ĐỒ ÁN Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter phục vụ cho các nguồn năng lượng phân tán

Mục tiêu của đồ án

Mục tiêu của đồ án
Đồ án tập trung nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter phục vụ cho các
nguồn năng lượng phân tán với các thông số như sau:
Điện áp đầu vào 24 Vdc
Điện áp đầu ra 220Vac
Tần số đầu ra 50 Hz
Công suất 1000 W

-

1.4. Cấu hình bộ biến đổi
1.4.1 Cấu hình chung của hệ thống
Có nhiều biện pháp để thực hiện bộ biến đổi từ nguồn ắc quy sang nguồn 220V xoay
chiều nhưng một trong những biện pháp có hiệu suất và chất lượng điện áp cao nhất là bộ
biến đổi hai giai đoạn như hình vẽ:
Vbus

+
24V DC

DC-DC

350-400V
DC

DC-AC

220V
AC

~

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter
Điện áp đầu vào 24V đi qua bộ điều áp một chiều được nâng lên 350-400V. Điện áp
này là đủ để thực hiện khâu nghịch lưu độc lập nguồn áp. Sau đây ta sẽ nghiên cứu hoạt
động từng khâu.
1.4.2. Bộ biến đổi băm xung một chiều
Ngày nay, các bộ biến đổi băm xung một chiều được sử dụng rất phổ biến trong hoạt
động hàng ngày, với các ưu điểm về kích thước gọn nhẹ, chất lượng điện áp rất tốt và
hiệu suất cao.

Hình 1.4. Băm xung một chiều: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]
1


Mục tiêu của đồ án

Mạch băm xung một chiều sử dụng các linh kiện điện tử công suất có thể điều khiển
hoàn toàn để tạo ra được điện áp có dạng 1 chiều ở đầu ra như ý muốn từ một điện áp 1
chiều đầu vào với tổn thất thấp nhất nhờ đặc tính giống như công tắc của các linh kiện
này : điện trở khi đóng bằng không và khi ngắt bằng vô cùng. Nhờ đó, về mặt lý thuyết,
thất thoát năng lượng bằng không.
Có thể thấy điện áp đầu ra của mạch băm xung có dạng nhấp nhô, nhưng nếu sử dụng
các linh kiện có tần số đóng cắt lớn cộng với mạch lọc phù hợp thì điện áp đầu ra sẽ có
dạng đường thẳng ở mức chấp nhận được cho hầu như tất cả các ứng dụng.
a.Phân loại:
Có 3 dạng mạch băm xung chính:
 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp (Buck Converter):
Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch băm xung một chiều cơ

bản nhất, sử dụng một công tắc bán dẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào bộ
lọc LC trước khi ra tải. Diode có nhiệm vụ dẫn dòng liên tục trong cuộn cảm L. Điện áp
đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào.

Hình 1.5. Băm xung một chiều nối tiếp: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]
Hàm truyền của Buck converter:

Vout
Ton
T
=D=
= on . D được gọi là độ mở van
Vin
Ton +Toff T

Ta thấy điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn đầu vào. Tuy nhiên nếu thêm biến áp xung vào
mạch, ta sẽ mở ra khả năng nâng áp cho hệ thống. Buck converter là nền tảng cơ bản để
từ đó thiết kế các dạng converter khác có cách ly bằng biến áp phổ biến bao gồm:

2


Mục tiêu của đồ án

Forward Converter, Push-Pull Converter, Half-Bridge Converter, Full-Bridge Converter.
Các loại mạch băm xung này sẽ được phân tích kỹ ở chương sau.
 Băm xung 1 chiều song song

Hình 1.6. Băm xung một chiều song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]
Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch băm xung 1 chiều cơ bản

có thể đưa ra điện áp lớn hơn điện áp vào. Khóa S được mắc song song với điện áp vào.
Khi S đóng, năng lượng được tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode D khóa. Khi S
khóa, D dẫn và năng lượng này được truyền đến đầu ra.
Hàm truyền của Boost Converter :

Vout
1
=
Vin 1 - D

Boost Converter không có dạng có biến áp cách ly.
 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp-song song (Buck- Boost Converter):

3


Mục tiêu của đồ án

Hình 1.7. Băm xung một chiều nối tiếp-song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]
Buck-Boost Converter kết hợp khả năng của Boost Converter và Buck Converter khi
có thể tạo ra điện áp ra lớn hơn hoặc bé hơn điện áp vào trong một khoảng cho phép. Khi
S đóng, dòng điện nạp năng lượng cho cuộn cảm L, diode D khóa. Lúc S khóa, D dẫn
dòng từ cuộn cảm và tụ C cũng phóng điện.
Hàm truyền của Buck-Boost Converter :

Vout
D
=
Vin 1 - D

Buck-Boost Converter có một dạng có biến áp cách ly là Flyback Converter.
b. Các chế độ dòng điện:
Như đã phân tích ở trên, trong tất cả các mạch băm xung, luôn xuất hiện mạch lọc LC
với nhiệm vụ san bằng điện áp ra. Tác dụng của LC có thể được hiểu theo nguyên tắc:
chúng nạp năng lượng khi S đóng và giải phóng năng lượng này khi S ngắt nhằm duy trì
năng lượng cho tải. Trong đó, cuộn cảm L đóng vai trò giữ cho dòng không đổi để đầu ra
có dạng 1 chiều. Khi được cấp nguồn , dòng qua L không tăng đột ngột mà tăng dần theo
hiện tượng cảm ứng điện từ và khi ngắt ra khỏi nguồn, dòng cũng giảm dần.
Trong thực tế, có 3 chế độ dòng có thể xảy ra cho cuộn cảm:
-

Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): IL tăng từ giá trị
Ivalley đến giá trị Ipeak rồi lại giảm xuống Ivalley khi S khóa. Do dòng không bao
giờ về 0 nên chế độ này được gọi là chế độ dòng liên tục.

-

Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): IL tăng từ 0
đến Ipeak khi S đóng và khi S khóa, dòng giảm về 0 trước khi S đóng lại trong
chu kỳ tiếp theo.

-

Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode hoặc CRMcritical conduction mode) : mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sao cho khi thất IL
vừa giảm về 0, S sẽ đóng để nạp lại cho L, tức là năng lượng của L sẽ được
giải phóng hết trước chu kỳ tiếp theo.

Những tính toán cụ thể cho thấy rằng việc lựa chọn L sẽ ảnh hưởng đến chế độ dòng
điện qua nó. Có một giá trị Lb để xác định ranh giới hai chế độ CCM và DCM.
1.4.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

4


Mục tiêu của đồ án

Ngày nay, khi công nghệ chế tạo và điều khiển các vân bán dẫn điều khiển hoàn toàn
đã hoàn chỉnh rất nhiều nên trong nghịch lưu nguồn áp người ta chỉ sử dụng các van điều
khiển hoàn toàn như IGBT, MOSFET, BJT, GTO.
Iin

Iin

C1

Q1

Q1

D1
Iout

E

E

C2

Q2

D2

D1

Q3
Iout

Cin

Q2

D2

Q4

Hình 1.8. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp
Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp phổ biến trong thực tế bao gồm 2 loại nghịch lưu với
nguyên lý hoạt động tương tự nhau: bán cầu và nghịch lưu cầu. Trong đó, nghịch lưu cầu
đơn giản và dễ thực hiện hơn. Ta sẽ xem xét hoạt động của nghịch lưu điện áp hình cầu.
Với phương pháp điều chế thông thường, các van sẽ đóng mở theo cặp, cặp Q1 và Q4
mở trong một nửa chu kỳ và đóng trong một nửa chu kỳ còn lại, cặp Q2 và Q3 hoạt động
ngược lại với cặp Q1 và Q4. Kết quả sẽ có điện áp dạng xung chữ nhật như hình vẽ

Hình 1.9. Dạng xung nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha
Nếu tải có tính chất cảm thì dòng điện không thay đổi lập tức về chiều và độ lớn khi
điện áp thay đổi. Điều đó tạo ra những khoảng thời gian mà năng lượng được trả về và
5


Mục tiêu của đồ án

tích vào tụ Cin, ứng phần dòng điện âm trên đồ thị. Trên phần này, các cặp điốt sẽ thay
van dẫn dòng.
Điện áp hình xung chữ nhật nếu phân tích theo phổ Fourier sẽ gồm các thành phần
sóng 2 bậc lẻ 1.3.5… với biên độ lần lượt là 4E/π, 4E/3π, 4E/5π. Với phụ tải yêu cầu hình
sin, chúng ta phải thiết kế các bộ lọc để lọc các sóng hài bậc cao. Tuy nhiên các bộ lọc
này có kích thước rất lớn và chưa tối ưu.
Trên thực tế để cải thiện chất lượng điện áp và giảm kích thước bộ lọc, người ta sử
dụng các phương pháp nghịch lưu khác như phương án điều chỉnh điện áp đầu vào, thay
đổi độ rộng xung hoặc cộng điện áp nhiều bộ nghịch lưu. Phương án điều chế dộ rộng
xung PWM là phương án tối ưu và được sử dụng rộng rãi hiện nay.
1.4.4.Phương pháp PWM để nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu
Phương pháp PWM có những ưu điểm vượt trội sau so với các phương pháp khác:
-

Vừa điều chỉnh được điện áp, vừa điều chỉnh được tần số
Điện áp đẩu ra rất gần hình sin với kích thước bộ lọc nhỏ
Có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào làm tăng hiệu quả sơ đồ

Nội dung của phương pháp biến điệu độ rộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn có
tần số như tần số mong muốn với một điện áp răng cưa tần số cao, cỡ 2÷10hHz. Có 2
dạng đơn giản của phương pháp là điều chế 1 cực tinh và 2 cực tính. Theo dạng điện áp
một cực tính, trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn răng cưa, điện áp ra tải là
+E, trong các khoảng còn lại điện áp ra tải là 0. Với phương pháp hai cực tính, các điện
áp này lần lượt là +E và –E. Ta có thể thấy rõ ở đồ thị:

6


Mục tiêu của đồ án

Hình 1.10. Phương pháp điều chế PWM hai cực tính và một cực tính
Để thực hiện phương pháp điều chế hai cực tính, hai cặp van vẫn thực hiện đóng mở
ngược nhau trong một chu kỷ sóng sóng mang, trong những khoảng điện áp sin chuẩn
cao hơn răng cưa thì cặp Q1-Q4 dẫn và ngược lại thì cặp Q2 –Q3 dẫn.
Để thực hiện phương pháp điều chế một cực tính, một van trong mỗi cặp sẽ dẫn trong
suốt một nửa chu kỷ sóng điều chế, van còn lại sẽ thực hiện đóng mở theo so sánh sóng
mang và sóng sin chuẩn.
Để đơn giản trong điều khiển, ta lựa chọn phương án hai cực tính.
Ta thấy, trong một chu kỳ sóng mang,mạch sẽ dẫn điện áp +E trong 1 khoảng thời
gian DTm, với D là độ mở van cặp Q1-Q4, Tm là chu kỳ sóng mang đồng thời dẫn điện áp
–E trong thời gian (1-D).Tm. Giá trị điện áp ra trung bình trong chu kỳ sóng mang đó là:
T

Utb =

1 m
E.D.Tm  E.(1  D).Tm
U(t)dt 
 E(2D-1)

Tm 0
Tm

Giá trị biên độ của điện áp ra sẽ ứng với giá trị độ mở van lớn nhất.
Trong các chương tiếp theo ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể để thiết kế bộ nghịch lưu
qua hai giai đoạn.
Chương 2 sẽ phân tích và lựa chọn phương án cho bộ DC-DC, sau đó tính chọn các
thiết bị mạch lực, thông số bộ điều khiển và mô phỏng bộ DC-DC.

7


Mục tiêu của đồ án

Chương 3 sẽ phân tích và tính chọn bộ nghịch lưu độc lập điện áp, mô phỏng bộ
nghịch lưu và hệ thống tổng thể.
Chương 4 sẽ xây dựng mạch thực nghiệm qua các bước.
Chương 5 sẽ tìm hiểu về phần mềm trên vi xử lý.
Cuối cùng, chương 6 là các kết quả thực nghiệm.

8


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Chương 2
THIẾT KẾ MẠCH LỰC KHÂU DC-DC
2.1.Yêu cầu thiết kế
Như đã phân tích ở chương 1, để tạo ra điện áp hình sin chuẩn bằng phương pháp điều
chế PWM sau bộ nghịch lưu thì điện áp đầu vào tối thiểu của nó là:
Voutmin =

U ACmax
2Dnlmax -1

(2.1)

Với UACmax =220√2 là biên độ điện áp xoay chiều, Dnlmax là độ mở van tối đa ở bộ
nghịch lưu, ở đây lựa chọn Dnlmax = 0,95. Rút ra Udcmin = 346V. Trong các thiết kế thông

thường, điện áp đầu vào nghịch lưu có thể ở vào khoảng tử 320-400V.
Như vậy chúng ta có các số liệu yêu cầu thiết kế như sau:
Bảng 2-1: Số liệu yêu cầu thiết kế bộ điều chỉnh DC-DC
Đại lượng

Ký hiệu

Giá trị

Điện áp vào

VDC

24V

Điện áp vào cao nhất

VDC max

28V

Điện áp vào thấp nhất

VDC min

20V

Điện áp ra

Vout

350V

Công suất đầu ra

PO

1000W

2.2.Phân tích và lựa chọn phương án bộ DC-DC
Từ yêu cầu thiết kế của bộ băm xung một chiều ta thấy băm xung là bộ tăng áp với hệ
số tăng áp khá lớn: Vout/Vin = 14,6. Cộng với công suất lớn ở đẩu ra nên ta lựa chọn các
phương án băm xung có biến áp để đảm bảo cách ly giữa đầu vào và đầu ra và cung cấp
một hệ số nâng áp thích hợp giảm gánh nặng điều chỉnh độ mở van D.
Như vậy, cần xem xét các phương án sau:
-

Flyback Converter
Forward Converter
Push-Pull Converter
Half-Bridge Converter
Full-Bridge Converter

9


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

2.2.1.Flyback Converter

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý Flyback Converter và đường cong từ hóa [4]
Flyback converter được phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn cuộn cảm
tích lũy năng lượng được thay bằng cuộn sơ cấp của máy biến áp. Máy biến áp được đấu
ngược đầu như hình vẽ. Điốt D được nối vào sau cuộn thứ cấp để dẫn dòng 1 chiều.

Hình 2.2. Đồ thị dòng và áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp [4]
Khi khóa Q1 thông trong thời gian ton, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp.
Cuộn cảm trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng dần theo tỉ lệ dI/dt =

10


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

VDC/LP.Ở phía thứ cấp, do cực Anode của D được nối vào đầu âm của cuộn thứ cấp (máy
biến áp mắc ngược) nên D khóa, cuộn thứ cấp không có dòng điện. Điện áp đầu ra được
duy trì nhờ tụ Co.
Khi Q1 khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấp, điện áp trên
cuộn sơ cấp ngay lập tức bị đảo ngược, và trên cuộn thứ cấp điện áp cũng đảo chiều, dẫn
đến việc D phân cực thuận và điện áp trên cuộn thứ cấp lúc này bằng điện áp ra Vout và
cuộn sơ cấp sẽ cảm ứng một điện ápVr = Vout.n với n là hệ số biến áp.Dòng qua cuộn thứ
cấp giảm dần và sẽ về 0 hoặc một giá trị dương tùy vào chế độ dòng điện.
Vr được gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấp đã gây ra
điện áp trên cuộn sơ cấp. Đây cũng là nguồn gốc của cái tên Flyback Converter.
Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp:

Vout
D
=
VDC n(1-D)

Ta nhận thấy dòng qua biến áp chỉ chạy theo 1 chiều nên biến áp chỉ hoạt động trên
góc phần tư thứ nhất của đường cong B-H.
2.2.2.Forward Converter

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý Forward Converter và đường cong từ hóa [4]
Forward Converter được phát triển từ Buck Converter, biến áp chỉ đơn thuần đóng vai
trò truyền dẫn năng lượng. Các điốt D2, D3 đùng để điều chỉnh cho dòng điện chỉ chạy
theo 1 chiều, tụ Lo và Co có vai trò tích lũy năng lượng qua đó giữ ổn định dòng và áp
đầu ra.
Cuộn dây thứ 3 của máy biến áp được gọi là cuộn reset có mục đích dẫn dòng từ hóa
khi Q1 khóa và giảm dần nó về 0 để tránh bão hòa từ.
Khi Q1 dẫn, điện áp VDC được đưa vào cuộn sơ cấp và truyền qua cuộn thứ cấp, D2
dẫn và D3 khóa, điện áp thứ cấp được đưa đến tải. Dòng trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp
tăng dần.
11


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Khi Q1 khóa, điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp đều đổi dấu, D2 khóa và D3 dẫn,
điện áp ở điểm B về 0 như hình vẽ, điện tải được duy trì nhờ năng lượng ở tụ điện. Lúc
này D1 cũng dẫn dòng trên cuộn sơ cấp và giảm dòng đó dần xuống 0. Tỉ số vòng dây
cuộn reset và cuộn sơ cấp được chọn sao cho dòng từ hóa trong mạch giảm về không
trước mỗi chu kỳ mới.

Hình 2.4. Điện áp và dòng trên cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp[4].
Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp:

Vout D

=
VDC n

Ta nhận thấy biến áp cũng chỉ hoạt động trên góc phần tư thứ nhất của đường B-H.
2.2.3.Push-Pull Conveter

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý Push-Pull Converter và đường cong từ hóa [4]
Push-Pull Converter được phát triển từ Forward Converter với cải tiến để biến áp
được từ hóa theo 2 chiều. Biến áp sơ cấp có 2 cuộn dây quấn cùng chiều và nối vào 2 van

12


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Q1, Q2 như hình vẽ.Bên thứ cấp cũng có 2 cuộn dây đấu trung tính và nối với các điện
trở nắn dòng D1 và D2 Các vòng dây bên sơ cấp có số vòng bằng nhau, tương tự ở bên
thứ cấp.
Các van được lần lượt đóng mở trong mỗi nửa chu kỳ. Do đó độ mở van D không
vượt quá 0,5.
Khi Q1 dẫn, điện áp VDC được đưa vào mạch theo chiều âm, điện áp này truyền sang
phía thứ cấp và làm D1 dẫn, D2 khóa và một điện áp dương được đặt vào điểm A.
Khi Q2 dẫn, quá trình diễn ra theo chiều ngược lại như trên hình 2.6.
Phần thứ cấp của máy biến áp bao gồm 2 cuộn sơ cấp và D1, D2 về bản chất hoạt
động như một bộ chỉnh lưu hình tia, chúng có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp 2 chiều trên
cuộn sơ cấp thành điện áp 1 chiều ở A. Chúng có thể được thay bằng bộ chỉnh lưu cầu,
lúc đó thứ cấp biến áp chỉ bao gồm một cuộn dây

Hình 2.6. Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm A[4]
Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp:

Vout 2D
=
VDC n

Ta nhận thấy biến áp hoạt động một cách cân bằng. Chúng được từ hóa theo 2 chiều
như trên hình 2.5.
2.2.4. Half-Bridge Converter
Half-Bridge Converter có hoạt động tương tự như Push-Pull Converter, chúng đều tạo
ra các điện áp sơ cấp đảo chiều và được chỉnh lưu ở bên thứ cấp như hỉnh 2.8.

13


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Hình 2.7.Sơ đồ nguyên lý Half-Bridge Converter và đường cong từ hóa [4]
Ở Half-Bridge Converter điện áp sơ cấp được tạo ra bằng cách đưa hai điện áp VDC/2
trên hai tụ điện lần lượt vào cuộn sơ cấp theo 2 chiều. Do đó mạch chỉ cần một cuộn sơ
cấp nhưng cần thêm 2 tụ điện điện dung lớn.
Phía bên thứ cấp bộ chỉnh lưu cũng có thể là hình tia hoặc hình cầu.

Hình 2.8.Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm B[4]
Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp:

Vout D
=
VDC n

Ta nhận thấy biến áp cũng được từ hóa theo 2 chiều như trên hình 2.7.

2.2.5. Full-Bridge Converter
Full-Bridge Converter có hoạt động tương tự như hai loại trên, đều theo nguyên tắc
tạo ra các điện áp sơ cấp đảo chiều và được chỉnh lưu ở bên thứ cấp.

14


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lý Full-Bridge Converter và đường cong từ hóa [4]
Ở Full-Bridge Converter cũng chỉ có một cuộn sơ cấp. Các van Q1, Q4 cùng dẫn hoặc
cùng khóa ngược với cặp Q2. Q3. Khi Q1, Q4 dẫn, điện áp VDC được đưa vào mạch theo
chiều dương và khi Q2, Q3 dẫn, điện áp VDC được đưa vào theo chiều âm. Do đó bên sơ
cấp của máy biến áp cũng chỉ cần 1 cuộn dây, nhưng ở đây đòi hỏi 4 van công suất.

Hình 2.10.Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm B[4]
Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp:

Vout D
=
VDC n

Ta nhận thấy biến áp cũng được từ hóa theo 2 chiều như trên hình 2.7.

2.2.6. Nhận xét và lựa chọn phương án
Từ các phương án đã phân tích ở trên ta rút ra các nhận xét quan trọng về các phương
án sau đây:

15

Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

-

-

Ở Flyback và Forward Converter, biến áp hoạt động chỉ trên góc phần tư thứ
nhất của đường cong B-H. Như vậy với dòng điện lớn như trong yêu cầu thiết
kế, rất dễ xảy ra hiện tượng bão hòa từ, làm cho mạch không hoạt động đúng.
Để tránh hiện tượng này, chỉ có biện pháp tăng kích thước máy biến áp, điều
đó lại dẫn đến mạch cồng kềnh và có giá thành cao. Như vậy ta không sử dụng
hai dạng mạch trên trong thiết kế này.
Các dạng mạch còn lại bao gồm Push-Pull, Half-Bridge và Full-Bridge đều có
máy biến áp được từ hóa theo hai chiều. Nguyên tắc hoạt động của chúng
giống nhau: tạo ra điện áp đảo chiều trên sơ cấp biến áp và chỉnh lưu chúng ở
phía thứ cấp. Trên thực tế các mạch này đều đã được sử dụng trong các thiết kế
tương tự và đều đạt hiệu suất tốt ([2]).

Ta sẽ xét các yếu tố còn lại bao gồm độ phức tạp khi thực hiện mạch và điều khiển
cũng như giá thành để quyết định chọn dạng mạch phù hợp:
-

Mạch Push-Pull cần 2 cuộn sơ cấp. Tuy nhiên trong mạch nâng áp số vòng dây
thứ cấp rất bé nên đây không phải là một nhược điểm. Khi xem xét kỹ ta thấy
các van phải chịu được điện áp là 2VDC nhưng do VDC không lớn nên có thể
chọn được các loại van dễ dàng đáp ứng yêu cầu này.
Mặt khác, hai van đều ở phía thấp nên rất dễ dàng khi điều khiển.

-

Mạch Half-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấp nhưng lại có 2 tụ lọc một chiều. Hai
tụ này nhất thiết phải có giá trị điện dung lớn, chúng có vai trò then chốt trong
hoạt động của mạch.Điện áp van chỉ là VDC.
Mạch điều khiển đòi hỏi phải điều khiển van cả phía thấp và phía cao.

-

Mạch Full-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấp nhưng lại có 4 van.
Mạch điều khiển của Full-Bridge là phức tạp nhất khi có cần điều khiển 4 van
ở phía thấp và phía cao.

Như vậy ta lựa chọn mạch DC-DC theo nguyên tắc của Push-Pull Converter với ưu
điểm lớn nhất là điều khiển đơn giản và mạch phẩn cứng không quá phức tạp.
Một vấn đề khác cần được xem xét là dạng mạch chỉnh lưu ở phía thứ cấp. Như đã
phân tích ở trên, phía thứ cấp ta có thể dùng mạch chỉnh lưu hình cầu hoặc hình tia:
-

Với mạch chỉnh lưu hình tia, ta phải dùng 2 cuộn thứ cấp ở máy biến áp. Với
số vòng dây lớn ở thứ cấp thì biến áp sẽ có kích thước lớn và rất khó quấn.
Mặt khác, các điốt phải chịu điện áp ngược bằng 2 lần điện áp đỉnh trước chỉnh
lưu. Điện áp này có thể lên tới cỡ 1000V.

-

Với mạch chỉnh lưu cầu, chỉ cần 1 cuộn thứ cấp, sẽ giảm kích thước biến áp.

16

Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Mặt khác, mỗi điốt chỉ phải chịu điên áp bằng điện áp đỉnh trước chỉnh
lưu.Tuy phải cần 4 điốt, nhưng điốt này rất dễ tìm và giá thành thấp.
Như vậy ta lựa chọn phương áp chỉnh lưu hình cầu.
Kết luận: mạch được lựa chọn là mạch theo nguyên tắc Push-Pull và chỉnh lưu hình
cầu như hình vẽ:

Lo
D1

D3

Co

Vdc

Q1

Load

Q2
D2

D4

Hình 2.11.Sơ đồ nguyên lý được lựa chọn

2.3.Tính chọn các phần tử mạch lực
2.3.1.Phân tích cụ thể hoạt động của mạch

Mạch trên hình 2.11 được phân tích cụ thể để làm có sở tính chọn thiết bị.

Hình 2.12. Chu kỳ của tín hiệu điều khiển van
Các van hoạt động chỉ trong 1 nửa chu kỳ, không bao giờ đóng mở cùng nhau và có
một khoảng thời gian cả hai van cùng đóng.
a.Giai đoạn Q1dẫn, Q2 khóa:

17


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Khi Q1 dẫn, đầu không có chấm có điện áp dương hơn đầu có chấm. D2, D3 khóa và
D1,D4 dẫn. Với giả thiết số vòng dây trên mỗi cuộn sơ cấp là như nhau (NP1 = NP2), ta có
điện áp trên mỗi cuộn sơ cấp:
VP = -(VDC – VQ1,on)

(2.2)

VQ1,on là điện áp rơi trên van Q1 khi dẫn.
Điện áp đặt lên van Q2:
VQ2,off = 2VDC - VQ1,on

(2.3)

Dòng điện từ hóa :

IM  t  =

-VDC +VQ1,on

(2.4)

LM

LM là điện cảm cuộn sơ cấp
Dòng điện từ hóa được tính xuất phát từ công thức LdI/d t =UL
Điện áp trên cuộn thứ cấp:

VS =VP /n =-

Ns
(VDC -VQ1,on )
NP

(2.5)

Trên cuộn cảm LO sẽ xuất hiện điện áp tự cảm, điện áp này được tính theo mối quan
hệ với các điện áp còn lại:
VL = (VDC - VQ1,on)/n - 2VD,on - Vout

>0

(2.6)

Dòng điện qua cuộn cảm được rút ra từ công thức LdI/dt =UL:
IL(t) = IL(0) + VL .t/LO

(2.7)

Ta thấy dòng tải tăng trong giai đoạn này.
b.Giai đoạn Q2 dẫn, Q1 khóa:
Khi Q2 dẫn, đầu có chấm có điện áp dương hơn đầu không có chấm. D1,D4 khóa và
D2, D3 dẫn. Tương tự như trên, ta có điện áp trên mỗi cuộn sơ cấp:
VP = VDC – VQ2,on
VQ2,on là điện áp rơi trên van Q2 khi dẫn.
Dòng điện từ hóa :

18

(2.8)


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

IM  t  =

VDC - VQ2,on
LM

(2.9)

Điện áp trên cuộn thứ cấp:
Vs = VP/n = (VDC – VQ2,on)

(2.10)

VL = (VDC - VQ2,on)/n - 2VD,on - Vout >0

(2.11)

IL(t) = IL(0) + VL .t/LO

(2.12)

Điện áp trên cuộn cảm LO:

Dòng điện qua cuộn cảm:

Ta thấy dòng qua cuộn cảm tăng trong giai đoạn này
c.Giai đoạn Q1 và Q2 cùng khóa:
Trong 1 chu kỳ hoạt động của mạch có 2 khoảng thời gian cả Q1 và Q2 cùng đóng
(TR)
Điện áp trên mỗi van:
VQ = VDC

(2.13)

Tuy nhiên, trong quá trình chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa, dòng điện
qua van và cuộn cảm sẽ giảm đột ngột làm cho trên cuộn cảm xuất hiện suất điện động tự
cảm rất lớn, làm điện áp trên van tăng đột ngột trước khi đạt giá trị VDC.
Ở phía sơ cấp, khi một van đang dẫn chuyển sang khóa, dòng điện trong cuộn cảm LO
sẽ tiếp tục đi theo chiều trước đó, các điốt sẽ dẫn dòng này
Điện áp trên cuộn cảm:
VL = -Vout - VD

(2.14)

Rút ra dòng điện qua cuộn dây:
IL(t) = IL (ton) – (Vout – 2 VD).t/LO

(2.15)

Như vậy dòng điện qua cuộn dây giảm trong giai đoạn này.
Ở chế độ dòng liên tục, dòng điện tải sẽ có dạng răng cưa với giá trị trung bình
IO,av,nom.
Từ phân tích như trên ta có dạng đồ thị dòng và áp trên các phần của mạch.

19


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

2.3.2. Dạng điện áp và dòng điện trên mạch

Hình 2.13. Dạng điện áp và dòng điện bên phía sơ cấp [4]
Ta thấy rằng các van chịu điện áp cực đại vào khoảng 2VDC nếu như không kể đến
xung điện áp khi chuyển trạng thái từ khóa sang dẫn. Ta có thể khắc phục điện áp này
bằng cách sử dụng mạch snubber để không cho dòng qua cuộn cảm giảm quá nhanh.
Dòng vào Iin có thể thu được bằng cách chồng chập dòng qua 2 van.
Từ đồ thị và biểu thức dòng điện qua cuộn cảm LO ta có thể rút ra hàm truyền của
mạch dựa trên 2 giả thiết sau:
-

Trong chế dộ dòng liên tục, dòng điện cuối giai doạn TR bằng dòng điện đầu giai
đoạn TON và ngược lại.
TR+TON = T/2

Từ đó rút ra: Vout = 2 VDC.D/n với D = TON/T
Dễ dàng nhận thấy rằng, do có 2 xung đồng thời hoạt động trong một chu kỳ PWM

nên D có giới hạn trên là 50%. Hoặc từ công thức trên có thể đưa ra công thức Dmax dựa
trên điện áp vào cực tiểu VDC,min (bỏ qua VQ1,ON):

20


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Dmax =

n.Vout
2VDC,min

(2.16)

Hình 2.14. Dạng điện áp và dòng điện bên thứ cấp [4]
Ta thấy đòng điện qua cuộn sơ cấp và thứ cấp có dạng răng cưa nhấp nhô. Ta có thể
tính gần đúng giá trị hiệu dụng của các dòng này để phục vụ cho việc tính toán kích cỡ
dây.
Sau đây ta sẽ tính toán cụ thể cho mạch sử dụng nguyên tắc của Push-Pull Converter
để nâng áp.
2.3.3.Tính chọn các phần tử mạch lực
Ta lần lượt tính các giá trị theo trình tự sau đây
 Chọn tần số băm xung:
Tần số băm xung là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến các thiết bị trong mạch.
Tần số băm xung càng cao, càng tiết kiệm về kích thước cũng như giá thành mạch.
Tần số băm xung được lựa chọn ở đây là 100kHz, tần số này sẽ làm giảm độ lớn của
máy biến áp cũng như các thành phần lọc đầu vào và đầu ra.

21

Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

 Chọn giá trị Dmax
Dmax là giá trị rất quan trọng để tính toán các đại lượng trong mạch. Như đã nói ở trên
Dmax không vượt quá 50%. Ở đây ta chọn Dmax = 0,45.
 Dòng điện bên phía sơ cấp
Ta có công suất đầu vào được tính theo công thức:
PI = VDCIP,mr.2Dmax

(2.17)

Công thức này có thể dễ dàng suy ra từ đồ thị hình 2.13.
Mặt khác:
Với

PO =

PI

(2.18)

là hiệu suất mong muốn, ở đây tạm lấy 0,85%

Từ 2 công thức này suy ra dòng điện trung bình:
Ip,mr = PO/ (2 VDCDmax)

(2.19)

Thay số ta có IP,mr = 61,72 A
Dòng vào hiệu dụng có thể được tính gần đúng theo công thức:

Iin,RMS =I P, mr 2D max =58,55A
Công thức này có thể rút ra từ dạng dòng điện theo đồ thị 2.13
 Chọn van
Cũng từ đồ thị 2.13, ta có công thức dòng hiệu dụng lớn nhất qua MOSFET:

IQ,RMS =I P, mr Dmax =41,4A
Điện áp lớn nhất trên MOSFET như đã nói ở trên, có giá trị bằng 2VDC. Trong thiết
kế, các tài liệu thường sử dụng hệ số an toàn 1,3. Ta có:
VQ,max = 2.6 VDC,max

(2.20)

Rút ra VQ, max= 72,8 V
Van được chọn là các van điều khiển được hoàn toàn chịu được tần số cao. Sau khi
tham khảo thị trường ta lựa chọn van IRF8010 với UDS = 100V, IDS = 80A
 Dòng điện bên thứ cấp máy biến áp

22


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

Dạng dòng điện đi qua cuộn cảm đầu ra được miêu tả ở hình 1.8. Ta có giá trị dòng
điện trung bình:

IO, av,nom =

PO
=2,86A
VO

Do đó dòng hiệu dụng qua cuộn thứ cấp:

IS,RMS =IO, av,nom D max =1,92A
 Các thông số máy biến áp và tính toán sơ bộ:
Tỉ số máy biến áp: sử dụng công thức 2.16 ta rút ra được n= NP/NS = 1/19.
Dòng hiệu dụng đầu vào sơ cấp cũng là dòng hiệu dụng MOSFET tức là 41,4A.
Dòng hiệu dụng đầu ra là 1,92A như tính toán ở trên.
Dòng trung bình đầu ra là 2,86A.
Việc chọn lõi biến áp quyết định các thông số còn lại của biến áp. Do điều kiện không
cho phép, ta chọn theo các thiết kế tham khảo [2] và [5], với lõi sắt ferit có tiết điện lõi
3,5cm 2.
Biến áp hoạt động trên 2 góc phần tư của đường cong B-H với tần số cao, 100kHz ta
lấy độ biến thiên cường độ từ trường lớn nhất là 0,15 Tesla
Theo tài liệu [6], số vòng dây sơ cấp:
NP =
Với

t x .U1
B.S c

(2.21)

tX là độ rộng 1 xung, tx = Dmax.T = 4,5.10-6 s
U1 là điện áp sơ cấp, ở đây lấy là VDC

Rút ra NP = 2 vòng. Suy ra NS = NP/n = 38 vòng.

Với dòng hiệu dụng đẩu ra là 1,92 A, ta chọn dây sơ cấp là dây đồng có đường kính
1,5mm. Bên sơ cấp ta dùng dây có đường kính 3mm.
Biến áp được quấn bằng tay và đã được thử nghiệm hoạt động tốt.
 Chọn điốt chỉnh lưu với phương án chỉnh lưu cầu:
Với phương án chỉnh lưu hình tia điện áp ngược lớn nhất là 2 lần điện áp chỉnh vào
chỉnh lưu:
23


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC
đố

= N.VDC, max =532V

Dòng điện qua mỗi điốt bằng 1 nửa dòng trung bình:

Vdiode =

IO, av,nom
2

=1,43A

Điốt được lựa chọn có nhãn hiệu SF58 có thông số I = 5A, Vng, max =800V
 Chọn cuộn cảm đầu ra:
Độ lớn của cuộn cảm quyết định độ phẳng của dòng điện đầu ra, khi cuộn cảm đủ lớn,
mạch sẽ hoạt động ở chế độ CCM
Trong thiết kế này ta chọn chế độ dòng CCM với độ nhấp nhô là 15%. Rút ra giá trị
dòng nhấp nhô ∆I = 0,15. IO,av, nom = 0,43A
Công thức tính L:

L  (N.VDC  VO )

t on,max

I
ton, max là thời gian mở lớn nhất trong 1 chu kỳ

(2.22)

Rút ra L≥1,109 mH
Dòng trung bình qua cuộn cảm là 2,86 A. Một điểm đáng chú ý là dòng qua cuộn cảm
có tần số gấp đôi tần số PWM (xem hình 1.8)
Ta chọn loại điện cảm 1,5 mH có bán trên thị trường
 Chọn tụ lọc đầu ra
Tụ điện đầu ra quyết định độ nhấp nhô của điện áp. Giá trị của nó được tính theo công
thức ([1]):

C

1 (1-2D)VO 2
Ts =1,53μF
32 ΔVO L

∆VO là giá trị điện áp nhấp nhô, ở đây chọn là 0,1% VO = 0,35V
Dòng qua cuộn L bao gồm thành phần trung bình và thành phần xoay chiều biến
thiên. Thành phần trung bình chính là giá trị IO và được đưa ra tải, thành phần biến thiên
chủ yếu chạy trong tụ điện và gây ra 1 điện áp trên điện trở ký sinh của tụ
Do đó,điện trở ký sinh của tụ phải nhỏ hơn :

24


Thiết kế mạch lực khâu DC-DC

R ERS,max =

ΔVO 0,35
=
=0,12Ω
IO
2,86

2.2.4. Mạch bảo vệ đóng mở van và điốt
a. Mạch đệm cho van
Như đã phân tích, khi đóng ngắt van chịu điện áp tối đa là 2 VDC. Tuy nhiên khi
chuyển từ trạng thái dẫn sang khóa, trên van sẽ xuất hiện một xung điện áp có giá trị rất
lớn. Điều nay là do cuộn sơ cấp biến áp có một giá trị điện cảm nhất định, khi dòng qua
nó đột ngột bị ngắt sẽ xuất hiện một điện áp tự cảm rất lớn đặt lên MOSFET (xem hình
2.13).
Để khắc phục điều này, ta sử dụng mạch đệm hỗ trợ đóng mở, gọi là Snubber, nhằm
cung cấp một con đường để dòng điện giảm dần trước khi về 0, hoặc nói cách khác là giải
phóng năng lượng trên cuộn sơ cấp khi nó bị ngắt khỏi mạch. Mạch snubber còn cho
phép giảm tổn thất khi chuyển mạch.
Có hai dạng snubber phổ biến là RC và RCD.Ta lựa chọn mạch Snubber có cấu hình
RCD do có các ưu điểm sau [6]:
-

Giảm xung điện áp đỉnh
Giảm tổn thất chuyển mạch trên van và trên mạch đệm

Đảm bảo van làm việc trong vùng an toàn hơn

Hình 2.15. Mạch đệm RCD
Hình 2.15 là mạch đệm RCD, cuộn cảm ở đây đại diện cho cuộn sơ cấp của máy biến
áp.
Mạch đệm RCD hoạt động theo nguyên tắc: khi Q khóa, điốt sẽ dẫn dòng đang chạy
trong mạch và nạp năng lượng cho tụ, điện áp tụ tăng dần đến cực đại là VDC. Năng
lượng này sau đó được giải phóng trên R qua van khi Q dẫn.
Giá trị điện dung được tính theo công thức [6]:
25