NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN
1.1.Các mô hình điều khiển biến áp áp điện
3.1.1. Giới thiệu chung
Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tín
hiệu điều khiển vào nó thành tín hiệu mong muốn để chuyển tải công suất. Trong các
ứng dụng thực tế của máy biến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến
áp áp điện trong đó là tạo ra các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp
cao hay các mạch biến đổi DC/DC (thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với
chỉnh lưu đầu ra ). Có nhiều mô hình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch
biến đổi điện áp trên. Vì máy biến áp áp điện nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các
thiết bị ở dải công suất thấp, giá thành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải có
cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểu các phần tử thụ động và van chuyển mạch. Thực tế
có 2 mô hình thỏa mãn các yêu cầu trên được dùng rộng rãi cho biến áp áp điện:
 Bộ biến đổi lớp D
 Bộ biến đổi lớp E
Các đặc điểm cụ thể của hai mô hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết
dưới đây
3.1.2. Sơ đồ điều khiển lớp D
Đây là 1 sơ đồ điều khiển có cấu trúc rất đơn giản chỉ sử dụng hai van công suất
S
1
, S
2
(thường sử dụng MOSFET) với đầu vào là nguồn điện áp một chiều. Hai van này
thay phiên nhau đóng mở, khi van này mở thì van kia đóng và ngược lại. Kết quả là
điện áp đầu ra có dạng xung vuông với tần số là tần số đóng mở van và độ rộng xung
phụ thuộc vào tỷ lệ t
on
/t
off
. Hình 3-1 là sơ đồ mạch (đã gồm biến áp áp điện).

Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D.
Quy đổi phía thứ cấp của biến áp sang phía sơ cấp (tương tự chương 2), ta được
sơ đồ tương đương như hình sau.
Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D quy đổi về sơ cấp.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D được thể hiện qua hình dưới đây:
Hình 3-. Giản đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D.
Ở hình vẽ trên thì V
GS1
và V
GS2
là hiệu điện thế giữa cực G và cực S của hai
khóa S
1
, S
2
. V
in
, i
in
là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng
hưởng (dòng i
Lr
trên hình 3-1) chạy trong biến áp. Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các
giai đoạn:
 Từ t
0
đến t
1
: giai đoạn nạp của tụ C
in

 Từ t
0
đến t
2
: thời gian chết (hai khóa S
1
và S
2
đều không có xung áp vào cực
G)
 Từ t
2
đến t
3
: thời gian ON của khóa S
1
 Từ t
3
đến t
4
: thời gian phóng của tụ C
in
 Từ t
0
đến t
5
: thời gian chết
Dòng điện cộng hưởng i(t) được biểu diễn bởi công thức 3.1 dưới đây:
( ) ( )
m

i t I t
ω ψ
= −
( 3-)
Với
m
I
và
ψ
là biên độ và pha ban đầu của dòng điện cộng hưởng i(t). Sau khi
khóa S
2
chuyển sang trạng thái OFF tại thời điểm t
0
thì dòng điện này không chạy qua
S
2
nữa mà chạy qua tụ điện C
in
và tụ điện C
in
được nạp trong thời gian từ t
0
đến t
1
, vì qui
ước về chiều khác nhau nên dòng nạp cho tụ C
in
trong thời điểm này là:
( ) ( ) sin( )

c m
i t i t I t
ω ψ
= − = −
( 3-)
Điện áp tụ C
in
trong giai đoạn này sẽ tăng cho tới khi vượt quá điện áp một chiều
của nguồn một chiều. Khi đó diode mắc song song ngược với S
1
(không thể hiện trên
hình vẽ) sẽ dẫn và đưa điện áp trên S
1
về 0. Diode song song ngược này dẫn dòng trong
thời gian rất ngắn t
1
đến t
2
. Tại t
2
thì S
1
được phát xung ở cực G và chuyển lên trạng thái
ON sau đó tại t
3
thì chuyển về trạng thái OFF. Trong khoảng thời gian t
3
đến t
4
thì hai

khóa S
1
và S
2
đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ C
in
phóng điện và dòng phóng lúc
này cũng chính là dòng cộng hưởng i(t). Do vậy nên điện áp đầu vào V
in
hay cũng chính
là điện áp trên khóa S
2
giảm và do đó điện áp trên khóa S
1
tăng. Khi điện áp đầu vào V
in
về 0 tại t
4
thì diode song song ngược của S
2
(không thể hiện trên hình vẽ) dẫn dòng. Quá
trình phóng/nạp của tụ C
in
cứ lặp đi lặp lại nhằm đảm bảo điều kiện đóng cắt ZVS (Zero
Voltage Switching). Đây là một điều kiện quan trọng để nâng cao hiệu suất của bộ biến
đổi[5].
Để đảm bảo mạch hoạt động theo điều kiện đóng cắt ZVS thì hai điều kiện sau
đây phải thỏa mãn:
Hình 3-. Quan hệ giữa dòng điện cộng hưởng i
rL

và điện áp V
in
.
 Điều kiện về điện áp ngưỡng của tụ đầu vào C
in
: Khi mà điện cảm Lr nạp tụ
C
in
như ở hình 3-4 thì điện tích của tụ đầu vào C
in
được phóng nạp bởi dòng điện
cộng hưởng i
Lr
được tính là:
in rL
dQ C dV i dt= =
với dV là biến thiên điện áp trên
tụ C
in
và dt là thời gian phóng nạp của tụ. Để hoạt động ở chế độ ZVS thì giá trị
lớn nhất của điện áp tụ C
in
phải thỏa mãn:
,Vin peak VDC>
và trong mỗi chu kì
hoạt động thì tụ C
in
phải được phóng nạp hoàn toàn.
 Điều kiện về thời gian chết giữa S
1

và S
2
: để có đủ thời gian cho cuộn cảm L
r

nạp điện hay tụ C
in
phóng điện thì thời gian trễ t
d
phải lớn hơn hay bằng thời gian
phóng hay nạp. Theo [5] thì thời gian t
d
được chọn theo điều kiện:
1
4
d
t T
≥
với T
là chu kì hoạt động.
Với sơ đồ điều khiển lớp D, có hai cấu hình thường sử dụng:
 Sơ đồ không có lọc đầu vào
 Sơ đồ có lọc đầu vào
Tác dụng của lọc đầu vào:
 Giảm thiểu sóng hài bậc cao cho đầu vào biến áp áp điện
 Cải thiện hiệu suất và điều kiện làm việc cho toàn bộ biến đổi
 Mở rộng dải làm việc đảm bảo ZVS khi tải biến thiên
 Giảm tổn hao do nhiễu điện từ EMI
Dựa vào những phân tích trên, hoạt động của biến áp áp điện cấp nguồn bởi bộ
biến đổi lớp D sử dụng cấu hình không có lọc đầu vào được mô phỏng bằng phần mềm

Matlab/Simulink. Tần số hoạt động nằm gần tần số cộng hưởng của biến áp với độ rộng
xung được giữ cố định 40%. Thông số biến áp được cho trong bảng 3-1 [1]:
Bảng 3-. Thông số biến áp áp điện.
Thông số C
in
L
r
C
r
R
m
n C
o
Giá trị 50 (nF) 0,41 (mH) 6,7 (nF) 0,22 (Ω) 107 20 (pF)
Giá trị tải:
70
L
R k≈ Ω
Theo (3-1), (3-2):
'
2 2
70000
6.114
107
o
o
R
R
n
= = =

' 2 2 9 6
107 .20.10 228,98.10
o o
C n C
− −
= = =
Dải tần số cộng hưởng :
rs m ro
f f f
< <
= = =
-3 -9
1 1
96026( )
2
2 0,41.10 .6,7.10
rs
r r
f Hz
p L C
p
π
π
− −
−
− −
=
+
= =
+

'
'
9 6
3
9 6
1
2
1
97421( )
6,7.10 .228,98.10
2 0,41.10
6,7.10 228,98.10
ro
r o
r
r o
f
C C
L
C C
Hz
Tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink ứng với hai trường hợp của tần số:
 Ngoài dải tần số cộng hưởng
 Trong dải tần cộng hưởng
Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3-. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp D.
Hình 3-. Tần số 95kHz (ngoài dải cộng hưởng).
Trong đó: V
gs1
, V

gs2
lần lượt là xung phát vào cực G của hai van S
1
, S
2
. V
in
là
điện áp vào biến áp áp điện hay là điện áp trên tụ C
in
. I(t) là dòng chạy vào biến áp
(dòng cộng hưởng).
Hình 3-. Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng).
Nhận xét:
 Khi hoạt động ở ngoài dải tần cộng hưởng, các van S
1
, S
2
được mở khi điện
áp trên van chưa về 0 (không đảm bảo ZVS). Theo [3], hệ quả này dẫn đến tổn
hao trên van và tổn hao trên biến áp lớn, nhiệt độ tăng, hiệu suất biến áp giảm.
 Khi hoạt động ở trong dải tần cộng hưởng, các van S
1
, S
2
được mở khi điện áp
trên van đã về 0 hoặc nhỏ (đảm bảo điều kiện ZVS). Nhờ vậy, tổn hao trên van và
tổn hao trên biến áp áp điện nhỏ, hiệu suất biến áp tăng lên.
 Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp đầu vào (hình 3-8)
Hình 3-. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động [1].

3.1.3. Sơ đồ điều khiển lớp E
Mạch nguyên lý của sơ đồ điều khiển lớp E được cho như hình 3-9. Mạch chỉ
gồm một van công suất S (MOSFET) với một diode mắc song song ngược. Van S phối
hợp với mạch tương đương của biến áp áp điện tạo thành bộ biến đổi lớp E. Nhờ vậy,
điện áp đầu ra của bộ biến đổi có dạng hình sin đồng thời tạo điều kiện ZVS cho van S.
Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp E.
Trong mạch nguyên lý trên, điện cảm đầu vào L
f
có giá trị lớn để hạn chế dòng
đỉnh đầu vào và đảm bảo dòng cộng hưởng chạy qua mạch cộng hưởng (hay biến áp áp
điện) là hình sin.
Khi khóa S chuyển sang trạng thái OFF, điện áp trên C
in
phóng qua mạch RLC
của biến áp. Sau khi xả hết, điện áp trên tụ điện C
in
trở về 0, cũng là điện áp trên van S.
Lúc này, diode song song với van bắt đầu dẫn dòng điện chạy qua. Nếu van S được mở
vào giai đoạn này thì tổn hao trên van sẽ không đáng kể (điều kiện ZVS). Quá trình
được mô tả trên hình 3-10.
Theo hình 3-9, hiệu suất lớn nhất của biến áp áp điện đạt được khi độ lệch pha
giữa điện áp đầu vào U
in
và dòng chạy qua nhánh RLC bằng 0. Nói cách khác, điểm
hoạt động cộng hưởng hoạt động của bộ biến đổi lớp E này phụ thuộc vào sự thay đổi
của tải.
Hoạt động của bộ biến đổi lớp E được mô phỏng bằng sơ đồ hình 3-11. Độ rộng
xung vào cực G của van S là 50%. Điện áp vào cấp V
DC
=5V. Tần số: 97kHz.

Các thông số biến áp đã cho trong bảng 3-1.
Điện cảm và giá trị tải:
5 , 65
f L
L mH R k= = Ω
( 3-)
Hình 3-. Mô tả hoạt động bộ biến đổi lớp E.
Hình 3-. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp E.
Hình 3-. Kết quả mô phỏng.
Trong đó, V
out
là điện áp đầu ra (điện áp trên tải), V
gs
là xung phát vào cực G của
van S, V
in
và I
in
lần lượt là điện áp và dòng điện đầu vào của biến áp áp điện.
Nhận xét:
 Van và đầu vào sơ cấp biến áp phải chịu điện áp cao hơn nhiều so với sơ đồ
bộ biến đổi lớp D. Điều này dẫn đến tổn hao trên van lớn, giảm hiệu suất thậm chí
có thể gây hỏng biến áp. Thêm nữa, theo [7], điều kiện mở van ZVS cũng bị thu
hẹp lại.
 Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào bộ
biến đổi lớp E (hình 3-13). Quá trình tăng nhiệt độ đối với bộ biến đổi này cũng
nhanh hơn bộ biến đổi lớp D.
Hình 3-. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động[1].