NGHIÊN cứu THIẾT kế bộ NGUỒN ĐÓNG cắt HIỆU SUẤT CAO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐOÀN VĂN KHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT HIỆU SUẤT CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học
nào trước đó.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi đều được chỉ rõ
nguồn gốc.

Tác giả

Đoàn Văn Khương

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

P

Real power

Công suất tác dụng

Q

Reactive power

Công suất phản kháng

S

Apparent Power

Công suất biểu kiến

W

Watt

Đơn vị công suất tác dụng

Watt hours
Volt Ampere

Volt-ampere reactive
Alternating Current
Direct current
Power Factor
Power Factor Correction
Zero voltage switching
Zero current switching
Uninterruptible Power Supply
Pulse width modulation
Total harmonic distortion

Đơn vị điện năng tiêu thụ
Đơn vị công suất biểu kiến
Đơn vị công suất phản kháng
Điện xoay chiều
Điện một chiều
Hệ số công suất
Bộ điều chỉnh hệ số công suất
Chuyển mạch không điện áp
Chuyển mạch không dòng điện
Bộ nguồn liên tục
Điều biến độ rộng xung
Tổng méo sóng hài

Wh
VA
VAr
AC
DC
PF

PFC
ZVS
ZCS
UPS
PWM
THD

3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................................8
1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................................9
* Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện .................................................10
1.2. Các vấn đề về chuyển mạch van [3], [4], [5].........................................................................11
1. Chuyển mạch cứng (hard switching)...................................................................................11
2. Mạch bảo vệ van (Snubber circuit).....................................................................................13
3. Chuyển mạch mềm (soft switching).....................................................................................15
1.3. Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng [7]......................................................................17
3. Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng.......................................................................................18
2.1. Một số cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng thông dụng [5], [6]...............................................21
2.1.1.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp.................................................................................21
2.3. Phân tích khối cộng hưởng [9]..............................................................................................30
2.3.1. Yêu cầu của mạch cộng hưởng..........................................................................................30
2.3.2. Tụ cộng hưởng...............................................................................................................30
2.3.3. Kháng cộng hưởng.........................................................................................................31
3.1. Thiết kế mạch điều khiển......................................................................................................32
3.2. Thiết kế điều chỉnh...............................................................................................................37
3.2.1. Mô hình hàm truyền của đối tượng...................................................................................37
3.2.2.Chọn khâu điều chỉnh ....................................................................................................39

3.4. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống [10, 11] ..........................................................40
3.4.2.Giá trị tụ cộng hưởng......................................................................................................45
3.4.3.Giá trị kháng cộng hưởng...............................................................................................45
3.4.4.Tính toán bộ lọc đầu ra...................................................................................................47
3.4.5. Tính toán lựa chọn van lực............................................................................................53
3.4.6. Tính toán lựa chọn diode chỉnh lưu đầu ra....................................................................54
3.4.7. Tính khâu điều chỉnh một cực một không.....................................................................54
4.1 Phần mềm Matlab.................................................................................................................57
4.3. Đánh giá kết quả mô phỏng về chất lượng điện áp ra:.........................................................63
4.4. Đánh giá kết quả mô phỏng về hiệu suất..............................................................................63

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp............................................................................................9
Hình 1.2: Quá trình chuyển mạch cứng...........................................................................................11
Hình 1.3. Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch..........................................................12
a. Dạng xung lý tưởng; b. Dạng xung thực tế..................................................................................12
Hình 1 .4. Mạch bảo vệ van RC........................................................................................................13
Hình 1.5. Mạch bảo vệ van RCD (RCD Snubber)..............................................................................14
Hình 1 6. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất.......................................................14
Hình 1.7. Chuyển mạch không điện áp............................................................................................15
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van.............................................................................15
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van..........................................................................15
Hình 1.8. Chuyển mạch không dòng điện (ZCS)...............................................................................16
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình khoá van..........................................................................16
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van............................................................................16
Hình 1.9. Một số cấu trúc của khối cộng hưởng..............................................................................17
a. Kiểu nối tiếp; b. Kiểu song song; c. Kiểu nối tiếp – song song......................................................17

Hình 1.10. Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng..................................................................................19
Hình 1.11. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng.....................................................................20
Hình 2.1. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp .............................................................................21
Hình 2. 2. Đường đặc tính khuếch đại áp.......................................................................................22
của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp.......................................................................................22
Hình 2.3. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song...........................................................................23
Hình 2 .4. Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu song song ...................................24
Hình 2 .5. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu hỗn hợp LLC.....................................................................24
Hình 2.6. Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu LLC .............................................25
Hình 2.7. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng-dịch pha LLC Full –bridge................................................26
Hình
2.8.
Giai
đoạn
164646464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646
464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646464646
4646464646464646464646464646464646464...............................................................................26
Hình 2.9. Giai đoạn 2.......................................................................................................................27
Hình 2.10. Giai đoạn 3.....................................................................................................................28
Hình 2.11. Giai đoạn 4.....................................................................................................................29

5


Hình 2.12. Giai đoạn 5.....................................................................................................................29
Hình 3.1. Sơ đồ khối UC3875...........................................................................................................32
Hình 3.2. Sơ đồ chân IC UC3875.....................................................................................................33
Hình 3. 3. Giản đồ khối tạo xung clock............................................................................................33
Hình 3 .4. Minh họa 4 kênh điều khiển A→D...................................................................................35
Hình 3 .5. Minh họa độ lệch pha giữa 2 kênh A và D.......................................................................35

Hình 3.6. Giản đồ khâu tạo xung dốc..............................................................................................36
Hình 3.7. Giản đồ minh họa khối bảo vệ quá tải..............................................................................37
Hình 3.8. Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi .............................................................................37
Hình 3.9. Sơ đồ khâu điều chỉnh một cực một không......................................................................39
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực.....................................................................................40
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ..................................................................................40
Hình 3.12. Kích thước lõi ETD..........................................................................................................42
Hình 3.13. Dạng sóng trên kháng lọc đầu ra....................................................................................47
Hình 4 – 2 Biểu đồ Bode của Gh......................................................................................................55
Hình 3.14. Sơ đồ khâu điều chỉnh một điểm cực một điểm không..................................................56
Hình 4.1 Giao diện màn hình khởi động Matlab..............................................................................58
Hình 4.2 Giao diện Simulink.............................................................................................................58
Hình 4.3 Giao diện màn hình thiết kế mô phỏng.............................................................................59
Hình 4.5 Giao diện màn hình hiệu chỉnh thông số...........................................................................60
Hình 4.6 Giao diện màn hình chạy mô phỏng..................................................................................60
Hình 4.7 Giao diện màn hình quan sát thông số mô phỏng.............................................................61
Hình 4.8. Sơ đồ mạch trên Matlab...................................................................................................61
Hình 4.09. Dạng sóng dòng điện và điện áp trên van Q2.................................................................62
Hình 4.10. Dạng sóng dòng điện và điện áp đầu ra ở 60% tải.........................................................62
Hình 4.11. Dạng sóng dòng điện và điện áp đầu ra đầy tải..............................................................63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

6


Bảng 3. 1. Bảng tra dây quấn...........................................................................................................43
Bảng 3.2 Tính toán thiết kế kháng lọc đầu ra..................................................................................49
Bảng 3.3. Bảng tra lõi Ferrite ETD [10].............................................................................................49
Bảng 3.4. Bảng tra dây dẫn.............................................................................................................50

Bảng 3.5. Bảng tra các hệ số k, m, n theo tần số và loại lõi [10]......................................................52

7


LỜI NÓI ĐẦU
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà
Nội. Tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế
bộ nguồn đóng cắt hiệu suất cao”.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thế Công đã tận tình hướng dẫn và
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thành Khang đã tận tình hướng
dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Điện, Viện sau Đại học Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã đọc và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận văn của tôi
được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Lãnh đạo Điện lực Thành phố
Nam Định nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành
nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã
động viên khích lệ để hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2013
Tác giả

Đoàn Văn Khương

8

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG

1.1. Giới thiệu chung
Như chúng ta đã biết thì nguồn điện là một phần rất quan trọng đối với một
mạch điện hay một hệ thống điện nào đó. Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt
động của mạch hay hệ thống. Đối với mỗi mạch điện hay hệ thống cần đòi hỏi các
đầu ra khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định hay có sẵn. Các nguồn DC đầu ra
được sử dụng cho các phụ tải khác nhau trong các mạch điện tử trong công nghiệp
cũng như trong sinh hoạt.
Hiện nay, trong hầu hết các thiết bị biến đổi điện áp DC đều sử dụng chỉnh
lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang điện một chiều. Nguồn điện
một chiều sau chỉnh lưu đóng vai trò nguồn cấp cho tất cả các modun trong thiết bị.
Để đảm bảo độ phẳng của điện áp ta phải sử dụng tụ hoặc điện cảm để san
phẳng nên thường có điện dung lớn sau chỉnh lưu. Chính điều này dẫn đến một số
vấn đề cần quan tâm mà điển hình là sóng hài. Hiện tượng sóng hài được minh họa
như trong hình 1.1.

Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp
Dòng điện từ lưới là dòng điện gián đoạn và tồn tại trong những khoảng
thời gian ngắn (sóng hài). Sở dĩ có vấn đề này là do sự phóng nạp liên tục của tụ
lọc, thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong khoảng thời gian tụ nạp, khi các hài

9


này sinh ra sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống lưới điện, tác hại của hài này
càng lớn khi công suất tải càng lớn hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài
cùng mắc vào lưới. Như ta đã biết chất lượng của hệ thống cung cấp điện được đánh
giá bằng chỉ tiêu là hệ số công suất (Power factor - PF) và tổng lượng sóng hài

(Total harmonic distortion –THD). Hiệu năng của lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào
yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ thì hiệu năng càng cao.
Một số lợi ích khi cải thiện hệ số công suất:
−

Giảm giá thành năng lượng điện và chi phí truyền tải

−

Giảm thiểu mất mát và tổn hao trong truyền tải

−

Tăng chất lượng điện áp

−

Tăng tính chất điện dung của lưới điện

Từ những lý do đó ta thấy việc thiết kế một bộ điều chỉnh hệ số công suất
(Power Factor Correction- PFC) cho bộ chỉnh lưu có một ý nghĩa thực tế cao.
* Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện
Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết ta cần phải hiểu được
khái niệm công suất trong truyền tải điện gồm hai thành phần:
- Thành phần hữu ích: là phần năng lượng chuyển hóa thành các dạng năng
lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng,... Khi được cung cấp cho các thiết
bị sử dụng điện. Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm của người tiêu
dùng là phần năng lượng mà người tiêu dùng phải trả tiền. Công suất hữu ích được
đo bằng W hay kW.
- Thành phần vô công: là thành phần sinh ra từ trường trong các thiết bị

điện từ như động cơ,cuộn kháng được đo bằng VAR hay kVAR.
Tổng của hai thành phần trên gọi là công suất biểu kiến được đo bằng VA
hay kVA. Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng có ích tiêu hao
trong tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ. Hệ số này mang ý nghĩa kinh tế
quan trọng.
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

10


biệt với bộ biến đổi 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 (∆Pcm=fs.V.(Ion.ton + Ioff.toff)/2)
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). Hai 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. Để làm rõ vấn đề
này chúng ta phân tích “các vấn đề chuyển mạch của van”.
1.2. Các vấn đề về chuyển mạch van [3], [4], [5]
1.

Chuyển mạch cứng (hard switching)
Quá trình chuyển mạch của van trong các bộ biến đổi xung truyền thống

được thể hiện như hình 1.2:

tổn hao chuyển mạch

Hình 1.2: Quá trình chuyển mạch cứng

11


Khi van đóng mở, dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức
thay đổi. D o đ ó tại thời điểm đóng cắt trên van tồn tại cả điện áp và dòng điện
khá lớn gây ra tổn hao đóng cắt. Tổn hao này phụ thuộc vào tần số chuyển mạch
∆Pcm=fs.V.(Ion.ton + Ioff.toff)/2. Vì thế, khi tần số tăng cao, tổn hao chuyển mạch cũng
tăng lên đáng kể. Điều này làm giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi xung
truyền thống (<100kHz). Mặt khác, do tồn tại các thành phần điện cảm rò và tụ kí
sinh trong mạch nên ở điều kiện chuyển mạch cứng, các van bán dẫn phải chịu các
xung dao động của dòng điện và điện áp do các thành phần này gây ra. Dạng xung
điện áp và dòng điện c ủ a va n khi chuyển mạch ở điều kiện lý tưởng và thực tế
có thể so sánh như trên hình 1.3.
Is
I0

Is
I0

Vs

Vs

Vin

Vin
(b)

(a)

Hình 1.3. Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch
a. Dạng xung lý tưởng; b. Dạng xung thực tế
Chính các xung dao động này là nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu
trường điện từ EMI trong mạch, ngoài ra khi các xung đỉnh này có giá trị lớn sẽ làm
van đóng mở không đúng lúc gây trùng dẫn phá hủy van.
Để khắc phục những tồn tại trên, mạch bảo vệ van (snubber circuit) được
dùng.

12


2.

Mạch bảo vệ van (Snubber circuit)
Mạch bảo vệ van giúp bảo vệ và tăng hiệu quả làm việc của van. Cụ thể như

sau:
−
−
−
−

Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng.
Hạn chế dU/dt, dI/dt.
Đưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn (SOA).
Truyền năng lượng phát nhiệt của van sang điện trở ngoài hoặc sang hướng

khác có lợi.
− Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt.
− Giảm nhiễu trường điện từ do dập tắt nhanh các dao động dòng và áp.
Có nhiều loại mạch bảo vệ van nhưng phổ biến nhất là hai kiểu: mạch RC
(trở tụ) và mạch RCD (trở - tụ - diode).
a) Mạch bảo vệ van RC .
Mạch mạch bảo vệ van RC gồm điện trở Rs và tụ Cs mắc song song với van
như hình 1.4.

Hình 1 .4. Mạch bảo vệ van RC
Điện trở Rs được chọn sao cho I0 = E0 /Rs. Như vậy khi van ngắt, dòng có
thể chuyển sang mạch bảo vệ van RC mà điện áp trên van không vượt quá mức E0.
Sau đó khi van dẫn dòng, năng lượng tích trên tụ được phóng và tiêu tán trên điện
trở Rs. Tụ điện Cs được chọn sao cho dao động sinh ra khi chuyển mạch là tắt dần.
Muốn vậy phải chọn Cs ít nhất bằng 2 lần giá trị của tụ kí sinh Cp.
b) Mạch bảo vệ van RCD
Mạch mạch bảo vệ van RCD có thêm diode Ds mắc song song với điện
trở Rs như hình 1.5.

13


Hình 1.5. Mạch bảo vệ van RCD (RCD Snubber)
Trong mạch RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở nhưng giá trị của
trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van nên giá trị có thể
chọn linh hoạt hơn. Mạch RCD có những ưu điểm hơn mạch RC như sau:
− Mạch cho phép suy giảm xung điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt
của van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp
− Cho phép van làm việc trong vùng an toàn (SOA) tốt hơn
c) Đánh giá
Hình vẽ sau sẽ đánh giá tương quan tổn hao giữa các hình thức chuyển mạch:

Hình 1 6. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất
Từ hình 1.6 ta thấy mạch bảo vệ van chỉ làm mềm hơn quá trình chuyển
mạch của van nhưng hiệu quả vẫn không đáng kể vì van vẫn phải đóng cắt dưới
điều kiện dòng và áp khá cao. Một cách logic ta có thể thấy rằng, nếu ta làm giảm
được điện áp và dòng điện trên van tại thời điểm đóng cắt thì ta sẽ giảm được tổn

14


hao chuyển mạch trên van, đây chính là tư tưởng của các bộ biến đổi cộng hưởng
làm việc trên nguyên lý chuyển mạch mềm (soft switching).
3. Chuyển mạch mềm (soft switching)
Nguyên lý chuyển mạch mềm gồm 2 hình thức:
− Chuyển mạch không điện áp: Zero voltage switching (ZVS)
− Chuyển mạch không dòng điện: Zero current switching (ZCS)
Hai quá trình này không thể xảy ra đồng thời, mỗi loại có những ưu và nhược

điểm riêng. Chúng ta sẽ làm rõ hơn về các quá trình này ngay sau đây:
a )Chuyển mạch không điện áp ZVS (Zero Voltage Switching)
Như đã phân tích ở trên, nguyên nhân gây ra tổn hao đóng cắt trên van chính
là do dòng điện và điện áp trên van có giá trị lớn tại thời điểm chuyển mạch. Vậy
nếu ta bằng một cách nào đó làm cho điện áp trên van rất nhỏ (có thể coi là bằng
không) ngay trước thời điểm cấp xung điều khiển để ngắt van thì ta hoàn toàn có thể
triệt tiêu được tổn hao trong quá trình chuyển mạch từ trạng thái ngắt sang trạng thái
dẫn (off → on) của van.
isw

vsw

isw

vsw

(b)

(a)

Hình 1.7. Chuyển mạch không điện áp
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van
Từ hình 1.7 ta thấy, điện áp trên van được giảm về không trước khi dòng qua
van bắt đầu tăng lên, như vậy Poff→on = fs .Vsw .isw .ton = 0. Đồng thời, trong
quá trình khóa van (on → off), quá trình tăng điện áp trên van cũng được làm trễ đi,
điện áp tăng lên khi dòng điện trên van là nhỏ do đó giảm tổn hao khi khóa van.
Như vậy quá trình chuyển mạch điện áp qua không (ZVS) chỉ có thể xảy ra

15

khi mở van, và vẫn tồn tại tổn hao đóng cắt trong quá trình van chuyển từ trạng thái
dẫn sang trạng thái khóa, tuy nhiên tổn hao này đã được làm giảm đi.
b) Chuyển mạch không dòng điện ZCS (Zero Current Switching)
Quá trình chuyển mạch không dòng điện ZCS xảy ra ngược lại so với quá
trình chuyển mạch không điện áp (ZVS), nó chỉ có thể xảy ra khi khóa van (van
chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa) bằng cách làm cho dòng điện qua van
trở về không trước khi khóa van (điện áp trên van tăng lên), qua đó có thể triệt tiêu
gần như hoàn toàn tổn hao trong quá trình khóa van.
isw

vsw

isw

vsw

(b)

(a)

`
Hình 1.8. Chuyển mạch không dòng điện (ZCS)
a. Dòng điện và điện áp trong quá trình khoá van
b. Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van
Cũng giống như quá trình chuyển mạch không điện áp (ZVS), quá trình
chuyển mạch không dòng điện (ZCS) mặc dù loại bỏ được tổn hao khi khóa nhưng
ta vẫn phải chấp nhận tổn hao trong quá trình mở van và tổn hao này cũng được
giảm thiểu bằng cách làm trễ quá trình tăng của dòng điện qua van như hình vẽ

1.8b.
Nhận xét:
Quá trình chuyển mạch không điện áp (ZVS) hoặc không dòng điện (ZCS)
đã giảm thiểu đáng kể tổn hao do việc đóng mở van, hơn nữa việc đạt được chuyển
mạch không điện áp hoặc không dòng điện sẽ làm giảm nhiễu điện từ và các dao
động trong quá trình đóng mở van, từ đó cho phép nâng cao tần số của bộ biến đổi
để đạt hiệu suất cao hơn.

16


Qua phân tích ta thấy rõ bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch mềm cho tổn
hao chuyển mạch rất nhỏ so với các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung truyền thống
PWM (Pulse Width Modulation).
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 làm tăng mật độ công suất,
giảm kích thước, trọng lượng và giá thành sản phẩm.
- Cho phép bộ biến đổi làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn.
- Tận dụng tụ kí sinh và điện cảm dò vào thành phần cộng hưởng và biến
chúng từ có hại sang có lợi.
1.3. Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng [7]
1. Khái niệm về bộ biến đổi cộng hưởng
Bộ biến đổi cộng hưởng có cấu trúc tương tự các bộ biến đổi một chiều - một
chiều (DC-DC) thông thường (Buck, Bosst, Cuk, Push-Pull, Forward, Flyback,
Half-Bridge hay Full-Bridge) nhưng trong đó có thêm khối cộng hưởng (Resonant
tank network) gồm các thành phần L và C như trên hình 1.9. Các bộ biến đổi này
làm việc dựa trên nguyên lí cộng hưởng để đạt trạng thái chuyển mạch mềm cho
van. Các van sẽ được phát xung đóng hoặc mở khi dòng điện qua van hoặc điện áp
rơi trên van bằng không (chuyển mạch không điện áp hoặc không dòng điện). Hai
điều kiện chuyển mạch này không thể đồng thời xảy ra. Ở trường hợp chuyển mạch

không điện áp xuất hiện tổn hao khi khóa van còn chuyển mạch không dòng điện
tổn hao khi mở van. Tuy nhiên lượng tổn hao này rất nhỏ so với bộ biến đổi điều
chế độ rộng xung (PWM) truyền thống vì dòng và áp đã được khống chế tăng chậm
hơn.

(a)Hình 1.9. Một số cấu trúc
(b)của khối cộng hưởng (c)

a. Kiểu nối tiếp; b. Kiểu song song; c. Kiểu nối tiếp – song song
2. Quá trình phát triển và các ứng dụng của bộ biến đổi công suất

17


Quá trình phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng được thể hiện trong bảng
1.1.
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,…
Thời gian
Những năm 60 trở
về trước

Bộ biến đổi

Đặc điểm

Điều khiển tuyến tính
Điều khiển điều chế độ

Những năm 70

rộng xung (PWM)

Cuối những năm
80 đến nay

Nhiễu điện từ, tần số giới hạn vài
chục kHz (thường từ 20-50kHz)

thông thường
Những năm 80

Đơn giản, hiệu suất thấp

Tần số đạt tới vài trăm kHz

Cộng hưởng

(thường từ 100-500kHz)

Cộng hưởng

Tần số đạt từ 500kHz đến vài MHz

Bảng 1.1. Quá trình phát triển của bộ biến đổi công suất

3. Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng
Các bộ biến đổi cộng hưởng có thể phân ra làm các loại như sau:
− Bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống (Conventional Resonant Converter):
Là bộ biến đổi sử dụng các khối cộng hưởng LC (Resonant Tank) để đạt được
các điều kiện chuyển mạch mềm cho van.
− Bộ biến đổi g ầ n cộng hưởng (Quasi-resonant Converter): Là sự kết hợp
giữa bộ biến đổi cộng hưởng và bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) truyền
thống, bằng cách thay thế van công suất trong các bộ biến đổi PWM bởi van cộng
hưởng (Resonant switch).
− Bộ biến đổi đa cộng hưởng (Multi-resonant Converter): Hai dạng bộ biến

18


đổi trên chỉ có thể đạt được điều kiện chuyển mạch mềm cho hoặc van công
suất hoặc diode chỉnh lưu đầu ra mà không thể đạt được cho cả hai cùng lúc. Bộ
biến đổi đa cộng hưởng ra đời khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử
dụng van đa cộng hưởng (multi-resonant switches).

Hình 1.10. Phân loại bộ biến đổi cộng hưởng
4. Cấu trúc chung của bộ biến đổi cộng hưởng tải
Điện áp một chiều đầu vào Vin 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

19

ra điện áp một 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.

Hình 1.11. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng
Kết luận chương 1:
Trong phạm vi đề tài, 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 bán cầu (half bridge) hoặc cầu (full
bridge). Sơ đồ bán cầu (half bridge) có tính đơn giản, sử dụng ít van công suất và
điều khiển dễ hơn sơ đồ cầu (full bridge). Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta
sẽ phải sử dụng sơ đồ cầu (full bridge) để phát huy hết công suất của mạch. Mục
tiêu thiết kế bộ nguồn trong đề tài 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 với sơ đồ cầu (full bridge). Việc lựa chọn và phân tích sơ đồ
này được thể hiện cụ thể trong chương 2.
CHƯƠNG 2:
GIỚI THIỆU MỘT SỐ SƠ ĐỒ CỘNG HƯỞNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT
CỦA BỘ NGUỒN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

20


2.1. Một số cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng thông dụng [5], [6]

2.1.1.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp

Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp với nghịch lưu cấu hình cầu như trên
hình 2.1.

C0

Hình 2.1. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp
Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp có tải mắc nối tiếp với khối cộng
hưởng gồm cuộn kháng L và tụ C như hình 2.1. Trong bộ biến đổi này, khối cộng
hưởng có tác dụng như một nguồn dòng, vì vậy ở đầu ra của tải chỉ cần một tụ lọc
Co mắc song song với tải để hòa hợp trở kháng.
Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp là khả năng làm việc
trong trường hợp ngắn mạch tải do tính chất nguồn dòng của khối cộng hưởng. 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 tải
giảm, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi làm việc đầy tải. Tuy nhiên, cấu trúc
này có nhược điểm là khó điều chỉnh ở điều kiện tải nhẹ hoặc không tải. Điều này
thấy rõ từ đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp như trên hình
2.2.

21


Hình 2. 2. Đường đặc tính khuếch đại áp
của bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp
Chỉ số chất lượng Q xác định theo công thức: Q =

LC
R( load )

Để ổn định điện áp đầu ra ở giá trị không đổi, bộ biến đổi phải duy trì được

một hệ số khuếch đại áp không đổi ngay cả khi tải thay đổi. Từ hình 2.2 ta có thể
thấy ở cùng một giá trị của hệ số khuếch đại áp M, khi giảm tải (Q giảm) thì tần số
chuyển mạch tăng lên rất nhiều so với khi tải lớn (Q lớn).
Đặc biệt khi tải 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 làm việc ở chế độ tải nhẹ hoặc 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 sóng cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện một
chiều. Do đó bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng yêu
cầu điện áp thấp, dòng điện cao.
2.1.2.Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song
Khác với bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp ở trên, bộ biến đổi cộng
hưởng kiểu song song có tải đầu ra mắc song song với tụ cộng hưởng:

22


Hình 2.3. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu song song
Hình 2.3 thể hiện cấu trúc của bộ biến đổi song song làm việc với nghịch
lưu cả cầu (full - bridge). Do tải (quy đổi về sơ cấp biến áp) mắc song song với tụ
C nên khối cộng hưởng có trở kháng thấp đối với mạch đầu ra và được coi như
một nguồn áp. Cũng vì thế, ở đầu ra cần có mạch lọc L-C để hòa hợp trở kháng.
Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện trên hình
2.4. Từ những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi cộng
hưởng nối tiếp thì bộ biến đổi cộng hưởng 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. Ngoài ra ta cũng thấy rằng, tại tần số cộng hưởng, hệ số khuếch đại áp của
khối cộng hưởng là một hàm phụ thuộc vào điện trở tải. Nếu giảm tải mà tần số
chuyển mạch không được điều chỉnh tăng lên bởi bộ điều khiển thì hệ số khuếch
đại áp sẽ tăng lên rất lớn, dẫn tới hiện tượng quá áp ở đầu ra.

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. 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
(trong khoảng 15%) và làm việc gần với công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75%
công suất cực đại thiết kế).

23


Hình 2 .4. Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu song song
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. Ngoài ra bộ biến
đổi này có khả năng làm việc ở chế độ ngắn mạch, bởi vì khi đó toàn bộ điện áp
dạng xung vuông sau mạch nghịch lưu sẽ được đặt lên cuộn kháng cộng hưởng làm
cho dòng điện bị giởi hạn bởi trở kháng của cuộn kháng này. Vì vậy, bộ biến đổi
song song cũng rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cả chế độ làm việc ngắn
mạch.
2.1.3.Bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC

Hình 2 .5. Bộ biến đổi cộng hưởng kiểu hỗn hợp LLC

24


Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng hỗn hợp LLC như trên hình 2.5.

Khối cộng hưởng của bộ biến đổi bao gồm 3 thành phần: Lr, Cr và Lm.
Trong đó thành phần Lm là điện cảm từ hóa biến áp, Lr là điện điện cảm rò của biến
áp. Khi điện cảm rò của biến áp (L r) không đạt với yêu cầu thiết kế đặt ra, cần mắc
thêm một cuộn cảm nối tiếp với tụ và sơ cấp biến áp.

Hình 2.6. Đường đặc tính hệ số khuếch đại áp bộ biến đổi kiểu LLC
Bộ biến đổi hỗn hợp có thể coi là sự kết hợp giữa bộ biến đổi nối tiếp và bộ
biến đổi song song, tận dụng được ưu điểm của cả 2 bộ song song và nối tiếp đồng
thời loại bỏ được nhược điểm của từng bộ. Trong cấu trúc song song, dòng qua các
van ở tải nhẹ không nhỏ hơn ở tải nặng, do đó tổn hao trên các van không giảm,
hiệu suất ở tải nhẹ là thấp. Ngược lại ở cấu trúc nối tiếp, khi dòng qua tải giảm dòng
điện qua van cũng giảm do đó giảm tổn hao trên van và hiệu suất bộ biến đổi được
duy trì ở tải nhẹ. Cấu trúc LLC kết hợp được khả năng điều chỉnh tải nhẹ của cấu
trúc song song và sự duy trì cao hiệu suất của cấu trúc nối tiếp. Chính vì những lí do
trên mà ngày nay các bộ biến đổi cộng hưởng cấu trúc LLC được rộng rãi trong các
ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao. Và một điều đặc biệt là trong cấu trúc LLC chúng
ta có thể tận dụng thành phần điện cảm rò của biến áp tham gia vào quá trình cộng
hưởng, từ đó giảm thiểu kích thước cũng như giá thành bộ biến đổi.

25