nghiên cứu bộ biến đổi fron-end trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN
THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FROND – END
TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP NGUỒN PHÂN TÁN

Học viên : Nguyễn Văn Việt
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Trọng Minh

THÁI NGUYÊN 2011






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 7
Chƣơng 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS 9
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System) 9
1.2. Cấu trúc nguồn DPS 9
1.2.1. Bộ PFC(Power Factor Correction) 11
1.2.2. Bộ DC/DC 12
1.2.2.1. Nguyên lý cộng hƣởng 12

1.2.2.2. Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS 13
1.2.2.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hƣởng tải 16
1.2.3. Tải tiêu thụ 17
1.3. Ƣu nhƣợc điểm của nguồn DPS 18
1.3.1. Ƣu điểm 18
1.3.2. Nhƣợc điểm 18
1.4. Ứng dụng và phƣơng hƣớng phát triển nguồn DPS 18
1.5. Kết luận 20
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƢỞNG 21
2.1. Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hƣởng phổ biến 21
2.1.1. Bộ cộng hƣởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter) 21
2.1.2. Bộ cộng hƣởng song song PRC (Parallel Resonant converter) 22
2.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter) 24
2.2. Bộ cộng hƣởng LLC 26
2.2.1. Giới thiệu chung 26
2.2.2. Sơ đồ bộ LLC 26
2.2.3. Các vùng làm việc 28
2.2.4. Nguyên lý hoạt động 31
2.3. Ƣu điểm của bộ biến đổi cộng hƣởng LLC 35
2.4. Nâng cao hiệu suất của bộ nguồn sử dụng chỉnh lƣu đồng bộ ở đầu ra 36
2.4.1. Giới thiệu về chỉnh lƣu đồng bộ 36


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
2.4.2. Điều khiển chỉnh lƣu đồng bộ 38
2.5. Kết luận 45
Chƣơng 3. PHÂN TÍCH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 46
3.1. Phƣơng pháp điều khiển tần số 46

3.2. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 48
3.3. Điều khiển cả tần số và độ rộng xung 49
3.4. Kết luận 50
Chƣơng 4. THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƢỞNG LLC 51
4.1. Tính toán các thông số đầu vào - đầu ra 51
4.2. Xác định hệ số điện áp lớn nhất và nhỏ nhất 52
4.3. Tính toán các thông số mạch cộng hƣởng 53
4.4. Tính toán chọn máy biến áp 54
4.4.1. Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng của MBA 54
4.4.2. Tỷ số biến áp 57
4.4.3. Số vòng dây 57
4.4.4. Chọn lõi biến áp 58
4.5. Tính toán cho mạch chỉnh lƣu 58
4.6. Tính toán chọn tụ cộng hƣởng 59
4.7. Kết luận 59
Chƣơng 5. THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI 60
5.1. Cấu trúc mạch phản hồi 60
5.2. Phƣơng pháp điều khiển phản hồi 60
5.3. Chế độ hoạt động và vùng hoạt động 61
5.3.1. Chế độ hoạt động 61
5.3.2. Vùng hoạt động 61
5.4. Phân tích tín hiệu nhỏ định hƣớng cho thiết kế (small-signal analysis) 62
5.4.1. Khảo sát đặc tính tần số của mô hình tín hiệu nhỏ của mạch LLC 62
5.4.2. Nhận xét đặc tính tín hiệu ở vùng 1 và vùng 2 66
5.4.3. Đặc tính động trạng thái nguồn (di chuyển từ điểm B → A) 69


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3

5.4.4. Hàm truyền tần số đầu ra (frequency – to - out) 70
5.5. Giới thiệu qua IC FSRS 2100 74
5.5.1. Các khối cơ bản 76
5.5.2. Khối dao động bên trong (internal oscillator) 76
5.5.3. Khâu cài đặt tần số 77
5.5.4. Mạch bảo vệ 79
5.6. Kết luận 80
Chƣơng 6. MÔ PHỎNG 81
6.1. Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải và điện áp vào khối VCO 82
6.2. Đáp ứng dòng điện, điện áp qua van và trên khối cộng hƣởng 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG
Hình 1.1. Cấu trúc bộ Front-End
10
Hình 1.2. Cấu trúc bộ Front-End
10
Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC
11
Hình 1.4. Hiện tượng cộng hưởng
12
Hình 1.5. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS
14
Hình 1.6. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS

15
Hình 1.7. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng
16
Hình 1.8. Cấu trúc bus trung gian
17
Hình 1.9. Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi Adapter)
19
Hình 1.10. Phương hướng phát triển nguồn DPS (AC/DC)
19
Hình 2.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp
21
Hình 2.2. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC
22
Hình 2.3. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song
23
Hình 2.4. Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC
24
Hình 2.5. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC
25
Hình 2.6. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC
25
Hình 2.7. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC
27
Hình 2.8. Khối cộng hưởng LCC và LLC
27
Hình 2.9. Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp
28
Hình 2.10. Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp
28
Hình 2.11. Các vùng làm việc của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

29
Hình 2.12. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 1
30
Hình 2.13. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 2
31
Hình 2.14. Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 3
31
Hình 2.15. Các vùng thời gian trong nguyên lý hoạt động
32
Hình 2.16. Chế độ 1
32
Hình 2.17. Chế độ 2
33


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
Hình 2.18. Chế độ 3
34
Hình 2.19. Chế độ 4
34
Hình 2.20. Chế độ 5
35
Hình 2.21.Chế độ 6
35
Hình 2.22. Sơ đồ bộ biến đổi dùng diode Shottky
36
Hình 2.23. Đặc tính V-A của chỉnh lưu đồng bộ và chỉnh lưu diode
37

Hình 2.24. Sơ đồ bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu đồng bộ
37
Hình 2.25. Vùng chuyển đổi đóng cắt của thiết bị bán dẫn công suất
39
Hình 2.26. Trễ lan truyền trong thời gian đóng cắt
39
Hình 2.27. Mạch logic để đóng cắt MOSFET tại thời điểm ZCS
40
Hình 2.28. Thời gian đóng cắt của MOSFETs
41
Hình 2.29. Mạch điều khiển cho chỉnh lưu đồng bộ
42
Hình 2.30. Mối quan hệ điện áp và tần số chuyển mạch khi thay đổi tổng
trở cực gate
43
Hình 2.31. Mối quan hệ điện áp và tần số chuyển mạch khi thay đổi tổng
trở cực điều khiển
44
Hình 3.1. Tần số chuyển mạch và tải
46
Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển tần số
47
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển độ rộng xung
49
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển
50
Hình 4.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC
51
Hình 4.2. Hệ số khuếch đại lớn nhất, nhỏ nhất
52

Hình 4.3. Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7
54
Hình 4.4. Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA
55
Hình 4.5. Sơ đồ mạch điện quy đổi của MBA
56
Hình 4.6. Dải hoạt động của tần số chuyển mạch
57
Hình 4.7. Chọn lõi MBA
58
Hình 5.1. Cấu trúc mạch phản hồi bộ biến đổi LLC sử dụng bộ ghép quang
60
Hình 5.2. Chế độ hoạt động bộ
61


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
Hình 5.3. Vùng làm việc bộ biến đổi
62
Hình 5.4. Mạch thiết lập cho mô phỏng bước đầu
63
Hình 5.5. Mạch thiết lập cho mô phỏng bước hai
63
Hình 5.6. Sơ đồ bộ biến đổi ứng với tín hiệu nhỏ
64
Hình 5.7. Dạng đáp ứng đầu ra bộ biến đổi khi thay đổi tần số
64
Hình 5.8. Đáp ứng đầu ra bộ biến đổi ở vùng 1

65
Hình 5.9. Đáp ứng đầu ra bộ biến đổi ở vùng 2
66
Hình 5.10. Hệ thống điểm cực và điểm không của bộ biến đổi LLC ở các
vùng 1 với tần số khác nhau
67
Hình 5.11. Thiết kế mạch bù tại điểm B (vùng 1)
68
Hình 5.12. Hệ thống điểm cực và điểm không
68
Hình 5.13. Khuếch đại mạch vòng tại điểm A (vùng 2)
69
Hình 5.14. Sơ đồ điểm cực di chuyển từ B đến A
70
Hình 5.15. Sơ đồ khối của khối nguồn chế độ chuyển mạch
70
Hình 5.16. Sơ đồ mạch điện bù ba điểm cực hai điểm không
72
Hình 5.17. Sơ đồ ghép nối chíp trong bộ biến đổi cộng hưởng LLC
75
Hình 5.18. Tín hiệu điều khiển các van Mosfet
76
Hình 5.19. Khâu dao động điều khiển dòng (CCO)
77
Hình 5.20. Mạch điều khiển tần số
77
Hình 5.21. Đường cong hệ số khuếch đại bộ cộng hưởng
79
Hình 5.22. Khối bảo vệ
79

Hình 6.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong Matlab
81
Hình 6.2. Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải
82
Hình 6.3. Đáp ứng điện áp vào khối VCO khi tải hay điện áp vào thay
đổi
82
Hình 6.4. Đáp ứng dòng điện, điện áp qua van và trên khối cộng hưởng
84
Bảng 4.1. Bảng chọn thông số
rp
LL ,

54
Bảng 5.1. Thông số IC
75
Bảng 5.2. Chức năng các chân trong IC
75


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, bộ nguồn điện nói chung là một khái niệm rất quen thuộc trong đời
sống hàng ngày. Trong công nghiệp cũng nhƣ trong sinh hoạt thƣờng nhật, bộ
nguồn điện không chỉ có chức năng cung câp nguồn điện mà nó còn giúp biến đổi,
chuyển hóa các mức điện áp và dòng điện phụ thuộc vào từng yêu cầu của tải.Sự đa
dạng về tải tiêu thụ đặt ra các yêu cầu cao hơn về nguồn cung cấp nhƣ hiệu suât,
mật độ điện năng cao, cung cấp nhiều tải cùng lúc, tổn thất trong mạch nhỏ, độ bền

vật liệu, kích thƣớc nhỏ gọn, dải điện áp và dòng điện ra đa dạng…Với những yêu
cầu ngày càng cao đó, hệ thống nguồn phân tán DPS ra đời nhƣ là một nhu cầu cấp
bách, mà nó có thể đáp ứng đƣợc hầu hết các yêu cầu đặt ra.
Hệ thống nguồn phân tán DPS là một khái niệm tƣơng đối rộng, nó bao gồm
nhiều khâu, nhiều bộ biến đổi kết hợp với nhau trong một bo mạch khép kín để tạo ra
dạng dòng và áp duy nhất cung cấp cho tải nhƣ các bộ PFC (Power Factor Correction),
bộ biến đổi DC/DC, cấu trúc bus trung gian (Intermediate Bus Architecture)…Trong
khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, tôi xin trình bày chủ yếu về bộ biến đổi cộng hƣởng
LLC là một trong những phƣơng pháp tối ƣu khi chọn bộ DC/DC. Qua đó thiết kế thử
nghiệm và mô phỏng để so sánh giữa tính toán và thực nghiệm.
Đƣợc sự hƣớng dẫn của Thầy giáo TS. Trần Trọng Minh - Trƣờng ĐH Bách
Khoa Hà Nội, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu
bộ biến đổi Front – End trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán’’.
Luận văn của tôi gồm có 6 chƣơng sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống nguồn phân tán DPS
Chương 2: Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng
Chương 3: Phân tích phương pháp điều khiển
Chương 4: Thiết kế thử nghiệm bộ biến đổi cộng hưởng LLC
Chương 5: Thiết kế mạch phản hồi
Chương 6: Mô phỏng
Kết luận và kiến nghị


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
Đề tài đã đƣợc hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo,
giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin
gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo - TS Trần Trọng Minh, ngƣời đã luôn
quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực

hiện luận văn.
Các vấn đề đƣợc đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh
khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và
các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Tác giả



Nguyễn Văn Việt


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Chƣơng 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)
Trong khi kỹ thuật vi xử lý ngày càng phát triển không ngừng, các mức điện
áp đƣợc giảm xuống và yêu cầu về dòng điện và nguồn tăng lên. Nhƣ điều tất yếu,
công suất lớn hơn, các hệ thống số gọn nhẹ đang trở nên sẵn có. Với những thay đổi
tuyệt vời trong mạch hệ thống số cũng đặt ra những thách thức trong việc quản lý
nguồn phát. Thử thách này đến từ vài khía cạnh thay đổi của hệ thống số. Đầu tiên
là nhiều phần tử bán dẫn đƣợc tích hợp trong mạch chip, nguồn yêu cầu cho hoạt
động chíp tăng lên rất nhanh. Thứ hai, với các chất bán dẫn hoạt động ở tần số cao,
điện áp cung cấp có thể giảm trong thời gian rất nhanh và yêu cầu điều chỉnh khó
khăn. Thứ ba, khi công nghệ mạch tích hợp quy mô lớn phát triển nhanh, yêu cầu về
hệ thống nguồn cung cấp cũng phát triển tƣơng ứng.
Hệ thống nguồn phân tán đang ngày càng thay thế hệ thống nguồn tập trung

khi mà các sản phẩm ngày càng tăng về kích cỡ và công suất, trong khi mức điện áp
ngày càng tăng. Những yêu cầu về nguồn cho các hệ thống quân sự và thƣơng mại,
ví dụ nhƣ các máy tính lớn và hệ thống điện tàu thủy, tàu vũ trụ, viễn thông… ngày
càng tăng và trở nên phức tạp bởi vì các hệ thống phải chạy đua với việc tinh toán
và lƣu trữ dữ liệu và khả năng phục hồi ở tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn. Các
hệ thống nguồn tập trung với chi phí thấp và đơn giản, nhƣng ít có khả năng cải
thiện hiệu suất và chất lƣợng nguồn. Mà trong hiện tại và tƣơng lai, phần lớn các
nguồn sử dụng cho việc xử lý dữ liệu với tốc độ và công suất tăng khi điện áp có thể
giảm xuống dƣới 3V, thậm trí là 2V dẫn đến yêu cầu về nguồn xử lý mới cũng phải
phức tạp hơn. Vì vậy nguồn phân tán ra đời nhƣ là một yêu cầu tất yếu của sự phát
triển, với những tính năng vƣợt trội nguồn phân tán đang ngày càng đƣợc ứng dụng
rông rãi trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống hàng ngày.
1.2. Cấu trúc nguồn DPS



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
Thành phần chính của nguồn phân tán là bộ biến đổi front-end. Cấu trúc hệ
thống nguồn DPS đƣợc trình bày trong hình 1.1, nó đƣợc ứng dụng rộng dãi để
phục vụ cho các hệ thống nguồn viễn thông (đại diện cho hệ thống số tiên tiến
nhất). Trong hệ thống DPS, nguồn cấp qua hai khâu điện áp. Đầu tiên, nguồn đầu
vào xoay chiều AC đƣợc lọc qua bộ biến đổi sang khâu điện áp 480V một chiều
trung gian. Điện áp một chiều thu đƣợc qua bộ biến đổi theo cơ chế DC/AC/DC
sang nguồn một chiều 48V(hoặc 24V). Từ nguồn một chiều 48V đƣợc phân phối
xuống tải, có thế qua khâu bus trung gian xuống 12V tùy theo yêu cầu phụ tải.

Thành phần quan trọng nhất của hệ thống nguồn phân tán là bộ front-end
converter, đóng vai trò chính trong khái niệm về hệ thống nguồn phân tán. Sau đây
là cấu trúc bộ front-end converter. Bộ font-end converter gồm hai bộ PFC và bộ
DC/DC hợp thành:





AC LINE
INPUT

OUTPUT TO
LOAD


PFC Front –
End
Rectifice
Hình 1.1. Cấu
trúc nguồn

phân tán


Downstream
DC/DC
Converter

Hình 1.2. Cấu trúc bộ Front-End
converter

DC
BUS

I
IN



PFC Front – End
Rectifice
Hình 1.1. Cấu trúc nguồn phân tán

Hình 1.1. Cấu trúc bộ Front-End
converter



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

Bộ PFC biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 400V, từ điện
áp một chiều qua bộ DC/DC biến đổi xuống cấp điện áp nhỏ hơn cung cấp cho mạch.
1.2.1. Bộ PFC(Power Factor Correction)
PFC là bộ nắn dòng tích cực để chuyển tín hiệu xoay chiều (AC) từ đầu vào
thành tín hiệu một chiều ở đầu ra. Nó cung cấp một công suất phản kháng tƣơng
ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng đƣợc tạo ra của thiết bị, nhằm triệt
tiêu công suất phản kháng và tăng hệ số công suất PF.
tacdung
toanphan
P
P
PF
PS

(1-1)
Bộ PFC là bộ hiệu chỉnh hệ số công suất đầu vào. Đầu vào bộ PFC phải qua
bộ lọc nhiễu EMI. Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực
tiếp điện áp lƣới. Việc điều chỉnh có thể đạt đƣợc bằng việc thêm vào hay bớt ra các
cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị. Nhƣ động cơ mang tính cảm kháng có thể điều
chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt
tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF. Thiết bị
điều chỉnh hệ số công suất không những đƣợc áp dụng trong ngành công nghiệp
điện mà nó còn có thể sử dụng với ngƣời dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao
trên đƣờng truyền và ổn định điện áp cho tải.

Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
1.2.2. Bộ DC/DC
Có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ 300- 400V một chiều đến tải 48/24V. Thực
chất, bộ biến đổi qua khâu trung gian DC/AC/DC để làm tăng tần số chuyển mạch
van. Nhƣng với việc tăng tần số chuyển mạch van, sẽ dẫn đến tổn thất xuất hiện
trong van, điều này dẫn đến sự ra đời của bộ biến đổi cộng hƣởng, lợi dụng nguyên
lý cộng hƣởng của các thành phần L, C trong mạch để chuyển mạch van. Khi
chuyển mạch dựa theo nguyên lý cộng hƣởng ta sẽ đạt đƣợc chuyển mạch điện áp
không (ZVS) và chuyển mạch dòng điện không (ZCS).
1.2.2.1. Nguyên lý cộng hƣởng
Trƣớc khi đi sâu vào phân tích bộ biến đổi cộng hƣởng ta nói qua về nguyên lý
quá trình cộng hƣởng. Xét một mạch đơn giản LC, luôn tồn tại một điểm mà tại đó
tụ điện và điện cảm bằng nhau về độ lớn nhƣng trái dấu nhau. Tại tần số đặc biệt
này tổng điện kháng của mạch bằng không và tổn thất giữa đầu vào và đầu ra trong
mạch là nhỏ nhất.
Khi nhìn vào biểu đồ tổng trở và tần số, ta sẽ thấy tại điểm cộng hƣởng tổng
trở của mạch là nhỏ nhất.
Một hệ số khác đƣợc dùng để miêu tả bộ biến đổi cộng hƣởng là hệ số chất
lƣợng Q. Q là đại lƣợng không thứ nguyên miêu tả sự tắt dần của mạch cộng hƣởng.
Hệ số chất lƣợng Q càng cao thì dải tần càng hẹp.

Ở một tần số đặc biệt hai
điện kháng sẽ có độ lớn bằng
nhau nhƣng trái dấu nhau
X
L
= - X
C

Hình 1.4. Hiện tượng cộng hưởng



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Q là tỷ số giữa công suất dự trữ và công suất phát tán trong mạch. Hệ số Q nói
lên sự thay đổi của tải ở các chế độ khác nhau (độ lớn của thành phần cảm kháng X
so với tải thuần trở R).
R
X

RI
XI
P
P
Q
dissipated
store

2
2
(1-2)
1.2.2.2. Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS
Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS:
Theo hình 1.3, bộ nghịch lƣu đƣa ra xung vuông điện áp cấp vào khối cộng
hƣởng. Do tác dụng lọc của khối cộng hƣởng, dòng điện chảy qua cuộn cảm Ls là
hình sin. Tùy theo dòng chảy vào khối cộng hƣởng sớm pha hay trễ pha so với điện
áp đặt vào khối cộng hƣởng (thành phần cơ bản của xung vuông điện áp do bộ
nghịch lƣu đƣa vào) mà ta có đƣợc điều kiện chuyển mạch dòng điện không (ZCS)
hay chuyển mạch điện áp không (ZVS).
a. Chuyển mạch ZCS (Zero Current Switching)
Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không, đƣợc thể hiện
trong hình 1.5. Dòng điện chảy qua khối cộng hƣởng sớm pha hơn điện áp đặt vào
hay chính là điện áp U
DS
của van low-side Q2. Khi dòng cộng hƣởng giảm về 0 và
đảo chiều thì dòng điện chảy qua van Q2 về bằng 0 và dòng cộng hƣởng đƣợc dẫn
qua điot ngƣợc của van Q2, do lúc này xung điều khiển vẫn đƣợc duy trì trên van
Q2, điện áp trên van vẫn bằng 0. Do đó van Q2 khóa trong điều kiện dòng điện
bằng 0, tổn hao khi khóa van bằng zero. Tuy nhiên khi phát xung điều khiển để mở
van thì do năng lƣợng tích lũy ở diode ngƣợc và tụ kí sinh song song đƣợc giải

phóng qua van nên dòng điện qua van khi mở sẽ có xung đỉnh lớn, gây ra nhiễu
điện từ EMI và tổn hao khi mở van.







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14















Hình 1.5. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS
b. Chuyển mạch ZVS (Zero Voltage Switching)
Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch điện áp không, đƣợc thể hiện

trong hình 1.6. Dòng điện chảy qua khối cộng hƣởng trễ pha hơn điện áp đặt vào
hay chính là điện áp U
DS
của van low-side Q2. Ta có thể nhận thấy không có tổn
hao khi mở trên MOSFET vì khi xung điều khiển đƣợc cấp vào van thì diode song
song ngƣợc của nó dẫn dòng và điện áp rơi trên van là bằng không trƣớc khi FET
mở để dẫn dòng. Dòng điện chạy qua diode ngƣợc của FET gây ra bởi quá trình
khóa FET còn lại. Ví dụ, nếu van Q2 khóa, dòng điện do FET này đang dẫn đƣợc
duy trì do tác dụng của cuộn cảm cộng hƣởng, dẫn đến dòng chạy ngƣợc lên van Q1
phía trên thông qua diode ngƣợc của Q1.
Do diode ngƣợc có thời gian khóa t
q
bằng thời gian dẫn dòng của FET trƣớc
khi điện áp phân cực thuận đƣợc đặt lên diode nên không có áp lực chuyển mạch
trên diode.
Dòng cộng hƣởng
Dòng cực máng
U
DS


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
Tuy nhiên MOSFET phải chịu tổn hao khi khóa van do dòng điện lúc này
chƣa về bằng không. Nhƣng dòng lúc này đã nhỏ và đƣợc chuyển sang nạp cho tụ
kí sinh song song của van. Khi diode ngƣợc của van dẫn dòng thì điện áp trên tụ sẽ
đƣợc giải phóng trƣớc khi FET thông. Do đó không có tổn hao khi mở van và loại
trừ đƣợc tổn hao do sự nạp, xả diode ngƣợc và tụ kí sinh song song.
Vì vậy trong thực tế thiết kế, ngƣời ta thƣờng cho mạch làm việc ở tần số trên

cộng hƣởng để đạt đƣợc điều kiện chuyển mạch ZVS.





















Hình 1.6. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS
Dòng cộng hƣởng
Dòng cực máng
U
DS


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
1.2.2.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hƣởng tải









Hình 1.7. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng
Điện áp 1 chiều đầu vào V
in
qua bộ nghịch lƣu cho ra điện áp xoay chiều
dạng xung vuông. Để đạt đƣợc mật độ công suất cao, ngƣời ta thƣờng sử dụng bộ
nghịch lƣu với tần số chuyển mạch lớn để giảm kích thƣớc thành phần từ tính. Xung
vuông điện áp sau khối nghịch lƣu đƣợc đƣa vào khối cộng hƣởng (Resonant Tank)
để tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm. Biến áp xung đƣợc 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 đƣợc đƣa qua bộ chỉnh lƣu tần số cao và bộ lọc để tạo ra
điện áp 1 chiều trên tải.
Để ổn áp nguồn trƣớc sự biến động của tải cũng nhƣ điện áp đầu vào thì điện áp
đầu ra đƣợc đƣa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đƣa vào mạch so sánh với điện áp chuẩn
Vref để đƣa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịch lƣu. Bộ nghịch lƣu sẽ đƣợc điều
khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộng xung để ổn định điện áp đầu ra.
Trong phạm vi luận văn này, bộ nguồn cộng hƣởng nghiên cứu là loại cộng
hƣởng tải (kết hợp khối cộng hƣởng và tải để tạo điều kiện chuyển mạch mềm),
do đó bộ nghịch lƣu phải có cấu trúc đối xứng dạng half bridge hoặc full bridge. Ở

đây ta lựa chọn cấu hình half bridge do tính đơn giản, sử dụng ít van công suất và
điều khiển dễ hơn cấu hình full bridge. Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta
sẽ phải sử dụng cấu hình full bridge để phát huy hết công suất của mạch.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
Mục tiêu thiết kế bộ nguồn trong luận văn này hƣớng tới là phục vụ cho các
ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện lớn (nhƣ các ứng dụng trong điện tử, viễn
thông) nên khối cộng hƣởng đƣợc sử dụng có cấu trúc LLC là sự lựa chọn lý tƣởng
nhất. Điều này sẽ đƣợc tìm hiểu kỹ ở chƣơng sau.
1.2.3. Tải tiêu thụ
Tải tiêu thụ ở đây phần lớn là các hệ thống điện tử, hệ thống số yêu cầu mức
điện áp đầu vào thấp. Ở đây tùy vào từng thiết bị mà ngƣời ta có thể áp dụng cấu
trúc bus trung gian IBA (Intermediate Bus Architecture).
Ở trong sơ đồ dƣới, bộ biến đổi bus trung gian (bus converter) đƣợc tạo ra để
phục vụ hai nhiệm vụ chính. Đầu tiên nó dùng để cách ly với nguồn 1 chiều 48V từ bộ
Front-End converter. Thứ hai, nó dùng để giảm điện áp 48V xuống các mức điện áp
thấp hơn mà ở đó không cần cách ly và hoạt động không cần bộ biến đổi điện áp nữa.
Đặc điểm:
- Độ tin cậy, hiệu suất cao, ít phát nhiệt, yêu cầu về cấu hình bộ biến đổi phải có tần
số chuyển mạch cao, tổn thất ít.
- Chất lƣợng đặc tính động tốt, độ chính xác cao.
- Cách ly.
- Không ảnh hƣởng đến lƣới: đầu vào sin, cosφ = 1.
- Có tích trữ năng lƣợng (acquy).

Hình 1.8. Cấu trúc bus trung gian


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
1.3. Ƣu nhƣợc điểm của nguồn DPS
1.3.1. Ƣu điểm
Với điện áp nguồn giảm nhanh trong hệ thống số, dẫn đến không thể thực hiện
việc truyền điện năng với điện áp thấp. Nguồn DPS sử dụng điện áp cao để phân
phối điện năng. Điều này làm giảm đáng kể tổn thất liên quan đến nguồn truyền tải
(tổn thất trên đƣờng dây).
Vì bộ biến đổi đƣợc đặt ở rất gần tải nên tác động của nhiễu là nhỏ. Bộ biến
đổi có đáp ứng thời gian nhanh để đáp ứng tốc độ tăng dòng nhanh của tải.
Với nguồn DPS, bộ front-end độc lập với yêu cầu của tải, mỗi bộ biến đổi tải
này cũng độc lập với tải khác. Điều này cải thiện lợi ích đáng kể với yêu cầu hệ
thống thay đổi nhanh. Với ngồn DPS, khi thay đổi công nghệ, chỉ bộ biến đổi liên
quan đến tải cần thiết kế lại đƣợc tác động, ảnh hƣởng đến toàn hệ thống là rất nhỏ.
Nguồn DPS là một giải pháp có cấu trúc mở, dễ dàng thay đổi đƣợc. Hệ thống
nguồn có thể tái cấu hình lại khi tải thay đổi mở rộng hoặc nâng cấp. Đây là một hệ
thống có thể tăng công suất nếu cần. Với thiết kế thay đổi đƣợc, độ tin cậy cao sẽ
đạt đƣợc với nhiều tải.
1.3.2. Nhƣợc điểm
- Chi phí cao với một lƣợng lớn bộ biến đổi DC/DC.

- Các tụ lọc lớn ở mỗi đầu vào bộ biến đổi.
- Dòng khởi động cao đến đầu vào các tụ lọc.
- Sự tƣơng tác điện thế giữa các bộ biến đổi.
- Vấn đề ổn định điện áp của trở kháng âm đến bộ lọc một chiều.
- Vấn đề ổn định điện áp của bus phân phối và lọc đỉnh với dải tín hiệu rộng.
1.4. Ứng dụng và phƣơng hƣớng phát triển nguồn DPS
Ngày nay, nguồn DPS đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực bao gồm viễn
thông, vệ tinh, nguồn máy tính, các thiết bị văn phòng và các ứng dụng khác…Bên
cạnh độ an toàn cao nó còn có ƣu điểm là tiết kiệm năng lƣợng, hiệu suất cao, kinh
tế và bảo trì thuận lợi. Bởi vậy xu hƣớng trong tƣơng lai là sẽ thay thế hệ thống
nguồn tập trung truyền thống. Bởi vì nguồn DPS có những tính năng mở rộng và


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
hiện đại, áp dụng cho các tình huống khác nhau.












Hình 1.9. Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi Adapter)

Hình 1.10. Phương hướng phát triển nguồn DPS (AC/DC)
Vào những năm 1970, khái niệm về nguồn DPS đã tồn tại và nó đã đƣợc ứng
dụng rất nhiều trong lĩnh vực nguồn viễn thông. Trƣớc đó, thƣờng phải có hai bộ


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
nguồn giống nhau cho một hệ thống viễn thông, mặc dù vậy thì sự phụ thuộc đƣợc
cải thiện nhƣng chi phí lại gấp đôi. Sự ra đời của nguồn DPS không chỉ cải thiện sự
phụ thuộc mà còn giảm đƣợc chi phí nên nó đƣợc quan tâm rộng rãi. Nó tách tải
tổng thể ra thành vài nhóm và cung cấp nguồn cho từng nhóm bằng bộ biến đổi
nguồn đơn. Mỗi hệ con đƣợc độc lập, giảm tác động lỗi của thiết bị máy móc riêng
lẻ trên toàn hệ thống con.
1.5. Kết luận
Với sự phát triển trong ngành công nghệ thông tin, thị trƣờng cấp nguồn cho
các thiết bị viễn thông và máy tính luôn luôn tăng trƣởng mạnh mẽ. Hệ thống nguồn
DPS đã đƣợc chấp nhận rộng rãi trong các ứng dụng viễn thông và máy tính với

tính năng hiệu suất và ổn định cao. Một trong những khối quan trọng trong nguồn
DPS, bộ biến đổi DC/DC trong bộ biến đổi front-end vẫn đang chịu áp lực tăng hiệu
suất và mật độ công suất. Gần đây, yêu cầu về mật độ công suất cao với dải tải rộng
đang là yêu cầu cấp bách và bộ biến đổi cộng hƣởng LLC ra đời với tính năng đạt
hiệu suất cao với khả năng đáp ứng dải điện áp đầu vào rộng bởi vì đặc tính khuếch
đại của nó. Ở chƣơng sau, tôi đi sâu vào phân tích bộ biến đổi cộng hƣởng LLC qua
đó làm tiền đề để dễ dàng hơn trong việc thiết kế, mô phỏng.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
Chƣơng 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƢỞNG
Bộ biến đổi cộng hƣởng đã đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ vào những năm 80 của
thế kỷ trƣớc. Nó có thể đạt đƣợc tổn thất chuyển mạch rất nhỏ do kích hoạt mạch
cộng hƣởng, để hoạt động ở tần số chuyển mạch cao. Trong các bộ biến đổi cộng
hƣởng thì bộ biến đổi nối tiếp (SRC), bộ biến đổi song song (PRC) và bộ biến đổi
nối tiếp song song là những bộ phổ biến nhất. Việc phân tích và thiết kế đã đƣợc
nghiên cứu kỹ lƣỡng, việc ứng dụng cho bộ Front-end converter sẽ đƣợc trình bày
dƣới đây.
2.1. Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hƣởng phổ biến
2.1.1. Bộ cộng hƣởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter)
Sơ đồ của bộ biến đổi đƣợc trình bày ở hình 2.1, điện cảm cộng hƣởng Lr và
tụ điện cộng hƣởng Cr đƣợc mắc nối tiếp để tạo thành khối cộng hƣởng. Khối cộng
hƣởng đƣợc mắc nối tiếp với tải. Từ cấu hình này, khối cộng hƣởng và tải hoạt
động nhƣ bộ chia điện áp. Bằng cách thay đổi tần số của điện áp đầu vào Va, tổng
trở của khối cộng hƣởng sẽ thay đổi. Vì hoạt động nhƣ bộ chia điện áp, hệ số
khuếch đại điện áp luôn nhỏ hơn 1. Tại tần số cộng hƣởng, tổng trở của khối cộng
hƣởng sẽ rất nhỏ, tất cả điện áp đầu vào rơi trên tải. Bởi vậy với bộ SRC hệ số điện

áp lớn nhất xảy ra ở tần số cộng hƣởng




.



Hình 2.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp
Đặc tính và vùng hoạt động của bộ SRC nhƣ ở trên hình 2.2.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
* Ƣu điểm :
- Giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI thông qua chuyển mạch điện áp không
(ZVS) dẫn đến nâng cao hiệu suất.
- Giảm kích thƣớc các thành phần trong mạch từ nhờ hoạt động ở tần số cao.
* Nhƣợc điểm:
- Không thể điều chỉnh đầu ra đƣợc ở chế độ không tải.
- Dòng điện chỉnh lƣu đập mạch(đầu ra của tụ điện) hạn chế cho ứng dụng dòng
điện đầu ra cao.
- Có thể tận dụng đặc tính tại một điểm làm việc nhƣng không phải với dải điện áp
đầu vào rộng và tải thay đổi.

Hình 2.2. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC
Nhận xét:
Với những phân tích trên ta có thể thấy bộ biến đổi SRC không phải là sự lựa
chọn tốt cho bộ biến đổi front-end DC/DC. Vì các vấn đề chính là : điều chỉnh
không tải, năng lƣợng truyền trong mạch cao và dòng điện ngắt van trong điều kiện
điện áp đầu vào cao.
2.1.2. Bộ cộng hƣởng song song PRC (Parallel Resonant converter)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
Sơ đồ bộ biến đổi song song đƣợc trình bày nhƣ hình 2.3, ta nhận thấy khối
cộng hƣởng vẫn mắc nối tiếp, nó đƣợc gọi là bộ biến đổi cộng hƣởng song song bởi
vì trong trƣờng hợp này tải mắc song song với tụ điện cộng hƣởng. Chính xác hơn,
nên gọi là bộ biến đổi cộng hƣởng nối tiếp với tải song song. Bởi vì phía sơ cấp
máy biến áp là tụ điện nên một điện cảm đƣợc mắc thêm vào mạch thứ cấp để phù
hợp với điện kháng.

Hình 2.3. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song
Hình 2.4 biểu diễn đƣờng đặc tính và vùng hoạt động của bộ PRC. Ta nhận
thấy tƣơng tự nhƣ bộ SRC, vùng hoạt động đƣợc thiết kế ở bên tay phải của tần số
cộng hƣởng để đạt đƣợc chuyển mạch ZVS. So với bộ SRC, vùng hoạt động của bộ
PRC nhỏ hơn nhiều. Ở vùng hoạt động không tải, tần số chuyển mạch không cần
phải thay đổi quá nhiều để giữ điện áp đầu ra điều chỉnh đƣợc. Bởi vậy vấn đề điều
chỉnh không tải không tồn tại trong bộ PRC.
Tuy nhiên, vấn đề với bộ PRC là năng lƣợng lan truyền trong mạch rất cao kể
cả ở chế độ không tải. Bởi vì tải mắc song song với tụ cộng hƣởng, thậm trí ở chế
độ không tải, đầu vào vẫn có một lƣợng trở kháng nhỏ vừa phải của khối cộng
hƣởng nối tiếp. Điều này gây ra năng lƣợng lan truyền trong mạch cao cả khi ở chế
độ không tải.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24

Hình 2.4. Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC
* Ƣu điểm:
- Không vấn đề đối với việc điều chỉnh đầu ra ở chế độ không tải.
- Dòng điện chỉnh lƣu liên tục (đầu ra cuộn cảm) thích hợp cho các ứng dụng dòng
điện đầu ra cao.
* Nhƣợc điểm:
- Dòng điện phía sơ cấp độc lập với các điều kiện của tải, dòng điện đáng kể có thể
lan truyền trong mạch cộng hƣởng, kể cả ở chế độ không tải.
- Dòng điện lan truyền tăng lên khi điện áp đầu vào tăng dẫn đến hạn chế đối với
dải điện áp đầu vào rộng.
Nhận xét: Với những phân tích trên, chúng ta thấy bộ PRC cũng không phải là một
sự lựa chọn tốt cho bộ front-end DC/DC. Vấn đề chính là năng lƣợng lan truyền
trong mạch cao và dòng ngắt van lớn ở điều kiện điện áp đầu vào cao.
2.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant Converter)
Hay còn gọi là bộ biến đổi cộng hƣởng LCC. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hƣởng
SPRC đƣợc trình bày ở hình 2.5, khối cộng hƣởng của nó bao gồm ba thành phần
cộng hƣởng: Lr, Cs và Cp. Khối cộng hƣởng của LCC có thể coi nhƣ sự kết hợp của
hai bộ SRC và PRC. Tƣơng tự nhƣ bộ PRC, một điện cảm lọc ra phía thứ cấp đƣợc
mắc thêm vào để cân bằng trở kháng. Đối với bộ SPRC, nó kết hợp các đặc tính tốt