Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng
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 ) / 2 cm s P ) 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 nhiệttăng 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 hưởngbiến 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 U DS 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 U DS 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 t q 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. Dòng cộng hưởng Dòng cực máng U DS 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 Dòng cộng hưởng Dòng cực máng U DS [...]... vin thụng) nờn khi cng hng c s dng cú cu trỳc ni tip song song (LCC) Vic la chn v phõn tớch cu trỳc ny c th hin c th trong chng 2 9 Chng 2 Phõn tớch b bin i cng hng Half bridge Chng 2 Phân tích bộ biến đổi cộng h-ởng Half bridge 2.1 So sỏnh cỏc cu trỳc b bin i cng hng half bridge 2.1.1 Cu trỳc ni tip Hỡnh 2-1 B bin i cng hng ni tip Trong cu trỳc b bin i cng hng ni tip t Cs v cun cm Ls mc ni tip vi... tng i c lp vi ti [1] Kt qu l tn tht dn qua van v cỏc thnh phn cng hng khụng i khi gim ti, do ú hiu sut khi ti nh gim rt mnh Hn na, dũng in ny tng khi in ỏp u vo b bin i tng lờn Vỡ vy b bin i ny khụng lý tng cho cỏc ng dng cú in ỏp u vo thay i ln v yờu cu lm vic hiu sut cao khi non ti Ngc li, b bin i song song phự hp hn vi cỏc ng dng cú in ỏp u vo ớt thay i (vớ d: 15%) v lm vic gn vi cụng sut cc i... song song Cp cng to ra tr khỏng nh i vi mch u ra, do ú hũa hp vi mch lc L-C, to ra dũng in vi gn nh chy qua t lc Do ú b bin i LCC thớch hp vi cỏc ng dng yờu cu ỏp nh, dũng ln Cỏc phõn tớch c th v nguyờn lý hot ng v c tớnh khuch i ỏp ca b bin i LCC s c trỡnh by mc 2.2 v 2.3 2.2 Phõn tớch hot ng b bin i half bridge LCC Da vo dng in ỏp trờn t song song Cp ta chia hot ng ca b LCC thnh 2 dng: ch liờn tc... pha khi vic khoỏ pha cha thc hin Di khoỏ (the lock range) : L khong tn s lõn cn f N ca VCO m PLL ng nht c tn s fo vi tn s fi Di ny cũn c gi l di ng chnh (Tracking range) Hỡnh 3-3 Di bt v di khúa Nguyờn lý hot ng ca PLL Thc cht PLL hot ng theo nguyờn tc vũng iu khin m i lng vo v ra l tn s v chỳng c so sỏnh vi nhau v pha Vũng iu khin pha cú nhim v phỏt hin v iu chnh nhng sai sút v tn s gia tớn hiu vo v
