Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng

LỜI CAM ĐOAN


Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: “ Nghiên cứu, phát triển các
bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng ” do em tự thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường. Các số liệu và kết quả hoàn toàn
trung thực.
Ngoài các TLTK đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép các
công trình hoặc TKTN của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam
đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên


Nguyễn Đức Nghĩa


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
1
Chương 1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng ...................................................... 2
1.1. Sự ra đời và phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng ............................................ 2
1.1.1. Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng .................................................... 2
1.1.2. Quá trình phát triển và các ứng dụng ...................................................... 4
1.2. Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS......................................................... 5
1.2.1. Chuyển mạch dòng điện không (ZCS) ................................................... 5
1.2.2. Chuyển mạch điện áp không(ZVS) ........................................................ 6
1.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải ..................................................... 8

Chương 2 Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng half bridge ....................................... 10
2.1. So sánh các cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng half bridge ................................. 10
2.1.1. Cấu trúc nối tiếp .................................................................................... 10
2.1.2. Cấu trúc LLC ........................................................................................ 12
2.1.3. Cấu trúc song song ................................................................................ 14
2.1.4. Cấu trúc LCC ........................................................................................ 16
2.2. Phân tích hoạt động bộ biến đổi half bridge LCC. ............................................ 16
2.2.1. Hoạt động ở chế độ liên tục .................................................................. 17
2.2.2. Hoạt động ở chế độ không liên tục ....................................................... 18
2.3. Phân tích bộ biến đổi half bridge LCC ở chế độ xác lập. .................................. 19
2.3.1. Phương pháp phân tích và các giả thiết ................................................ 19
2.3.2. Hàm truyền đạt áp ................................................................................. 20
2.3.3. Phân tích các thông số mạch cộng hưởng ............................................. 23
2.3.4. Ảnh hưởng của chu kỳ làm việc D tới điện áp đầu ra .......................... 29
Chương 3 Phân tích phương pháp điều khiển ......................................................... 31
3.1. Phân tích phương pháp điều khiển để ổn áp đầu ra ........................................... 31
3.1.1. Phương pháp điều khiển tần số ............................................................. 31
3.1.2. Phương pháp thay đổi độ rộng xung (PWM) ....................................... 37
3.1.3. Điều khiển cả tần số và độ rộng xung ................................................... 37
3.2. Phân tích phương pháp điều khiển mạch half bridge ........................................ 38
Chương 4 Thiết kế thử nghiệm ................................................................................. 42
4.1. Tính toán các thông số cơ bản của mạch ........................................................... 42
4.1.1. Tính chọn tỷ số biến áp ......................................................................... 42
4.1.2. Tính chọn MOSFET ............................................................................. 42
4.1.3. Tính toán các thành phần khối cộng hưởng .......................................... 43
4.2. Kết quả mô phỏng.............................................................................................. 44
4.3. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 47
4.3.2. Một số kết quả thu được: ...................................................................... 47
4.3.3. Nhận xét chung ..................................................................................... 51
4.3.4. Phân tích kết quả ở 80% tải .................................................................. 51

Kết luận

Lời nói đầu


1
LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, vấn đề nâng cao hiệu suất và mật độ công suất của các bộ biến đổi sử
dụng van bán dẫn (ví dụ như nguồn switching) đang là một xu hướng được quan tâm và
phát triển trong các ứng dụng điện tử công suất. Để giải quyết yêu cầu này thì việc tăng tần
số làm việc của các van bán dẫn là một phương án rất hiệu quả, tuy nhiên khi tăng tần số
đóng cắt của các van bán dẫn sẽ dẫn đến việc tăng tổn hao và các khó khăn về tản nhiệt.
Mạch biến đổi cộng hưởng ra đời, tạo ra bước đột phá với điều kiện chuyển mạch mềm
(soft switching) nhờ phát xung điều khiển đóng mở van tại các thời điểm mà khi đó dòng
điện chảy qua van, hoặc điện áp rơi trên van là rất nhỏ (lý tưởng là bằng không - điều kiện
ZCS và ZVS), giảm thiểu tổn hao và áp lực cho van công suất, tận dụng các thành phần kí
sinh vào mạch cộng hưởng, biến chúng từ có hại sang có lợi.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và chế tạo như của hãng ST, Intersil, TI,
Vishay… nhưng ở Việt Nam hiện nay lại chưa có nghiên cứu hay báo cáo chính thức nào.
Với các tiền đề như vậy, đề tài “Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa
trên nguyên lý cộng hưởng” được đề xuất để xem xét, giải quyết các vấn đề của các bộ
biến đổi công suất làm việc dựa trên các mạch cộng hưởng.
Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản như sau:
- Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.
- Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng half bridge.
- Phân tích phương pháp điều khiển.
- Thiết kế thử nghiệm.
Sau 4 tháng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường và các
thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án

ngắn và khả năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong
nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn.
Hà nội, ngày 27 tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện


Nguyễn Đức Nghĩa

Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


2
Chương 1
Tæng quan vÒ bé biÕn ®æi céng h-ëng
1.1. Sự ra đời và phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng
1.1.1. Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng
Yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi công suất là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ,
hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Bộ tản nhiệt và thành phần từ tính là thành phần
chiếm thể tích lớn nhất trong bộ biến đổi, có thể lên tới 80%. Đặc biệt với BBĐ công suất
lớn thì kích thước của các thành phần này sẽ rất lớn. Giảm kích thước các thành phần
trên, đặc biệt bộ tản nhiệt sẽ tăng mật độ công suất lên rất nhiều. Do đó, các bộ biến đổi
tuyến tính sử dụng biến áp lực dần được thay thế bằng các bộ biến đổi switching, chuyển
mạch ở tần số cao để giảm kích thước L,C.
Tuy nhiên bộ biến đổi switching lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch là “hard-
switching”: do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hoặc giảm
về không nên các van công suất phải đóng, cắt trong điều kiện dòng và áp cao gây ra tổn
thất chuyển mạch lớn. Quá trình này cũng khiến các van phải chịu các xung dòng điện và
điện áp khá lớn.
Các mạch phụ trợ Snubber thường được thêm vào để giảm du/dt, di/dt và chuyển
tổn hao chuyển mạch, ứng suất trên van công suất sang mạch phụ trợ.

Tuy nhiên phương pháp này vẫn bị hạn chế. Do tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần
số chuyển mạch (
on on off off
=f .V.(I t I t ) / 2
cm s
P
) nên khi tần số chuyển mạch tăng cao
thì tổn thất chuyển mạch là rất đáng kể, do đó giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi.
Đồng thời các thành phần tụ kí sinh & điện cảm rò là nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ
(EMI) lớn.
Bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng dao động của mạch L-C tạo ra điều kiện chuyển
mạch mềm cho van. Các van sẽ được phát xung đóng, mở khi dòng qua van hoặc điện áp
rơi trên van bằng 0 (điều kiện ZCS và ZVS). 2 điều này không thể xảy ra đồng thời nên
khi chuyển mạch ở điều kiện ZVS thì sẽ phải chịu tổn hao khi khóa van, còn chuyển
mạch ở điều kiện ZCS thì sẽ chịu tổn hao khi mở van. Tuy nhiên lượng tổn hao này rất
nhỏ so với PWM truyền thống vì lúc này dòng và áp trên van có giá trị nhỏ. Vấn đề
chuyển mạch mềm ZVS và ZCS sẽ được làm rõ hơn ở mục 1.3.
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


3

Hình 1-1 So sánh tổn hao chuyển mạch cứng và chuyển mạch cộng hưởng



Hình 1-2 Đường quỹ đạo đóng, cắt của các hình thức chuyển mạch

Các hình vẽ so sánh cho ta thấy rõ bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch mềm cho
tổn hao chuyển mạch rất nhỏ so với các bộ biến đổi xung truyền thống.

KL: như vậy sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng đem lại những lợi ích rất lớn:
 Làm giảm đáng kể kích thước L,C, bộ tản nhiệttăng mật độ công suất, giảm kích
thước, trọng lượng và giá thành sp.
 Cho phép bộ biến đổi làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn
 Tận dụng tụ kí sinh & điện cảm dò vào thành phần cộng hưởngbiến chúng từ có
hại sang có lợi.

Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


4
1.1.2. Quá trình phát triển và các ứng dụng
Quá trình phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng được thể hiện trong bảng 1-1:
Bảng 1-1 Quá trình phát triển của bộ biến đổi công suất



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

Hình 1-3 Bộ nguồn 12V, 120W dùng trong viễn thông của hãng intersil
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


5

Ở Việt Nam hiện nay, bộ biến đổi sử dụng nguyên lý cộng hưởng cũng đã được ứng
dụng, tuy nhiên trong lĩnh vực chế tạo nguồn hiệu suất cao và kích thước nhỏ thì chưa có
nghiên cứu hay báo cáo chính thức nào.
1.2. Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS


Hình 1-4 Cấu hình mạch minh họa điều kiện chuyển mạch mềm

Bộ nghịch lưu đưa ra xung vuông điện áp cấp vào khối cộng hưởng. Do tác dụng
lọc của khối cộng hưởng, dòng điện chảy qua cuộn cảm Ls là hình sin. Tùy theo dòng
chảy vào khối cộng hưởng sớm pha hay trễ pha so với điện áp đặt vào khối cộng hưởng
(thành phần cơ bản của xung vuông điện áp do bộ nghịch lưu đưa vào) mà ta có được
điều kiện chuyển mạch dòng điện không (ZCS) hay chuyển mạch điện áp không (ZVS).
1.2.1. Chuyển mạch dòng điện không (ZCS)
Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không được thể hiện trong
hình 1-5. Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng sớm pha hơn điện áp đặt vào hay chính là
điện áp U
DS
của van low-side T2. Khi dòng cộng hưởng giảm về 0 và đảo chiều thì dòng
điện chảy qua van T2 về bằng 0 và dòng cộng hưởng được dẫn qua điot ngược của van
T2 do lúc này xung điều khiển vẫn được duy trì trên van T2, điện áp trên van vẫn bằng 0.
Do đó van T2 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 lượng tích lũy ở điot
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 EMI và tổn hao khi mở van.

Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


6

Hình 1-5 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS

1.2.2. Chuyển mạch điện áp không(ZVS)
Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không được thể hiện trong
hình 1-5. Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng trễ pha hơn điện áp đặt vào hay chính là
điện áp U
DS
của van low-side T2. Ta có thể nhận thấy không có tổn hao khi mở trên
MOSFET vì khi xung điều khiển được cấp vào van thì diode song song ngược của nó dẫn
dòng và điện áp rơi trên van là bằng không trước khi FET mở để dẫn dòng. Dòng điện
chạy qua diode ngược của FET gây ra bởi quá trình khóa FET còn lại. Ví dụ, nếu van T2
khóa, dòng điện do FET này đang dẫn được duy trì do tác dụng của cuộn cảm cộng
hưởng, dẫn đến dòng chạy ngược lên van T1 phía trên thông qua diode ngược của T1.
Do diode ngược có thời gian khóa t
q
bằng thời gian dẫn dòng của FET trước khi
điện áp phân cực thuận được đặt lên diode nên không có áp lực chuyển mạch trên diode.
Dòng cộng hưởng Dòng cực máng U
DS
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


7
Tuy nhiên MOSFET phải chịu tổn hao khi khóa van do dòng điện lúc này chưa về
bằng không. Nhưng dòng lúc này đã nhỏ và được chuyển sang nạp cho tụ kí sinh song
song của van. Khi diode ngược của van dẫn dòng thì điện áp trên tụ sẽ được giải phóng
trước khi FET thông. Do đó không có tổn hao khi mở van và loại trừ được tổn hao do sự
nạp, xả diode ngược và tụ kí sinh song song.
Vì vậy trong thực tế thiết kế, người ta thường cho mạch làm việc ở tần số trên

cộng hưởng để đạt được điều kiện chuyển mạch ZVS.


Hình 1-6 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS
Dòng cộng hưởng Dòng cực máng U
DS
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


8
1.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải

Hình 1-7 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng
Điện áp 1 chiều đầu vào V
in
qua bộ nghịch lưu cho ra điện áp xoay chiều dạng
xung vuông. Để đạt được mật độ công suất cao, người ta thường sử dụng bộ nghịch lưu
với tần số chuyển mạch lớn để giảm kích thước thành phần từ tính. Xung vuông điện áp
sau khối nghịch lưu được đưa vào khối cộng hưởng (Resonant Tank) để tạo ra điều kiện
chuyển mạch mềm. Biến áp xung được sử dụng để cách ly giữa đầu ra và đầu vào, đồng
thời cũng có tác dụng biến đổi điện áp. Điện áp xoay chiều ở thứ cấp biến áp xung được
đưa qua bộ chỉnh lưu tần số cao và bộ lọc để tạo ra điện áp 1 chiều trên tải.
Để ổn áp nguồn trước sự biến động của tải cũng như điện áp đầu vào thì điện áp
đầu ra được đưa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đưa vào mạch so sánh với điện áp chuẩn
V
ref
để đưa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu sẽ được điều
khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộng xung để ổn định điện áp đầu ra. Vấn đề
điều khiển này sẽ được trình bày ở chương 3.
Trong phạm vi đồ án này, bộ nguồn cộng hưởng nghiên cứu là loại cộng hưởng tải

(kết hợp khối cộng hưởng và tải để tạo điều kiện chuyển mạch mềm), do đó bộ nghịch
lưu 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.
Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng.


9
Mục tiêu thiết kế bộ nguồn trong đồ án này hướng tới là phục vụ cho các ứng dụng
có điện áp ra thấp, dòng điện lớn (như các ứng dụng trong điện tử, viễn thông) nên khối
cộng hưởng được sử dụng có cấu trúc nối tiếp – song song (LCC). Việc lựa chọn và phân
tích cấu trúc này được thể hiện cụ thể trong chương 2.


Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


10
Chương 2
Ph©n tÝch bé biÕn ®æi céng h-ëng
Half bridge

2.1. So sánh các cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng half bridge
2.1.1. Cấu trúc nối tiếp

Hình 2-1 Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp tụ Cs và cuộn cảm Ls mắc nối tiếp
với nhau để tạo thành khối cộng hưởng. Khối cộng hưởng làm việc như một nguồn dòng.

Mạch lọc phía đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp trở kháng.
Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn
mạch do tính chất nguồn dòng của bộ biến đổi. Ưu điểm khác của bộ biến đổi nối tiếp là
dòng chạy qua van công suất giảm khi giảm tải. Điều này dẫn tới tổn thất dẫn qua van
cũng như các tổn thất khác giảm khi giảm tải, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi
làm việc đầy tải.
Xét đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp:
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


11

Hình 2-2 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp

Từ hình 2-2 ta thấy khi giảm tải (Q giảm) thì tần số chuyển mạch tăng lên rất
nhiều so với khi Q lớn. Đặc biệt khi tải quá nhẹ hay không tải thì tần số chuyển mạch
tăng lên giá trị vô cùng lớn. Do vậy, bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp cho
các ứng dụng yêu cầu chế độ làm việc không tải.
Một nhược điểm khác của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là tụ lọc đầu ra phải
mang dòng điện với độ gợn cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện 1 chiều [10]. Do đó
bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng có áp ra thấp, dòng
điện cao.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


12
2.1.2. Cấu trúc LLC

Hình 2-3 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Cấu trúc LLC vẫn là bộ biến đổi cộng hưởng dạng nguồn dòng. So với cấu trúc
nối tiếp thì cấu trúc LLC có thêm thành phần Lm trong khối cộng hưởng. Lm có thể là
điện cảm từ hóa của biến áp được sử dụng làm thành phần cộng hưởng, tạo ra một mạch
vòng dòng điện khi đầu ra biến áp hở mạch hay mạch làm việc không tải. Vì vậy miền
chuyển mạch ZVS rộng hơn khi giảm tải so với cấu trúc nối tiếp.
Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LLC được thể hiện ở hình 2-4.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


13

Hình 2-4 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LLC

Thông thường, miền làm việc của bộ biến đổi LLC được thiết kế gần tần số cộng
hưởng để hiệu suất chuyển đổi năng lượng là lớn nhất. Vì bộ biến đổi LLC tạo ra miền
chuyển mạch ZVS rộng hơn và hiệu suất biến đổi cao hơn nên nó được ứng dụng trong
các bộ nguồn đầu vào yêu cầu có điện áp cao, dòng điện tương đối nhỏ.
Tuy nhiên trong các ứng dụng yêu cầu điện áp thấp, dòng cao thì bộ biến đổi LLC
có chung nhược điểm với bộ nối tiếp là độ gợn của dòng điện đầu ra lớn và cần nhiều tụ
lọc đầu ra để làm giảm độ gợn. Do đó bộ biến đổi LLC không thích hợp cho các ứng
dụng yêu cầu áp thấp, dòng cao.
M
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


14
2.1.3. Cấu trúc song song

Hình 2-5 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song

Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song, khối cộng hưởng gồm cuộn
cảm Ls và tụ cộng hưởng Cp mắc song song với biến áp. Do đó khối cộng hưởng có trở
kháng thấp đối với mạch đầu ra và được coi như là nguồn áp. Mạch lọc đầu ra gồm cuộn
kháng L
f
và tụ C
0
để hòa hợp trở kháng.
Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện ở hình 2-6. Từ
những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi nối tiếp thì bộ biến đổi
song song có thể điều khiển điện áp đầu ra ở chế độ không tải bằng cách thay đổi tần số
chuyển mạch trên tần số cộng hưởng.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


15

Hình 2-6 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song

Nhược điểm chính của bộ biến đổi song song là dòng điện chạy qua van công suất
và các thành phần cộng hưởng tương đối độc lập với tải [1]. Kết quả là tổn thất dẫn qua
van và các thành phần cộng hưởng không đổi khi giảm tải, do đó hiệu suất khi tải nhẹ
giảm rất mạnh. Hơn nữa, dòng điện này tăng khi điện áp đầu vào bộ biến đổi tăng lên. Vì
vậy bộ biến đổi này không lý tưởng cho các ứng dụng có điện áp đầu vào thay đổi lớn và
yêu cầu làm việc ở hiệu suất cao khi non tải. Ngược lại, bộ biến đổi song song phù hợp
hơn với các ứng dụng có điện áp đầu vào ít thay đổi (ví dụ: 15%) và làm việc gần với
công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75% công suất cực đại thiết kế).
Bộ biến đổi song song phù hợp cho các ứng dụng điện áp đầu ra thấp, dòng ra lớn.
Điều này có được do bộ lọc đầu ra có cuộn cảm lọc, do đó hạn chế được các dòng gợn đi
vào tụ lọc, dòng điện đầu ra tương đối bằng phẳng.

Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


16
2.1.4. Cấu trúc LCC
Bộ biến đổi LCC tận dụng được ưu điểm của cả bộ biến đổi nối tiếp và song song,
trong khi khắc phục được các nhược điểm của chúng như vấn đề điều chỉnh không tải ở
bộ biến đổi nối tiếp và dòng điện vòng lớn khi tải nhẹ ở bộ biến đổi song song. Cấu trúc
bộ biến đổi LCC được thể hiện ở hình 2-7.

Hình 2-7 Cấu trúc bộ biến đổi LCC

Bộ biến đổi LCC có thể coi là sự kết hợp giữa bộ biến đổi nối tiếp và bộ biến đổi
song song. Khối cộng hưởng bao gồm 3 thành phần cộng hưởng: Ls, Cs và Cp. Bằng việc
thêm tụ nối tiếp Cs vào khối cộng hưởng song song, dòng điện vòng chạy qua van nhỏ
hơn so với bộ biến đổi song song. Với việc thêm vào tụ song song Cp, bộ biến đổi LCC
có thể điều chỉnh điện áp đầu ra trong điểu kiện không tải. Tụ song song Cp cũng tạo ra
trở kháng nhỏ đối với mạch đầu ra, do đó hòa hợp với mạch lọc L-C, tạo ra dòng điện với
độ gợn nhỏ chạy qua tụ lọc. Do đó bộ biến đổi LCC thích hợp với các ứng dụng yêu cầu
áp nhỏ, dòng lớn. Các phân tích cụ thể về nguyên lý hoạt động và đặc tính khuếch đại áp
của bộ biến đổi LCC sẽ được trình bày ở mục 2.2 và 2.3.
2.2. Phân tích hoạt động bộ biến đổi half bridge LCC.
Dựa vào dạng điện áp trên tụ song song Cp ta chia hoạt động của bộ LCC thành 2 dạng:
chế độ liên tục (V
Cp
liên tục) và chế độ gián đoạn (V
Cp
gián đoạn). Việc phân tích hoạt
động của bộ LCC dựa trên các dạng sóng sau:
 Điện áp đầu vào khối cộng hưởng V

M
hay điện áp trên van Q
2
 Dòng điện chạy qua cuộn cảm cộng hưởng I
L

 Dòng điện từ hóa biến áp phản ánh từ dòng đầu ra hay dạng xung dòng điện đầu
vào khối chỉnh lưu.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


17
 Điện áp trên tụ song song V
Cp
2.2.1. Hoạt động ở chế độ liên tục

Hình 2-8 Dạng sóng hoạt động cơ bản của bộ LCC ở chế độ liên tục

Hoạt động của bộ LCC ở chế độ liên tục được thể hiện qua 5 giai đoạn nhỏ:
 Giai đoạn 1 (t
0
đến t
1
): tại t
0
van Q
1
đang thông, van Q
2
đang khóa, điện áp trên

van Q
2
bằng điện áp đầu vào V
IN
, dòng cộng hưởng qua cuộn cảm bắt đầu tăng từ 0.
Dòng điện của biến áp và điện áp trên tụ song song có giá trị âm và đang tiến dần về 0.
 Giai đoạn 2 (t
1
đến t
2
): đến thời điểm t
1
, điện áp trên Cp về giá trị 0 và bắt đầu tăng
theo chiều dương. Dòng điện trên biến áp đảo chiều. Dòng điện cộng hưởng qua cuộn
cảm tiếp tục quá trình cộng hưởng. Điện áp đầu vào khối cộng hưởng tiếp tục duy trì giá
trị dương cho đến thời điểm t
2
.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


18
 Giai đoạn 3 (t
2
đến t
3
): Q
1
khóa và Q
2

mở tức thì tại thời điểm t
2
.
Vì dòng cộng hưởng trễ pha so với điện áp nên Q
2
mở ở điều kiện chuyển mạch ZVS.
Điện áp trên Cp trong giai đoạn này giữ giá trị dương cho đến t
3
.
 Giai đoạn 4 (t
3
đến t
4
): tại t
3
, điện áp trên Cp về 0 và hướng xuống phía âm. Dòng
trên biến áp cũng đổi chiều. Tại t
4
, Q
2
khóa và Q
1
mở. Vì dòng cộng hưởng chậm pha so
với điện áp nên Q
1
mở ở điều kiện ZVS.
 Giai đoạn 5 (t
4
đến t
5

): sau t
4
, điện áp đưa vào khối cộng hưởng lại có giá trị
dương. Dòng cộng hưởng tiếp tục cộng hưởng tiếp tục giảm về 0. Tại t
5
, dòng cộng
hưởng giảm tới 0 và bắt đầu chu kỳ mới.
2.2.2. Hoạt động ở chế độ không liên tục
Khi dòng cộng hưởng nhỏ hơn dòng sơ cấp máy biến áp được phản ánh từ dòng tải tại
thời điểm điện áp Cp về bằng 0 thì sẽ không có dòng chạy vào tụ Cp. Điều này dẫn tới
điện áp trên tụ Cp sẽ duy trì bằng 0 cho tới khi dòng cộng hưởng tăng lớn hơn dòng phản
ánh tải. Hình 2-9 so sánh chế độ hoạt động giữa chế độ liên tục và không liên tục.

(a) (b)
Hình 2-9 So sánh chế độ hoạt động giữa chế độ liên tục và không liên tục
a- Chế độ liên tục
b- Chế độ không liên tục
Trong khoảng thời gian β, điện áp trên tụ song song bằng 0 dẫn đến toàn bộ chỉnh lưu thứ
cấp dẫn và vượt quá dòng tải chạy vòng trong chỉnh lưu. Do đó cần tránh chế độ này
trong thiết kế.
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


19
2.3. Phân tích bộ biến đổi half bridge LCC ở chế độ xác lập.
2.3.1. Phương pháp phân tích và các giả thiết
Để phân tích mạch điện ở chế độ xác lập, ta sử dụng mạch điện tương đương như
hình 2-8. Các MOSFET được mô hình bằng chuyển mạch có điện trở khi đóng mạch là
r
DS1

và r
DS2
. Xét các van đóng cắt với chu kỳ làm việc 50%.
Chỉnh lưu biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu có thể được thay thế bằng nguồn
dòng xung vuông như hình 2-8 (b). Vì thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào xung
vuông trùng pha với điện áp đầu vào của chỉnh lưu nên phía chỉnh lưu có thể thay thế
bằng điện trở vào của nó như hình 2-8 (c).

Hình 2-10 Bộ biến đổi cộng hưởng LCC
a- Mạch LCC với chỉnh lưu biến áp có điểm giữa
b- Mạch tương đương với chỉnh lưu được thay bằng nguồn dòng xung vuông
c- Mạch tương đương với chỉnh lưu được thay bằng điện trở vào của nó

Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


20
Giả thiết tổn thất chuyển mạch có thể bỏ qua do thỏa mãn điều kiện chuyển mạch
mềm và dòng điện chạy qua cuộn cảm cộng hưởng là hình sin, sử dụng phương pháp xấp
xỉ hình sin ta sẽ có được các phân tích về bộ biến đổi LCC ở chế độ xác lập.
2.3.2. Hàm truyền đạt áp
a) Hàm truyền đạt áp của khối van điều khiển
Điện áp đầu vào khối cộng hưởng v
DS2
là xung vuông có biên độ V
I
cho bởi:

2
, 0< t

0, < t 2
I
DS
V
v

  






(2.1)
Thành phần sóng hài cơ bản của nó là
1
sin
im
v V t


, ở đây:
2
0,6366
m I I
V V V


(2.2)
Vì vậy, giá trị hiệu dụng của v

i1
là
/ 2 2 / 0,4502
rms m I I
V V V V

  
. Hàm truyền đạt
áp từ V
I
đến thành phần cơ bản tại đầu vào của khối cộng hưởng là :
1
2
0,4502
rms
I
I
V
M
V

  
(2.3)
b) Hàm truyền đạt áp của khối cộng hưởng
Dựa vào mạch điện tương đương 2-10 (c) ta tính được hàm truyền đạt áp của khối cộng
hưởng như sau:
Điện trở vào của mạch cộng hưởng là:
Z
i
= L nt C

1
nt ( C
2
// R
i
) (2.4)
Điện trở ra của mạch hưởng là:
Z
o
= (C
2
// R
i
) (2.5)
Hàm truyền của mạch cộng hưởng là:
22
2
0
0 L 0
1
ω
ω 1 ω A
(1+A)[1-( ) ]+j ( - )
ω Q ω ω A+1
j
Ri
II
rms
V
M M e

V

  
(2.6)
Với
2
2 2 2 2
0
2
0 L 0
1
ω
ω 1 ω A
(1+A) [1-( ) ] + ( - )
ω Q ω ω A+1
I
M 
(2.7)
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


21
0
L0
2
0
ω
1 ωA
(-
Q ω ω A+1

φ=-arctan
ω
(1+A)[1-( ) ]
ω







(2.8)
Trong đó A = C
2
/C
1
, C = C
1
C
2
/(C
1
+C
2
) = C
2
/(1+A) = C
1
/(1+1/A), 
0

= 1/ LC là tần
số góc, V
Ri
là giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào chỉnh lưu.
00
/
L i i
Q CR R L


là hệ số phẩm chất của mạch hay điện trở tải chuẩn hóa của bộ
nghịch lưu.
Như vậy biên độ hàm truyền điện áp của bộ nghịch lưu là:

Ri
I I1 I2
2 2 2 2
0
2
0 L 0
V2
| M | M . M
ω
ω 1 ω A
(1+A) [1-( ) ] + ( - )
ω Q ω ω A+1
I
V

  

(2.9)
Hình 2-11 thể hiện đặc tính khuếch đại áp của khối cộng hưởng với các tải khác nhau và
các giá trị A khác nhau. Khi giá trị tụ nối tiếp C
1
rất lớn so với giá trị tụ song song C
2
thì
A0, mạch hoạt động như bộ biến đổi song song (hình 2-11a).

(a)
Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge.


22

(b)

(c)
Hình 2-11 Tỉ số biến đổi điện áp của khối cộng hưởng
a- Với A=0
b- Với A=0,5
c- Với A=1