Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn một chiều dải rộng

Nguyễn văn trương

..

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học
ngành : Kỹ THUậT ĐIệN

Kỹ THUậT ĐIệN

nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ
mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng

Nguyễn văn trương

2007 - 2009
Hà Nội
2009

Hà Nội 2009


bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ
mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng
ngành : Kỹ THUậT ĐIệN
mà số: 605250 02
Nguyễn văn trương

Người hướng dẫn khoa học : TS. Trần văn thịnh

Hà Nội 2009


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 2
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU .............................. 6
1.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 6
1.2 Đánh giá các phương án thiết kế nguồn ổn định ........................................ 9
1.3 Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch ................................................. 16
1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC/DC cơ sở. 19
1.5 Phân loại các bộ nguồn chuyển mạch cơ sở. ........................................... 21
CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN
MỀM MÔ PHỎNG .......................................................................................... 23
2.1 Bộ nguồn chuyển mạch khơng có biến áp cách ly. .................................. 23
2.2 Bộ nguồn chuyển mạch có biến áp cách ly .............................................. 34
2.3 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng .......................................................... 47
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH KHƠNG CĨ
BIẾN ÁP CÁCH LY ........................................................................................ 54
3.1 Bộ biến đổi Buck ...................................................................................... 54

3.2 Bộ biến đổi Boost ..................................................................................... 61
3.3 Bộ biến đổi Buck-Boost ........................................................................... 66
3.4 Bộ biến đổi Cuk........................................................................................ 71
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CÓ BIẾN ÁP
CÁCH LY.......................................................................................................... 81
4.1 Bộ biến đổi Push-Pull............................................................................... 81
4.2 Bộ biến đổi Forward................................................................................. 86
4.3 Bộ biến đổi Half-Bridge ........................................................................... 91
4.4 Bộ biến đổi Full-Bridge ........................................................................... 95
4.5 Bộ biến đổi Fly-back ................................................................................ 99
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 105


LỜI CẢM ƠN
Để có được kết quả học tập như ngày hơm nay, em xin bày
tỏ lịng 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 hồn thành khố học của mình.
Xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện - Điện
tử, đặc biệt là TS. Trần Văn Thịnh - người hướng dẫn khoa học
trực tiếp cho luận văn tốt nghiệp này. TS. Trần Văn Thịnh
không chỉ gợi ý đề tài mà cịn đưa ra nhiều ý kiến q 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 cơng sức hồn thành luận văn
tốt nghiệp của mình.

Xin chân thành cảm ơn !
Tác giả


3

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bộ nguồn một chiều dải rộng thực chất nó là bộ nguồn một chiều mà đầu
vào có thể thay đổi trong một dải giá trị nhất định. Bộ nguồn đó thực chất là
bộ biến đổi DC/DC, có thể đáp ứng được điều đó bằng cách tự động lấy tín
hiệu đầu ra của bộ nguồn làm tín hiệu phản hồi để điều khiển sao cho điện áp
đầu ra ổn định. Do tính ưu việt của nguồn một chiều mà hiện nay hầu hết các
thiết bị điện tử đều sử dụng nguồn một chiều. Bộ nguồn chuyển mạch mặc dù
đã phát triển không ngừng kể từ khi ra đời nhưng lý thuyết sâu về chúng cịn
chưa được cơng 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 ứng
dụng nhất định nào đó.
Trước thực tế đó, tác giả luận văn này mạnh dạn đi sâu nghiên cứu về
ảnh hưởng của các thông số và sơ đồ (xét phần động lực) đến chất lượng của
bộ biến đổi DC/DC, trên cơ sở ấy sẽ giúp cho những ai quan tâm, thiết kế hay
sửa chữa bộ biến đổi DC/DC (bộ nguồn chuyển mạch) có hướng điều chỉnh
các thơng số sao cho phù hợp và nhanh chóng. Để làm được điều đó, luận văn
được xây dựng chủ yếu dựa trên phần mô phỏng PSIM cho các loại nguồn
chuyển mạch cơ bản.
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 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 khơng mới nhưng

có thể nói là rất khó vì chúng thay đổi rất nhanh nhằm đáp ứng những đòi hỏi
ngày càng phức tạp của thực tế. Mặc dù mang tính thực tiễn và ứng dụng rất
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


4

cao nhưng nghiên cứu về nguồn chuyển mạch thì cịn thiếu rất nhiều. Mặt
khác, do tính cạnh tranh về thương mại mà các nhà sản xuất có thể đưa ra sản
phẩm nhưng không hề công bố lý thuyết kèm theo. Vì vậy, những người dùng
khi cần sửa chữa hoặc muốn tự thiết kế theo yêu cầu riêng là rất khó khăn.
Các đề tài nghiên cứu trong nước hầu như không có, tất nhiên khơng kể
tới những tài liệu nói về điện tử công suất cơ bản.
Các tài liệu được công bố chỉ ở dạng các bài báo đăng trên tạp chí IEEE
về các kỹ thuật liên quan tới bộ nguồn chuyển mạch như kỹ thuật DC/DC,
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) . Tuy vậy, 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 khơng cho biết các thơng số đó ảnh hưởng đến nhau như thế nào.
3. Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích:
Luận văn có mục đích nghiên cứu các bộ nguồn một chiều dải rộng để chỉ
ra ảnh hưởng của các thông số tới chất lượng bộ nguồn.
Nhiệm vụ:
Đánh giá tổng quan về các loại bộ nguồn một chiều dải rộng
Nghiên cứu sâu hơn một số nguồn thơng dụng để tìm ra các thông số ảnh
hưởng như thế nào đến chất lượng của bộ nguồn.
Phạm vi nghiên cứu:

Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật cơ bản liên quan tới nguồn chuyển mạch.
Mô phỏng các bộ nguồn chuyển mạch cơ bản cho một số giá trị cụ thể, tiêu
biểu.
4. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn
Cơ sở lý luận:
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


5

Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật mạch điện tử, điện
tử công suất, hệ thống điều khiển có phản hồi …
Các bài báo, tài liệu khoa học …
Hướng dẫn sử dụng các phần mềm mô phỏng PSIM.
Phương pháp nghiên cứu:
Chủ yếu là phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết kết hợp với mơ
phỏng bằng phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết.
5. Đóng góp về mặt khoa học của luận văn
Giới thiệu và làm rõ lý thuyết cơ bản về nguồn chuyển mạch thông qua các
sơ đồ, đồ thị thu được từ việc mô phỏng.
Đưa ra các kết quả cụ thể về ảnh hưởng của các thông số thông qua một số
giá trị cụ thể nhờ phần mềm mô phỏng.
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.
Đánh giá chất lượng của các loại nguồn chuyển mạch.
7. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm 4 chương với nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về nguồn một chiều.

- Chương 2: Giới thiệu các bộ nguồn chuyển mạch và phần mềm mô
phỏng.
- Chương 3 và 4: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số tới chất lượng
điện áp đầu ra của các bộ nguồn chuyển mạch (xét phần mạch động
lực) bằng phần mềm mơ phỏng PSIM.
Ngồi ra cịn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo.

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống
Các hệ thống điện tử ngày nay đều sử dụng năng lượng của dòng điện một
chiều, việc cấp nguồn một chiều có thể thực hiện bằng cách sử dụng các
nguồn pin, acquy, pin mặt trời nhưng các nguồn này khơng có tính ổn định
(nguồn yếu đi sau một thời gian hoặc phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện bên
ngồi). Do đó, với các hệ thống u cầu hoạt động tin cậy trong một thời gian
dài thì yêu cầu bộ nguồn phải đảm bảo về độ ổn định cao và phạm vi ổn định
rộng. Để đáp ứng được yêu cầu đó các bộ nguồn dùng trong thiết bị điện tử
đều sử dụng phương án tối ưu là lấy nguồn cung cấp chính từ đường dây điện
lực, đồng thời kết hợp với nguồn dự phòng là pin, ắc quy hoặc máy phát điện.
Hiện nay có nhiều sơ đồ bộ nguồn một chiều khác nhau. Mỗi sơ đồ lại có
dải thơng số và phạm vi ứng dụng riêng. Các bộ nguồn đóng cắt có cơng suất
từ vài W đến vài chục kW, có tần số hoạt động đến vài MHz và với các cấp
điện áp khác nhau. Bộ biến đổi DC/DC rất quan trọng trong các thiết bị điện
tử như điện thoại, máy tính, ti vi LCD,... đó là các thiết bị điện tử sử dụng rất

nhiều mức điện áp khác nhau và khác với điện áp cung cấp từ pin hoặc nguồn
bên ngồi (có thể cao hơn, thấp hơn điện áp của nguồn và thậm chí có thể đảo
chiều điện áp). Ngồi ra điện áp của pin cịn bị suy giảm trong quá trình sử
dụng, bộ biến đổi DC/DC là một phương pháp để đảm bảo điện áp ra ổn định
và chất lượng đảm bảo.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, các điểm mạnh, điểm yếu
của từng sơ đồ bộ nguồn đóng cắt được đánh giá dựa trên các kết quả mô
phỏng bằng phần mềm PSIM. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới
chất lượng điện áp đầu ra của từng sơ đồ để từ đó giúp cho người kỹ sư thiết

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


7

kế bộ nguồn có thể nhanh chóng và dễ dàng lựa chọn được sơ đồ bộ nguồn
phù hợp với các thông số yêu cầu dùng cho một ứng dụng thực tế nào đó.
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 được 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 tồn cho thiết bị, tăng
sự chính xác trong hoạt động và kéo dài tuổi thọ của chúng, hiện nay việc ổn
định này được thực hiện hoàn ton t ng vi cht lng rt cao.
Đầu vào AC

1

2

4

Đầu ra DC

3
Hình 1.1: Sơ đồ khối đơn giản của một bộ nguồn
1 - Biến áp ; 2 - Nắn và lọc sơ cấp; 3 - Nguồn dự phòng; 4 - Bộ ổn định.
Từ sơ đồ hình 1.1 có thể thấy rất rõ là sự khác biệt của các bộ nguồn để
tạo ra chất lượng khác nhau chính là ở khối số 4- Bộ ổn định.
Khối 1 và 2 có một số sơ đồ thơng dụng như hình 1.2

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


8

T
Uin

D2

AC

R

D1

(a)

T

D1

DC

L

D2
C2

C1

Uin
AC

D4

UO

C2

C1

UO
DC

D3
(b)

Hình 1.2: Sơ đồ mạch chỉnh lưu và lọc nguồn
a) Sơ đồ chỉnh lưu với biến áp có trung tính;

b) sơ đồ chỉnh lưu cầu

Phần tử cơ bản trong bộ ổn định được gọi là phần tử hiệu chỉnh. Dựa vào
phần tử này ta có thể phân loại các bộ nguồn như sau:
+ Dựa vào cách mắc phần tử hiệu chỉnh với tải, ta có bộ nguồn ổn định
song song và bộ ổn định nối tiếp.
+ Dựa vào loại dòng điện mà bộ ổn định làm việc, ta có bộ nguồn ổn
định xoay chiều và bộ nguồn ổn định một chiều.
+ Dựa vào đặc tính làm việc của phần tử hiệu chỉnh, ta có bộ ổn định
liên tục (tuyến tính) và bộ ổn định ngắt quãng (bộ ổn định chuyển mạch).
Sau đây ta chỉ xét một số mạch ổn định tuyến tính và mạch ổn định
chuyển mạch để thấy được ưu nhược điểm của từng loại mà lựa chọn cho phù
hợp với yêu cầu.

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


9

1.2 Đánh giá các phương án thiết kế nguồn ổn định
1.2.1 Bộ nguồn tuyến tính
Như đã nói ở phần trên, sự khác nhau cơ bản của các bộ nguồn chính là
ở phần tử hiệu chỉnh. Vì vậy trong phần này ta sẽ xét tới một số sơ đồ điển
hình với phần tử hiệu chỉnh khác nhau để nhận ra được ưu khuyết điểm của
bộ nguồn tuyến tính.
1.2.1.1 Phần tử hiệu chỉnh mắc song song với tải

Bộ ổn định này khá đơn giản, phần tử hiệu chỉnh là điôt Zener hoặc điện
trở nhiệt Tecmitto được mắc song song với tải theo sơ đồ như hình 1.3:

Hình 1.3: Sơ đồ ổn định
a) dùng điơt Zener;

b) dùng Tecmitto.

Trong sơ đồ hình 1.3a, nội trở của điôt Zener giảm theo sự gia tăng của
điện áp ngược đặt vào, khi đó Uz = Iz . Rz ≈ const, tức là giữ cho điện áp giữa
hai đầu điện trở tải Rt ổn định.
Trong sơ đồ hình 1.3b, nhiệt trở RT được chế tạo bằng chất bán dẫn có hệ
0

số nhiệt âm, khi nhiệt độ tăng 100 C thì điện trở bản thân của RT giảm xuống
từ 20 – 400 lần. Khi điện áp đầu vào tăng thì dịng cũng tăng làm cho nhiệt trở
nóng lên, dẫn đến điện trở của nó giảm xuống, kết quả là tổng trở của nhánh
RT, Rp song song với tải giảm xuống, sụt áp trên Rcb tăng và giữ cho Vo ổn
định.
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


10

Từ sơ đồ nguyên lý và hoạt động của các mạch trên có thể nhận thấy
rằng chúng có ưu điểm là đơn giản, nhưng khả năng ổn định của mạch hồn
tồn phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu chế tạo linh kiện làm phần tử
hiệu chỉnh. Thêm nữa, các mạch này chỉ có thể tạo ra được điện áp thấp ổn
định từ điện áp cao hơn, tức là khơng thể nâng được điện áp lên khi nó bị

giảm. Mặt khác, bản thân các phần tử hiệu chỉnh làm tiêu hao một phần công
suất khá lớn nên ảnh hưởng tới hiệu suất của toàn mạch.
1.2.1.2 Phần tử hiệu chỉnh mắc nối tiếp với tải
Bộ ổn định hình 1.4 cịn gọi là bộ ổn định có hồi tiếp, khi đó hệ số ổn
định cao và cơng suất ra lớn.

Hình 1.4: Sơ đồ khối của bộ ổn định có hồi tiếp
Phần tử hiệu chỉnh được điều khiển bằng tín hiệu một chiều từ bộ
khuếch đại. Trong sơ đồ này phần tử hiệu chỉnh là các BJT hoặc FET loại
công suất làm việc ở chế độ khuếch đại, khi đó nội trở của chúng biến đổi
theo điện áp ra, nếu bằng cách nào đó điều khiển được sự thay đổi của nội trở
này ta sẽ làm cho điện áp trên tải ổn định.
Mạch hồi tiếp lấy điện áp ra hoặc một phần điện áp ra đưa về bộ so sánh.
Bộ so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ra của mạch hồi tiếp với nguồn
điện áp chuẩn. Kết quả so sánh là điện áp một chiều được đưa tới phần tử hiệu

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


11

chỉnh sau khi qua bộ khuếch đại để tăng khả năng điều khiển.
Nguồn chuẩn tạo ra điện áp ổn định không phụ thuộc vào sự thay đổi của
điện áp vào hay điện áp ra để cung cấp cho bộ so sánh. Nguồn chuẩn thường
dùng điôt Zener để tạo điện áp chuẩn ổn định.
Để đánh giá ưu nhược điểm của bộ nguồn tuyến tính có hồi tiếp ta xét sơ
đồ phổ biến hình 1.5:

Hình 1.5: Bộ nguồn tuyến tính có hồi tiếp

Trong đó, Transistor hoạt động ở chế độ tuyến tính, có nội trở thay đổi
để điện áp ra ln là hằng số. Bộ khuếch đại sai số thực chất là bộ so sánh
một phần điện áp ra (lấy qua bộ chia áp R1, R2) với điện áp chuẩn UC. Điện áp
ra của bộ khuếch đại sai số điều khiển cực gốc của BJT thơng qua bộ khuếch
đại dịng điện.
Nếu điện áp ngõ ra tăng (do tăng điện áp ngõ vào hoặc do giảm dịng tải)
thì điện áp cực phát của BJT tăng, trong khi điện áp cực gốc giảm vì tín hiệu
hồi tiếp đưa tới bộ so sánh là hồi tiếp âm, do đó nội trở của BJT tăng lên, sụt
áp trên BJT tăng và điện áp ngõ ra giảm xuống. Điện áp mới được tạo ra lại
tiếp tục được so sánh với điện áp mẫu tới khi đạt trạng thái cân bằng với điện
áp mẫu. Nhưng khi điện áp ngõ ra giảm, q trình trên lại khơng diễn ra
ngược lại.
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


12

Như vậy có thể thấy khuyết điểm rõ ràng của bộ ổn định tuyến tính có
hồi tiếp là:
- Chỉ tạo được điện áp thấp từ điện áp cao hơn.
- Ngõ vào và ngõ ra không được cách ly về mặt một chiều.
- Tồn bộ dịng tải qua transistor (transistor này làm việc liên tục ở chế
độ tuyến tính) nên tổn hao là quá lớn. Trong hầu hết các trường hợp, sụt áp
trên transistor là 2,5V đối với loại NPN và 1V đối với loại PNP.
Khi điện áp DC thô lấy ra từ cuộn thứ cấp của biến áp đã được chỉnh lưu,
và sử dụng tụ lọc đủ lớn để lọc độ gợn sóng vơ nghĩa, thường chọn số vịng
dây cuộn thứ cấp để điện áp thứ cấp đã chỉnh lưu là Vo + 2,5V khi ngõ vào
AC ở mức dung sai nhỏ. Nhưng khi điện áp AC có dung sai lớn thì sai lệch sẽ
lớn hơn và tổn hao trên phần tử hiệu chỉnh sẽ lớn hơn và do vậy hiệu suất cấp

nguồn sẽ giảm đi.
Để chứng minh cho điều này có thể xem xét ví dụ sau:
Uo
V

Io
A

Udc
(min)
V

Udc
(max)
V

Udc-Uo
(max)
V

Pi
(max)
W

Po
(max)
W

Tổn
hao

Qmax

Hiệu suất
Po/Pi(max)
%

5

10

7,5

9,75

4,75

97,5

50

47,5

51,25

15

10

17,5

22,8

7,75

228

150

78

65,9

30

10

32,5

42,25

12,25

423

300

123

71

Bảng trên cho thấy các giá trị tương ứng của mạch khi dung sai ngõ vào
AC là ± 15%.
Điện áp DC thô tối thiểu được chọn là (Uo + 2,5V) khi điện áp ngõ vào
AC ở mức dung sai nhỏ – 15%. Khi đó, đầu vào DC đạt giá trị cực đại là
1,3(Uo + 2,5V) khi điện áp ngõ vào AC ở mức dung sai lớn +15%. Ngồi ra,
từ bảng đó cũng thấy rằng nếu điện áp ra Uo lớn thì hiệu suất cao hơn so với
khi điện áp ra nhỏ.
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


13

1.2.1.3 Phần tử hiệu chỉnh là vi mạch tích hợp (IC)
IC ổn áp có 3 cực: cực vào, cực ra và cực chung. Mỗi loại IC được chế
tạo với các mức điện áp ra chuẩn dương hoặc âm, vì vậy mạch ổn định điện
áp bằng IC cũng được chia làm 2 loại là mạch ổn áp dương và mạch ổn áp
âm.

Hình 1.6: Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC ổn áp
a) ổn áp dương;

b) ổn áp âm

Vi mạch tích hợp được sử dụng trong các bộ nguồn ổn định tuyến tính
thực chất là một mạch bao gồm đầy đủ các thành phần của một sơ đồ ổn áp có
hồi tiếp, có mạch hạn chế dịng và bảo vệ q áp. Điều này khiến cho việc ổn
định nguồn trở nên đơn giản và thuận lợi cho người sử dụng. Tuy nhiên, các
mạch này thường có dịng nhỏ (ví dụ hai loại 78L05 và 79L05 như hình 1.6
chỉ cho phép làm việc với dịng điện tối đa là 100mA) vì khi dịng lớn (từ 3A

trở lên) thì IC phải có vỏ bọc kim loại với giá thành cao và tổn hao bên trong
của các transistor cũng khá lớn.
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 thấp (50 – 60Hz) nên kích thước và
trọng lượng lớn
- Tiêu thụ cơng 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 cơng suất càng
lớn. Vì vậy, bộ nguồn tuyến tính chỉ làm việc với dịng ngõ ra nhỏ hơn 5A.
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


14

- Hiệu suất của mạch thấp (thường từ 30% - 60%)
- Kích thước của phần tử hiệu chỉnh lớn vì phải toả nhiệt, mật độ công
suất tải ra chỉ từ 0.2 – 0.3W/in3, nghĩa là tương đối lớn với hệ thống nhỏ làm
bằng IC.
1.2.2 Bộ nguồn chuyển mạch
Vào cuối những năm 70 của thế kỷ 20, người ta đã tạo ra được một loại
nguồn ổn định mới là nguồn ngắt quãng (nguồn xung) hay còn gọi là nguồn
chuyển mạch (SMPS – Switching Mode Power Supply). Bộ nguồn này làm
việc với hiệu suất cao (từ 80 – trên 90%), dải điện áp làm việc rộng và kích
thước, trọng lượng nhỏ nhẹ.
Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch được cho trong hình 1.7. 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 khơng
có một số khối. Ví dụ, nếu bộ nguồn chuyển mạch dùng pin hay acquy thì

khơng cần có khối (1) – Khối lọc nhiễu đầu vào và (2) – Khối nắn và lọc sơ
cấp.

Hình 1.7: Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch
Trong đó:
1) Lọc nhiễu tần số cao
2) Bộ nắn và lọc sơ cấp
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


15

3) Phần chuyển mạch chính
4) Bộ nắn và lọc thứ cấp
5) Hồi tiếp để lấy mẫu điện áp ra
6) Khuếch đại sai lệch của điện áp lấy mẫu và điện áp chuẩn (thực chất
là bộ so sánh có khuếch đại)
7) Bộ tạo điện áp chuẩn
8) Bộ tạo xung tam giác
9) Bộ điều chế độ rộng xung
10) 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. Hơn nữa, trong dải tần 10kHz –
500kHz, biến áp dùng lõi ferit có độ từ thẩm hiệu dụng lớn, nên số vòng dây

sẽ giảm đi rất nhiều, tức là giảm được kích thước và trọng lượng của biến áp,
cuộn chặn so với bộ nguồn thơng thường có cùng cơng suất.
Phần chuyển mạch chính sử dụng các BJT và MOSFET công suất lớn,
tần số chuyển mạch cao, làm việc ở chế độ đóng – cắt nên tổn hao cơng suất
rất nhỏ, toả 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 cơng suất lớn hơn nhiều so với ở chế độ
tuyến tính. Nhờ vậy hiệu suất cao (80 – 90%) trong khi các bộ nguồn tuyến
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


16

tính có hiệu suất thấp (<60%)
- Khơng sử dụng biến áp nguồn 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 khi đo lường các thơng số cần chú ý tới nhiễu điện từ.
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 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.
1.3.1 Khối lọc nhiễu đầu vào
Cấu trúc:

Hình 1.8: Khối lọc nhiễu đầu vào

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


17

Khối này có nhiệm vụ lọc bỏ các nhiễu cao tần. Trong khơng gian 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 khơng đưa ra đường dây, đồng
thời nó cũng chặn các xung nhiễu cao tần từ ngồi khơng 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
vịng 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 khơng với dịng cung cấp tần số 50 60Hz. Tụ lọc cao tần có điện dung chỉ vài chục nF, 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 dòng cung cấp 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 cơ bản
50 – 60Hz
- Khơng gây suy giảm tín hiệu, khơng làm tổn thất năng lượng điện.
1.3.2 Khối nắn và lọc sơ cấp
Bộ nguồn có đầu vào là nguồn AC nên phải có phần nắn và lọc sơ cấp
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).
Các sơ đồ thông dụng của khối này đã được đề cập trong mục 1.1.2 của
chương 1 nên ở đây chỉ nêu ra yêu cầu chất lượng cho khối nắn và lọc sơ cấp
như sau:
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


18

- 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 điơt phải có khả năng chịu điện áp ngược và
dịng điện ngược lớn vì loại nguồn chuyển mạch không dùng biến áp, nghĩa là
điện áp 220V AC 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 điôt 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, khơng được gây méo thêm, khơng
được gây ra q trình q 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 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.
2

- Mật độ công suất tải ra đạt mức cao (loại phổ biến là 1 – 4W/inch và
2

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.
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


19

1.3.4 Khối điều khiển
Khối điều khiển của nguồn chuyển mạch gồm các khối 5, 6, 7, 8, 9, 10.
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 vng này. Để tạo ra dãy xung vng

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 cơng suất kích thích cho các chuyển mạch chính
- Bảo vệ q dịng và quá áp trên tải
- Bảo vệ khử điện áp vào quá thấp hoặc quá cao.
1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC/DC cơ sở.
Bộ nguồn biến đổi điện áp DC/DC là một thiết bị mà điện áp đầu vào là
DC và điện áp đầu ra cũng là DC. Điện áp đầu ra về cơ bản là khác so với
điện áp đầu vào, bằng cách tích trữ năng lượng vào các phần tử tích năng
lượng sau đó xả năng lượng ra đầu ra ở một mức điện áp khác. Phần tử tích
năng lượng có thể là cuộn kháng, máy biến áp hoặc tụ điện. Bộ nguồn đóng
cắt bắt đầu được sử dụng rộng rãi đầu thập kỷ 60. Nó dựa trên thành phần chủ
yếu là các các bộ băm áp một chiều. Bộ nguồn đóng cắt có hiệu suất cao, có
thể từ 75% đến 98%, cao hơn nhiều so với bộ nguồn tuyến tính. Hiệu suất cao
sẽ làm tăng thời gian sử dụng của pin để thiết bị hoạt động. Hiệu suất được
tăng lên từ những năm 1980, khi mà sử dụng tranzito trường (FET) có khả
năng đóng cắt với tần số cao hơn nhiều lần so với tranzito lưỡng cực. Các
thiết bị đóng cắt điện tử cơng suất thường được sử dụng là Mosfets công suất,
IGBTs, MCTs, BJTs công suất, hoặc GTOs.

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


20

Nguyên lý hoạt động như sau: sơ đồ sử dụng một khố S (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:Bộ biến đổi điện áp DC/DC cơ sở
a) Sơ đồ nguyên lý;

b) đồ thị điện áp của bộ biến đổi điện áp DC/DC

Khi khố S đóng, điện áp UO đặt lên tải R bằng với điện áp nguồn, khi
khoá S cắt mạch thì điện áp UO đặt trên R bằng 0. Ta có điện áp ra trung bình
UO là:
UO = U S .

Ton
T

(1-1)

Trong đó : T là thời gian một chu kỳ
Ton là thời gian khố S đóng mạch trong một chu kỳ
Gọi D là tỷ số biến đổi, là tỷ số giữa thời gian khố S đóng và thời gian
một chu kỳ đóng cắt của khố S:
D=

Ton
T
= on
Ton + Toff
T

(1-2)

Khi đó, điện áp trung bình đầu ra là UO = D.Us. Như vậy, có thể điều
chỉnh điện áp đầu ra UO bằng cách điều chỉnh D. Bằng cách cảm biến điện áp
một chiều đầu ra và điều khiển chu kỳ đóng cắt mạch thơng qua vịng phản

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


21

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
khơng có biến áp cách ly, cho đến các sơ đồ có biến áp cách ly.
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. Một vài nhà thiết kế dự kiến mật độ năng lượng có thể
đạt tới 0,1 ÷ 0,2W/cm3.
Bộ nguồn đóng-cắt cũng có các nhược điểm của nó. Tuy nhiên, những
nhược điểm này không phải là cơ bản và có thể dễ dàng khắc phục: Thứ nhất
là nó phức tạp hơn bộ nguồn tuyến tính. Thứ hai là nó tạo ra nhiễu ở đầu ra,
đầu vào và phát tán ra mơi trường vì vậy cần có thêm bộ lọc và bộ chống từ
tính. Thứ ba do bộ nguồn gián đoạn nên đáp ứng với thay đổi tải và điện áp
đầu vào chậm hơn bộ nguồn tuyến tính.
Những nhược điểm này có thể được khắc phục bởi người thiết kế và tác
động của chúng đến hệ thống có thể được giảm thiểu.
1.5 Phân loại các bộ nguồn chuyển mạch cơ sở.

- Bộ nguồn chuyển mạch khơng có biến áp cách ly có các dạng sơ đồ sau:
+ Sơ đồ bộ biến đổi giảm áp (Buck).
+ Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp (Boost)
+ Sơ đồ bộ biến đổi tăng, giảm áp (Buck-Boost)
+ Sơ đồ bộ biến đổi hỗn hợp (Cuk)
- Bộ nguồn chuyển mạch có biến áp cách ly có các dạng sơ đồ sau:
+ Sơ đồ bộ biến đổi Push-pull

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


22

+ Sơ đồ bộ biến đổi Forward
+ Sơ đồ bộ biến đổi Nửa cầu (Half-Bridge)
+ Sơ đồ bộ biến đổi Cầu (Full-Bridge)
+ Sơ đồ bộ biến đổi Fly-back
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 khơng ngừng của kỹ thuật tích hợp,
hiện nay các bộ nguồn chuyển mạch cũng được đơn giản hố 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.

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng


23

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN
MỀM MÔ PHỎNG
Trong phạm vi của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số và sơ đồ mạch tới chất lượng nguồn một chiều dải rộng. Vì vậy, sau
đây chỉ trình bày phần mạch động lực của các sơ đồ biến đổi điện áp DC/DC
cơ bản.
2.1 Bộ nguồn chuyển mạch khơng có biến áp cách ly.
2.1.1 Sơ đồ bộ biến đổi giảm áp (Buck).

Hình 2.1: Bộ biến đổi giảm áp (Buck)
Một trong những sơ đồ băm áp đầu tiên là bộ băm áp nối tiếp Buck có sơ
đồ như hình 2.1.
Nó bao gồm một cơng tắc đơn cực S (có dạng một tranzito) được mắc nối
tiếp với điện áp vào một chiều Uin. Khoá S được đóng mạch trong thời gian
Ton với chu kỳ đóng cắt là T. Khi khố S đóng mạch thì điện áp ở X là UX=Uin
(giả sử trong trường hợp đóng mạch, điện áp rơi trên khố S là bằng khơng).
Khi nó cắt mạch, điện áp UX giảm đột ngột về không và để tránh điện áp

ngược lớn đặt nên S, người ta sử dụng vịng phóng điện tự do hay điơt xả D.
Giả sử khi cắt mạch, điện áp đặt lên D cũng bằng 0, khi đó điện áp UX có
dạng xung vng có giá trị Uin trong khoảng thời gian Ton. Điện áp ra một

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số và sơ đồ mạch điều khiển tới chất lượng nguồn
một chiều dải rộng