Đề tài Bộ biến đổi nguồn DC/DC cộng hưởng mạch cộng hưởng LLC

Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn điện tử công suất đã bước sang một trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,hiệu suất lớn,mặc dù vậy do yêu cầu của nền công nghiệp phát triển cũng như yêu cầu của đời sống thì các bộ biến đổi còn phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe,như kích thước phải nhỏ,mật độ công suất lớn độ tin cậy cao ,để đạt được điều này người ta đã tìm cách tăng tần số đóng cắt của các van bán dẫn ngày càng cao,bằng cách áp dụng các phương pháp mới,đặc biệt là phương thức sử dụng mạch cộng hưởng để đạt được chế độ ZVS(zero voltage switching),hay chế độ ZCS(zero current switching) mà tổn hao khi chuyển mạch giảm và tần số chuyển mạch ngày càng được nâng cao đáp ứng được những yêu cầu của thực tế.Một trong các cách để tạo nên sự cộng hưởng là sử dụng mạch cộng hưởng LLC,đây là một trong những phương pháp mới,và có nhiều ưu điểm.Mặc dù vậy ở Việt Nam phương pháp này chưa có nhiều sự tìm hiểu .Vì vậy với đồ án về “Bộ biến đổi nguông DC/DC cộng hưởng mạch cộng hưởng LLC” sẽ cho thấy được những lợi ích mà bộ biến đổi nguồn này đem lại.Đồ án này của em xin trình bày các nội dung sau: Chương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực Chương 4: Nguyên lý mạch điều khiển Chương 5: Kết quả chạy mô phỏng BBĐ Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Trần Trọng Minh và các thầy cô trong bộ môn em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện nên chắc chắn đồ án của em có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp của thầy cô! Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện. Lý Bá Biên Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VÀ PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ 1.1 Tìm hiểu công nghệ 1.1.1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng và các điều kiện chuyển mạch: Các bộ biến đổi công suất (BBĐ) cần phải đảm bảo yêu cầu là kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Đối với các BBĐ thông thường, bộ tản nhiệt và các thành phần như tụ điện và điện cảm chiếm thể tích rất lớn trong BBĐ, điều này làm cho BBĐ cồng kềnh và làm giảm đáng kể mật độ công suất của BBĐ. Để giảm kích thước các phần tử trên, các BBĐ dần được thay thế bởi các BBĐ đóng cắt ở tần số cao. Tuy nhiên, BBĐ này lại gặp phải vấn đề trong quá trình chuyển mạch, khi trạng thái chuyển mạch là “hard switching” được áp dụng trong bộ biến đổi PWM: dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hay giảm về không, do đó trong quá trình đóng cắt có cả dòng và áp cao sẽ gây ra tổn thất chuyển mạch rất lớn đặc biệt là khi tần số đóng cắt lớn, hơn nữa quá trình này cũng gây nên các xung điện áp và dòng điện khá lớn trên các van. Điều này làm cho các thiết bị sử dụng phương pháp có tần số chuyển mạch có giới hạn thường là vài chục kHz (từ 10 đến 50 kHz). Chúng ta có thể sử dụng các mạch phụ trợ để giảm sự biến thiên dòng và áp, đòng thời chuyển tổn thất chuyển mạch tuy nhiên tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch nên khi tần số chuyển mạch cao thì gây ra tổn thất đáng kể vì vậy giới hạn tần số làm việc của BBĐ. Bên cạnh đó, các thành phần tụ kí sinh và điện cảm rò gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn. Đối với các BBĐ sử dụng dao động của mạch L-C, sẽ tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm cho van. Các van sẽ chuyển mạch khi dòng điện hoặc điện áp rơi trên nó bằng 0 (điều kiện ZCS và ZVS). Hai điều kiện này không thể xảy ra đồng thời, với chuyển mạch ZCS sẽ có tổn thất khi mở van, với chuyển mạch ZVS sẽ có tổn thất khi đóng van, tuy vậy các tổn thất này rất nhỏ. Khi điều kiện chuyển mạch mềm được thực hiện thì tổn thất giảm được đáng kể và nhờ đó cho phép tần số chuyển mạch có thể nâng cao đến vài trăm kHz. Hình 1.1 So sánh chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm Như vậy, khi ta sử dụng BBĐ cộng hưởng sẽ đem lại các lợi ích như giảm đáng kể kích thước của tụ điện, điện cảm và bộ tản nhiệt, từ đó tăng mật độ công suất, giảm kích thước, trọng lượng của BBĐ,Cho phép BBĐ làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn,Tận dụng tụ kí sinh và điện cảm rò vào thành phần cộng hưởng. Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 1: Tìm hiểu và phân tích công nghệ 1.1.2 Quá trình chuyển mạch sử dụng MOSFET Trươc kia thyristor được sử dụng rất nhiều trong các bộ biến đổi ,tuy nhiên mỗi thyristor cần phải cưỡng bức dòng về không trong quá trình khóa,trong những năm gần đây các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn như MOSFET,GTO,IGBT đã dần thay thế . Đối với MOSTFET chuyển mạch trong điều kiện ZCS, van khóa trong điều kiện dòng điện bằng 0, thì tổn hao khóa bằng 0. Van mở thì do năng lượng tích lũy trên diode ngược và tụ kí sinh song song được giải phóng qua van nên dòng điện qua van khi mở sẽ có xung đỉnh lớn, gây ra nhiễu điện từ và tổn hao khi mở van thông qua điện trở như trên sơ đồ tương đương.Khi MOSFET chuyển mạch trong điều kiện ZVS, van sẽ mở trong điều kiện điện áp trên van bằng 0 vì khi mở thì diode ngược của van đang dẫn dòng. Do dòng qua diode ngược của MOSTFET có thời gian khóa bằng thời gian dẫn dòng của MOSTFET trước trước khi điện áp phân cực ngược được đặt lên diode nên không có áp lực chuyển mạch trên diode Hình 1.2. Mô hình tương đương của MOSTFET Khi khóa van, dòng điện qua van lúc khóa khác 0 và gây ra tổn hao khi khóa, tuy nhiên dòng lúc này nhỏ và chuyển sang nạp cho tụ kí sinh song song của van, khi diode ngược của van dẫn dòng thì điện áp ngược trên tụ sẽ được giải phóng trước khi van thông, do đó không có tổn hao khi mở van và loại trừ được sự tổn hao do sự phóng nạp của tụ kí sinh. Vì vậy trong thực tế, người ta thường sử dụng MOSTFET làm việc trong điều kiện chuyển mạch khi điện áp về bằng 0 (ZVS).. 1.1.3 Phạm vi ứng dụng của các BBĐ cộng hưởng Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển các BBĐ sử dụng nguyên lý cộng hưởng trong rất nhiều các ứng dụng quan trọng như sau: - Chấn lưu điện tử cho đèn khí - Các thiết bị gia nhiệt (bếp điện từ, lò tôi thép, nấu thép) - Các bộ biến đổi DC-DC tần số cao, mật độ công suất cao dùng trong điện tử viễn thông và các thiết bị điện tử như TV LCD, sạc laptop,… 1.1 Yêu cầu đối với BBĐ cần thiết kế: - Điện áp vào một chiều. Điện áp ra một chiều Chế độ làm mát bằng gió Công suất tải Tần số 415(V) 48(V) Ku Ki 2 2 2.5KW 100KHz Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1. Phân tích và lựa chọn phương án mạch lực 2.1.1. Phân tích lựa chọn mạch cộng hưởng: Bộ biến đổi nguồn DC-DC cộng hưởng có sơ đồ khối như sau: DC AC AC DC Bộ biến đổi gồm ba khối cơ bản: Nghịch lưu, Cộng hưởng và Chỉnh lưu như hình vẽ. Để tạo nên cộng hưởng người ta thường sử dụng các mạch cộng hưởng nối tiếp,song song,song song nối tiếp và đặc biệt mạch cộng hưởng LLC với những ưu điểm khắc phục cho những nhược điểm mà các mạch cộng hưởng trên gặp phải. a. Mạch cộng hưởng nối tiếp (SRC): Hình 2.1. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng nối tiếp Hình 2.2. Đặc tính DC của BBĐ cộng hưởng nối tiếp Cấu trúc của mạch cộng hưởng nối tiếp được diễn tả trên hình 2.1, trong đó tụ Cr và cuộn cảm Lr được mắc nối tiếp với nhau tạo ra khối cộng hưởng, khối cộng hưởng làm việc như một nguồn dòng, mạch lọc đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp với trở kháng. Khối cộng hưởng và tải hoạt động như bộ phân chia điện áp, khi ta thay đổi tần số của điện áp Vd ( điện áp sau nghịch lưu nguồn áp) thì trở kháng của mạch thay đổi, trở kháng này sẽ chia điện áp vào với tải, khiến cho hệ số khuyếch đại DC của mạch SRC luôn nhỏ hơn 1. Tại tần số cộng hưởng thì trở kháng của mạch rất nhỏ nên toàn bộ điện áp vào mạch cộng hưởng Vd sẽ đặt lên tải, vậy hệ số khuyếch đại lớn nhất đạt được là ở tần số cộng hưởng. Hình 2.2 diễn tả đặc tính của BBĐ. Vùng hoạt động của bộ chuyển đổi nằm bên phải tần số cộng hưởng fr, đây là vùng đạt điều kiện ZVS, còn nếu ở tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng bộ biến đổi sẽ làm việc ở vùng ZCS. Nghịch lưu Chỉnh lưu Cộng hưởng Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án Ưu điểm của BBĐ này là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn dòng của BBĐ, khi giảm tải thì dòng chạy qua van sẽ giảm do đó giảm tổn thất qua van và các tổn thất khác khi giảm tải vì vậy duy trì được hiệu suất cao khi làm việc trong diều kiện đầy tải. Nhược điểm của BBĐ này là: trong điều kiện non tải, tần số đóng cắt phải tăng lên rất cao để điều khiển được điện áp ra do vậy BBĐ này không dùng được trong điều kiện non tải hoặc không tải. Hơn nữa, khi điện áp đầu vào tăng, BBĐ sẽ làm việc với tần số lớn hơn so với tần số cộng hưởng rất nhiều, khi tần số tăng thì trở kháng của khối cộng hưởng cũng tăng, năng lượng trả lại nguồn đầu vào (năng lượng tuần hoàn) lớn và dòng khi khóa van tăng cao do vậy tổn thất gặp phải là lớn. Tụ lọc ở đầu ra phải mang dòng với độ đập mạch lớn ,vì vậy BBĐ này không phù hợp với các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện cao. b. Mạch cộng hưởng song song (PRC): Hình 2.3. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng song song Hình 2.4. Đặc tính DC của BBĐ cộng hưởng song song Bộ biến đổi cộng hưởng song song được chỉ ra như hình 2.3, thành phần tạo nên khối cộng hưởng là điện cảm cộng hưởng Lr được mắc nối tiếp với tụ điện cộng hưởng Cr, BBĐ được gọi là bộ biến đổi cộng hưởng song song vì tải được mắc song song với tụ điện cộng hưởng.Tần số cộng hưởng được tạo nên bởi sự cộng hưởng của Lr và Cr, giống như SCR, ta có vùng hoạt động của PRC nằm bên phải tần số cộng hưởng để đạt được điều kiện ZVS, trở kháng của mạch cũng được thay đổi bằng cách thay đổi tần số của điện áp vào Vd. Ưu điểm: so với SRC khi không tải tần số không phải thay đổi nhiều để giữ được quy luật của điện áp ra, dòng điện chỉnh lưu là liên tục và phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu dòng điện lớn. Nhược điểm: so với SRC thì vùng hoạt động của PRC nhỏ hơn nhiều, một vấn đề lớn gặp phải đối với SRC là năng lượng tuần hoàn cao ngay cả khi không tải, dòng tuần hoàn tăng khi mà điện áp vào tăng, dòng này lớn hơn so với SRC làm cho dòng khi khóa van tăng. Dòng phía sơ cấp không phụ thuộc vào điều kiện tải: dòng chính có thể khép vòng qua khối cộng hưởng ngay cả điều kiện không tải. c. Mạch cộng hưởng nối tiếp song song (SPRC): Thành phần chính của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp song song là mạch cộng hưởng bao gồm 3 thành phần là điện cảm cộng hưởng Lr, tụ điện cộng hưởng Cr và tụ Cp, mạch cộng hưởng SPRC có thể xem như là sự kết hợp của SRC và PRC, nó giống với SRC ở chỗ có cuộn Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án cảm lọc được thêm vào phía thứ cấp để đồng bộ về trở kháng. Đường đặc tính của SPRC cũng là sự kết hợp của hai đường đặc tính của SRC và PRC. Điều đặc biệt của SPRC là nó có hai tần số cộng hưởng, khi điện áp vào tăng thì bộ biến đổi sẽ làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng. Cũng như SRC và PRC, vùng hoạt động của bộ biến đổi nằm bên phải tần số cộng hưởng. Hình 2.5. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng SPRC Hình 2.6. Đặc tính DC của SPRC Bộ biến đổi SPRC cũng giống như SRC và PRC đều có thể làm việc trong vùng ZCS, nếu so sánh SPRC với PRC và SRC thì có thể thấy dòng trong mạch cộng hưởng nhỏ hơn so với PRC nhưng lớn hơn so với SRC điều đó cũng có nghĩa là năng lượng tuần hoàn nhỏ hơn so với PRC. Giống với PRC và SRC, khi điện áp vào tăng thì năng lượng tuần hoàn tăng ngay cả khi non tải và dòng khi khóa của MOSTFET tăng gây tổn thất lớn. d. Mạch cộng hưởng LLC Ta thấy, cả ba cấu trúc mạch cộng hưởng truyền thống ( SRC, PRC và SPRC) đều gặp phải vấn đề lớn là không thể hoạt động tối ưu khi điện áp vào cao và hạn chế dải điện áp vào. Năng lượng tuần hoàn cao và tổn hao đóng cắt cũng xuất hiện ở điều kiện điện áp cao, điều này không phù hợp với các yêu cầu của bộ chuyển đổi DC/DC. Từ sự phân tích các mạch cộng hưởng truyền thống ta có: khi mạch SRC cũng như mạch PRC làm việc ở tần số cộng hưởng thì hiệu suất là lớn nhất. Đối với mạch SPRC ta có hai tần số cộng hưởng và bình thường mạch làm việc ở tần số cộng hưởng cao hơn sẽ có hiệu suất cao hơn, để đạt được điều kiện làm việc điện áp chuyển mạch không (ZVS) thì bộ biến đổi (BBĐ) phải làm việc ở miền dốc xuống của đặc tính DC. Tuy nhiên, BBĐ cộng hưởng LCC cũng chưa tối ưu ở điều kiện điện áp vào cao, lý do tương tự như mạch SRC và PRC, mạch cộng hưởng sẽ làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng ở điều kiện điện áp vào cao. BBĐ LCC cộng hưởng có hai tần số cộng hưởng nhưng tần số cộng hưởng thấp hơn là vùng ZCS, chúng ta sẽ không thiết kế BBĐ làm việc ở tần số cộng hưởng này. Như vậy để đạt được tần số cộng hưởng mà tại đó vùng làm việc là ZVS, bằng cách thay đổi mạch cộng hưởng LCC ta sẽ có được kết quả: thay thế L bởi C và ngược lại C bởi L ta sẽ có mạch cộng hưởng LLC Đặc tính của BBĐ LLC cộng hưởng ngược với đặc tính của BBĐ cộng hưởng LCC, nó vẫn có hai tần số cộng hưởng, tần số thấp hơn được quyết định bởi điện cảm nối tiếp Lr, Lm và tụ Cr, tần số cao hơn được quyêt định bởi Lr và Cr, tần số cao hơn là vùng làm việc ZVS, nghĩa là BBĐ được thiết kế để làm việc xung quanh tần số này. Cấu trúc mạch cộng hưởng LLC rất Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac Kh oa Ha No i Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án giống với BBĐ cộng hưởng LC nối tiếp, tuy nhiên độ khuếch đại điện áp của nó khác với của BBĐ LC cộng hưởng nối tiếp, trong hoạt động cộng hưởng độ tự cảm từ hóa của máy biến áp (MBA) tương đối nhỏ và phức tạp. Mạch cộng hưởng LCC Mạch cộng hưởng LLC Hình 2.7 Các đặc trưng của BBĐ LLC cộng hưởng là: Giảm được tổn hao đóng cắt thông qua vùng làm việc ZVS và do đó cải thiện hiệu suất, dải tần số biến đổi rộng vượt quá dải biến đổi của tải, điện áp lúc chuyển mạch bằng không ngay cả trong điều kiện không tải. Năng lượng tuần hoàn nhỏ khi điện áp vào cao. Như vậy mạch cộng hưởng LLC sẽ đảm bảo được các yêu cầu cần thiết và ta sẽ thiết kế mạch cộng hưởng LLC. 2.1.2. Lựa chọn mạch nghịch lưu nguồn áp và khối chỉnh lưu a.Lựa chọn mạch nghịch lưu -Sử dụng sơ đồ nghịch lưu nửa cầu vì có ít van,điều khiển đơn giản và tổn thất ít,hiệu suất bộ biến đổi đạt được có thể lên đến hơn 90% b.Lựa chọn mạch chỉnh lưu. -Công suất yêu cầu 2.5KW nên sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một pha,để đạt được chất lượng điện áp tốt hơn ta sử dụng sơ đồ cầu một pha diot. 2.1.3 Lựa chọn máy biến áp tích hợp Máy biến áp làm chức nằng biến đổi điện áp và thay thế cho cả điện cảm cộng hưởng Lr và Lp. Trong đó từ thông tản trong máy biến áp sẽ được sử dụng thay thế cho Lr và từ thông dùng từ hóa máy biến áp sẽ được thay thế cho Lp Lp=Lm+Llkp ; Lr =Llkp+Lm//(n2Llks) Hình 2.8 Sơ đồ thay thế cuẩ máy biến áp tích hợp Lõi thép có khe hở không khí để tăng từ thông từ hóa máy biến áp. Trong đó từ thông từ hóa máy biến áp thay thế cho Lp. Với kích thước khe hở không khí thay đổi ta có thể có được giá trị Lp khác nhau tùy theo yêu cầuCoi như điện áp đầu ra là hằng số và các thiết bị đều lý tưởng Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N i Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án thì quá trình tính toán máy biến áp phụ thuộc vào giá trị dòng qua cuộn dây cộng hưởng nối tiếp, song song, tải tương đương phía sau mạch. Ưu điểm khi sử dụng máy biến áp tích hợp: - Tiết kiệm một cuộn dây Lm trong mạch -Giảm kích thước các phần tử từ tính, lõi sắt từ với cùng tính chất thiết kế. - Máy biến áp thiết kế không đòi hỏi phải có dòng rò thấp-> dễ chế tạo. - Giảm tổn hao trong máy biến áp 2.2. Nguyên lý làm việc của BBĐ nguồn DC/DC cộng hưởng (mạch cộng hưởng LLC) 2.2.1. Nguyên lý làm việc của mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp Hình 2.9 Mạch nghịch lưu nửa cầu 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch LLC Bộ biến đổi có hai tần số cộng hưởng, một tần số cộng hưởng là sự cộng hưởng của Lr và Cr tạo nên, một tần số cộng hưởng được tạo nên bới Cr và Lm +Lr. Hai tần số này và đường đặc tính của mạch chia đặc tính của mạch ra làm ba cùng, vùng ba 3 ứng với vùng ZCS đây là vùng cần tránh rơi vào và hai vùng hoạt động là vùng 1 và vùng 2 tương ứng vùng trong ZVS. a.Khi tần số chuyển mạch nhỏ hơn tần sốcộng hưởng(fs<fr) Khi đó bộ biến đổi làm việc trong vùng hai,vùng này có thể chia ra làm ba khoảng thời gian.khoảng thời gian đầu Lr cộng hưởng với Cr và Lm được giữ bởi điện áp ra, khi mà dòng Lm và Lr bằng nhau thì khoảng thời gian này kết thúc và chuyển sang khoảng thời gian tiếp theo khi đóLm bắt đầu tham gia vào cộng hưởng, khi đó tần số cộng hưởng được xác định bởi (Lm+Lr) và Cr. Trong khoảng thời gian thứ nhất từ t0 đến t1 lúc này van Q2 bắt đầu khóa lại và van Q1 mở ra,lúc này dòng Ilr <0 ,dòng điện vẫn duy trì theo chiều cũ và chảy qua đi ốt ngược của Q1 tạo nên điều kiện ZVS cho van Q1 do điện áp Uds trên van Q1 lúc chuyển mạch sẽ bằng không,đồng thời dòng Ilr này cũng băt đầu tăng lên.điện cả Lm được giữ bởi điện áp ra không đổi nên dòng qua điện cảm Lm tăng tuyến tính. Mạch nghịch lưu nguồn áp có nhiệm vụ là tạo ra điện áp dạng xung vuông để đưa vào khối cộng hưởng, Khi Q1 và Q2 thay nhau dẫn thì ta có: Khi Q1 dẫn Q2 khóa điện áp Vout=Vin , khi Q1 khóa và Q2 dẫn thì điện áp ra Vout=0, như vậy bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển phát vào các cực điều khiển của Q1 và Q2 xen kẽ nhau (sao cho các van dẫn trong thời gian bằng nhau) ta có được điện áp ra có dạng xung vuông Vout Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án 2.11 Bộ biến đổi làm việc ở tần số fs<fr Trong khoảng thời gian thứ nhất từ t0 đến t1 lúc này van Q2 bắt đầu khóa lại và van Q1 mở ra,lúc này dòng Ilr <0 ,dòng điện vẫn duy trì theo chiều cũ và chảy qua điốt ngược của Q1 tạo nên điều kiện ZVS cho van Q1 do điện áp Uds trên van Q1 lúc chuyển mạch sẽ bằng không,đồng thời dòng Ilr này cũng băt đầu tăng lên.điện cả Lm được giữ bởi điện áp ra không đổi nên dòng qua điện cảm Lm tăng tuyến tính. Trong khoảng thời gian thứ hai từ t1 đến t2:Khi dòng Ilr bắt đầu đương thì điot của Q1 khóa lại và dòng chảy qua MOSTFET Q1, trong suốt khoảng thời gian này đầu ra của mạch chỉnh lưu dẫn và điện áp ra được giữ ở mức Vo cho nên dòng qua Lm tăng tuyến tính nhưng Lm lại không tham gia vào quá trình cộng hưởng kết thúc khoảng thời gian này là khi dòng qua điện cảm Lr và dòng Qua điện cảm từ hóa bằng nhau và dòng điện ở đầu ra bằng không Khoảng thời gian thứ ba từ t2 đến t3:Kết thúc khoảng thời gian thứ hai tại thời điểm t2 khi đó dòng qua điện cảm cộng hưởng và điện cảm từ hóa bắng nhau nên dòng điện ở đầu ra của mạch bằng không,đi ot của mạch chỉnh lưu đảo cực tính,điện áp ra Vo khi đó sẽ lớn hơn điện áp ở đầu vào của mạch chỉnh lưu,ở bên sơ cấp do Lm được tự do nên nó có sẽ tham gia vào quá trình cộng hưởng của mạch ,bây giờ mạch cộng hưởng được tạo nên bởi sự cộng hưởng của Cr và hai điện cảm nối tiếp là (Lr+Lm),khoảng thời gian cộng hưởng này sẽ kết thúc khi mà van Q1 khóa lại .Và ở các chu kỳ sau hoạt động của mạch được lặp lại theo các khoảng thời gian như trên Từ đồ thị dòng điện ta có thể thấy được rằng khi các van mở thì đều thực hiện đuợc ở trong miền ZVS và khi khóa lại dòng khóa của van nhỏ nên giảm được tổn hao . Hình 2.10 .Các đường đặc tính khuyếch đại Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án b. Khi tần số chuyển mạch bằng tần số cộng hưởng(fs=fr) Hình 2.13. Bộ biến đổi hoạt động khi fs=fr Khi mà tần số cộng hưởng fr bằng với tần số chuyển mạch,nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi cũng diễn ra như trường hợp fs<fr,chỉ khác ở chỗ lúc này không còn khoảng thời gian từ t2 đến t3 ,vì thời gian mà kết thúc quá trình cộng hưởng cũng chính là thời gian mà van đã khóa lại.Dạng dòng điện cộng hưởng như hinh 2.13 C .Khi tần số chuyển mạch lớn hơn tần số cộng hưởng Khi fs>fr bộ biến đổi sẽ làm việc như bộ biếnđổi cộng hưởng nối tiếp SRC, Cr và Lr tham gia cộng hưởng còn Lm không tham gia vào quá trìnhcộng hưởng. Lm được giữ bởi điện áp ra và hoạt động như một tải nối tiếp với mạch cộng hưởng.Nhược điểm của bộ biến đổi khi hoạt động trong vùng này là dòng thứ cấp tăng và tổn hao . 2.2.3. biểu thức tính toán học: Mạch cộng hưởng LLC lọc các dòng điều hòa bậc cao và chỉ cho phép dòng điện hình sin được đi qua, kể cả khi tín hiệu cấp cho mạch cộng hưởng là điện áp có dạng xung vuông. Sự xấp xỉ: giả sử chỉ có thành phần cơ bản của điện áp dạng xung vuông ở đầu vào mạch cộng hưởng biến đổi thành dòng điện đầu ra. như vậy sóng xung vuông ở đầu vào có thể được thay thế bởi thành phần cơ bản của nó: Bởi vì mạch chỉnh lưu bên phía thứ cấp làm việc như một MBA trở kháng nên điện trở tải tương đương là khác với điện trở tải thực tế. Mạch điện bên phía thứ cấp được thay thế bởi một nguồn dòng hình sin ( Iac) và một điện áp xung vuông ( VRI) xuất hiện ở đầu vào để cỉnh lưu. Điện trở tương đương được tính như sau: Hình 2.12 Bộ biến đổi hoạt động khi fs>fr 7.005 7.01 7.015 7.02 7.025 7.03 7.035 7.04 7.045 7.05 x 10-3 0 200 400 7.005 7.01 7.015 7.02 7.025 7.03 7.035 7.04 7.045 7.05 x 10-3 -50 0 50 7.005 7.01 7.015 7.02 7.025 7.03 7.035 7.04 7.045 7.05 x 10-3 -50 0 50 Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B a h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án Mạch điện xoay chiều tương đương (mạch L-L-L-C) : -Biểu thức tính toán Mạch điện xoay chiều tương đương rút gọn ( mạch L-L-C) : Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 2.Phân tích và lựa chọn phương án Giả sử Ta có: 2.2.4. Mạch chỉnh lưu: dòng điện hình sin Iac bên phía thứ cấp máy biến áp đi vào mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển dùng diode. Sau khi qua mạch chỉnh lưu hình cầu dòng điện có dạng nhấp nhô.Một tụ C được mắc vào để san bằng dòng điện. Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 3.Tính toán thiết kế mạch lực Nghịch lưu mạch cộng hưởng mạch chỉnh lưu Bộ biến đổi nguồn DC/DC sử dụng mạch cộng hưởng LLC bao gồm 3 phần chính là phần mạch nghịch lưu,mạch tạo cộng hưởng và mạch chỉnh lưu. Mạch nghịch lưu có chức năng tạo ra điện áp xoay chiều tần số cao bằng cách điều khiển đóng cắt các van Q1,Q2 trong mỗi nửa chu kỳ. Mạch cộng hưởng: Mạch cộng hưởng với phương pháp sử dụng mạch cộng hưởng LLC,tạo ra dòng điện hình sin và nhằm đạt được chế độ chuyển mạch ZVS Mạch chỉnh lưu:biến điện áp và dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều,tụ điện ở phía chỉnh lưu với mục đích san bằng điện áp và giữ điện áp ra không đổi. 3.2 Tính toán thiết bị mạch lực 3.2.1 Lựa chọn mạch cộng hưởng B1: dải điện áp đầu vào: Chọn dải điện áp đầu vào là:
 = 346(V)
 =415 (V); B2: Xác định hệ số khuếch đại điện áp lớn nhất hệ số khuếch đại điện áp nhỏ nhất: Gọi k= Lm/Llkp. Thông thường chọn k từ 5->10. Ta chọn k=7.  =

  2 =  +     =  +   =  + 1  = 1.14 Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 3.Tính toán thiết kế mạch lực   .    !"# . 1,14 1.37 B3: Xác định tỷ số máy biến áp với
' 1,2
là sụt áp trên diot phía chỉnh lưu  ()(*  +,-../*M min =  !∗ .  +1-. ./ = 4.69 B4: Trở kháng Rac. Với tỷ số máy biến áp đã tìm được ta có điện trở tải tương đương: 23 1454 , 4 6,= 1.,14.14 54.!77 =16.472 B5: Thiết kế mạch cộng hưởng.Chọn sai số 10% ta có : Peak gain=1. 37*110%=1.51 Ta có với k=7 và peak gain=1.51 thì Q= 0.434với tần số cộng hưởng fo=100kHz các thông số cộng hưởng của mạch là: 89 12:;. <=. 23 1 2:. 0,434.100. 10".. 16.472 222,737@ 9 1+2:<=/. 89 1 +2:. 100. 10"/. 222,737. 10AB 11,3838DE  +  1/  +2  1/ . 9 48,57097DE Dòng hiệu dụng qua tụ và điện áp trên tụ là: HIJ KL ≅ NO 5.PQ√.S  O +Q-../ √.TQ.U S=NO 5.!,71 √.,#BS  O .#B+1-. ,/ √. 77777.,BB. 7VWS=15,77A 0 5 10 15 x 104 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 f M Hình 3.2 Đặc tính khuyếch đại Mmin Mmax Đỉnh khuyếch đại fo fs min fs max Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 3.Tính toán thiết kế mạch lực
IJ ≅    + √  .5.TQ.IJ . HIJ KL =  !  + √  .5. 77777.7,X"X. 7VW . 15,77=366,939V 3.2.2 Tính toán máy biến áp Số vòng quận thứ cấp nhỏ nhất: chọn lõi thép có diện tích A2=0. 202 cm2 , ∆B=0.3(T) Từ đường đặc tính ta có được một cách gần chính xac < 75500 EY tại đó M=1.37 Z  = ([-.) ∗T∗∆]∗^_ = .#B∗(1- .)∗ 7W ∗X!777∗7."∗7 =25,384(turns) Np=n*Ns chọn Ns=6 khi đó có Np=6*4,69=28,14>Z Như vậy chọn máy biến áp có Ns=6 và Np=28, diện tích lõi thép là 0.202cm2 3.2.3 Chọn mạch chỉnh lưu. Dòng qua tải:H` 6a 52,08 Dòng trung bình qua van: Hb = Pc  = 26,04d Điện áp ngược lớn nhất:ef, = √2. e = 75.42
Chọn làm mát Diode bằng quạt gió: Ki=2,Ku=2.Iđm=52,08( A).Ungmax=150.84(V) Chọn diot B 100: Iđm=100A ;Uđm=50-1000V Iđm (A) Uđm(V) Uv(V) Irò(mA) RT(Ω) 100 50-1000 1.2 20 0.65 Hệ số đập mạch vào: Kđmv=0.67 Hệ số đập mạch ra: Kđmr=0.02 C= đh c.iđJ = 28,8D@ Chọn C=47 D F 3.3 Chọn mạch nghịch lưu: Điện áp max đặt lên MOSFET là U=
=415V: Dòng hiệu dụng trên tụ C : HIJ KL ≅15,63A Vậy dòng điện lớn nhất qua MOSFET là 22,1(A). Chọn phương pháp làm mát bằng quạt gió lấy hệ số dự trữ kIv=2. I lớn nhất qua mosfet là Imax=44,2(A).Chọn MOSFET SKM284F Ký hiệu IDM (A) RDSmax (Ω) PDmax (W) UDSmax (V) ID (A) USthmax (V) trmax (ns) tfmax (ns) gfs,min (S) SKM284F 80 0.360 400 800 20 4 30 35 1,6 CHƯƠNG 4: Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 4.Nguyên lý mạch điều khiển NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển. Nhiệm vụ chính của mạch điều khiển là điều khiển hai van Q1,Q2 trong mạch sao cho khi mà tải thay đổi thì điện áp đầu ra không đổi. 4.2 Nguyên lý điều khiển Dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ nguồn, ta thấy rằng khi điện áp đầu vào và tải không đổi thì điện áp đầu ra phụ thuộc vào tần số và độ rộng xung điều khiển.Chính vì thế để ổn định điện áp đầu ra của mạch ta có thể điều khiển tần số, điều khiển độ rộng xung hoặc điều khiển tần số và độ rộng xung. 4.2.1 Điều khiển tần số. Sơ đồ khối của mạch điều khiển Hình 4.1.Sơ đồ mạch điều khiển tần số -Mạch lái : mạch điều khiển xung đưa vào mạch nghịch lưu tần số cao. - VCO : khối tạo dao động tỉ lệ với điện áp đặt vào. - Khâu so sánh: so sánh điện áp đầu ra với điện áp chuẩn mong muốn. Dựa vào đường đặc tính của mạch cổng hưởng LLC.Để mạch luôn hoạt động ở vùng ZVS và ổn địnhđiện áp ra: - Khi điện áp đầu vào giảm hay tải giảm khi đó điệnáp trên lối ra giảm. Tiến hành giảm tần số mạch nghịch lưu -> tăng hệ số khuếch đại của mạch cộng hưởng -> đưa điện áp đầu ra về điện áp cũ. - Khi điện áp đầu vào tăng hoặc tăng tải thì tiến hành tăng tần số đóng cắt mạch nghịch lưu-> giảm hệ số khuếch đại của mạch-> giảm điện áp đầu ra xuống vị trí yêu cầu. - Khi độ chênh lệch giữa điện áp ra và chuẩn bằng chuẩn thì khâu VCO tạo dao động có tần số tự nhiên fN đặt trước. 4.2.2 Điều khiển theo phương pháp thay đổi độ rộng xung điều khiển mạch nghịch lưu. Mạch tạo xung vuông với tần số làm việc được đưa qua bộ tạo răng cưa Mạch điều khiển Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 4.Nguyên lý mạch điều khiển . Tín hiệu răng cưa này được đem so sánh với độ lệch điện áp giữa tín hiệu ra và điện áp chuẩn.Qua khâu so sánh ta sẽ tạo ra xung vuông với độ rộng xung thay đổi theo độ lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. Hình4.2 .Sơ đồ điều khiển bằng thay đổi độ rộng xung 4.3 Mạch điều khiển phát xung Hình 4.3. Sơ đồ mạch điều khiển phát xung -Chức năng:mạch tạo ra tín hiệu để điều khiển sự chuyển mạch của hai van Q1,Q2 trong mạch nghịch lưu -Cấu tạo và nguyên lý: +Máy phát xung vuông(pulse Generator) :Để phát ra các xung vuông tần số cho trước. +Converter:tín hiệu làm chuổn +Mạch D-FF,tín hiệu khi đi qua mạch D-FF sẽ được chia đôi tần số,đồng thời tạo ra hai tín hiệu đảo . +Mạch tạo trễ: Hai tín hiệu đảo ở nhận được từ mạch D-FF sẽ được đưa đến khâu tạo trễ với mục đích để tránh hiện tượng dòng đâm xuyên khi cả hai van cùng dẫn,hai tín hiệu sau khi qua khâu trễ đưa đến điều khiển sự chuyển mạch của hai van Q1,Q2 Q1 Q2 Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 5.Kết quả mô phỏng Chương 5. Kết Qủa Mô Phỏng 5.1 sơ đồ mô phỏng trong Matlab 5.2 Kết quả mô phỏng a.Khi đầy tải Hình.5.2 Kết quả mô phỏng khi đầy tải 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 200 400 Ud 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 -20 0 20 Is 1 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 -20 0 20 Ir 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 47.5 48 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 50 100 150 I2 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 52 52.5 It Hình 5.1 .Sơ đồ mô phỏng trong matlab Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Chương 5.Kết quả mô phỏng Hình:5.3 Khi tải giảm đi một nửa Hình 5.3 khi không tải Nhận xét: - Từ kết quả mô phỏng cho thấy bộ biến đổi đã thỏa mãn được các yêu cầu thiết kế đề ra - Với tần số hoạt động fs=100Khz và fr=100Khz,bộ biến đổi làm việc ở chế độ ZVS,với dòng điện cộng hưởng có dạng sin,dòng khi khóa van nhỏ ,khi tải giảm thì tần số cộng hưởng tăng - Điện áp rat rung binh 48 (V) với độ đập mạch thoat mãn độ đập mạch yêu cầu,độ đập mạch rất nhỏ,dòng một chiều đầu ra mịn,chất lượng điện áp của bộ biến đổi rất tốt 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 200 400 Ud 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 -50 0 50 Is 1 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 -100 0 100 Ir 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 47 47.5 48 Uo 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 100I2 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 100 105 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 200 400 Ud 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 -20 0 20 Is 1 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 20 40 I2 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 50 100 Ut 6.99 7 7.01 7.02 x 10-3 0 20 40 I2 Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Kết luận KẾT LUẬN Sau một kỳ dưới sự hướng dẫn tận tình của Ts.Trần Trọng Minh cùng với các thầy cô giáo khác trong bộ môn Tự Động Hóa XNCN và các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án tìm hiểu về “Bộ biến đổi nguồn DC/DC cộng hưởng với mạch cộng hưởng LLC”,trong quá trình này em đã tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của bộ biến đổ cũng như là các bước tính toán bộ biến đổi ,với kết quả mô phỏng đã cho thấy được sự đúng đắn của nguyên lý cũng như sự đúng đắn của quá trình thiết kế bộ biến đổi. Với những ưu điểm của mình thì bộ biển đổi này tạo ra một cơ hội ứng dụng và phát triển trong thực tế rất cao,tuy vậy vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu để giúp cải tiến và hoàn chỉnh được bộ biến đổi như việc nghiên cứu chế tạo bộ biến đổi AC/DC(PFC) tạo ra điện áp một chiều từ điện áp xoay chiều trực tiếp,tạo nên được sự thương mại hóa của sản phẩm Do đây là một phương pháp mới đối với Việt Nam cho nên việc tìm hiểu còn nhiều khó khăn cũng như hạn chế cho nên trong quá trình nghiên cứu không tránh khỏi những sai sót ,em rất mong sự chỉ dạy và sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn! Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội ,ngày 30 tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện Lý Bá Biên Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Phụ lục PHỤ LỤC 1. Chương mạch lực -Xây dựng đường đặc tính khuyếch đại trong matlab >f=linspace(10000,150000,1000); > q=0.434; > k=7; > f0=100000; > M=f.*f.*f0.*k.*(k+1)./sqrt(f.^6.*q.^2.*(k+1).^4+f.^4.*(f0.^2).*(-2 .*q.^2+1).*(k+1).^4+f.^2.*f0.^4.*(q.^2.*(k+1).^4-2.*(k+1).^2.*(2.*k+1))+(2.*k+1).^2.*f0.^6) > plot(f,M); >grid on TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Trọng Minh “Gíao Trình điện tử công suất”-Nhà xuất bản giáo dục -2007 2.Võ Minh chính,Phạm Quốc Hải,Trần Trọng Minh “Điện tử công suất”-Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật -2007 3.Lê văn Doanh,Nguyễn Thế Công,Trần Văn Thịnh “Điện tử công suất-lý thuyết –thiết kế-ứng dụng”-Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật -2004 4.Bo Yang’s Thesis Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi Tài liệu tham khảo “Topology Investigation for Front End DC/DC power conversion for Distributed power system”- Blacksburg,Virgina-2003 5. Bo Yang,Fred C.Lee,Zhang A.J.Guisong Huang,”LLC resonant converter for END DC/DC converter” ,IEE applied power Electronics conference anh Exposition.2002. 6.Trang web:www.fairchilsemi.com Bien-Thao-Tien-Phuong-Hoang TD H K 53 -D H B ac h K ho a H a N oi