Các sơ đồ cộng hưởng dẫn tới chế độ chuyển mạch mềm, tức là van chuyển mạch hoặc khi điện áp trên van bằng không (ZVS) hoặc khi dòng điện qua van bằng không (ZCS). Ta xét hiện tượng này qua ví dụ sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng cầu một pha nối tiếp, như trên hình 3.30
Giả sử sơ đồ làm việc ở tần số dưới tần số cộng hưởng, fs < fo. Khi đó trở kháng mạng cộng hưởng Zi(s) mang tính dung kháng do trở kháng của tụ lớn hơn trở kháng cảm. Điện áp đặt vào mạng dao động có dạng đối xứng chữ nhật, biên độ
+/-Ug. Nếu xét gần đúng với thành phần sóng hài bậc nhất, với trở kháng tổng có tính dung nên dòng is1(t) sẽ vượt trước điện áp. Tuy nhiên điều này cũng đúng đối với giá trị tức thời. Đồ thị thời gian dạng dòng điện, điện áp đầu ra nghịch lưu cho trên hình 3.31.
Xét trong nửa chu kỳ 0 < t < Ts/2, khi Q1, Q4 dẫn dòng, dòng is(t) sẽ về bằng không trước khi sang nửa chu kỳ sau. Tại thời điểm đó Q1, Q2 sẽ khóa lại. Không có tổn thất khi van khóa vì dòng bằng 0. Chế độ này gọi là chuyển mạch tại dòng bằng 0 (ZCS). Tiếp theo dòng đổi chiều, chạy qua điôt ngược D1, D4.
Hình 3.32: Dạng điện áp, dòng điện trên sơđồ cộng hưởng nối tiếp khi tải mang tính dung kháng, tần sốđóng cắt fs < f0
Điều tương tự xảy ra ở nửa chu kỳ sau khi van Q2, Q3 dẫn dòng. Tuy nhiên ta sẽ thấy rằng khi Q1, Q4 được điều khiển mở, trước đó dòng điện sẽ do điôt D2, D3 dẫn. Khi Q1 được điều khiển mở điện áp trên nó bằng điện áp nguồn Ug, dòng sẽ chuyển từ D2 sang Q1. Do D2 phải có thời gian phục hồi để phục hồi tính chất khóa của mình, thời gian để các điện tích trong lớp tiếp giáp p-n di tản hết ra ngoài và nạp lại điện tích cho tụ ký sinh sinh ra do điôt bị phân cực ngược, sẽ xuất hiện dòng đâm xuyên giữa Q1 và D2 dưới điện nguồn Ug. Dòng này có thể có giá trị đỉnh rất lớn vì trong thời gian phục hồi điện trở của điôt vẫn rất nhỏ. Điều này thể hiện trên đồ thị hình 3.20. Dòng điện đỉnh lớn có thể gây nên các xung động điện từ trên điện cảm đường dây, phát tán sóng điện từ tần số cao ra chung quanh, ảnh hưởng đến các linh kiện điện tử khác trong mạch. Nếu Q1 là van MOSFET van mở ra dưới điện áp cao sẽ có dòng điện do tụ ký sinh CDS, được nạp điện đến Ug trước đó, phóng qua, gây tổn thất trên điện trở khi dẫn giữa cực máng và cực gốc RDS,on. Dòng phục hồi của điôt D2 cũng là một thành phần chủ yếu gây nên tổn thất trong trường hợp này.
Hình 3.33: Chuyển mạch nặng (Hard switching) khi van mở ra
Như vậy chuyển mạch ZCS trong sơđồ này không mang lại ý nghĩa nhiều về giảm tổn hao chuyển mạch vì lại gây ra chuyển mạch nặng khi van mở ra. Đây là chếđộ làm việc cần phải tránh.
Cũng với sơđồ cộng hưởng nối tiếp, nếu tần số làm việc cao hơn tần số cộng hưởng, fs > fo, trở kháng mạng dao động sẽ mang tính cảm vì khi đó trở kháng của điện cảm lớn hơn dung kháng của tụ. Khi đó dòng is(t) sẽ chậm pha so với điện áp
us(t), như thể hiện trên đồ thị dạng sóng hình 3.33
Trong nửa chu kỳđầu khi Q1, Q4 được điều khiển mở nhưng dòng đang chạy ngược chiều dẫn của van, nghĩa là phải chạy qua điôt D1, D4. Do điôt ngược song song với van dẫn điện áp trên van gần bằng không. Đến thời điểm dòng đổi chiều các điôt D1, D4 sẽ tự khóa lại, không có dòng phục hồi vì các điện tích qua điôt đã bằng không. Các van Q1, Q4 sẽ tựđộng vào dẫn dòng từ giá trị bằng không trởđi vì van đã có tín hiệu điều khiển mở. Như vậy chuyển mạch khi van vào dẫn dòng khi điện áp trên nó bằng không không gây nên tổn thất nào. Trường hợp này gọi là chuyển mạch ở điện áp bằng không – ZVS, là chế độ làm việc tốt nhất cho các nghịch lưu cộng hưởng.
Hình 3.34: Chuyển mạch mềm, van vào dẫn dòng khi điện áp trên van bằng không (ZVS)
Đến cuối nửa chu kỳ Ts/2, khi các van Q1, Q4 khóa lại, Q2, Q3 mở ra, dòng điện vẫn đang chạy theo chiều cũ, sẽ chuyển sang các điôt D2, D3. Đây lại là chuyển mạch nặng vì D2, D3 đang dưới điện áp ngược lớn – Ug. Tuy nhiên sẽ không có dòng phục hồi, thời gian mở của điôt rất ngắn, thời gian khóa lại của van MOSFET cũng rất ngắn, nghĩa là quá trình này chiếm một thời gian không đáng kể trong chu kỳ làm việc. Như vậy chuyển mạch nặng trong trường hợp này không ảnh hưởng nhiều đến vấn đề gây tổn thất chuyển mạch cho sơđồ.
Đối với MOSFET do có tụ ký sinh giữa cực máng và cực gốc CDS quá trình van khóa lại lại diễn ra tốt hơn. Ví dụ khi Q1 khóa lại dòng sẽ chạy qua tụ CDS,Q1
làm tăng điện áp UDS lên đến điện áp nguồn Ug. Do MOSFET khóa lại rất nhanh dòng is(t) sẽ chuyển hết sang CDS,Q1 trước khi UDS tăng đến Ug, tức là trước khi điôt D2 mở ra. Điôt D2 sẽ chỉ mở ra khi điện áp trên van Q1, hay điện áp trên tụ CDS,Q1 bằng và lớn hơn Ug. Do hiện tượng này điện áp trên van khóa lại sẽ tăng với một tốc độ nhất định, không đột biến, không gây nên các dao động phát sinh sóng điện từ với tần số cao, như minh họa trên hình 3.34. Đây lại là một ưu điểm lớn nữa của chuyển mạch ZVS.
Hình 3.35: Dạng điện áp trên van MOSFET trong chếđộ chuyển mạch ZVS
Nếu van bán dẫn là IGBT quá trình khóa van sẽ không giống như ở MOSFET. Tuy nhiên các bộ biến đổi nguồn DC-DC đều hoạt động ở tần số cao và sử dụng MOSFET là chính nên chuyển mạch ZVS với các ưu điểm của nó là chế độ hoạt động cần phải lựa chọn, có thể nói là bắt buộc. Với tất cả các bộ biến đổi cộng hưởng đều có thể lựa chọn vùng tần số làm việc để có chế độ chuyển mạch cho van là ZVS.
3.7. Tính toán mạch DC-DC cộng hưởng LLC
Bộ biến đổi cộng hưởng LLC, sơđồ cho trên hình 3.35, ngày càng được quan tâm vì những ưu điểm cơ bản của nó như có thểđạt được hiệu suất cao, đáp ứng với đầu vào thay đổi trong dải rộng, có thể làm việc trong chếđộ ZVS. Khác với các bộ biến đổi có cách ly thường dùng máy biến áp được tính toán sao cho có thể bỏ qua dòng từ hóa, nghĩa là với điện cảm từ hóa LM rất lớn, trong bộ biến đổi LLC điện cảm từ hóa được thiết kế nhỏ vừa phải vì sẽ được sử dụng như một phần tử của mạng cộng hưởng. Phần mạng mạch cộng hưởng gồm 3 phần tử, mạch Cr, Lr nối tiếp và điện cảm song song ở đầu ra của mạng. Đóng vai trò là phần tử song song chính là điện cảm từ hóa máy biến áp LM. Hơn nữa phần điện cảm nối tiếp Lr
thường được tích hợp ngay trong máy biến áp và chính là điện cảm tản của cuộn dây sơ cấp. Nhờ những yếu tố này mà kích thước máy biến áp có thể giảm nhỏ đáng kể.
Việc phân tích chếđộ xác lập bằng phương pháp gần đúng sóng hài bậc nhất cho sơđồ LLC được tiến hành giống như với các bộ biến đổi cộng hưởng
Hình 3.36: Sơđồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC có biến áp cách ly
Trước hết phần van bán dẫn có nhiệm vụ biến đổi DC-AC, nếu dùng sơ đồ van cầu một pha, đưa ra điện áp đầu ra us(t) có dạng chữ nhật đối xứng với biên độ +/-Ug, tần số fs. Sơ đồ bán dẫn có thể thực hiện theo sơ đồ hai van, sơđồ cầu một pha hay sơđồ nửa cầu, như biểu diễn trên hình 3.35. Thành phần sóng hài bậc nhất của điện áp ra của khâu DC-AC biểu diễn bởi (3.35) ( ) ( ) 1 4 sin g s s U u t ωt π = (3.35) Hình 3.37: Các cấu trúc bộ biến đổi khác nhau cho bộ biến đổi LLC
Tiếp theo phần mạch chỉnh lưu điôt và lọc một chiều ởđầu ra, với giả thiết tụ lọc Cfđủ lớn, điện áp một chiều coi là bằng phẳng uo(t) = Uo, có thể coi là điện trở tương đương đối với đầu ra mạng cộng hưởng, có giá trị:
2 8 e R R π = (3.36)
Điện áp xoay chiều ởđầu vào chỉnh lưu điôt, là đầu ra của mạng cộng hưởng, có dạng xung chữ nhật đối xứng với biên độ +/-Uo, vì vậy có thành phần bậc nhất là:
( ) ( ) 1 4 sin o R s R U u t ωt ϕ π = − (3.37)
Trong đó ϕR là góc lệch pha của điện áp giữa đầu ra với đầu vào mạng cộng hưởng.
Hình 3.38: Sơđồ mạch điện biến đổi máy biến áp tương đương cho bộ biến đổi LLC
Phần mạng mạch cộng hưởng với máy biến áp cách ly tương đối phức tạp hơn. Máy biến áp xung dùng trong sơ đồ các bộ biến đổi thường có số vòng dây dưới 200 vòng, nên có thể bỏ qua điện trở dây cuốn. Vì vậy ta đi đến sơđồ tương đương của mạng cộng hưởng như thể hiện trên hình 3.38. Trong sơ đồ hình 3.38 các thông số máy biến áp quy đổi về phía sơ cấp nên điện trở tải.
2 2 2 8 ac e n R n R R π = = (3.38)
Hàm truyền của mạng cộng hưởng có thể xác định theo các bước sau đây. Trước hết phần mạch nối tiếp có trở kháng bằng: 1 s r Z sL sC = +
Phần mạch song song có trở kháng bằng: Hàm truyền của mạng cộng hưởng có thể xác định bằng: ( ) ( 2 ) 1 e M p s p in n R sL Z H s Z Z n Z = = + (3.39)
Trong (3.39 hệ số 1/n là tỷ số máy biến áp. Do mạng cộng hưởng là tuyến tính nên module của hàm truyền |H(s)| chính là tỷ số giữa biên độ điện áp xoay chiều đầu ra so với biên độđiện áp xoay chiều đầu vào UR1/Us1.
Hệ số biến đổi điện áp M = Uo/Ug là module của hàm truyền đạt mạng cộng hưởng H(s) tại s = jω, với ω = 2πf là tần sốđóng cắt của sơđồ. Có thể biểu diễn M theo (3.40) 2 2 2 2 2 1 1 m r ac m ac o p L C R M j L R ω ω ω ω ω ω = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ − + ⎜ − ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ( 3.40) Trong đó: ( ) 1 1 ; o p r r m r r L C L L C ω = ω = + . Như vậy sơđồ có hai tần số cộng hưởng, ωpở tần số thấp do có điện cảm từ hóa Lm tham gia vào và ωoở tần số cao do chỉ có mạch cộng hưởng nối tiếp qui định. Đặt các tham số sau: - λ = Lr/Lm là tỷ số giữa điện cảm từ hóa so với điện cảm cộng hưởng nối tiếp; - r o r L Z C = là trở kháng đặc trưng của mạch cộng hưởng nối tiếp; - 2 8 o o e Z Z Q R R π = = là hệ số chất lượng của mạng cộng hưởng.
Có thể biểu diễn hệ số biến đổi điện áp là một hàm phụ thuộc các tham số như sau:
( s, , )
Khảo sát có thể thấy được những đặc điểm của hệ số M phụ thuộc các tham số đã đưa ra. Hệ số M phụ thuộc tần số làm việc fs như trên hình 3.38. Hình 3.38 cho thấy sơđồ có một điểm cộng hưởng tại tần số thấp ωp, tại đó M = Mmax. Đặc biệt là tại tần số cộng hưởng cao ωo, M luôn có giá trị là 1. Như vậy tất cả các đặc tính khi tải thay đổi đều đi qua điểm M = 1, fs = fo = ωo/2π.
Hình 3.39: Hệ số biến đổi điện áp M phụ thuộc tần số làm việc
Hình 3.40. Hệ số M phụ thuộc λ = Lr/Lm.
Hình 3.40 cho thấy khi λ = Lr/Lm càng lớn thì đặc tính M càng nhọn và có giá trị
tổn thất cũng lớn hơn. Vì vậy giá trị thường chọn là λ = 0,1 ÷ 0,2, tức là Lm bằng từ 2 đến 10 lần Lr.
Hình 3.40 cho thấy hệ số M phụ thuộc tải thông qua tham số là hệ số chất lượng Q của mạng cộng hưởng. Tải tăng thì Q càng lớn, nghĩa là điện trở tải Re càng nhỏ, thì hệ số Mmax càng giảm, cho đến khi chỉ đạt giá trị max bằng 1. Cùng với việc tải tăng, Q tăng, thì điểm cộng hưởng tần số thấp Mmax có xu hướng dịch sang vùng tần số cao, tiến dần đến tần số cộng hưởng của mạch nối tiếp fo. Điều này hoàn toàn phù hợp, ví dụ khi đầu ra gần ngắn mạch thì trong mạch chỉ còn lại là mạch cộng hưởng nối tiếp.
Hình 3.41: Hệ số biến đổi M phụ thuộc tải (qua hệ số chất lượng Q là tham số)
Trên hình 3.41 chỉ ra sự phụ thuộc của trở kháng tổng đầu vào mạng cộng hưởng Zin, với vùng bôi đen cần quan tâm. Trở kháng đầu vào có giá trị thấp nhất ở tần số cộng hưởng thấp ωp. Vùng bôi đen ở bên phải điểm cộng hưởng này đến điểm tần số cộng hưởng cao đáng quan tâm vì bên phải tần số cộng hưởng trở kháng mang tính cảm. Điều này dẫn đến dòng đầu ra bộ biến đổi chậm pha so với điện áp và các van bán dẫn có thể chuyển mạch tại điện áp bằng không (ZVS). Các ưu điểm lớn của ZVS đã nói đến ở trên.
Hình 3.42: Trở kháng tổng Zin phụ thuộc tần số
Tổng hợp lại việc khảo sát các đặc tính ở trên, hình 3.42 đưa ra đặc tính của bộ biến đổi LLC, chỉ ra vùng làm việc có thể lựa chọn. Trong phạm vi điện áp nguồn đầu vào thay đổi, từ Ug,min đến Ug,max ta chọn phạm vi thay đổi của hệ số biến đổi Mmaxđến Mmin. Trong phạm vi phụ tải của sơđồ thay đổi vẽ ra họ các đặc tính như ở hình 3.40. Vùng làm việc nên lựa chọn đảm bảo chếđộ ZVS luôn ở bên phải về phía tần số cao của điểm cộng hưởng. Nối các đỉnh cao nhất của đặc tính M với nhau đến tận điểm M = 1 ta được vùng cho phép về phía bên phải. Đặc tính hạn chế kịch ở bên phải là đặc tính ứng với phụ tải nhỏ nhất (Re lớn nhất), có đỉnh của M ở cao nhất và gần tần số fo nhất. Tóm lại vùng làm việc là vùng bôi đen trên đồ thị hình 3.41.
Thực chất sự kết hợp của điện cảm từ hóa Lm vào chế độ làm việc của mạch cộng hưởng nối tiếp chỉ xảy ra ở vùng tần số fs < fo. Từ tần số fo trở đi sơđồ làm việc như mạch cộng hưởng nối tiếp thông thường, với hệ số biến đổi M nhỏ hơn 1. Thực vậy, ở tần số cao trở kháng ωsLm sẽ có giá trị lớn, khi đó dòng từ hóa sẽ nhỏ, hầu như không ảnh hưởng gì đến sự hoạt động của mạng cộng hưởng. Trong vùng này trở kháng tổng Zin vẫn mang tính cảm nên chế độ ZVS vẫn được thực hiện. Trong thực tế sơđồ có thểđược khởi động ban đầu với tần số cao, điện áp ra thấp, giảm được ảnh hưởng của xung động tải đối với dòng điện qua van bán dẫn, sau đó
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH CÁC CHẾĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ CỘNG HƯỞNG LLC 4.1. Dạng sóng dòng điện, điện áp ứng với ba chế độ làm việc ZVS, ZCS và vùng hoạt động cộng hưởng ở tần số cao f0 = 1/sqrt( LrCr) Hình 4.1: Đặc tính DC của bộ cộng hưởng LLC
Trên hình 4.1 là vùng ZVS Và ZCS của bộ biến đổi half- bridge LLC. Bộ