Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC DC

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

VŨ HOÀNG ANH

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho
bộ biến đổi nguồn DC-DC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Điều khiển tự động

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Lưu Hồng Việt

Hà Nội – Năm 2011


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................. 4
MỞ ĐẦU ......................................................................................... 6
CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI
NGUỒN DC-DC ............................................................................. 8
1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC .................................................................................8
1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly ..................................................................8
1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly ........................................................................8
1.1.3 Lựa chọn Topology cho bộ chuyển đổi DC-DC...................................................9
1.2 Sơ đồ và nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge..............................................................10
1.2.1 Sơ đồ cấu tạo.......................................................................................................10

1.2.2 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................10

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC .................... 13
2.1 Giải pháp thiết kế.......................................................................................................13
2.1.1 Khối điều khiển...................................................................................................14
2.1.2 Thiết kế các thành phần công suất ......................................................................14
2.1.3 Mạch đo và mạch bảo vệ ....................................................................................27
2.2 Phương pháp điều khiển ............................................................................................30
2.3 Tổng quan về bộ điều khiển trượt..............................................................................31
2.3.1 Điều kiện tồn tại..................................................................................................33
2.3.2 Điều kiện tiếp cận mặt trượt ...............................................................................34
2.3.3 Mô tả hệ thống trong chế độ trượt ......................................................................34
2.3.4 Hiện tượng Chattering ........................................................................................35
2.3.5 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC...........................................................36

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .......................... 38
3.1. Mô hình hóa hệ thống ..............................................................................................38
3.2. Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển trượt ........................................................41
3.3. Thiết kế bộ điều khiển trên miền liên tục ................................................................44
3.3.1 Xét điều kiện tồn tại............................................................................................45
3.3.2 Lựa chọn hệ số trượt ...........................................................................................46
3.3.3 Tính toán phương trình điều khiển cho bộ điều khiển trượt dựa vào phương pháp
điều chế độ rộng xung..................................................................................................47
3.4. Tính toán thiết kế với bộ điều khiển số.....................................................................50
3.5. Kết quả mô phỏng.....................................................................................................53
3.6 Kết quả thực nghiệm..................................................................................................59
3.6 Giải pháp phần mềm ..................................................................................................63

KẾT LUẬN ................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAO KHẢO ............................................................ 66

2

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

PHỤ LỤC ...................................................................................... 68
A. Bao gồm các khối Driver, Mosfet và khối mạch bảo vệ cứng....................................68
B. Mạch chỉnh lưu, mạch lọc và mạch do dòng và áp .....................................................69
C. Mạch điều khiển sử dụng dsPic30F2020 ....................................................................70
D. Chương trình điều khiển trượt viết bằng ngôn ngữ C.................................................71

3

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi Full-Bridge......................................................10
Hình 2: Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha .....................................11
Hình 3: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Full-Bridge..........................................11
Hình 4: Sơ đồ khối của mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge.............................13
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge .............................14
Hình 6: Sơ đồ biến đổi xung áp song song a) Mạch khi van mở; b) Mạch rút gọn; c)
Dạng sóng của điện áp và dòng ở trạng thái lý tưởng .........................................................17
Hình 7: Dạng dòng điện và điện áp trên van khi tính đến các thành phần điện cảm và tụ
ký sinh trong sơ đồ...............................................................................................................18

Hình 8: Mạch snubber sử dụng RC ................................................................................18
Hình 9: Mạch snubber RCD ...........................................................................................19
Hình 10:
Tổn hao của mạch theo tỷ số Cs / Cn .............................................................21
Hình 11:
Quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van.........................................22
Hình 12:
Kích thước và thông số của lõi ferrit E55......................................................23
Hình 13:
Bộ lọc một chiều ............................................................................................26
Hình 14:
Mạch đo áp.....................................................................................................28
Hình 17:
Sơ đồ khối chỉ ra một vài phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC.
31
Hình 18:
Ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thông điện và cơ. .....................32
Hình 19:
Hiện tượng chatterring dẫn đến sự phi tuyến của hệ thống. ..........................36
Hình 20:
Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC...................................................................38
Hình 21:
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi dc-dc dạng full-bridge...............................38
Hình 22:
Giản đồ thời gian xung điều khiển các van dạng phase-shifted và điện áp bên
sơ cấp biến áp.......................................................................................................................39
Hình 23:
Sơ đồ rút gọn khi 0 < t < α . ..........................................................................39
Hình 24:
Sơ đồ rút gọn khi α ≤ t ≤ T / 2 . .....................................................................40

Hình 25:
Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu ...................................................................41
Hình 26:
Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi dc-dc fullbridge dùng bộ điều khiển điện áp
trượt.
42
Hình 27:
Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi dc-dc fullbridge dùng bộ điều khiển điện
áp trượt.
42
Hình 28:
Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi dc-dc dạng full-bridge áp dụng phương
pháp điều khiển điện áp trượt dựa trên PWM......................................................................49
Hình 29:
Sơ đồ mạch cầu H ..........................................................................................53
Hình 30:
Sơ đồ mô phỏng phần biến áp, chỉnh lưu và lọc............................................53
Hình 31:
Tính toán các hệ số cho mặt trượt..................................................................54
Hình 32:
Bộ điều chế độ rộng xung đưa tới các van....................................................54
Hình 33:
Sơ đồ Simulink của bộ chuyển đổi. ...............................................................55
Hình 34:
Dạng sóng của các nhánh van và điện áp bên sơ cấp ....................................55
Hình 38:
Điện áp ra của bộ chuyển đổi khi thay đổi tải từ 50ohm-500ohm.................57
Hình 42:
Dạng sóng đo được ở kênh thấp ....................................................................60
Hình 43:

Dạng sóng đo được ở kênh cao......................................................................61
Hình 44:
Dạng sóng đo được ở đầu vào sơ cấp biến áp................................................61
Hình 46:
Sơ đồ khối giải pháp phần mềm. ...................................................................63
4

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Hình 47:

Lưu đồ thuật toán điều khiển. ........................................................................64

5

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

MỞ ĐẦU
Hiện nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã sử dụng
được những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như năng lượng gió, mặt trời, thủy
triều… Ở Việt Nam hiện nay liên tục xảy ra tình trạng thiếu hụt điện nghiêm trọng
gây ảnh hưởng không nhỏ tới sản xuất công nghiệp cũng như sinh hoạt, do vậy cũng
đã bắt đầu sử dụng những nguồn năng lượng này trong việc giải quyết bài toán năng
lượng quốc gia. Những nguồn năng lượng trên đã cung cấp một lượng năng lượng
lớn đáp ứng nhu cầu của con người.

Nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên là vô cùng phong phú nhưng chúng ta mới
sử dụng một phần rất nhỏ, chưa khai thác triệt để tiềm năng sẵn có của nó. Nguồn
điện tạo ra là nguồn một chiều nên nó có khả năng lưu trữ điện năng lâu dài trong
các thiết bị lưu trữ như ắc quy, pin ... Do vậy nguồn điện đó thường có biên độ cố
định, không được điều khiển. Vì thế gặp rất nhiều khó khăn trong việc cung cấp
nguồn điện cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp,
truyền thông.
Mặt khác, hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện của con người ngày càng
tăng, việc đầu tư cho hệ thống lưới điện lại đòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình
trạng quá tải, thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năng suy giảm. Ðiều này ảnh
hưởng trực tiếp tới các thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ các
thiết bị điện tử nhạy cảm như hệ thống thông tin, điều khiển trong công nghiệp.
Ngoải ra, nếu xảy ra tình trạng mất điện làm cho các thiết bị ngừng hoạt động,
không những gây tổn thất không nhỏ về mặt kinh tế cho các doanh nghiệp và nhà
nước mà còn ảnh hưởng đến tính mạng của con người khi sử dụng các máy móc
hiện đại để điều trị trong y học. Vì những lí do đó mà bộ biến đổi nguồn DC-DC
đang được sử dụng ngày càng rộng rải. Bộ biến đổi nguồn DC-DC là một thiết bị
công suất, biến đổi điện áp một chiều đầu vào không được điều khiển thành điện áp
một chiều đầu ra với các mức điện áp mong muốn nhằm cung cấp điện cho các thiết
bị sử dụng nguồn điện một chiều.

6

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Với mục đích nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi DC-DC có thể biến đổi
những nguồn năng lượng một chiều từ các thiết bị lưu trữ như pin, ắc quy... thành
nguồn điện một chiều có điều khiển với biên độ điện áp mong muốn, chất lượng

điện áp cao, có tính bền vững, cũng như đáp ứng được sự thay đổi lớn từ phía tải.
Như vậy bài toán đặt ra là cần phải thiết kế bộ điều khiển vừa đáp ứng được điện áp
ra mong muốn, tính bền vững, sự thay đổi lớn ở phía tải và cũng vừa dễ thực thi, giá
thành thấp. Có nhiều phương pháp đưa ra để điều khiển bộ biến đổi DC-DC nhưng
thích hợp nhất là bộ điều khiển trượt, lý thuyết điều khiển trượt cũng được nhắc đến
nhiều nhưng việc áp dụng vào trong bộ điều khiển DC-DC còn rất hạn chế và chưa
có một quy trình cụ thể nào. Do vậy tôi đã chọn thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ
biến đổi DC-DC, với đầu vào là nguồn một chiều 48V, đầu ra là nguồn một chiều
400V, công suất đầu ra là 2-3KW.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn TS. Lưu Hồng Việt đã tận
tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn tốt
nghiệp.

7

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI
NGUỒN DC-DC
1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC
Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm :
1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ viêc phóng nạp tụ từ
dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một chiều đầu ra
thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lý
tùy thuộc vào từng sơ đồ.
Các sơ đồ theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi Buck,
- Sơ đồ biến đổi Boost,
- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost.
Các sơ đồ không cách ly cho công suất hạn chế, do đó chỉ phù hợp với công
suất nhỏ và yêu cầu chất lượng không cao.
1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp
xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung,
sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mong
muốn. Các sơ đồ biến đổi này gồm có :
- Sơ đồ biến đổi FlyBack,
- Sơ đồ biến đổi Forward,
- Sơ đồ biến đổi Push-Pull,
- Sơ đồ biến đổi Half-Bridge,
- Sơ đồ biến đổi Full-Bridge.

8

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Đối với các sơ đồ cách ly sử dụng biến áp thì ưu điểm hơn về mặt công suất
và vấn đề nâng cao công suất với nguyên lý trên có thể thực hiện dễ dàng, do đó
phù hợp với các ứng dụng có công suất lớn và yêu cầu chất lượng cao hơn.

1.1.3 Lựa chọn Topology cho bộ chuyển đổi DC-DC
Bảng 1: So sánh chỉ tiêu chât lượng của các topology cho bộ chuyển đổi DC-DC
Topology

Dải

công Dải điện áp Cách ly đầu Hiệu suất

suất

vào Vin (dc)

vào và ra

(%)

Quan
hệ

về

giá

(W)
Buck

0-1000

5-40

Không

78

1.0

Boost

0-150

5-40

Không

80

1.0

Buck-Boost

0-150

5-40

Không

80

1.0

Forward

0-150

5-500

Có

78

1.4

Flyback

0-150

5-500

Có

80

1.2

Push-pull

100-1000

50-1000

Có

75

2.0

Half-bridge

100-500

50-1000

Có

75

2.0

Full-bridge

400-2000+

50-1000

Có

73

2.5

Để chọn topology của bộ biến đổi DC-DC, người ta căn cứ vào mấy chỉ tiêu
chính như sau:
- Bài toán có yêu cầu biến áp các ly giữa đầu vào và đầu ra hay không?
- Dòng cực đại đặt lên van là bao nhiêu?

- Dải điện áp lớn nhất mà van có thể chịu được là bao nhiêu?
Căn cứ vào nhu cầu ứng dụng thực tế, giá thành, hiệu suất… mà chúng ta
chọn sơ đồ cho phù hợp. Với yêu cầu của bài toán nâng điện áp một chiều từ
48VDC lên 400VDC với công suất có thể đạt được 2-3KW, có biến áp cách ly giữa
đầu vào và đầu ra nên topology của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-bridge là phù hợp
nhất. Tuy nhiên vấn đề điều khiển van rất phức tạp.

9

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

1.2 Sơ đồ và nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge
Bộ biến đổi Full-Bridge là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện
áp một chiều có cách ly, chất lượng đầu ra khá cao và công suất đạt được vào
khoảng hàng kW.
1.2.1 Sơ đồ cấu tạo

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi Full-Bridge
Ở đây:
Vin : Là dải điện áp vào cần được boost lên.

Q1, Q2, Q3, Q4 là các van công suất được điều khiển để đóng mở tạo ra điện
áp xung đặt lên cuộn sơ cấp biến áp.
Biến áp xung: để nâng áp với tỷ lệ cuộn sơ cấp trên thứ cấp là N1: N 2 và để
cách ly điện áp giữa đầu vào và điện áp đầu ra của hệ thống.
Diot cao tần D1 và D2 để chỉnh lưu điện áp phía thứ cấp biến áp xung, điện áp
qua nhánh này sẽ là Voi .

L, C: là bộ lọc để lọc thành phần cao tần, điện áp sau bộ lọc sẽ là điện áp một
chiều V 0 .
1.2.2 Nguyên lý hoạt động
Nhờ khả năng điều khiển đóng mở các van Q1, Q2, Q3, Q4 sẽ tạo ra được điện
áp xung v1 với tần số cao (thường vài chục kHz đến trăm kHz) đặt lên cuộn sơ cấp
của biến áp. Điện áp v1 tại cửa ra của cầu H có thể bằng 0, -Vin, +Vin phụ thuộc và
cách điều khiển đóng mở các van công suất trên. Các cặp van (Q1, Q3), (Q2 Q4)

10

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
được điều khiển theo chế độ bù (trạng thái ngược nhau) có tính tới thời gian chết
chuyển mạch nhằm tránh hiện tượng trùng dẫn giữa các van. Điện áp dạng xung
vuông xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp được chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhờ các
diode tần số cao D1 và D2. Bộ lọc thông thấp LC được sử dụng ở đầu ra để lấy ra
điện áp ra một chiều bằng phẳng Vo từ chuỗi xung vuông Voi.
Ở đây, ta điều khiển mở các cặp van với tần số f theo chế độ dịch pha. Điều
khiển từng cặp theo kiểu bù với độ rộng xung là như nhau. Khi van Q1 và Q4 mở
thì điện áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là v1 = +Vin. Khi van Q3 và Q2 mở
thì điện áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là v1 = -Vin. Và khi v1 = 0 có nghĩa
là Q1 và Q2 hoặc Q3 và Q4 cùng mở.
Xét cách điều khiển các van dạng dịch pha như sau:

α

Hình 2: Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha
• Giản đồ điện áp và dòng điện

Hình 3: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Full-Bridge
11

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Quan sát giản đồ thời gian trên hình 2 ta nhận thấy điện áp trung bình được
đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung sẽ là αVin . Khi qua biến áp xung nếu bỏ qua
thành phần tổn hao thì điện áp trung bình sẽ là

N2
αVin . Cuối cùng khi qua phần diot
N1

chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ thì phần điện áp âm sẽ được lật lên thành điện áp dương do
vậy điện áp trung bình ở đầu ra V0 sẽ là:
V0 = 2

N2
α Vin
N1

(1)

Trong đó α là độ dịch pha.

12

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
2.1 Giải pháp thiết kế
Từ yêu cầu của bài toán là thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC
với những tiêu chí sau:
• Điện áp vào Vin =48VDC
• Điên áp ra V0 =400VDC
• Công suất đầu ra Pdc =2KW
• Tần số chuyển mạch fs =40kHz
• Có sử dụng biến áp cách ly giữa đầu vào và đầu ra
Từ nguyên lý chung của bộ biến đổi Full-Bridge và yêu cầu của bài toán ta đưa
ra giải pháp thiết kế sơ đồ khối của bộ biến đổi nguồn DC-DC cầu H và mạch điều
khiển như Hình 4:

Hình 4:

Sơ đồ khối của mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge

Trong sơ đồ này có thể chia thành 3 khối chức năng chính:
•

Khối điều khiển

•

Đối tượng điều khiển: Là bộ biến đổi nguồn DC-DC dạng Full-bridge bao gồm

Mạch lực (mạch driver, mạch cầu H), biến áp xung, chỉnh lưu và lọc một chiều.

•

Khối đo

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge như sau:
13

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

Lo

Q1

Q2

D1

D2

Inductor
2mH

N1:N2

Vi

Co
1000uF

48V
Battery

Q3

Hình 5:

D3

Q4

50
RL

Vo

D4

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge

2.1.1 Khối điều khiển
Khối điều khiển đảm bảo các điều kiện sau:
- Tốc độ xử lý đủ nhanh để đáp ứng thời gian thực.
- Có khối ADC có độ phân giải đủ cao và thời gian xử lý ADC ngắn.
- Có khối PWM để điều khiển 2 nhánh van được cả van kênh cao và van kênh
thấp.

2.1.2 Thiết kế các thành phần công suất
Các phần tử công suất của bộ chuyển đổi DC-DC được thiết kế cho các tham số
hệ thống như sau:
• Công suất nguồn một chiều Pdc= 2KW
• Tần số chuyển mạch fs =40kHz
• Điện áp đầu vào Vin = 48VDC
• Điện áp đầu ra Vo = 400VDC
a) Khối van công suất
Để tạo điện áp xung từ điện áp một chiều ta sử dụng 4 van công suất và một
biến áp xung. Các van công suất này là các van điều khiển hoàn toàn như MOSFET,
BJT, IGBT. Thông thường người ta sử dụng van MOSFET vì chúng có thể hoạt
động ở tần số cao và có khả năng chịu dòng lớn.
Với yêu cầu của bài toán thì dòng điện hiệu dụng lớn nhất trong mạch là:
I=

P 2000
=
= 41.67 A
48
U

(2)

14

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Để đạt được điện áp xoay chiều ở sơ cấp biến áp xung có tần số 40KHz, điều

này yêu cầu tần số đóng ngắt của van công suất phía sơ cấp cần có tốc độ tương
đương. Với sơ đồ Full-bridge đã chọn thì điện áp đặt lên van lớn nhất được chọn là
100V để đảm bảo khả năng hoạt động tin cậy.
Như vậy khi chọn van ta phải chọn

có I D > 41.67 A,U DSS > 100V . Ở đây

IRFP90N20D được chọn để sử dụng trong mạch, chúng có giá trị chính như sau:

Bảng2: Thông số trạng thái của van:

Bảng 3: Thông số đặc trưng cho động học của van:

Ở đây có hai thông số rất quan trọng là:
-

Thời gian trễ khi mở van: td ( on ) = 23ns

-

Thời gian trễ khi đóng van: td ( off ) = 43ns

15

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
b) Mạch snubber
Có hai phương pháp cơ bản để giải quyết vấn đề nhiễu xung của một thiết bị

bán dẫn.
• Phương pháp thứ nhất là chúng ta thay thế thiết bị đó bằng một thiết bị
có đáp ứng tần số cao hơn có khả năng đáp ứng được với nhiễu xung.
• Phương pháp thứ hai là đưa thêm mạch snubber vào cùng với thiết bị để
hạ nhiễu xung xuống mức an toàn với thiết bị.
Để chọn được phương pháp phù hợp chúng ta thường phải cân nhắc nhiều vấn
đề như: giá thành, sự phổ biến của thiết bị tần số cao, mức độ linh hoạt của mạch,
hay hiệu quả dập xung mà mạch snubber mang lại.
Mạch snubber được sử dụng chủ yếu là để hạn chế điện áp xung (thường xuất hiện
trong quá trình turn-off thiết bị), và dòng xung (thường xuất hiện trong quá trình
turn-on) về cả độ lớn lẫn tốc độ tăng giá trị.
Nguyên lý:
Với các loại van khác nhau và trong các điều kiện khác nhau thì đặc tính đóng
cắt của các van bán dẫn cũng hoàn toàn khác nhau. Tuy nhiên quá trình đóng cắt có
thể đưa về bốn dạng như sau:
- Sơ đồ biến đổi xung áp nối tiếp (Buck)
- Sơ đồ biến đổi xung áp song song (Boost)
- Sơ đồ biến đổi xung áp nối tiếp – song song (Buck – boost)
- Mạch nhánh nghịch lưu nửa cầu (Inverter pole)

16

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

Các trạng thái chuyển mạch trong các sơ đồ đều tương tự nhau vì vậy chỉ cần
giải quyết vấn đề thiết kế mạch hỗ trợ van cho một mạch là có thể thiết kế được
mạch hỗ trợ van cho các mạch khác. Dưới đây là sơ đồ biến đổi xung áp song song.

Hình 6:

Sơ đồ biến đổi xung áp song song a) Mạch khi van mở; b) Mạch rút gọn;
c) Dạng sóng của điện áp và dòng ở trạng thái lý tưởng

Trong trường hợp lý tưởng, khi van mở, dòng điện sẽ tăng tuyến tính từ 0 đến
Io. Khi dòng đạt đến giá trị Io điôt mới khóa lại, khi đó điện áp trên van mới giảm
từ E đến 0. Khi van khóa lại, quá trình xảy ra theo chiều ngược lại. Trên đồ thị, có

17

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
thể thấy rõ tồn tại những thời điểm mà cả điện áp trên van lẫn dòng điện đều có giá
trị lớn gây tổn thất trong quá trình chuyển mạch. Nếu tính đến cả những yếu tố thực
tế như điện cảm và tụ điện ký sinh thì dòng điện và điện áp qua van có dạng như
sau:

Hình 7:

Dạng dòng điện và điện áp trên van khi tính đến các thành phần điện
cảm và tụ ký sinh trong sơ đồ.

Chính vì thế, thiết kế mạch hỗ trợ van là một việc hết sức quan trọng trong
quá trình thiết kế mạch điện tử công suất. Có rất nhiều loại mạch hỗ trợ van nhưng
phổ biến nhất là hai loại: mạch RC và mạch RCD.
Một số loại mạch hỗ trợ van thông dụng

Mạch RC:
Giả sử có mạch van đóng cắt dòng điện Io dưới điện áp Eo, nối tiếp van là
điện cảm Lp, tụ ký sinh của bản thân van là Cp như hình 4a. Việc mắc thêm mạch
(R nt C) song song với van như hình 4b nhằm làm giảm tổn thất trong quá trình
đóng cắt và giảm xung áp trên van.

a)

b)
Hình 8:

Mạch snubber sử dụng RC

18

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Để dao động sinh ra trong chuyển mạch là tắt dần thì Cs > Cp, cách lựa chọn
tốt nhất là bằng 2 lần Cp. Rs được chọn sao cho Rs = Eo / Io. Như vậy, khi van
đóng, dòng có thể chuyển sang mạch trợ giúp mà điện áp trên van không vượt quá
Eo.
Khi van mở, tụ Cs phóng điện qua điện trở Rs qua van. Dòng điện này có đỉnh khá
lớn tuy nhiên thời gian rất ngắn nên không gây nguy hại nhiều về phát nhiệt trên
van. Nhưng dòng điện phóng của tụ gây phức tạp cho vấn đề di/dt và làm tăng thời
gian mở của van.
Công suất tiêu tán trên điện trở Rs có thể được xác định qua năng lượng tích
trữ trong tụ Cs:
1

Wc = CS E02
2

(3)

Năng lượng này tiêu tán trên Rs trong quá trình đóng cắt, vì vậy nếu tần số
đóng cắt là fs thì công suất tiêu tán trên Rs sẽ là:
1
PR = CS E02 f S
2

(4)

Mạch RC đơn giản có ứng dụng rộng rãi, chủ yếu trong sơ đồ công suất nhỏ
và vừa. Đối với các phần tử không điều khiển như điôt hoặc điều khiển không hoàn
toàn như tiristo, triac, mạch RC cần được tối ưu hóa bằng cách chọn giá trị của Lp
bằng thực nghiệm.
Khi công suất lớn hơn và nhất là đối với các phần tử điều khiển hoàn toàn, để
chủ động thời điểm khóa của van như GTO, MOSFET, BJT, IGBT thì cần sử dụng
các mạch trợ giúp phức tạp hơn.
Mạch RCD

Hình 9: Mạch snubber RCD
19

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Khác với mạch RC, trong mạch RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở

nhưng trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van vì thế giá trị
của trở có thể chọn linh hoạt hơn. Ngoài ra mạch mạch RCD có những ưu điểm hơn
so với mạch RC:
• Mạch cho phép suy giảm điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt của van
cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp.
• Van được làm việc trong vùng an toàn tốt hơn
• Tụ điện ký sinh trên van cũng được sử dụng như một phần của mạch hỗ trợ
van
Tuy nhiên mạch có nhược điểm là dòng nạp tụ Cs lấy thẳng qua điôt Ds không
phải là giá trị tối ưu do đó quá điện áp sẽ lớn hơn ở trong mạch RC.
Khi van bắt đầu đóng, điện áp trên van tăng chậm trong khi dòng bắt đầu giảm
vì dòng đã chuyển sang mạch điôt, tụ và điện trở. Như vậy vùng an toàn và tổn hao
đóng cắt cũng giảm đáng kể.

Tùy thuộc vào giá trị của Cs mà điện áp E có thể tăng đến Eo trước hay sau
khi dòng I về 0. Nếu E = Eo trùng thời điểm I = Io thì Cs = Cn với Cn được xác
định như sau:

20

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

Cn =

I 0tS
2 E0

(5)

với t S là thời gian khóa của van.

Hình 10: Tổn hao của mạch theo tỷ số Cs / Cn
Có thể thấy tỉ số Cs/Cn càng lớn thì tổn hao trên mạch hỗ trợ van càng tăng
rất nhanh. Vì vậy để tổn hao đóng cắt nhỏ thông thường người ta thường chọn
Cs/Cn = 0,5. Khí đó Rs cần chọn để tụ phóng hết điện trong khoảng thời gian mở
van, ton. Giá trị của Rs được tính như sau:
RS =

ton
2CS

(6)

Thiết kế:
MOSFET sử dụng trong đồ án là IRFP90N20D
Tụ ký sinh trên MOSFET Cp = 170 pF (trên bảng 3)
Tần số đóng cắt van là f = 40kHz
Thời gian mở từng van ton = 0,4.ts = 0,4/f
E0 = Vin = 48 V, Io = 2000 / 48 = 41.67A

Từ các thông số trên, tính toán được các giá trị của RC

21

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

Cn =

I 0t S
I0
41, 67
=
=
= 1, 085.10−5 ( F )
2 E0 2 E0 f s 2.48.40000

1
2

1
2

Ö CS = Cn − C p = .1, 085.10−5 − 170.10−12 = 5, 42.10−6 ( F ) = 5, 42( µ F )
Ö Chọn tụ CS = 10( µ F )

Ö

RS =

ton
0, 4
=
= 0,5(Ω)
2CS 2.40000.10.10−6

c) Khối driver cho van:
Ta có quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van như sau:

Hình 11: Quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van
Từ đặc tính này ta thấy muốn van mở hoàn toàn thì điện áp VGS tối thiểu ta cần
là 12V và điện áp cực đại đặt lên nó là 30V (xem trong bảng thông số), vậy ta có
các tiêu chuẩn sau để chọn driver cho van :
- Tạo ra điện áp trong khoảng từ 12V-30V để đóng mở van công suất.
- Tần số đóng cắt cao, lớn hơn 40kHz.
- Thời gian trễ nhỏ.
- Điều khiển được cả van kênh thấp và van kênh cao.
Từ những tiêu chuẩn trên tôi chọn driver IR2110 với các thông số như sau:

22

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

d) Biến áp xung
Theo yêu cầu đồ án đặt ra, công suất của biến áp xung phải đạt được 2KW trở
lên. Đây là một yêu cầu rất khó đối với các lõi biến áp xung, đặc biệt là trên thị
trường Việt Nam. Vì vậy, tôi chọn phương án mắc bốn biến áp song song cuộn sơ
cấp, nối tiếp cuộn thứ cấp. Như vậy, mỗi biến áp xung cần thiết kế với những yêu
cầu sau:
- Công suất đầu ra bằng 2000/4 = 500 (W),
- Tần số 40KHz,
- Điện áp sơ cấp là 48V,

- Điện áp thứ cấp là 400/4=100V.
Các bước thiết kế biến áp xung với những yêu cầu ở trên:
1. Chọn lõi biến áp xung
Qua tìm hiểu các lõi biến áp xung trên thị trường Viêt Nam, tôi nhận thấy chỉ
có lõi ferrit E55 thõa mãn công suất đặt ra. Lõi E55 có thể thiết kế được với công
suất lên tới 1KW. Kích thước và các thông số của lõi E55 như sau :

Hình 12: Kích thước và thông số của lõi ferrit E55.

23

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
2. Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp:
Để tính toán số vòng dây cuộn sơ cấp, ta áp dụng định luật Faraday. Định
luật Faraday phát biểu như sau:
E = N ⋅ Ae ⋅

dB
⋅10−8
dt

(7)

Trong đó :
E là suất điện động sinh ra trong lõi, tính bằng Volt.
N là số vòng của cuộn dây.
Ae là điện tích của lõi, tính bằng cm2

dB/dt là độ biến thiên của từ thông trong một đơn vị thời gian, tính bằng
Gauss/giây.
Từ đây ta có công thức tính số vòng dây của cuộn sơ cấp như sau :
Np =

E ⋅108 dt
Ae ⋅ dB

(8)

Với sơ đồ Full-Bridge, điện áp đặt lên cuộn sơ cấp gần bằng Vin nên có thể lấy
E = Vin và do có thời gian deadtime, các van chỉ mở tối đa khoảng 80% nên dt =
0,8.T/2, với T là chu kỳ băm xung. Mặt khác, với tần số điều chế từ 50KHz trở
xuống thì dB có thể lấy bằng 2000G (từ -100G đến +1000G). Từ đó ta tính được số
vòng của cuộn sơ cấp NP=7 vòng. Điện áp trung bình sau cầu diode được tính
theo công thức sau:
V0 = Vin

N sm 2to
⋅
Np T

(9)

Trong đó :
Nsm là số vòng dây cuộn thứ cấp.
Np là số vòng cuộn sơ cấp.
ton là thời gian mở của từng van.
Từ đó ta có công thức tính số vòng cuộn thứ cấp như sau:
N sm = N P ⋅

V0 T
⋅
Vin 2ton

(10)

24

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010


Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC
Với V0 = 100V, Vin = 48V, Np = 7 vòng, ton = 0,8T/2, ta tính được Nsm = 19
vòng.
3. Lựa chọn dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Giả sử hiệu suất của biến áp xung
là 80%.
Ta có : Pin = Vin ⋅ ( 0,8 ⋅ IPmax ) = 1, 25 ⋅ PO Với IPmax là dòng điện cực đại chạy
qua cuộn sơ cấp. Suy ra : IPmax = 1,56.P0/Vin . Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn
sơ cấp là: I P = I P max ⋅ 0,8 = 1, 40 ⋅ P0 / Vin = 1, 4.500 / 48 = 14.58 A

(11)

Để tránh sử dụng dây kích thước lớn, dẫn đến hiệu ứng mặt ngoài có thể ghép
nhiều dây kích thước nhỏ lại với nhau. Do vậy việc sử dụng đồng lá, kích thước
2,5mmx0,2mm làm dây sơ cấp sẽ hợp lý.
Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn thứ cấp là:
I sm = I p ⋅ N p / N sm = 5,37 ( A)

(12)

Vì vậy, 4 dây đường kính 0.6mm được sử dụng làm dây cuốn phía thứ cấp
e) Khối chỉnh lưu sau biến áp xung
Điện áp ra sau biến áp xung là điện áp xoay chiều có biên độ lên đến 400V và
tần số bằng 80KHz (bằng hai lần tần số điều chế xung).
Do thiết kế công suất khoảng 2KW nên dòng điện đầu ra lớn
nhất Imax = P/U = 2000/400 = 5(A).
Dựa vào ba thông số trên tôi chọn diode chỉnh lưu MUR1660 với các thông số
như sau:

f) Khối lọc một chiều

25

Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ 2008-2010