Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị đo các thông số vật liệu bán dẫn theo phương pháp van der pauw

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ
MÁY BIẾN ÁP CAO TẦN TRONG BỘ NGUỒN
ĐÓNG – CẮT CÔNG SUẤT NHỎ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGUYỄN MẠNH HÀ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THẾ CÔNG

HÀ NỘI 2010


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN

1

MỞ ĐẦU

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU

5

1.1 Giới thiệu chung

5

1.2 Bộ nguồn tuyến tính

6

1.3 Bộ nguồn chuyển mạch

11

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC/DC

20

2.1 Lịch sử phát triển

20

2.2 Bộ biến đổi nhiều góc phần tư

21

2.3 Các bộ biến đổi DC/DC

28

CHƯƠNG 3: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CƠ BẢN

45

3.1. Các bộ biến đổi không có biến áp cách ly

45

3.2. Bộ biến đổi có biến áp cách ly

59

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG

80

4.1 Phần mềm mô phỏng PESIM

80

4.2 Mô phỏng

84

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA

108

ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO

110


1

LỜI CẢM ƠN

Để có được kết quả học tập như ngày hôm nay, em xin
bày tỏ lòng biết ơn tới tập thể các thầy cô giáo trong trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và tạo
điều kiện thuận lợi để lớp Cao học Thiết bị điện – Điện tử nói
chung và bản thân em nói riêng đã hoàn thành khoá học của
mình.
Xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện –
Điện tử, đặc biệt là TS. Nguyễn Thế Công – người hướng
dẫn khoa học trực tiếp cho luận văn tốt nghiệp này. TS.
Nguyễn Thế Công không chỉ gợi ý đề tài mà còn đưa ra nhiều
ý kiến quý báu để em có thể giải quyết được những vấn đề
khó khăn nảy sinh trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình và
bạn bè, những người đã động viên và tạo mọi điều kiện để em
có thể đầu tư tối đa thời gian và công sức hoàn thành luận
văn tốt nghiệp của mình.
Xin chân thành cảm ơn!
Nguyễn Mạnh Hà


2

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các bộ nguồn chuyển mạch (đóng – cắt) công suất nhỏ được
sử dụng hầu hết trong các thiết bị điện tử, từ các ứng dụng dân dụng và công
nghiệp đến những ứng dụng chuyên ngành đặc biệt khác. Ngay từ khi ra đời
bộ nguồn chuyển mạch đã được phát triển không ngừng tuy nhiên lý thuyết
sâu về chúng vẫn chưa được công bố rộng rãi mà hầu hết ở dạng những bài
báo đưa ra các sơ đồ mạch cụ thể mà các nhà nghiên cứu tìm ra để đáp ứng
được yêu cầu của những ứng dụng nhất định nào đó.
Trước thực tế đó, luận văn này mạnh dạn đi sâu nghiên cứu về ảnh
hưởng của các tham số máy biến áp cao tần đến chất lượng và hiệu suất của
bộ nguồn chuyển mạch công suất nhỏ, trên cơ sở ấy sẽ giúp cho những ai
quan tâm, thiết kế hay sửa chữa bộ nguồn chuyển mạch có hướng điều chỉnh
các thông số sao cho phù hợp và hiệu quả. Do thời gian có hạn nên luận văn
chỉ nghiên cứu mô phỏng trên một sơ đồ mạch cụ thể sử dụng phần mềm
PSIM.
Sau khi hoàn thành, luận văn sẽ góp phần làm rõ lý thuyết cũng như cho
biết một số hướng điều chỉnh thực tế của việc thiết kế bộ nguồn chuyển mạch
dùng trong thiết bị điện tử.
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Vấn đề nghiên cứu nguồn chuyển mạch là một vấn đề không mới nhưng
có thể nói là rất khó vì chúng thay đổi nhanh nhằm đáp ứng những đòi hỏi
ngày càng phức tạp của thực tế khách quan. Mặc dù mang tính thực tiễn và
ứng dụng cao nhưng nghiên cứu về nguồn chuyển mạch thì vẫn chưa đầy đủ.
Mặt khác, do tính cạnh tranh về thương mại mà các nhà sản xuất có thể đưa ra
sản phẩm chất lượng nhưng không công bố lý thuyết kèm theo. Vì vậy, những


3

người dùng khi cần sửa chữa hoặc muốn tự thiết kế theo yêu cầu riêng là khá
khó khăn.
Các tài liệu thường được công bố chỉ ở dạng các bài báo đăng trên các
tạp chí chuyên nghành về các kỹ thuật liên quan tới bộ nguồn chuyển mạch
như kỹ thuật biến đổi DC/DC, kỹ thuật điều khiển hoặc sơ đồ mang tính giới
thiệu của các hãng sản xuất (nếu lắp ráp như vậy phần lớn mạch không hoạt
động và cũng không có cơ sở để lựa chọn linh kiện hay thay đổi cấu hình).
Cũng có tài liệu nói tới việc thiết kế nhưng lại theo kinh nghiệm là chủ yếu.
Hoặc đưa ra các số liệu của một bộ nguồn cụ thể mà không cho biết các thông
số đó ảnh hưởng đến bộ nguồn như thế nào.
3. Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn
*Mục đích:
Luận văn có mục đích giới thiệu tổng quan các bộ nguồn chuyển mạch
và ứng dụng của nó.
Thiết kế và mô phỏng một bộ nguồn cụ thể nhằm nghiên cứu ảnh hưởng
của các tham số máy biến áp cao tần tới chất lượng và hiệu suất của bộ
nguồn.
*Nhiệm vụ:
Đánh giá tổng quan về các loại bộ nguồn chuyển mạch.
Nghiên cứu sâu hơn ảnh hưởng của các tham số máy biến áp cao tần tới
chất lượng và hiệu suất của bộ nguồn.
*Phạm vi nghiên cứu:
Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật cơ bản liên quan tới nguồn chuyển
mạch.
Mô phỏng bộ nguồn chuyển mạch cụ thể và cho một số kết quả tiêu biểu.
4. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn
*Cơ sở lý luận:


4

Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật mạch điện tử,
điện tử công suất, lý thuyết điều khiển tự động,...
Các bài báo, tài liệu khoa học, catalog của một số hãng sản xuất,...
Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng PESIM.
*Phương pháp nghiên cứu:
Chủ yếu là phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết kết hợp với mô
phỏng.
5. Đóng góp về mặt khoa học của luận văn
Giới thiệu và làm rõ lý thuyết cơ bản về nguồn chuyển mạch.
Đưa ra các kết quả cụ thể về ảnh hưởng của các tham số máy biến áp cao
tần tới chất lượng và hiệu suất của bộ nguồn.
6. Ý nghĩa thực tế của luận văn
Cung cấp cơ sở lý thuyết và một số nhận xét, đánh giá từ việc mô phỏng
cho việc phân tích và thiết kế bộ nguồn chuyển mạch.
7. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm 3 chương với nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về nguồn một chiều
Chương 2: Giới thiệu và phân loại các bộ biến đổi DC/DC
Chương 3: Các bộ biến đổi cơ bản
Chương 4: Thiết kế một bộ nguồn cụ thể và đánh giá ảnh hưởng của các
tham số máy biến áp cao tần bằng phần mềm mô phỏng PESIM.
Ngoài ra còn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo.


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống

Các mạch điện tử và các thiết bị điện tử muốn hoạt động tốt cần phải
được cung cấp năng lượng ổn định. Bộ nguồn một chiều cung cấp tiếp nhận
năng lượng từ các nguồn điện xoay chiều (AC) hoặc một chiều (DC) và biến
đổi thành nguồn năng lượng cung cấp cho mạch điện tử dưới dạng một nguồn
áp một chiều thích hợp và ổn định đối với các biến động của nguồn và tải.
Các mạch điện tử riêng lẻ hoặc IC thường yêu cầu bộ nguồn công suất nhỏ,
điện áp thấp nên bộ nguồn có cấu tạo đơn giản. Các thiết bị điện tử công
nghiệp và dân dụng yêu cầu bộ nguồn có công suất lớn hơn, hiệu suất cao, có
nhiều mức điện áp ra nên bộ nguồn phức tạp hơn. Cấu tạo của chúng thường
gồm các bộ biến đổi điện áp AC/DC, DC/DC và mạch ổn áp hoạt động theo
nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) chuyển mạch ở tần số cao.
1.1.2 Các loại nguồn sử dụng trong thiết bị điện tử
Cùng với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử, các
bộ nguồn cũng liên tục thay đổi để đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về
chất lượng cũng như sự đa dạng trong mục đích sử dụng.
Sự ổn định của nguồn cung cấp quyết định sự an toàn cho thiết bị, tăng
độ chính xác trong hoạt động và kéo dài tuổi thọ của chúng, hiện nay việc ổn
định này được thực hiện hoàn toàn tự động với chất lượng rất cao.
Dựa vào công nghệ điều chỉnh bộ biến đổi DC/DC người ta chia làm ba
loại nguồn chính là:
- Bộ nguồn tuyến tính
- Bộ nguồn chuyển mạch
- Bộ nguồn chuyển mạch cộng hưởng


6

Bảng 1.1 So sánh đặc tính của ba loại bộ nguồn [6]
Điều chỉnh
tuyến tính

Giá thành
Trọng lượng

thấp
lớn

Điều chỉnh
chuyển mạch
PWM
cao
thấpÆtrung bình

Nhiễu RF
Hiệu suất
Nhiều đầu ra

không có
35% ÷ 50%
không có

cao
70% ÷ 85%
có

Điều chỉnh
chuyển mạch
cộng hưởng
cao
thấpÆtrung
bình

trung bình
78% ÷ 92%
có

Điều chỉnh
chuyển mạch
gần cộng hưởng
cao nhất
thấpÆtrung bình
trung bình
78% ÷ 92%
có

Trong bảng 1.1 Ta thấy bộ nguồn chuyển mạch cộng hưởng có ưu điểm
là hiệu suất cao nhất (78-92%), nhiễu RF nhỏ tuy nhiên do có cấu tạo phức
tạp nên không được nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này.
1.2 Bộ nguồn tuyến tính

[4] [6]

1.2.1 Sơ đồ khối
Hình 1.1 là sơ đồ khối mạch nguồn cơ bản. Mạch ổn áp làm việc theo
nguyên lý điều khiển tuyến tính.

Hình 1.1. Sơ đồ khối mạch nguồn

Trong đó:
Khối biến áp: có chức năng hạ điện áp nguồn xuống điện áp thứ cấp phù
hợp với mạch chỉnh lưu và có vai trò cách ly giữa lưới điện có điện áp cao và
mạch nguồn có điện áp thấp. Biến áp có công suất nhỏ thường sử dụng lõi

thép tiêu chuẩn và tính toán đơn giản.
Khối chỉnh lưu: biến điện áp xoay chiều thứ cấp biến áp thành điện áp
một chiều. Chỉnh lưu thường là chỉnh lưu không điều khiển, sử dụng diode
bán dẫn.


7

Khối lọc: điện áp một chiều sau chỉnh lưu thường có dạng nửa sóng sin
nên cần có mạch lọc để san phẳng. Mạch lọc có các dạng RC, LC tuy nhiên
mạch nguồn hiện nay thường sử dụng tụ điện phân cực C song song với tải
như trên hình 1.2. Tụ C được nạp điện từ điện áp sau chỉnh lưu và phóng điện
qua tải Rt. Điện áp UC cũng là điện áp ra Ura hay điện áp trên tải Ut. Tuy nhiên
điện áp UC vẫn có một độ đập mạch (hay nhấp nhô) nhất định phụ thuộc vào
hằng số thời gian τ = RtC.

Hình 1.2. Mạch chỉnh lưu cầu

Khối ổn áp: ổn định điện áp ra theo yêu cầu, là một khâu đặc biệt quan
trọng trong bộ nguồn. Nó quyết định chất lượng điện áp ra UDC.
1.2.2 Ổn áp sử dụng diode Zener
Ổn áp sử dụng diode Zener là một dạng nguồn tuyến tính. Diode Zener
được sử dụng để thiết kế mạch ổn áp nền cơ bản. Mạch ổn áp sử dụng diode
Zener điển hình như trên hình 1.3.

Hình 1.3. Mạch ổn áp Zener cơ bản


8

R1
Uv

T
C
DZ

Ct

R t Ura

Hình 1.4. Mạch ổn áp Zener có tăng cường dòng tải

1.2.3 Bộ nguồn tuyến tính sử dụng tranzito công suất
1.2.3.1 Sơ đồ khối
Sơ đồ khối bộ nguồn tuyến tính sử dụng tranzito công suất được mô tả
trên hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ nguồn điều chỉnh tuyến tính

Trong bộ nguồn tuyến tính Tranzito công suất làm việc ở chế độ tuyến
tính. Ở trạng thái tĩnh mạch cân bằng, ta có quan hệ:
Uv = UCE + Ura
Uv phải luôn lớn hơn Ura. Để giữ cho Ura ổn định thì sự thay đổi của Ura
được lấy mẫu ∆Ura để so sánh với một điện áp chuẩn Uref. Độ lệch điện áp

∆Uε = Uref - ∆Ura được khuếch đại thành tín hiệu điều khiển tranzito công
suất làm cho điện áp UCE thay đổi một lượng ∆UCE để bù lại sự thay đổi của
Ura, đưa mạch về trạng thái cân bằng. Tranzito công suất được mắc nối tiếp
với tải, có vai trò như một điện trở điều khiển được, do đó trong nhiều trường

9

hợp người ta còn mắc một điện trở công suất song song với tranzito. Đây
chính là bộ nguồn điều chỉnh nối tiếp. Sơ đồ điều chỉnh song song có phần tử
điều chỉnh là tranzito mắc song song với tải ít được sử dụng hơn.
Mạch tạo điện áp chuẩn Uref thường là mạch ổn áp sử dụng diode Zener.
Mạch lấy mẫu ∆Ura thường đơn giản là một mạch phân áp điện trở.
1.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý
Mạch ổn áp điều khiển tuyến tính cơ bản có sơ đồ nguyên lý như trên
hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp tuyến tính điều chỉnh nối tiếp

Mạch tạo điện áp chuẩn gồm Rd và Dz. Mạch lấy mẫu điện áp ra là phân
áp R1, R2. Mạch khuếch đại so sánh sử dụng OPAM, khuếch đại hiệu điện áp
nối vào không đảo là Uref = Uz và nối vào đảo là ∆Ura lấy trên R1.
Trong sơ đồ khối hình 1.5 ta thấy có mạch bảo vệ. Đó là mạch bảo vệ
quá dòng, quá áp và quá nhiệt thường được thiết kế trong các vi mạch ổn áp.
Hình 1.7 là sơ đồ mạch ổn áp có bảo vệ quá dòng hay được sử dụng
trong các vi mạch ổn áp.


10

Hình 1.7. Ổn áp có mạch bảo vệ quá dòng

Mạch bảo vệ quá dòng gồm tranzito T2, điện trở R3, R4. Từ mạch ta thấy
UBE ≈ R3It. Do đó phải thiết kế sao cho ở trạng thái bình thường thì R3It < 0,6

V để T2 khóa, còn khi đến giới hạn tổn hao công suất cho phép của T1 thì R3It

≈ 0,6 V để T2 mở.
Khi T2 mở thì điện áp cực B của T1 giảm xuống nên dòng Ira qua T1 bị
giảm hoặc T1 có thể bị khóa. Do đó dòng ra cực đại là:
Iramax = 0,6V/R3
Công suất tổn hao trên T1 là PT1 = Iramax(Uv – Ura). Khi Uv tăng có thể
gây quá tải cho T1 nên có thể bổ sung thêm mạch bảo vệ quá áp gồm Dz2 và
R5. Bình thường Dz2 khóa, khi Uv vượt quá một giá trị thiết kế nào đó thì Dz2
mở làm cho điện thế cực B của T2 tăng, T2 sẽ được mở và khóa T1.
1.2.3.3 Vi mạch ổn áp
Ngày nay vi mạch ổn áp được sử dụng rất phổ biến do có kết cấu đơn
giản, giá thành hạ và dễ dàng cho việc thiết kế mạch. Với một IC ổn áp và
một vài linh kiện phụ trợ là có được nguồn ổn áp có độ ổn định cao, có chức
năng bảo vệ quá tải, quá nhiệt, độ điều chỉnh chính xác. Vi mạch ổn áp chỉ
cần 3 chân (Input, Ground, Output) với điện áp ra cố định dương hoặc âm so


11

với đất của mạch điện tử. Các họ IC ổn áp thông dụng là 7800, 7900, LM317,
LM337. Hình 1.8 thể hiện một vài sơ đồ nguồn cấp dùng vi mạch ổn áp.

Hình 1.8. Một số sơ đồ mạch sử dụng vi mạch ổn áp

Tóm lại, ưu điểm lớn nhất của bộ nguồn ổn định tuyến tính là sự đơn
giản trong sơ đồ, nhưng nhược điểm cơ bản lại tương đối nhiều, có thể kể ra
là:
- Sử dụng biến áp nguồn với tần số công nghiệp (50/60Hz) nên kích
thước và trọng lượng lớn.

- Tổn hao công suất lớn trên phần tử hiệu chỉnh. Dòng phụ tải càng lớn,
dải ổn định điện áp càng rộng thì phần tử hiệu chỉnh tiêu thụ công suất càng
nhiều. Vì vậy, bộ nguồn tuyến tính chỉ nên làm việc với dòng ngõ ra nhỏ hơn
5A.
- Hiệu suất của mạch thấp (thường từ 35% ÷ 50%)
- Kích thước của phần tử hiệu chỉnh lớn vì cần có tản nhiệt, mật độ công
suất tải ra thấp từ 0.02 ÷ 0.03W/inch3 nghĩa là không thích hợp cho hệ thống
nhỏ sử dụng mạch IC tích hợp.
1.3 Bộ nguồn chuyển mạch
1.3.1 Nguyên lý hoạt động

[5] [6] [9]


12

Vào cuối những năm 70 của thế kỷ 20, người ta đã tạo ra được một loại
nguồn ổn định mới là nguồn đóng – cắt hay còn gọi là nguồn chuyển mạch
(SMPS – Switching Mode Power Supply), nguồn xung. Bộ nguồn này làm
việc với hiệu suất cao (từ 70% đến 85%), dải điện áp làm việc rộng và kích
thước, trọng lượng nhỏ nhẹ. Nó dựa trên thành phần chủ yếu là các các bộ
băm áp một chiều. Nguyên lý hoạt động như sau: sơ đồ sử dụng một khoá K
(tranzito) có tần số đóng cắt lớn để gián đoạn điện áp một chiều đầu vào theo
chu kỳ có thể điều chỉnh được. Bằng cách thay đổi tỷ số thời gian đóng cắt
trong một chu kỳ, dạng sóng ra chứa các xung điện áp với độ rộng xung có
thể thay đổi được, có giá trị trung bình bằng giá trị điện áp một chiều ra tải.

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị điện áp của bộ nguồn đóng – cắt

Khi khoá K đóng, điện áp đặt lên tải Rt bằng với điện áp nguồn, khi khoá

K cắt mạch thì điện áp đặt trên R bằng 0. Ta có điện áp ra trung bình là:
U tb = E.

Trong đó:
T là thời gian một chu kỳ.

Ton
T


13

Ton là thời gian khoá K đóng mạch trong một chu kỳ.
Bằng cách cảm biến điện áp một chiều đầu ra và điều khiển chu kỳ đóng
cắt mạch bằng vòng phản hồi âm, điện áp ra một chiều có thể được điều chỉnh
để chống lại sự thay đổi điện áp vào và biến động của tải.
Tuỳ vào mục đích sử dụng của bộ nguồn đóng – cắt mà người ta có các
sơ đồ băm áp một chiều khác nhau: Từ các sơ đồ đơn giản như các sơ đồ băm
áp không có biến áp cách ly, cho đến các sơ đồ có biến áp cách ly có cấu tạo
phức tạp hơn.
Một bộ nguồn đóng – cắt hiện nay có thể đạt được mật độ năng lượng
0,01 ÷ 0,02W/cm3 và có khả năng tạo ra nhiều mức điện áp ra từ một đầu vào
duy nhất. Bộ nguồn này cũng không cần sử dụng biến áp tần số 50/60 Hz nên
kích thước nhỏ, gọn. Một vài nhà thiết kế dự kiến mật độ năng lượng có thể
đạt tới 0,1 ÷ 0,2W/cm3.
1.3.2 Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch
Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch được cho trong hình 1.10. Chú ý
rằng sơ đồ này là sơ đồ đầy đủ với nguồn cấp ban đầu là nguồn điện lưới xoay
chiều, tuỳ những điều kiện cụ thể mà sơ đồ của bộ nguồn thực tế có thể không
có một vài khối.

Hình 1.10: Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch


14

Chẳng hạn, nếu bộ nguồn chuyển mạch dùng pin hay acquy thì không
cần có khối (1) – Khối lọc nhiễu đầu vào và khối (2) – Khối nắn và lọc sơ
cấp, hay các bộ nguồn Buck, Boost, Buck - Boot thì không có biến áp xung
(4).
Trong đó:
(1) Khối lọc nhiễu cao tần
(2) Bộ nắn và lọc sơ cấp
(3) Phần chuyển mạch công suất
(4) Biến áp xung
(5) Bộ nắn và lọc thứ cấp
(6) Hồi tiếp để lấy mẫu điện áp ra
(7) Khuếch đại sai lệch của điện áp lấy mẫu và điện áp chuẩn (thực chất
là bộ khuếch đại so sánh)
(8) Bộ tạo điện áp chuẩn
(9) Bộ tạo xung tam giác
(10) Bộ điều chế độ rộng xung
(11) Bộ khuếch đại kích thích và đảo pha để điều khiển phần chuyển
mạch chính.
Tần số làm việc của bộ nguồn xung (tần số chuyển mạch) thường từ
10kHz đến 500kHz. Sở dĩ, có giá trị này vì nếu tần số thấp thì khó lọc thứ
cấp, kích thước linh kiện (cuộn chặn, tụ lọc) lớn, giá thành cũng như kích
thước của nguồn tăng. Nếu tần số quá cao thì năng lượng điện sẽ phát xạ tại
chỗ, khi đó năng lượng điện sẽ biến thành năng lượng từ trường, điện trường
và nhiệt, làm giảm hiệu suất của bộ nguồn cũng như gây nhiễu cho các thiết

bị điện tử khác. Hơn nữa, trong dải tần 10kHz ÷ 500kHz, biến áp dùng lõi
ferit có độ từ thẩm hiệu dụng lớn, nên số vòng dây ít, tức là giảm được kích
thước và trọng lượng của biến áp và cuộn chặn so với bộ nguồn thông thường


15

có cùng công suất.
Phần chuyển mạch chính sử dụng các BJT và MOSFET hoặc IGBT công
suất, tần số chuyển mạch cao, làm việc ở chế độ đóng – cắt nên tổn hao công
suất nhỏ, thiết kế tản nhiệt đơn giản.
Từ các đặc điểm trên làm cho nguồn chuyển mạch có các ưu điểm vượt
trội so với bộ nguồn tuyến tính như sau:
- Phần tử chuyển mạch tích cực hoạt động ở một trong hai chế độ đóng
hoặc ngắt nên khả năng truyền tải công suất lớn hơn nhiều so với ở chế độ
tuyến tính. Nhờ vậy hiệu suất cao (75 ÷ 85%) trong khi các bộ nguồn tuyến
tính có hiệu suất thấp (<50%).
- Không sử dụng biến áp nguồn tần số công nghiệp 50/60Hz ở đầu vào,
do vậy giảm thiểu kích thước và trọng lượng của bộ nguồn.
- Dải làm việc ổn định rộng, cho nhiều đầu ra khác nhau.
- Độ bền và tuổi thọ cao.
- Kích thước và trọng lượng nhỏ gọn.
Tuy nhiên, có thể thấy ngay rằng nguồn chuyển mạch có cấu trúc phức
tạp và gây ra nhiễu RF.
Để đưa ra những minh chứng sát thực hơn chúng ta sẽ phân tích kỹ cấu
trúc cũng như hoạt động của nguồn chuyển mạch ở các chương tiếp theo. Tuy
nhiên, qua phân tích sơ bộ ở trên có thể khẳng định rằng nguồn chuyển mạch
là một bộ nguồn chất lượng cao. Phần còn lại của luận văn sẽ chỉ đề cập tới
loại nguồn này, loại nguồn dùng trong thiết bị điện tử để đáp ứng được yêu
cầu ngày càng khắt khe về chất lượng cũng như cạnh tranh về giá cả.

1.3.3 Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch
Như đã nói ở phần trên, nguồn chuyển mạch bao gồm nhiều khối, vì vậy
để đưa ra được yêu cầu của cả bộ nguồn một cách chi tiết ta sẽ phân tích nó
theo sơ đồ khối để thấy được các yêu cầu riêng của từng khối.


16

1.3.3.1 Khối lọc nhiễu đầu vào
Cấu trúc:

Hình 1.11: Khối lọc nhiễu đầu vào.

Khối này có nhiệm vụ lọc bỏ các nhiễu cao tần. Trong lưới điện có rất
nhiều các nhiễu cao tần phát ra từ các thiết bị điện tử có nguồn phát xạ nhiễu
cao tần. Thêm nữa, bản thân nguồn xung cũng là nguồn tạo ra các thành phần
tần số cao gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
Bộ lọc sẽ chặn lại các tín hiệu nhiễu đó không đưa ra đường dây, đồng
thời nó cũng chặn các xung nhiễu cao tần từ ngoài không cho ảnh hưởng tới
bộ nguồn (đặc biệt là khối chuyển mạch).
Bộ lọc gồm các tụ lọc cao tần và biến áp cao tần. Biến áp này có rất ít
vòng dây, có nhiệm vụ chặn nhiễu cao tần đối xứng từ đầu vào và đầu ra
nhưng trở kháng của nó lại coi như bằng không với dòng cung cấp tần số
50/60Hz. Tụ lọc cao tần có điện dung nhỏ, với nhiệm vụ lọc nhiễu cao tần
không đối xứng từ đầu vào và đầu ra, trở kháng của các tụ này rất lớn (coi
như ∞) với tần số 50/60Hz.
Từ nhiệm vụ như trên của khối lọc nhiễu cao tần, khối này cần đảm bảo
các yêu cầu sau:
- Cấu trúc nhỏ gọn
- Lọc nhiễu cao tần trong khi không gây ảnh hưởng gì tới tần số điện

lưới 50/60Hz
- Không gây suy giảm tín hiệu, không làm tổn thất năng lượng điện.
1.3.3.2 Khối nắn và lọc sơ cấp
Bộ nguồn có đầu vào là nguồn AC nên phải có phần nắn và lọc sơ cấp


17

trước khi đưa vào phần chuyển mạch chính. Nguồn AC có thể là 1 pha hoặc 3
pha, tuy nhiên trong thiết bị điện tử do các bộ nguồn chỉ yêu cầu công suất
nhỏ và vừa nên chỉ sử dụng nguồn AC 1 pha (220V, 50/60 Hz).
Yêu cầu chất lượng cho khối nắn và lọc sơ cấp như sau:
- Tạo ra điện áp DC có độ ổn định tốt, tức là độ gợn sóng càng nhỏ càng
tốt
- Các linh kiện, đặc biệt là diode phải có khả năng chịu điện áp ngược và
dòng điện làm việc lớn vì loại nguồn chuyển mạch không dùng biến áp, nghĩa
là điện áp 220VAC được trực tiếp chỉnh lưu nên các tham số này lớn hơn rất
nhiều so với mạch có sử dụng biến áp nguồn. Tuy nhiên, công suất tổn hao
dưới dạng nhiệt của diode phải càng nhỏ càng tốt.
Để loại bỏ các thành phần gợn sóng của điện áp ra sau khi nắn, cần sử
dụng các mạch lọc nguồn. Nhưng mạch lọc nguồn không được phá vỡ chế độ
hoạt động bình thường của mạch chỉnh lưu, không được gây méo thêm,
không được gây ra quá trình quá độ làm hỏng van chỉnh lưu, tần số dao động
riêng của bộ lọc phải khác xa tần số của thành phần gợn sóng mà nó phải lọc
để tránh hiện tượng cộng hưởng làm phá hỏng chế độ hoạt động của mạch
nắn, và tổn hao trên mạch lọc phải nhỏ.
1.3.3.3 Khối chuyển mạch tần số cao, nắn và lọc thứ cấp
Khối này còn được gọi là bộ biến đổi DC/DC vì đầu vào là một chiều và
đầu ra cũng là một chiều. Đây là khối cơ bản của nguồn chuyển mạch, việc
phân tích cấu trúc của khối này để tìm ra được phương án tối ưu được trình

bày kỹ trong các chương sau. Ở đây, chỉ đề cập tới yêu cầu chất lượng của bộ

DC/DC:
- Tiêu thụ công suất nhỏ trên phần tử chuyển mạch để tăng hiệu suất của
mạch.
3

- Mật độ công suất tải ra đạt mức cao (loại phổ biến là 1 ÷ 4W/inch và


18

3

loại đặc biệt là 40 ÷ 50W/inch ).
- Mạch đơn giản nhưng hiệu suất cao.
- Công suất, điện áp và dòng điện đầu ra phù hợp với yêu cầu của từng
ứng dụng.
1.3.3.4 Biến áp xung
Biến áp xung truyền tải năng lượng từ nguồn đến tải, có hai hoặc nhiều
cuộn dây, lõi từ có nhiều hình dạng và làm bằng chất liệu khác nhau nhưng
chủ yếu bằng ferit. Ferit có điện trở suất lớn dẫn đến tổn hao dòng xoáy nhỏ
nên làm việc được ở tần số cao. Cùng một công suất biến áp xung có kích
thước nhỏ hơn nhiều so với biến áp thường làm việc ở tần số công nghiệp.
Biến áp xung có các chức năng chính là:
- Tạo mức điện áp khác nhau giữa điện áp vào và ra phụ thuộc tỉ lệ số
vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
- Có thể tạo nhiều mức điện áp ra với nhiều cuộn dây phía thứ cấp.
- Cách ly về điện giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp.
1.3.3.4 Khối điều khiển

Khối điều khiển của nguồn chuyển mạch gồm các khối 6, 7, 8, 9, 10,11.
Có các yêu cầu như sau:
Tạo ra các xung vuông độ rộng biến đổi ngược với điện áp trên tải để
điều khiển các khóa chuyển mạch. Có thể điều khiển được điện áp trung bình
ở ngõ ra bằng cách thay đổi dãy xung vuông này. Để tạo ra dãy xung vuông
có độ rộng xung thay đổi người ta có thể thực hiện theo cách giữ cho tần số
cố định hoặc thay đổi tần số trong khi giữ cho thời gian không có xung cố
định.
- Cung cấp đủ công suất kích thích cho các chuyển mạch chính.
- Bảo vệ quá dòng và quá áp trên tải.
- Bảo vệ khử điện áp vào quá thấp hoặc quá cao.


19

Ngày nay, với công nghệ vi mạch hiện đại, tất cả các khối này thường
được tích hợp vào một IC duy nhất, rất thuận tiện cho người thiết kế cũng như
đảm bảo độ tin cậy.
KẾT LUẬN
1. Khối cấp nguồn dùng cho các thiết bị điện tử có thể được thiết kế theo
hai phương án là nguồn tuyến tính hoặc nguồn chuyển mạch. Theo những
phân tích ở trên thì nguồn chuyển mạch có nhiều ưu thế hơn cả, đây chính là
xu hướng phát triển của kỹ thuật cấp nguồn trong thời gian qua. Với những
ưu điểm hoàn toàn vượt trội của mình, loại nguồn này xuất hiện trong hầu hết
các thiết bị điện tử hiện đại.
2. Tuy nhiên, cũng nhận thấy ngay rằng để có được những ưu điểm đó,
nguồn chuyển mạch có cấu trúc phức tạp và rất đa dạng tuỳ vào những ứng
dụng khác nhau. Với những bước tiến không ngừng của kỹ thuật tích hợp,
hiện nay các bộ nguồn chuyển mạch cũng được đơn giản hoá khá nhiều, vì
phần lớn mạch đã được tích hợp trong các IC chính (ví dụ như IC điều khiển).

3. Việc xác định được yêu cầu cơ bản của bộ nguồn chuyển mạch dùng
trong thiết bị điện tử sẽ giúp cho việc thiết kế bộ nguồn được chính xác và đạt
hiệu quả cao. Các chương sau đây sẽ nghiên cứu sâu hơn về phần động lực
của các bộ nguồn chuyển mạch cơ sở. Nghiên cứu về ảnh hưởng của các
thông số đến chất lượng đầu ra của bộ nguồn. Các loại nguồn hiện nay được
phát triển rất nhiều nhưng cũng xuất phát từ các bộ nguồn cơ sở này.


20

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC/DC
Công nghệ biến đổi là lĩnh vực nghiên cứu chính trong điện tử công suất.
Những thiết bị biến đổi có thể ứng dụng trong công nghiệp, trong nghiên cứu
và phát triển, trong các tổ chức chính phủ, hay trong cuộc sống hàng ngày.
Những thiết bị này có thể chia làm bốn loại chính:
- Các bộ biến đổi AC/AC
- Các bộ biến đổi AC/DC
- Các bộ biến đổi DC/DC
- Các bộ biến đổi DC/AC
Theo thống kê không đầy đủ, có hơn 500 sơ đồ biến đổi DC/DC được
phát triển qua sáu giai đoạn. Tất cả các sơ đồ được thiết kế phù hợp với từng
yêu cầu ứng dụng cụ thể. Chúng thường được gọi theo chức năng, ví dụ bộ
biến đổi Buck, bộ biến đổi Boost, bộ biến đổi Buck-Boost,... Một số lượng lớn
bộ biến đổi DC/DC không được phân loại cho đến năm 2001. Từ năm 2001,
các bộ biến đổi DC/DC được phân loại và thừa nhận rộng rãi. Do bộ biến đổi

DC/DC là thành phần quan trọng nhất trong bộ nguồn chuyển mạch nên
chương này sẽ giới thiệu tổng quan và phân loại các bộ biến đổi này.
2.1 Lịch sử phát triển
Công nghệ biến đổi DC/DC là chủ đề chính trong lĩnh vực năng lượng

và truyền động. Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng
công nghiệp và phần cứng máy tính. Công nghệ biến đổi DC/DC được phát
triển rất nhanh chóng. Trong sự phát triển đó, thị trường bộ biến đổi DC/DC
thay đổi trải qua 2 xu hướng điện tử công nghiệp là: điện áp thấp và điện áp
cao. Từ những nghiên cứu cho thấy thị trường các bộ biến đổi DC/DC ngày
càng lớn hơn thị trường các bộ biến đổi AC/DC.


21

Công nghệ biến đổi DC/DC được phát triển từ năm 1920 của thế kỷ
trước. Một bộ biến đổi DC/DC đơn giản nhất là một bộ chia áp với một biến
trở nhiệt, nó chỉ cho điện áp ra thấp hơn điện áp vào với hiệu suất rất thấp. Bộ
biến đổi DC/DC nhiều góc phần tư là thế hệ thứ hai. Rất nhiều thời gian được
sử dụng để tìm kiếm cách biến đổi nguồn DC từ một điện áp DC ra điện áp

DC khác.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2 công nghệ truyền thông phát triển rất
nhanh và yêu cầu những bộ nguồn DC điện áp thấp. Một vài sơ đồ ban đầu có
nguồn gốc từ sơ đồ băm áp.
2.2 Bộ biến đổi nhiều góc phần tư

[7]

Dựa vào các trạng thái hoạt động của động cơ một chiều, người ta chia
bộ biến đổi DC/DC hoạt động ở 4 chế độ tương ứng với 4 góc phần tư của hệ
tọa độ UoI:
Góc phần tư thứ nhất – I: điện áp dương, dòng điện dương
Góc phần tư thứ hai – II: điện áp dương, dòng điện âm
Góc phần tư thứ nhất – III: điện áp âm, dòng điện âm

Góc phần tư thứ nhất – IV: điện áp âm, dòng điện dương
Có thể mô tả các trạng thái hoạt động này như hình dưới:

Hình 2.1. Các chế độ hoạt động của mạch băm một chiều


22

2.2.2 Bộ băm một chiều hoạt động ở góc phần tư thứ nhất
Bộ băm một chiều hoạt động ở góc phần tư thứ nhất còn gọi là chế độ A,
sơ đồ mạch và dạng sóng như hình dưới:

Hình 2.2.a. Sơ đồ mạch

Hình 2.2.b. Dạng sóng điện áp ra

Chuyển mạch S có thể là các linh kiện bán dẫn công suất như BJT,

IGBT, MOSFET. Khi coi các phần tử mạch là lý tưởng, điện áp ra được tính
theo công thức:

Trong đó: T là chu kỳ, T=1/f, f là tần số chuyển mạch, ton là thời gian
chuyển mạch dẫn, k là hệ số dẫn k=ton/T.
2.2.3 Bộ băm một chiều hoạt động ở góc phần tư thứ hai


23

Bộ băm một chiều hoạt động ở góc phần tư thứ hai còn gọi là chế độ B,
sơ đồ mạch và dạng sóng như hình dưới:

Hình 2.3.a. Sơ đồ mạch

Hình 2.3.b. Dạng sóng điện áp ra

Điện áp ra được tính theo công thức:

Trong đó: T là chu kỳ, T=1/f, f là tần số chuyển mạch, toff là thời gian
chuyển mạch ngắt toff = T - ton, k là hệ số dẫn k = ton/T.
2.2.4 Bộ băm một chiều hoạt động ở góc phần tư thứ ba
Sơ đồ mạch và dạng sóng như hình dưới: