Thiết kế mạch động lực cho bộ microinverter

THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC CHO BỘ
MICRO-INVERTER
3.1. Tổng quan bộ micro-inverter
Sơ đồ tổng quan của bộ micro-inverter được trình bày trong hình 3.1
Cách ly
Pha 1

Nghịch lưu 100/120 Hz
(1)
CT

Pin mặt trời
(20–45 VDC)

Bộ lọc EMI
Pha 2

Lưới điện
một pha

Tụ
Tụ lọc
lọc

4

CT

(1)
Pin mặt
trời

Mạch đệm
pha 1

Mạch đệm
pha 2

Mạch lọc
thông thấp

Mạch lọc
thông thấp

Biến áp xung
(1:1:1)

Mạch lọc
thông thấp
Biến áp xung
(1:1:1)

Cách ly quang
(4 kênh)

Nguồn
kiểu buck
Mạch đệm
12V
Nguồn
kiểu buck

5V

Điện áp pin mặt trời (ADC)
Dòng điện flyback 1 (ADC)
Dòng điện flyback 2 (ADC)
Dòng điện flyback 1 (CMP)
Dòng điện flyback 2 (CMP)

Nguồn phụ

Biến
dòng

Biến
điện áp

OP
AMP

OP
AMP

dsPIC33FJ16GS504

8

LDO
3,3V

L,N trước

bộ lọc EMI

Mạch lọc
thông thấp

Cảm biến
nhiệt độ

Cổng truyền thông

Hình 3.1. Sơ đồ tổng quan bộ micro-inverter
Mạch tăng điện áp một chiều (flyback converter) có nhiệm vụ nâng điện áp một chiều
từ pin mặt trời lên đến điện áp chỉnh lưu AC. Mạch nghịch lưu cầu có chức năng biến đổi
điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cung cấp cho tải.
Các thông số cơ bản của bộ micro-inverter:


 Hiệu suất: 95%
 Dò công suất cực đại: 99,5%
 Công suất ra cực đại: 215W
 Điện áp lưới 210 VAC - 264 VAC, 50 hoặc 60 Hz
 Điện áp đầu vào 25 VDC-45 VDC (20 VDC - 25 VDC giảm điện công suất ra)
 Cách ly về điện giữa lưới và pin mặt trời
3.2. Tụ lọc đầu vào của mạch flyback
Tụ lọc ở đầu vào có tác dụng như kho lưu trữ năng lượng giữa đầu ra và đầu vào, cân
băng năng lượng tức thời trong hệ thống. Vì năng lượng từ pin mặt trời là hằng số (trong
thời gian ngắn) nên để truyền tải được năng lượng tối đa từ tấm pin thì năng lượng ở đầu
ra phải tương ứng với đầu vào.
Bộ micro-inverter cung cấp dòng điện sin cho lưới với hệ số công suất ≈ 1. Độ lệch
pha giữa điện áp và dòng điện là (∅ ≈ 0). Công suất tức thời của bộ micro-inverter được

tính theo công thức sau:
𝑃𝑜𝑢𝑡 (𝑡) = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐶𝑂𝑆(𝜔𝑡) ∙ 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝐶𝑂𝑆(𝜔𝑡 − ∅)

(3.1)

Từ phương trình (3.1) với ∅ = 0 ta nhận được:
1

1

2

2

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐼𝑜𝑢𝑡 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐼𝑜𝑢𝑡 cos(2𝜔𝑡)

(3.2)

Bên cạnh chức năng lưu trữ năng lượng tụ lọc đầu vào còn có nhiệm vụ giảm điện áp
nhấp nhô từ pin mặt trời nhằm mục đích tăng hệ số sử dụng năng lượng từ tấm pin (hệ số
sử dụng năng lượng đạt 99%). Nếu độ nhấp nhô của điện áp lớn thì điểm hoạt động của
pin mặt trời cách xa điểm công suất cực đại như trong hình 3.2.


Hình 3.2. Ảnh hưởng của điện áp nhấp nhô lên pin mặt trời.
Độ nhấp nhô điện áp cho phép để đạt được hệ số sử dụng năng lượng theo yêu cầu
được tính theo công thức sau [3]:

∆𝑢𝑚𝑎𝑥 = √

(𝐾𝑝𝑣−1)∙2∙𝑃𝑀𝑃𝑃
3∙𝛼∙𝑈𝑀𝑃𝑃 +𝛽

(3.3)

Trong đó: Kpv – hệ số sử dụng công suất
PMPP – Công suất tại điểm công suất cực đại
α − Hệ số theo công thức taylor [3]
β − hệ số theo công thức Taylor[3]
Biên độ tối đa cho phép của điện áp nhấp nhô được tính phụ thuộc vào hệ số sử dụng
công suất yêu cầu, công suất tại điểm công suất cực đại, tùy vào các thời điểm khác nhau,
các loại pin mặt trời khác nhau thì ∆𝑢𝑚𝑎𝑥 cũng thay đổi. Để thuận tiện trong tính toán
chọn theo [3] chọn ∆𝑢𝑚𝑎𝑥 = 1.5𝑉 với Kpv = 0.995, PMPP = 240W, VMPP = 30V, hệ số α
và β phụ thuộc vào đặc tính của pin mặt trời chọn α=-0.0161, β=1.0276.
Dòng điện qua tụ có tần số bằng 2 lần tần số của lưới (50Hz) và được tính như (3.4),
với IMPP dòng điện ứng với điểm công suất cực đại, 𝜔 là tần số góc của lưới điện.
𝑖𝑐𝑝𝑣 = 𝐼𝑀𝑃𝑃 ∙ cos(2𝜔𝑡 )
(3.4)
Điện áp đặt trên tụ lọc
𝑢𝑐 = 𝑈𝑀𝑃𝑃 + ∆𝑢𝑡 = 𝑈𝑀𝑃𝑃 +

𝐼𝑀𝑃𝑃
∫ cos(2𝜔𝑡) 𝑑𝑡
𝐶𝑝𝑣


= 𝑈𝑀𝑃𝑃 +

𝐼𝑀𝑃𝑃
𝐶𝑝𝑣 ∙2𝜔

sin(2𝜔𝑡)

(3.5)

Điện áp nhấp nhô đại giá trị cực đại khi 𝜔𝑡 = 𝜋⁄4.

∆𝑢𝑚𝑎𝑥 =

𝐼𝑀𝑃𝑃
2𝜔𝐶𝑝𝑣

=

𝑃𝑀𝑃𝑃
2𝜔𝐶𝑝𝑣 𝑈𝑀𝑃𝑃

(3.6)

Từ (4.6) ta có giá trị yêu cầu của tụ lọc là:
𝑃𝑀𝑃𝑃
240
𝐶𝑝𝑣 =
=
= 8.48 (𝑚𝐹)
2𝜋𝑓𝑈𝑀𝑃𝑃 ∆𝑢𝑚𝑎𝑥 2𝜋 ∙ 100 ∙ 30 ∙ 1.5
Vì các tụ phân cực có sai số đến 20% nên để đảm bảo hoạt động của bộ microinverter tụ lọc đầu vào được chọn thêm lượng dự trữ 20%, giá trị của các tụ lọc cần chọn
là:
𝐶𝑝𝑣 = 8.48 + 8.48 ∙ 0.2 = 10.17 (𝑚𝐹)
Chọn 5 tụ có điện dung 2.2mF,mã UPW1J222MHD, điện áp định mức 63V, tuổi thọ

8000 giờ ở nhiệt độ 105ᵒC. Dòng điện nhấp nhô định mức ở 100kHz là 3.2A, ở 120Hz là
2.72A.
3.3. Mạch tăng áp DC-DC ( flyback converter)
Mạch biến đổi flyback có nhiệm vụ tăng điện áp một chiều từ pin mặt trời (20-45
VDC) lên đến điện áp xoay chiều đầu ra. Ngoài ra mạch flyback còn có chức năng cách
ly về điện giữa pin mặt trời và lưới điện. Bộ biến đổi flyback thường được sử dụng trong
các bộ biến đổi giảm áp DC-DC với công suất cỡ hai trăm watt trở xuống và dòng đầu ra
nhỏ. Bộ biến đổi forward cũng có thể dùng để tăng điện áp một chiều. So sánh hai sơ đồ
biến đổi thì sơ đồ biến đổi kiểu flyback có số linh kiện ít hơn, không yêu cầu diode song
song ngược hoặc cuộn kháng lọc đầu ra, vì vậy sơ đồ flyback được chọn để sử dụng trong
đề tài.


Vấn đề khó khăn nhất của sơ đồ flyback là làm sao giảm được năng lượng rò rỉ. Khi
mosfet Q1 chuyển sang trạng thái khóa (hình 3.3), khi đó trong lõi thép vẫn còn lượng
lớn năng lượng chưa được chuyển sang cuộn thứ cấp. Năng lượng còn lại này tạo nên
xung điện áp lớn đặt lên Q1 và có thể phá hủy van bán dẫn. Thông thường một mạch bảo
vệ bao gồm điện trở, tụ điện và diode (RCD) được thêm vào ở phía sơ cấp máy biến áp
nhằm tiêu tán phần năng lượng dư thừa này (phát nhiệt qua điện trở). Mạch bảo vệ RCD
giúp bảo vệ cho khóa bán dẫn nhưng lại làm giảm hiệu suất của hệ thống.
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch active clamp flyback

Để tăng hiệu suất hệ thống mà vẫn đảm bảo an toàn cho khóa bán dẫn mạch bảo vệ
RCD được thay thế bằng mạch active clamp (mạch ghim điện áp tích cực). Trong quá
trình khóa van Q1 thì xung điện áp được phóng qua tụ Cclamp, nhờ đó phần năng lượng dư
thừa được tích trữ trong tụ Cclamp sau đó được truyền sang phía thứ cấp. Ngoài ra mạch
active clamp còn có thể cung cấp chức năng chuyển mạch điểm không (ZVS), làm giảm
tổn hao năng lượng trong quá trình đóng cắt của khóa điện tử nâng cao hiệu suất của toàn
hệ thống.
Trong hình 3.3 cuộn cảm dò của máy biến áp flyback được xem như một phần tử độc

lập.


Hình 3.3. Dạng sóng của sơ đồ active clamp flyback
Trong mạch tăng áp DC-DC sử dụng hai bộ flyback nối song song với nhau, với sơ
đồ này dòng điện đầu ra và đầu vào sẽ được chia đều cho hai máy biến áp flyback nhờ đó
giảm được tổn hao sắt và tổn hao đồng trong máy biến áp, tổn hao ở diode D1, D2 ở phía
thứ cấp của máy biến áp. Ngoài ra với sơ đồ nối song song này độ nhấp nhô của dòng
điện đầu ra được giảm đáng kể dẫn đến giảm được sóng hài bặc cao ở đầu ra và tăng thời
gian làm việc của tụ lọc đầu vào.


Máy biến áp flyback được thiết kế để hoạt động trong cả chế độ dòng gián đoạn
(DCM) và chế độ dòng liên tục (CCM). Khi tải nhỏ bộ biến đổi hoạt động ở chế độ dòng
dán đoạn, và chuyển sang chế độ dòng liên liên tục với tải lớn hơn. Ở chế độ dòng liên
tục dòng điện đỉnh ở đầu ra và đầu và máy biến áp bé hơn hai đến ba lần so với chế độ
dòng gián đoạn. Ngoài ra khi hoạt động ở chế độ dòng liên tục còn có các ưu điểm sau:
 Tụ lọc đầu ra nhỏ hơn
 Giảm tổn thấy trên diode D1, D2
 Điện áp đỉnh ở đầu ra nhỏ hơn
 Mạch lọc EMI hoạt động tốt hơn
Hình 3-3 trình bày dạng sóng hoạt động của bộ chuyển đổi active clamp flyback
trong chế độ dòng liên tục. Để tiện trong việc phân tích quá trình hoạt động của bộ biến
đổi một chu kỳ được chia là sáu khoảng thời gian từ t0 đến t5.
 Khoảng thời gian t0
Trong khoảng thời gian này mosfet Q1 dẫn và Q2 khóa. Diode D1 bị phân cực ngược
do sức điện động phía thứ cấp máy biến áp TX1 đang âm. Tải được cấp nguồn nhờ tụ đầu
ra ở phía thứ cấp TX1
 Khoảng thời gian t1
Khoảng thời gian t1 bắt đầu từ thời điểm Q1 chuyển sang trang thái khóa, Q2 chuyển

sang trạng thái dẫn và có thể chia thành hai giai đoạn.
Giai đoạn thứ nhất bắt đầu từ thời điểm Q1 chuyển sang trạng thái khóa đến khi điện
áp trên Q1 tăng đến giá trị lớn nhất. Khi Q1 chuyển sang trạng thái khóa dòng điện trong
mạch phía sơ cấp tiếp tục chuyển động theo hướng cũ (vì mạch sơ cấp có tính cảm).
Dòng điện này nạp cho tụ ký sinh trên Q1 đến điện áp bằng VnQ1 = VPV + Vout/N (N là tỉ
số biến áp của TX1). Do cực tính của sức điện động cảm ứng đổi dấu nên diode đầu ra
D1 được phân cực thuận, phần năng lượng được tích lũy trong mạch từ được chuyển sang
phía thứ cấp để cung cấp cho tải và nạp lại cho tụ điện đầu ra của mạch flyback.
Giai đoạn thứ hai bắt đầu sau khi tụ ký sinh của Q1 đã được nạp đầy cho đến thời
điểm cấp xung mở cho Q2. Sau khi nạp đầy tụ ký sinh của Q1 dòng điện phía sơ cấp tiếp


tụ đi qua tụ Cclamp làm cho diode nối song song với Q2 được phân cực thuận, phần năng
lượng còn lại bắt đầu được tích trữ trong tụ Cclamp.
 Khoảng thời gian t2
Trong khoảng thời gian này mosfet Q2 chuyển sang trạng thái dẫn với điện áp đặt
trên mosfet gần bằng không (chuyển mạch điểm không), vì diode nối song song ngược
đang được phân cực thuận. Diode đầu ra D1 phân cực thuận năng lượng phía thứ cấp
dùng để cung cấp cho tải và nạp tụ điện đầu ra. Điện kháng dò (Lleakage) và tụ Cclamp cộng
hưởng năng lượng từ cuộn dây chuyển sang cho tụ điện phương trình 3.7 xác định tần số
cộng hưởng của mạch LC

𝑓𝑟 =

1
2𝜋√𝐿𝑙𝑒𝑎𝑘𝑎𝑔𝑒 ∙𝐶𝑐𝑙𝑎𝑚𝑝

(3.7)

Khoảng thời gian t2 kết thúc khi toàn bộ năng lượng trong cuộn dây Lleakage được

chuyển hết sang tụ Cclamp.
 Khoảng thời gian t3
Trong khoảng thời gian này Q2 phải được chuyển sang trạng thái dẫn để mạch LC
tiếp tục cộng hưởng, lúc này năng lượng lại được chuyển từ Cclamp sang Lleakage, D1 vẫn
phân cực thuận và năng lượng tích lũy trong Cclamp được chuyển sang phía thứ cấp. Năng
lượng dư thừa do điện kháng dò gây nên được tái sử dụng
 Khoảng thời gian t4
Khoảng thời gian t4 thực ra là khoảng thời gian các khóa điện tử đều ở trạng thái
khóa (dead time). Mosfet Q2 nên chuyển sang trạng thái khóa tại thời điểm dòng điện do
năng lượng chuyển từ tụ Cclamp sang Lleakage đạt giá trị cực đại nhằm chuyển dòng điện này
sang diode bảo vệ của Q1 làm cho diode được phân cực thuận tạo đường xả cho tụ ký
sinh trên Q1. Trong suốt thời gian này thì diode đầu ra vẫn phân cực thuận.
 Khoảng thời gian t5
Trong khoảng thời gian này mosfet Q1 chuyển sang trạng thái dẫn với chuyển mạch
điểm không. Diode đầu ra bị đặt điện áp ngược nên phân cực ngược, tải lúc này được cấp
dòng từ tụ đầu ra.


3.3.1. Tính chọn thông số cho mạch flyback
Mạch flyback phải có khả năng nâng điện áp một chiều từ pin mặt trời (nhỏ nhất 19
VDC) lên đến điện áp đỉnh của lưới điện (375 V). Bộ biến đổi được thiết kế để hoạt động
với tỉ số chu kỳ tối đa là 0.75 từ đó ta có quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của bộ biến đổi
là

𝑉𝑜𝑢𝑡 =
Trong đó:

𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛 ∙𝑁∙𝐷𝑚𝑎𝑥
(1−𝐷𝑚𝑎𝑥 )

(3.8)

Vout – điện áp ra của bộ chuyển đổi, 375V
Vimin – điện áp vào tối thiểu, 19 V
N – Tỉ số vòng dây
Dmax – tỉ số chu kỳ lớn nhất, 0.75

Từ (3.8) ta có:
𝑁=

𝑉𝑜𝑢𝑡 (1 − 𝐷𝑚𝑎𝑥 ) 375 ∙ (1 − 0.75)
=
= 6.78 (𝑣ò𝑛𝑔)
𝐷𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛
0.75 ∙ 19

Chọn tỉ số vòng dây N = 7.
3.3.2. Chọn khóa bán dẫn.
Khi lựa chọn mosfet cần phải thõa mãn các thông số sau:
 Điện áp lớn nhất đặt lên khóa bán dẫn
Theo cấu trúc của mạch flyback thì điện áp lớn nhất đặt lên khóa bán dẫn Vds được
tính theo công thức sau:
𝑉𝑑𝑠 = 𝑉𝑖𝑛 + 𝑉′𝑜𝑢𝑡 + 𝑉𝑙𝑒𝑎𝑘𝑎𝑔𝑒
Trong đó:

Vin
𝑉′out

(3.9)

Điện áp đầu vào, lớn nhất 55 V
Điện áp cảm ứng từ phía thứ cấp khi diode đầu ra phân cực
thuận 𝑉′out = 375/7 ≈ 54 V.


Vleakage Xung điện áp sinh ra từ từ thông rò của cuộn sơ cấp, xung
điện này phụ thuộc vào từ thông rò của máy biến áp và có độ
lớn cỡ 30 – 35 V khi đầy tải.
Thay số vào (3.9) ta được:
𝑉𝑑𝑠 = 55 + 54 + 35 = 144 (𝑉 )
 Dòng điện lớn nhất qua mosfet
Khóa bán dẫn được lựa chọn phải có khả năng chịu được dòng điện liên tục cũng như
dòng đỉnh trong quá trình hoạt động, vì chu kỳ xung được điều biến sin nên dòng điện
liên tục qua mosfet cũng có dạng sin. Với điện áp đầu vào đạt giá trị nhỏ nhất (25 V) thì
dòng điện trung bình cực đại qua mosfet là 10 A. Dòng điện vào lớn nhất
10/Dmax=10/0.75=13.3 A. Do đó dòng điện đỉnh của điều chế sin là 13.3x1.414 = 18.81
A. Vì dòng điện tăng tuyến tính khi mosfet bắt đầu chuyển sang trạng thái dẫn nên dòng
điện nhấp nhô qua mosfet cũng là 18.81 A. Vậy dòng điện đỉnh lớn nhất qua mosfet với
độ dự trữ 20% cho mỗi mạch flyback là.
18.81 + 18.81 ∙ 0.2
𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘𝑚𝑎𝑥 =
= 11.3 (𝐴)
2
Mosfet được chọn cũng cần đảm bảo có điện trở ở trạng thái dẫn bão hòa Rds(on) nhỏ
để giảm tổn hao, thông thường chọn Rds(on) < 20 mΩ. Tổn hao ở mạch kích phụ thuộc vào
giá trị điện tích ở cực cổng Qg, thường chọn Qg <110 nC với tần số 114 kHz.
Từ các tính toán và phân tích trên, chon mosfet cho mạch flybak là loại IRFB4321 có
các thông số sau:
Vds = 150V, ID = 85A, Rds(on) = 12 mΩ, Qg = 110 nC.
3.3.3 Máy biến áp flyback

Máy biến áp flyback được thiết kế dựa trên phương pháp tích số diện tích (Wa.Ac) để
thỏa mãn các yêu cầu sau:
 Điện áp vào nhỏ nhất: 19 VDC
 Điện áp ra lớn nhất: 375 V
 Công suất ra lớn nhất (Vpv > 25V): 215W
 Dòng điện phía thứ cấp: 1.05 A.
 Tỉ số chu kỳ tối đa: 0.75


 Tần số: 57 kHz
 Từ cảm hổ cảm: 55 𝜇𝐻
 Từ cảm tự cảm: 1.3 𝜇𝐻
 Năng lượng tích trữ trong lõi thép lớn nhất: 5.5mJ
 Cách ly về điện 3kVA.
Trong bộ biến đổi flyback thì máy biến áp flyback là phần tử quan trọng nhất, nó
quyết định hiệu suất của bộ biến đổi, khả năng ổn định đầu ra, và nhiễu. Trái ngược với
máy biến áp thường máy biến áp flyback đóng vai trò như một cuộn cuộn cảm dùng để
lưu trữ năng lượng. Trong các máy biến áp thường dòng điện chạy trong các cuộn dây
cùng thời điểm nhưng trong máy biến áp flyback dòng điện chỉ chạy trong cuộn sơ cấp
trong quá trình nạp, và ở cuộn thứ cấp trong quá trình xả. Thông thường khe hở không
khí được đưa vào giữa mạch từ để tăng khả năng lưu trữ năng lượng.
a) Chọn mạch từ
Vật liệu dẫn từ được chọn dựa theo tần số, tổn thất, mật độ từ trường tối. Theo hướng
dẫn chọn vật liệu từ hãng Ferroxcube vật liêu ferrite 3C90 có từ cảm bảo hòa là 470 mT.
Từ thông số tổn thất ta có thể tính được cảm ứng từ cực đại theo công thức sau: với Pl
là mật độ tổn thất theo khối lượng mạch từ. 150 mW/cm3 đối với 3C90 (theo datasheet
của nhà sản xuất).
𝑑
𝑃𝑙 = 𝑎 ∙ 𝑓 𝑐 ∙ 𝐵𝑚𝑎𝑥
(3.9)

Các hệ số trong phương trình (3.9) với vật liệu và tần số khác nhau được cho ở bảng

3.1.
Bảng 3.1. Hệ số áp dụng cho phương trình tổn thất sắt từ [6].
Vật liệu
R, 35G, N87, 3C90

P, 45G, N72,
3C85
F, 25G, N41,
3C81

Tần số (f)

a

c

d

f<100 kHz

0,074

1,43

2,85

100 kHz ≤ f< 500 kHz

0,036

1,64

2,68

f ≥500 kHz

0,014

1,84

2,28

f< 100 kHz

0,158

1,36

2,86

100 kHz ≤ f< 500 kHz

0,0434

1,63

2,62

f ≥ 500 kHz

7,36e-7

3,47

2,54

f < 10 kHz

0,790

1,06

2,85

10 kHz ≤ f< 100 kHz

0,0717

1,72

2,66

100 kHz ≤ f< 500 kHz

0,0573

1,66

2,68


f ≥500 kHz

0,0126

1,88

2,29

Thay các hệ số vào (3.9) với Pl = 150 mW, f = 57hHz ta được từ cảm cực đại, cảm
ứng từ cực đại phải nhỏ hơn một nữa của từ cảm bão hòa vì lõi thép sẽ bị quá nhiệt nếu
mật độ từ thông gần giá trị bão hòa.
1
𝑑

𝐵𝑚𝑎𝑥 = (

1
2.85

𝑃𝑙
150
)
𝑐) = (
𝑓
570001.43
𝑎 ∙ (1000)
0.074 ∙ 1000

= 1902 𝐺 ≈ 190 𝑚𝑇

Để chọn được kiểu mạch từ phù hợp tích số diện tích được tính theo phương trình
(3.10)[6], phương trình này có được từ phương trình liên kết từ thông (ψ=N *∅) và khả
công suất của lõi thép, đó là tích số của diện tích cửa sổ, Wa, và diện tích của mặt cắt
ngang lõi từ, Ac.
𝑊𝑎 𝐴𝑐 =
Trong đó:

108 ∙𝑃𝑜𝑚𝑎𝑥
𝐾𝑡 ∙∆𝐵∙𝑓∙𝐽

(3.10)

Pomax là công ra cực đại : 215 W

∆𝐵 bằng với từ cảm cực đại Bmax, trình bày trong hình 3.4
J là mật độ dòng điện trong dây quấn, chọn J=400 A/cm2
Kt là hệ số sử dụng cửa sổ, chọn 0,254.
Thay số vào (3.10) ta được:
108 ∙ 215
𝑊𝑎 𝐴𝑐 =
= 1,93 𝑐𝑚4
0,254 ∙ 1902 ∙ 57000 ∙ 400
Kích thước lõi thép được chọn phải có tích số diện tích lớn hơn kết quả từ (3.10).
Chọn lõi RM14 có tích số diện tích là 2,22 cm4.


Hình 3.4. Đường cong từ hóa của mạch từ

b) Tính toán dây quấn
Số vòng dây cuộn sơ cấp:
108 ∙ 𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛 𝐷𝑚𝑎𝑥
108 ∙ 19 ∙ 0,75
=
≈ 6 (𝑣ò𝑛𝑔)
∆𝐵 ∙ 𝐴𝑐 ∙ 𝑓
1902 ∙ 1,98 ∙ 57000
Tiết diện dây quấn sơ cấp:
𝐼𝑝 11 ∙ 100
𝑆𝑝 = =
= 2,25 (𝑚𝑚2 )
𝐽
400
Vì dòng điện ở cuộn sơ cấp có giá trị lớn nên phía sơ cấp được quấn bằng đồng lá.
𝑁𝑝 =

Số vòng dây cuộn thứ cấp:
𝑁𝑠 = 𝑁𝑝 ∙ 𝑁 = 6 ∙ 7 = 42 (𝑣ò𝑛𝑔)
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
𝐼𝑠 1.05 ∙ 100
𝑆𝑠 = =
= 0.262 (𝑚𝑚2 )
𝐽
400
c) Khoảng cách khe hở không khí
Từ cảm cực đai của cuộn sơ cấp
∆𝐵 ∙ 𝑁𝑝 ∙ 𝐴𝑐𝑚𝑖𝑛 0.1902 ∙ 6 ∙ 168
𝐿𝑝𝑚𝑎𝑥 =
=

= 19,17 (𝜇𝐻)
𝐼𝑝𝑚𝑎𝑥
10
Hệ số điện cảm AL
𝐿𝑝𝑚𝑎𝑥 19,17
=
= 532,5 (𝑛𝐻 )
𝑁2
62
Từ hệ số điện cảm AL ta có chiều dài khe hở ứng với mạch từ RM14 là 1.27 mm
𝐴𝐿 =

Hình 3.4: Sơ đồ quấn dây máy biến áp flyback.


3.3.4. Diode chỉnh lưu phía thứ cấp máy biến áp
Các diode công suất cần thời gian nhất định để chuyển từ trạng thái khóa sang trạng
thái dẫn và ngược lại. Thời gian cần thiết để chuyển giữa hai trạng thái và đặc tính dòng
áp trong quá trình chuyển đổi ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. Để đảm bảo hoạt
động của hệ thống các diode công suất được chọn dựa trên các yêu cầu sau:
 Điện áp đánh thủng
Điện áp lớn nhất có thể ở phía thứ cấp máy biến áp:
𝑉𝑠𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑁𝑠 ⁄𝑁𝑝 = 55 ∙ 7 = 385 (𝑉 )
Điện áp đỉnh của lưới
𝑉𝑔𝑝𝑒𝑎𝑘 = 264 ∙ 1,414 ≈ 373 (𝑉 )
Điện áp lớn nhất đặt lên diode Vbr = Vsmax + Vgpeak = 385+373 = 758 (V)
Do máy biến áp thành phần tự cảm của cuộn dây, điện cảm ký sinh trong diode nên
sẽ gây các xung điện áp cao trong quá trình chuyển mạch. Do đó điện áp đánh thủng
được chọn với độ dự trữ 30%, nghĩa là phải lớn hơn 985V.
 Dòng điện trung bình cho phép

Dòng điện trung bình qua diode được tính theo công thức sau:
𝜋

𝐼𝑎𝑣𝑔

1 4
2𝜋
2 ∙ 𝐼𝑜𝑚𝑎𝑥 ∙ √2 2 ∙ √2 ∙ 𝑃𝑜𝑢𝑡 2 ∙ √2 ∙ 215
= ∫ √2 ∙ 𝐼𝑜𝑚𝑎𝑥 cos ( 𝑡) =
=
=
𝜋 0
𝑇
𝜋
𝜋𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛
𝜋 ∙ 210
= 0,92 (𝐴)

 Dòng điện đỉnh
Dòng điện đỉnh qua diode được tính từ dòng điện đỉnh qua mosfet flyback và tỉ số
biến áp của máy biến áp.
𝑁𝑠
6
𝐼𝑝𝐷 = 𝐼𝑝𝑀 ∙
= 11,3 ∙
= 1.61 (𝐴)
𝑁𝑝
42
Chọn diode Schottky C4D08120A có điện áp đánh thủng 1200V, dòng điện trung
bình cực đại 11,3A. Thời gian chuyển mạch cực nhanh.

3.4 Mạch nghịch lưu cầu


Mạch nghịch lưu cầu được nối từ đầu ra của mạch tăng áp flyback và có nhiệm vụ
chuyển hai nữa dòng sin từ đầu ra của mạch flyback sang dòng sin để cung cấp cho lưới.
sơ đồ mạch được trình bày trong hình 3.5

Hình 3.5 Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu
Hoạt động: Từ đầu ra của mạch flyback điện áp và dòng điện có dạng hai nửa hình
sin nhờ mạch cầu nghịch lưu sẽ chuyển đổi thành tín hiệu có dạng sin đồng pha với điện
áp lưới. Các khóa điện tử trong mạch chuyển mạch khi dòng điện và điện áp gần bằng
không nên giảm được tổn thất trong quá trình chuyển mạch.
 Điện áp đánh thủng
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên khóa bán dẫn bằng điện áp của lưới. Điện áp cực đại
của lưới Vgmax = 264*1,414 = 374 V.
 Dòng điện trung bình
𝜋

𝐼𝑄2

1 2
√2𝐼𝑜𝑚𝑎𝑥
√2𝑃𝑜𝑢𝑡
√2 ∙ 215
∫ 𝐼𝑜𝑚𝑎𝑥 ∙ √2 cos(𝜃) 𝑑𝜃 =
=
=
=
= 0,23 (𝐴)
2𝜋 0

2𝜋
2𝜋𝑉𝑔𝑚𝑖𝑛 2𝜋 ∙ 210


Chọn mosfet IPW60R190C6 của hãng Infineon Technologies có điện áp đánh thủng
600 V, Dòng điện liên tục 12 A, điện tích cực cổng 64 nC, Điện trở dẫn bão hòa RDS(on) =
19mΩ.

Hình 3.6. Dạng sóng điện áp trước (trên) và sau (dưới) sau khi qua mạch nghịch lưu
3.5 Bộ lọc EMI
Thông số bộ lọc EMI được chọn theo phương pháp thực nghiệm cho các bộ nguồn
xung để thỏa mãn các yêu cầu triệt tiêu sóng hài bậc cao.
Tần số dao động của mạch lọc EMI để thỏa mãn được yêu cầu giảm biên độ 10 dB
đối với giải tần từ 10 Hz đến 150 kHz và hơn 20 dB trong giải tần từ 150 kHz đến 30
MHz.
Tần số dao động của mạch lọc common-mode được tính theo công thức sau [7]:

𝑓𝑅𝐶𝑀 =

1
2𝜋√𝐿𝐶𝑀 𝐶𝐶𝑀

1

=

1

2𝜋√(𝐿𝑐 +2𝐿𝑑).2𝐶𝑦

Tần số mạch lọc diferential-mode [7]:

≅

1
2𝜋 √𝐿𝑐 .2.𝐶𝑦

(3.11)


𝑓𝑅𝐷𝑀 =

1
2𝜋√𝐿𝐷𝑀 .𝐶𝐷𝑀

=

1

(3.12)

2𝜋√2𝐿𝑑 𝐶𝑥

Trong đó:
LCM điện cảm của cuộn lọc common-mode (H).
CCM điện dung của tụ lọc common-mode (F)
LDM điện cảm của cuộn lọc common-mode (H)
CDM điện dung tụ lọc differential-mode (F).
Theo hướng dẫn chọn đối với các bộ nguồn xung là fRCM = 30kHz và

fRDM

= 80 kHz

[7].
Các tụ điện được chọn để thỏa mãn yêu cầu dòng điện dò ở mức cho phép. Chọn Cx
= 0,015 𝜇F và Cy = 4700 pF.
Điện cảm của cuộn kháng lọc common-mode là:
1
𝐿𝑐 =
= 3 𝑚𝐻
2. 𝐶𝑦 . (𝑓𝑅𝐶𝑀 . 2. 𝜋)2
Chọn cuộn lọc common-mode có điện cảm là 3.3 mH và dòng điện định mức 2,5A
Điện cảm của cuộn kháng lọc differential-mode là:
1
𝐿𝑑 =
= 132 𝜇𝐻
2. 𝐶𝑥 . (𝑓𝑅𝐷𝑀 . 2. 𝜋)2
Chọn cuộn lọc differential-mode có điện cảm là 150 𝜇𝐻 dòng điện định mức 3,9 A
Bộ lọc EMI với các thông số cụ thể được trình bày trong hình 3.7

Hình 3.7. Sơ đồ bộ lọc EMI


Kết luận: Chương 3 trình bày cách tính chọn linh kiện công suất cho bộ microinverter trong đó có mạch tăng áp một chiều, mạch nghịch lưu cầu và mạch lọc EMI.
Linh kiện công suất được tính chọn dựa theo các thống số tính toán của bộ microinverter, kết quả mô phỏng (chương 5) và một số phương pháp thực nghiệm thao khảo từ
các bài báo khoa học. Chương 4 sẽ trình bày chi tiết tính chọn linh kiện cho mạch điều
khiển.