Đồ án Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: “ Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng ” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực. Ngoài các TLTK đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc TKTN của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Sinh viên Nguyễn Đức Nghĩa MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng ...................................................... 2 1.1. Sự ra đời và phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng ............................................ 2 1.1.1. Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng .................................................... 2 1.1.2. Quá trình phát triển và các ứng dụng ...................................................... 4 1.2. Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS......................................................... 5 1.2.1. Chuyển mạch dòng điện không (ZCS) ................................................... 5 1.2.2. Chuyển mạch điện áp không(ZVS) ........................................................ 6 1.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải ..................................................... 8 Chương 2 Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng half bridge ....................................... 10 2.1. So sánh các cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng half bridge ................................. 10 2.1.1. Cấu trúc nối tiếp .................................................................................... 10 2.1.2. Cấu trúc LLC ........................................................................................ 12 2.1.3. Cấu trúc song song ................................................................................ 14 2.1.4. Cấu trúc LCC ........................................................................................ 16 2.2. Phân tích hoạt động bộ biến đổi half bridge LCC. ............................................ 16 2.2.1. Hoạt động ở chế độ liên tục .................................................................. 17 2.2.2. Hoạt động ở chế độ không liên tục ....................................................... 18 2.3. Phân tích bộ biến đổi half bridge LCC ở chế độ xác lập. .................................. 19 2.3.1. Phương pháp phân tích và các giả thiết ................................................ 19 2.3.2. Hàm truyền đạt áp ................................................................................. 20 2.3.3. Phân tích các thông số mạch cộng hưởng ............................................. 23 2.3.4. Ảnh hưởng của chu kỳ làm việc D tới điện áp đầu ra .......................... 29 Chương 3 Phân tích phương pháp điều khiển ......................................................... 31 3.1. Phân tích phương pháp điều khiển để ổn áp đầu ra ........................................... 31 3.1.1. Phương pháp điều khiển tần số ............................................................. 31 3.1.2. Phương pháp thay đổi độ rộng xung (PWM) ....................................... 37 3.1.3. Điều khiển cả tần số và độ rộng xung ................................................... 37 3.2. Phân tích phương pháp điều khiển mạch half bridge ........................................ 38 Chương 4 Thiết kế thử nghiệm ................................................................................. 42 4.1. Tính toán các thông số cơ bản của mạch ........................................................... 42 4.1.1. Tính chọn tỷ số biến áp ......................................................................... 42 4.1.2. Tính chọn MOSFET ............................................................................. 42 4.1.3. Tính toán các thành phần khối cộng hưởng .......................................... 43 4.2. Kết quả mô phỏng.............................................................................................. 44 4.3. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 47 4.3.2. Một số kết quả thu được: ...................................................................... 47 4.3.3. Nhận xét chung ..................................................................................... 51 4.3.4. Phân tích kết quả ở 80% tải .................................................................. 51 Kết luận Lời nói đầu 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, vấn đề nâng cao hiệu suất và mật độ công suất của các bộ biến đổi sử dụng van bán dẫn (ví dụ như nguồn switching) đang là một xu hướng được quan tâm và phát triển trong các ứng dụng điện tử công suất. Để giải quyết yêu cầu này thì việc tăng tần số làm việc của các van bán dẫn là một phương án rất hiệu quả, tuy nhiên khi tăng tần số đóng cắt của các van bán dẫn sẽ dẫn đến việc tăng tổn hao và các khó khăn về tản nhiệt. Mạch biến đổi cộng hưởng ra đời, tạo ra bước đột phá với điều kiện chuyển mạch mềm (soft switching) nhờ phát xung điều khiển đóng mở van tại các thời điểm mà khi đó dòng điện chảy qua van, hoặc điện áp rơi trên van là rất nhỏ (lý tưởng là bằng không - điều kiện ZCS và ZVS), giảm thiểu tổn hao và áp lực cho van công suất, tận dụng các thành phần kí sinh vào mạch cộng hưởng, biến chúng từ có hại sang có lợi. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và chế tạo như của hãng ST, Intersil, TI, Vishay… nhưng ở Việt Nam hiện nay lại chưa có nghiên cứu hay báo cáo chính thức nào. Với các tiền đề như vậy, đề tài “Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng” được đề xuất để xem xét, giải quyết các vấn đề của các bộ biến đổi công suất làm việc dựa trên các mạch cộng hưởng. Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản như sau: - Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. - Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng half bridge. - Phân tích phương pháp điều khiển. - Thiết kế thử nghiệm. Sau 4 tháng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường và các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án ngắn và khả năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn. Hà nội, ngày 27 tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Nghĩa Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 2 Chương 1 Tæng quan vÒ bé biÕn ®æi céng h•ëng 1.1. Sự ra đời và phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng 1.1.1. Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng Yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi công suất là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Bộ tản nhiệt và thành phần từ tính là thành phần chiếm thể tích lớn nhất trong bộ biến đổi, có thể lên tới 80%. Đặc biệt với BBĐ công suất lớn thì kích thước của các thành phần này sẽ rất lớn. Giảm kích thước các thành phần trên, đặc biệt bộ tản nhiệt sẽ tăng mật độ công suất lên rất nhiều. Do đó, các bộ biến đổi tuyến tính sử dụng biến áp lực dần được thay thế bằng các bộ biến đổi switching, chuyển mạch ở tần số cao để giảm kích thước L,C. Tuy nhiên bộ biến đổi switching lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch là “hard- switching”: do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hoặc giảm về không nên các van công suất phải đóng, cắt trong điều kiện dòng và áp cao gây ra tổn thất chuyển mạch lớn. Quá trình này cũng khiến các van phải chịu các xung dòng điện và điện áp khá lớn. Các mạch phụ trợ Snubber thường được thêm vào để giảm du/dt, di/dt và chuyển tổn hao chuyển mạch, ứng suất trên van công suất sang mạch phụ trợ. Tuy nhiên phương pháp này vẫn bị hạn chế. Do tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch ( on on off off=f .V.(I t I t ) / 2cm sP  ) nên khi tần số chuyển mạch tăng cao thì tổn thất chuyển mạch là rất đáng kể, do đó giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi. Đồng thời các thành phần tụ kí sinh & điện cảm rò là nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn. Bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng dao động của mạch L-C tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm cho van. Các van sẽ được phát xung đóng, mở khi dòng qua van hoặc điện áp rơi trên van bằng 0 (điều kiện ZCS và ZVS). 2 điều này không thể xảy ra đồng thời nên khi chuyển mạch ở điều kiện ZVS thì sẽ phải chịu tổn hao khi khóa van, còn chuyển mạch ở điều kiện ZCS thì sẽ chịu tổn hao khi mở van. Tuy nhiên lượng tổn hao này rất nhỏ so với PWM truyền thống vì lúc này dòng và áp trên van có giá trị nhỏ. Vấn đề chuyển mạch mềm ZVS và ZCS sẽ được làm rõ hơn ở mục 1.3. Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 3 Hình 1-1 So sánh tổn hao chuyển mạch cứng và chuyển mạch cộng hưởng Hình 1-2 Đường quỹ đạo đóng, cắt của các hình thức chuyển mạch Các hình vẽ so sánh cho ta thấy rõ bộ biến đổi cộng hưởng chuyển mạch mềm cho tổn hao chuyển mạch rất nhỏ so với các bộ biến đổi xung truyền thống. KL: như vậy sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng đem lại những lợi ích rất lớn:  Làm giảm đáng kể kích thước L,C, bộ tản nhiệttăng mật độ công suất, giảm kích thước, trọng lượng và giá thành sp.  Cho phép bộ biến đổi làm việc ở tần số cao với hiệu suất lớn  Tận dụng tụ kí sinh & điện cảm dò vào thành phần cộng hưởngbiến chúng từ có hại sang có lợi. Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 4 1.1.2. Quá trình phát triển và các ứng dụng Quá trình phát triển của bộ biến đổi cộng hưởng được thể hiện trong bảng 1-1: Bảng 1-1 Quá trình phát triển của bộ biến đổi công suất Trên thế giới, hiện nay các bộ biến đổi sử dụng nguyên lý cộng hưởng đã nghiên cứu và phát triển cho rất nhiều ứng dụng như: - Chấn lưu điện tử cho đèn khí - Các thiết bị y sinh (máy tạo tia X trong máy chụp X quang) - 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,… Hình 1-3 Bộ nguồn 12V, 120W dùng trong viễn thông của hãng intersil Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 5 Ở Việt Nam hiện nay, bộ biến đổi sử dụng nguyên lý cộng hưởng cũng đã được ứng dụng, tuy nhiên trong lĩnh vực chế tạo nguồn hiệu suất cao và kích thước nhỏ thì chưa có nghiên cứu hay báo cáo chính thức nào. 1.2. Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS Hình 1-4 Cấu hình mạch minh họa điều kiện chuyển mạch mềm Bộ nghịch lưu đưa ra xung vuông điện áp cấp vào khối cộng hưởng. Do tác dụng lọc của khối cộng hưởng, dòng điện chảy qua cuộn cảm Ls là hình sin. Tùy theo dòng chảy vào khối cộng hưởng sớm pha hay trễ pha so với điện áp đặt vào khối cộng hưởng (thành phần cơ bản của xung vuông điện áp do bộ nghịch lưu đưa vào) mà ta có được điều kiện chuyển mạch dòng điện không (ZCS) hay chuyển mạch điện áp không (ZVS). 1.2.1. Chuyển mạch dòng điện không (ZCS) Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không được thể hiện trong hình 1-5. Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng sớm pha hơn điện áp đặt vào hay chính là điện áp UDS của van low-side T2. Khi dòng cộng hưởng giảm về 0 và đảo chiều thì dòng điện chảy qua van T2 về bằng 0 và dòng cộng hưởng được dẫn qua điot ngược của van T2 do lúc này xung điều khiển vẫn được duy trì trên van T2, điện áp trên van vẫn bằng 0. Do đó van T2 khóa trong điều kiện dòng điện bằng 0, tổn hao khi khóa van bằng zero. Tuy nhiên khi phát xung điều khiển để mở van thì do năng lượng tích lũy ở điot 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 EMI và tổn hao khi mở van. Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 6 Hình 1-5 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS 1.2.2. Chuyển mạch điện áp không(ZVS) Dạng sóng minh họa quá trình chuyển mạch dòng điện không được thể hiện trong hình 1-5. Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng trễ pha hơn điện áp đặt vào hay chính là điện áp UDS của van low-side T2. Ta có thể nhận thấy không có tổn hao khi mở trên MOSFET vì khi xung điều khiển được cấp vào van thì diode song song ngược của nó dẫn dòng và điện áp rơi trên van là bằng không trước khi FET mở để dẫn dòng. Dòng điện chạy qua diode ngược của FET gây ra bởi quá trình khóa FET còn lại. Ví dụ, nếu van T2 khóa, dòng điện do FET này đang dẫn được duy trì do tác dụng của cuộn cảm cộng hưởng, dẫn đến dòng chạy ngược lên van T1 phía trên thông qua diode ngược của T1. Do diode ngược có thời gian khóa tq bằng thời gian dẫn dòng của FET trước khi điện áp phân cực thuận được đặt lên diode nên không có áp lực chuyển mạch trên diode. D ò n g c ộ n g h ư ở n g D ò n g c ự c m án g U D S Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 7 Tuy nhiên MOSFET phải chịu tổn hao khi khóa van do dòng điện lúc này chưa về bằng không. Nhưng dòng lúc này đã nhỏ và được chuyển sang nạp cho tụ kí sinh song song của van. Khi diode ngược của van dẫn dòng thì điện áp trên tụ sẽ được giải phóng trước khi FET thông. Do đó không có tổn hao khi mở van và loại trừ được tổn hao do sự nạp, xả diode ngược và tụ kí sinh song song. Vì vậy trong thực tế thiết kế, người ta thường cho mạch làm việc ở tần số trên cộng hưởng để đạt được điều kiện chuyển mạch ZVS. Hình 1-6 Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS D ò n g c ộ n g h ư ở n g D ò n g c ự c m án g U D S Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 8 1.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải Hình 1-7 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng Điện áp 1 chiều đầu vào Vin qua bộ nghịch lưu cho ra điện áp xoay chiều dạng xung vuông. Để đạt được mật độ công suất cao, người ta thường sử dụng bộ nghịch lưu với tần số chuyển mạch lớn để giảm kích thước thành phần từ tính. Xung vuông điện áp sau khối nghịch lưu được đưa vào khối cộng hưởng (Resonant Tank) để tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm. Biến áp xung được sử dụng để cách ly giữa đầu ra và đầu vào, đồng thời cũng có tác dụng biến đổi điện áp. Điện áp xoay chiều ở thứ cấp biến áp xung được đưa qua bộ chỉnh lưu tần số cao và bộ lọc để tạo ra điện áp 1 chiều trên tải. Để ổn áp nguồn trước sự biến động của tải cũng như điện áp đầu vào thì điện áp đầu ra được đưa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đưa vào mạch so sánh với điện áp chuẩn Vref để đưa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu sẽ được điều khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộng xung để ổn định điện áp đầu ra. Vấn đề điều khiển này sẽ được trình bày ở chương 3. Trong phạm vi đồ án này, bộ nguồn cộng hưởng nghiên cứu là loại cộng hưởng tải (kết hợp khối cộng hưởng và tải để tạo điều kiện chuyển mạch mềm), do đó bộ nghịch lưu phải có cấu trúc đối xứng dạng half bridge hoặc full bridge. Ở đây ta lựa chọn cấu hình half bridge do tính đơn giản, sử dụng ít van công suất và điều khiển dễ hơn cấu hình full bridge. Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta sẽ phải sử dụng cấu hình full bridge để phát huy hết công suất của mạch. Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 9 Mục tiêu thiết kế bộ nguồn trong đồ án này hướng tới là phục vụ cho các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện lớn (như các ứng dụng trong điện tử, viễn thông) nên khối cộng hưởng được sử dụng có cấu trúc nối tiếp – song song (LCC). Việc lựa chọn và phân tích cấu trúc này được thể hiện cụ thể trong chương 2. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 10 Chương 2 Ph©n tÝch bé biÕn ®æi céng h•ëng Half bridge 2.1. So sánh các cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng half bridge 2.1.1. Cấu trúc nối tiếp Hình 2-1 Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp tụ Cs và cuộn cảm Ls mắc nối tiếp với nhau để tạo thành khối cộng hưởng. Khối cộng hưởng làm việc như một nguồn dòng. Mạch lọc phía đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp trở kháng. Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn dòng của bộ biến đổi. Ưu điểm khác của bộ biến đổi nối tiếp là dòng chạy qua van công suất giảm khi giảm tải. Điều này dẫn tới tổn thất dẫn qua van cũng như các tổn thất khác giảm khi giảm tải, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi làm việc đầy tải. Xét đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp: Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 11 Hình 2-2 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp Từ hình 2-2 ta thấy khi giảm tải (Q giảm) thì tần số chuyển mạch tăng lên rất nhiều so với khi Q lớn. Đặc biệt khi tải quá nhẹ hay không tải thì tần số chuyển mạch tăng lên giá trị vô cùng lớn. Do vậy, bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chế độ làm việc không tải. Một nhược điểm khác của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là tụ lọc đầu ra phải mang dòng điện với độ gợn cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện 1 chiều [10]. Do đó bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng có áp ra thấp, dòng điện cao. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 12 2.1.2. Cấu trúc LLC Hình 2-3 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC Cấu trúc LLC vẫn là bộ biến đổi cộng hưởng dạng nguồn dòng. So với cấu trúc nối tiếp thì cấu trúc LLC có thêm thành phần Lm trong khối cộng hưởng. Lm có thể là điện cảm từ hóa của biến áp được sử dụng làm thành phần cộng hưởng, tạo ra một mạch vòng dòng điện khi đầu ra biến áp hở mạch hay mạch làm việc không tải. Vì vậy miền chuyển mạch ZVS rộng hơn khi giảm tải so với cấu trúc nối tiếp. Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LLC được thể hiện ở hình 2-4. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 13 Hình 2-4 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LLC Thông thường, miền làm việc của bộ biến đổi LLC được thiết kế gần tần số cộng hưởng để hiệu suất chuyển đổi năng lượng là lớn nhất. Vì bộ biến đổi LLC tạo ra miền chuyển mạch ZVS rộng hơn và hiệu suất biến đổi cao hơn nên nó được ứng dụng trong các bộ nguồn đầu vào yêu cầu có điện áp cao, dòng điện tương đối nhỏ. Tuy nhiên trong các ứng dụng yêu cầu điện áp thấp, dòng cao thì bộ biến đổi LLC có chung nhược điểm với bộ nối tiếp là độ gợn của dòng điện đầu ra lớn và cần nhiều tụ lọc đầu ra để làm giảm độ gợn. Do đó bộ biến đổi LLC không thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu áp thấp, dòng cao. M Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 14 2.1.3. Cấu trúc song song Hình 2-5 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song, khối cộng hưởng gồm cuộn cảm Ls và tụ cộng hưởng Cp mắc song song với biến áp. Do đó khối cộng hưởng có trở kháng thấp đối với mạch đầu ra và được coi như là nguồn áp. Mạch lọc đầu ra gồm cuộn kháng Lf và tụ C0 để hòa hợp trở kháng. Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện ở hình 2-6. Từ những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi nối tiếp thì bộ biến đổi song song có thể điều khiển điện áp đầu ra ở chế độ không tải bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch trên tần số cộng hưởng. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 15 Hình 2-6 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song Nhược điểm chính của bộ biến đổi song song là dòng điện chạy qua van công suất và các thành phần cộng hưởng tương đối độc lập với tải [1]. Kết quả là tổn thất dẫn qua van và các thành phần cộng hưởng không đổi khi giảm tải, do đó hiệu suất khi tải nhẹ giảm rất mạnh. Hơn nữa, dòng điện này tăng khi điện áp đầu vào bộ biến đổi tăng lên. Vì vậy bộ biến đổi này không lý tưởng cho các ứng dụng có điện áp đầu vào thay đổi lớn và yêu cầu làm việc ở hiệu suất cao khi non tải. Ngược lại, bộ biến đổi song song phù hợp hơn với các ứng dụng có điện áp đầu vào ít thay đổi (ví dụ: 15%) và làm việc gần với công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75% công suất cực đại thiết kế). Bộ biến đổi song song phù hợp cho các ứng dụng điện áp đầu