small>( )</small> _{( ), ̃} _{( )} = ⁽ ⁾

<small>()</small>

𝐺 (𝑠) = ^{( )}

<small>( )</small> _̃ _{( ), ( )} =

𝑍 (𝑠) = ^{( )}

<small>( )</small> _̃ _{( ), ( )} =

<small>()()</small>

2.1.3.1 Mơ hình mơ phỏng bộ LED driver flyback với PFC tích hợp

Trong ứng dụng LED driver, bộ flyback được tích hợp với khả năng điều khiển PFC và điều khiển dịng trung bình đầu ra trên tải. Để làm được điều này, bộ flyback sẽ được điều khiển bởi 2 vòng điều khiển lồng vào nhau. Vịng ngồi điều khiển dịng trung bình trên tải và vịng trong điều khiển dòng điện đầu vào theo dạng sóng sin đầu vào. Để đơn giản, mơ hình tải sử dụng là thuần trở. Mơ hình bộ điều khiển và bộ cơng suất được mơ tả ở hình 2.5.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Hình 2.5 Mơ hình bộ điều khiển và bộ cơng suất của bộ lái LED một tầng Thông số mô phỏng của mơ hình được thể hiện trong bảng bên dưới. Thông số được chọn sao cho bộ flyback hầu như sẽ làm việc ở chế độ dòng liên tục khi duty thay đổi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

thứ cấp ở trạng thái DC và do đó, hàm truyền cần khảo sát là quan hệ giữa duty và dịng từ hóa. Hàm truyền 𝐺 (𝑠) được sử dụng cho khảo sát.

𝐺 (𝑠) = ^{̃ ( )}

<small>( )</small> _{( ), ̃} _{( )} = ⁽ ⁾

<small>()</small>

Trong đó: <small>𝑉=𝑉 , tải thuần trở nên </small>𝐼 = 0

Khảo sát hàm truyền với duty thay đổi từ 0.1 đến 0.9, ghi nhận độ dự trữ biên và độ dự trữ pha của hệ thống vòng hở ta được biểu đồ bên dưới

Có thể thấy hệ thống có hàm truyền vịng hở ổn định. Các bộ điều khiển sẽ giúp thay đổi đáp ứng hệ thống để đảm bảo chất lượng đầu ra. Thông số bộ điều khiển được lựa chọn như sau

Vòng trong: Kp = 0.25, Ki = 1000 Vịng ngồi: Kp = 0.2, Ki = 3

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Dòng trung bình trên tải được điều khiển là 0.5A từ thời điểm 0 đến 0.5s. Sau 0.5s dòng đặt tăng lên 1A để thử tính ổn định của hệ thống. Các kết quả mơ phỏng được thể hiện như hình sau:

Trường hợp 1: Điện áp đầu vào 220 VAC tại cơng suất định mức

Hình 2.6 Kết quả mơ phỏng dòng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 220VAC

Hình 2.7 Kết quả mơ phỏng điện áp và dòng điện trên tải tại điện áp đầu vào 220VAC

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

Hình 2.8 Dịng điện từ hóa trên biến áp tại điện áp đầu vào 220VAC Trường hợp 2: Điện áp đầu vào 150 VAC tại cơng suất định mức

Hình 2.9 Kết quả mơ phỏng dịng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 150VAC

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Hình 2.10 Kết quả mơ phỏng điện áp và dịng điện trên tải tại điện áp đầu vào 150VAC

Trường hợp 3: Điện áp đầu vào 250 VAC tại công suất định mức

Hình 2.11 Kết quả mơ phỏng dịng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 150VAC

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Hình 2.12 Kết quả mơ phỏng dòng và điện áp đầu vào tại điện áp đầu vào 150VAC Các kết quả mô phỏng cho thấy khi thay đổi điện áp đầu vào từ 150-250 VAC dòng ra tải được giữ ổn định và bám theo giá trị. Dòng điện đầu vào được điều khiển bám theo dạng sóng của điện áp để có hệ số cơng suất là 1. Dịng từ hóa trên biến áp liên tục.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

2.2 Thiết kế bộ lái LED một tầng

Bộ chuyển đổi DC-DC Quasi-Resonant Flyback được sử dụng trong cái ứng dụng bộ lái LED công suất thấp bởi vì lợi ích chuyển mạch của nó. Bộ chuyển đổi flyback có thể đóng vai trị như PFC và bộ điều khiển dịng khơng đổi, giúp tránh được bộ lái LED 2 tầng với bộ PFC và bộ DC-DC. Để tiết kiệm chí phí và cải thiện hiệu suất, trình điều khiển quasi-resonant với hồi tiếp cuộn sơ cấp và kỹ thuật bỏ qua valley được sử dụng trong thiết kế này. Bộ điều khiển tích hợp NCL30186 được sử dụng, sơ đồ khối của trình điều khiển trên hình 2.13 và các thơng số thiết kế ban đầu được thể hiện trong bảng 2.1. Quy trình thiết kế tóm tắt được trình bày như sau:

Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ lái LED một tầng. Bảng 2.1 Thông số thiết kế của bộ lái LED

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Bước 1: Xác định số vòng quay cuộn dây phụ bằng [19]:

 𝑉 là điện áp chuyển tiếp diode đầu ra.

Bước 2: Xác định số vòng quay cuộn dây thứ cấp bằng [19]: (1 + 𝑘 ) ≤ ^%⋅ ^DSS ^{√ ⋅(} ^, ⁾

 (𝑉 _, ) là điện áp đầu vào đường dây cao.

 𝑘 là yếu tố điều chỉnh. Nó được chọn cho MOSFET quá điện áp 𝑉 từ 50% đến 100% điện áp phản xạ: 𝑉 = 𝑘 ⋅ với 0.5 ≤ 𝑘 ≤ 1.0 (2.37) Bước 3: Xác định độ tự cảm chính bằng [19]:

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

Trong đó 𝐿 là độ tự cảm chính và được tính khi tần số chuyển mạch dưới 65kHz ở điện áp danh định dải đường dây thấp (điển hình 𝑉 _, = 115 V).

2.3 Kết quả thực nghiệm bộ lái LED một tầng

Để xác minh tính tốn. Bộ lái LED một tầng flyback với công suất 70W được thiết kế và thử nghiệm trong phịng thí nghiệm. Một bản tóm tắt các thành phần được thể hiện trong Bảng 2.2 và phần cứng được trình bày trong hình 2.14.

Bảng 2.2 Thông số biết áp và danh mục thiết bị trong bộ lái LED Thông số thiết kế máy biến áp

Lõi máy biến áp T1 PQ2625 Tỷ lệ vòng quay (𝑛 : 𝑛 : 𝑛 ) 40:14:7

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

Dạng sóng điện áp và dòng điện được đo bằng cách sử dụng probe đo áp và đo dòng cùng với dao động ký TDS2024B như trong hình 2.15. Hiệu suất và hệ số được đo như hình 2.16. Điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra được đọc bởi hai đồng hồ đo Fluke 119 trong khi các thông số đầu vào được đo bằng cách sử dụng Đồng hồ đo điện kỹ thuật số NAPUI PM9811. Cuối cùng, nhiễu EMI được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Điện Quang.

Hình 2.15 Thí nghiệm để đo điện áp đầu vào và dịng điện

Hình 2.16 Thí nghiệm đo hệ số công suất và hiệu suất

</div>