ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trường Điện - Điện tử

ĐỒ ÁN 2
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI

TOTEM-POLE PFC ỨNG DỤNG CHO BỘ SẠC XE ĐIỆN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN THIỆN
Email:
Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Duy Đỉnh
Chữ ký của GVHD

Bộ mơn:
Viện:

Tự động hóa cơng nghiệp
Điện

Hà Nội 3/2023

1


LỜI CẢM ƠN
Em xin cảm ơn thầy - TS. Nguyễn Duy Đỉnh đã rất tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn em
trong suốt q trình tìm hiểu nghiên cứu và hồn thành báo cáo đồ án này.

Vì thời gian có hạn, trình độ hiểu biết của em cịn nhiều hạn chế. Cho nên trong đề
tài khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của tất cả
các thầy, cô giáo và mọi người để bản báo cáo của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án
Được sự hướng dẫn của thầy - TS. Nguyễn Duy Đỉnh, em đã tìm hiểu đề tài: Thiết kế
phần cứng cho bộ biến đổi Totem-Pole PFC ứng dụng cho bộ sạc xe điện. Đồ án của em
được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Thiết kế mạch Bridgeless Boost Totem-Pole PFC
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả
Chương 4: Kết luận
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã hiểu và áp dụng được các kiến thức đã
học trên trường. Sử dụng tốt các phần mềm mô phỏng và các thiết bị đo phục vụ cho
các yêu cầu của đồ án. Ngồi ra, em cịn tích lũy được các kinh nghiệm trong nghiên
cứu và phát triển sản phẩm, các kĩ năng mềm như thuyết trình thơng qua các buổi báo cáo,
kĩ năng làm việc nhóm.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên
Thiện
Nguyễn Văn Thiện

2


MỤC LỤC
Chương 1: GIỚI THIÊU CHUNG......................................................................................5
1.1


Giới thiệu chung........................................................................................................5

1.2 Hệ số cơng suất............................................................................................................. 5
1.3 Hệ số độ méo sóng hài tổng.........................................................................................6
1.4 Phân loại bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) .........................................7
1.4.1 PFC thụ động..................................................................................................7
1.4.2 PFC tích cực...................................................................................................7
Chương 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG...............................................9
2.1

Nguyên lý hoạt động mạch Totem-Pole PFC.........................................................9

2.2

Phương án điều khiển.............................................................................................10
2.2.1 Chế độ dòng điện tới hạn.........................................................................10
2.2.2 Chế độ dòng điện gián đoạn.....................................................................11
2.2.3 Chế độ dịng điện liên tục........................................................................11

Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH..........................................................................................12
3.1

Thơng số mạch: ......................................................................................................12

3.2

Tính tốn giá trị cuộn cảm.....................................................................................12

3.3


Tính tốn giá trị tụ điện...............................................................................

3.4

Lựa chọn linh kiện..................................................................................................15

14

3.4.1 Cuộn cảm...............................................................................................15
3.4.2 Tụ điện...................................................................................................18
3.4.3 Mosfet....................................................................................................19
3.5

Mơ hình tổn hao......................................................................................................23

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ......................................................24
3.1

Mục đích mơ phỏng......................................................................................24

3.2

Kết quả mơ phỏng.........................................................................................24

Chương 5: KẾT LUẬN......................................................................................................29

3



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình1. 1 Cấu trúc của một trạm sạc...........................................................................5
Hình1. 2 Cấu trúc một bộ biến đổi Passive PFC........................................................7
Hình1. 3 Cấu trúc mạch Totempole PFC...................................................................8
Hình3. 1 Dạng dịng điện qua cuộn cảm...................................................................23
Hình3. 2 Dạng dịng điện qua Mosfet.......................................................................24
Hình3. 3 Dạng dịng điện đầu ra...............................................................................24
Hình3. 4 Dạng sóng V gs , V ds , I ds khi van on..............................................................25

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chungi thiệu chungu chung

Thực trạng ô nhiễm môi trường hiện nay đang được sự quan tâm của tồn thể cộng đồng.
Trước tình trạng ơ nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề nan giải tồn cầu. Thậm chí
vấn đề này khơng chỉ là một mối quan tâm thông thường. Chúng đang được báo động. Trên
thế giới, theo thống kê, số người mắc các bệnh liên quan đến các vấn đề ô nhiễm môi trường

4


rất nhiều và khơng có dấu hiệu dừng lại. Đặc biệt ở các tỉnh thành phố lớn chỉ cần đi ra
đường một lúc bạn sẽ thấy tình trạng ơ nhiễm mơi trường rõ như thế nào. Giữa lớp khơng
khí chúng ta tưởng chừng trong suốt, mà đi lại bị dính một lớp bụi đen đầy mặt. Một phần
lớn đến từ các phương tiện đi lại.
Để từng bước hạn chế tình trạng này, chính phủ cùng với các nhà sản xuất đã khơng ngừng
đổi mới cơng nghệ, khai thác những dịng xe tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải, thân thiện
với mơi trường. Trong đó xe điện là giải pháp hiệu quả và tiềm năng nhất được các nhà môi
trường đánh giá cao.
Ngành sản xuất xe điện những năm gần đây đã có sự tăng trưởng vượt bậc. Năm 2021, số
lượng xe điện bán ra mỗi tuần nhiều hơn tổng số xe bán trong cả năm 2012. Gần 10% doanh

số bán ô-tô trên toàn cầu năm 2021 là xe điện, tăng gấp bốn lần thị phần của năm 2019.
Điều này nâng tổng số ô-tô điện trên các tuyến đường thế giới lên khoảng 16,5 triệu xe. Để
đáp ứng được sự tăng trưởng của xe điện, việc phát triển hạ tầng cho các trạm sạc pin xe
điện cũng là mối quan tâm hàng đầu.

Hình1.1 Cấu trúc của một trạm sạc

Một số tiêu chuẩn chính của các trạm sạc có kể kể đến như tiêu chuẩn về hệ số công suất
(IEC6100-3-2), tiêu chuẩn về mơi trường (IEC60529), …Một trạm sạc có cấu trúc được
minh hoạ trên Hình 1.1. Trong đó, phần chỉnh lưu (Rectifier) giúp chuyển điện từ một chiều
sang xoay chiều là một thành phần quan trọng. Các bộ chỉnh lưu ban đầu sử dụng các diode
và thyristor nhằm tạo ra dòng điện một chiều. Tuy nhiên, các bộ bán dẫn đó lại làm méo
dòng điện cấp vào làm giảm hệ số cơng suất, bên cạnh đó phát sinh sóng hài bậc cao, gây ra
tổn hao cho hệ thống điện và ảnh hưởng tới các thiết bị khác. Để giải quyết vấn đề này cần
phải nâng cao hệ số công suất hay thiết kế các bộ chỉnh lưu điều chỉnh hệ số công suất
(Power Factor Correction – PFC).
1.2 Hệ số công suất
Hệ số công suất (PF) là tỷ số giữa công suất tác dụng P và cơng suất tồn phần S:
P
P
PF= = 2 2
S √ P +Q

(0.1)

Trong đó:
P: Cơng suất tác dụng,
S: Cơng suất tồn phần,
Q : Cơng suất phản kháng.
Đối với dịng điện và điện áp hình sóng sin lý tưởng thì hệ số được định nghĩa là:

PF=cos φ
(1.2)
Trong đó φ là góc lệch pha giữa dịng điện và điện áp.

5


Việc điều chỉnh hệ số cơng suất chính là điều chỉnh cosφ . Việc nâng cao hệ số công suất có
bản chất là tận dụng tối đa cơng suất tồn phần thành cơng suất tác dụng và có thể đáp ứng
được tiêu chuẩn lưới điện đặt ra như EN 61000-3-2, IEC 60871-1 và giảm kích thước chi
phí cho bộ biến đổi.
1.3 Hệ số độ méo sóng hài tổng
Thực tế, hình dạng điện áp dịng điện khơng phải hình sin chuẩn. Nguyên nhân do sự xuất
hiện sóng hài trên lưới điện, sóng hài sinh ra do các thành phần phi tuyến trong các thiết bị
tạo ra và phát hay trả ngược lại lưới điện thơng qua mạng dây dẫn. Khi đó các sóng hài này
được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện, làm ảnh hưởng đến chất lượng của điện áp,
dòng điện chuẩn. Lúc này, dòng điện, điện áp sẽ tính tốn dựa trên tổng các sóng hài từ bậc
thấp đến bậc cao và cơng thức tính hệ số công suất sẽ phụ thuộc vào hệ số méo tổng sóng
hài.
V =V 1 √ 1+TH D 2v

{

I =I 1 √ 1+TH D

(1.3)

2
i


Trong đó:
V 1: giá trị hiệu dụng điện áp bậc cơ bản,
I 1: giá trị hiệu dụng dòng điện bậc cơ bản,
THD v: Hệ số méo sóng hài tổng của điện áp,
THD i: Hệ số méo sóng hài tổng của dịng điện.
Hệ số méo tổng sóng hài (THD - Total Harmonic Distortion) được định nghĩa là tỉ số giữa
trị hiệu dụng của các thành phần sóng hài từ bậc 2 đến bậc ∞ với trị hiệu dụng của thành
phần sóng hài bậc cơ bản (bậc 1).
Hệ số méo tổng sóng hài dịng điện được tính bằng:
∞

THD i=

√∑
n=2

2

In

(1.4)

I1

Tương tự với hệ số méo tổng sóng hài điện áp.
Với định nghĩa hệ số cơng suất đã trình bày, ta có biến đổi sau:
∞

∑ I n U n cos φn
P n=1

PF= =
S
V ∙I

(1.5)

Thay (1.2), (1.3) vào công thức (1.4), ta rút ra cơng thức tính hệ số cơng suất với ảnh hưởng
của sóng hài:
P
1
(1.6)
PF= ∙
S1

2
i

√1+TH D ∙ √ 1+ TH D

2
v

Có thể thấy, nếu lưới điện sử dụng có sóng hài lớn do có đồng thời nhiếu thiết bị gây hài
mắc chung thì hệ số cơng suất sẽ giảm, dẫn đến chất lượng điện năng đầu vào của bộ biến
đổi không tốt. Do đó, các bộ biến đổi PFC được ứng dụng phổ biến, bằng cách điều khiển
dòng điện cùng pha với điện áp đầu vào, mạch PFC giúp nâng cao chất lượng của dịng
điện, đồng thời đưa hệ số cơng suất của bộ biến đổi tiến gần tới 1. [1]
1.4 Phân loại bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC)
Có hai loại bộ biến đổi PFC là:
- Bộ điều chỉnh hệ số công suất thụ động (Passive PFC),

- Bộ điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực (Active PFC) .

6


1.4.1 PFC thụ động
Các mạch Passive PFC sử dụng van không điều khiển, sử dụng các phần tử thụ động như
cuộn cảm, tụ điện tạo thành mạch lọc để loại bỏ sóng hài bậc cao của dịng điện đầu vào. Do
đó, hệ số cơng suất được cải thiện. Tuy nhiên, hiệu quả mang lại khơng cao (<0.9) và kích
thước cuộn cảm, tụ điện lớn nên chỉ được sử dụng trong các mạch cơng suất thấp (điều hịa,
tủ lạnh). [2]

Hình1.2 Cấu trúc một bộ biến đơi Passive PFC

1.4.2 PFC tích cực
Các mạch Active PFC có nhiều ưu điểm hơn so với Passive PFC như tổn hao ít hơn,
hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn. Bằng việc điều khiển đóng cắt các van bán dẫn,
dòng điện đầu vào sẽ cùng pha với điện áp đầu vào từ đó nâng cao hệ số công suất. Tuy
nhiên độ phức tạp trong thiết kế và điều khiển sẽ cao hơn so với mạch Passive PFC.
Ngồi ra, bộ điều chỉnh hệ số cơng suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện áp
vào rất rộng (85 – 265 VAC), điện áp đầu ra ổn định khi điện áp đầu vào biến động.
Active PFC có nhiều cấu trúc khác nhau: Boost PFC, Interleaved PFC, Totempole PFC…
Trong đó cấu trúc Totempole khơng cầu nối (Totempole Bridgeless) với cầu 4 van bán dẫn
hoàn toàn (MOSFET, IGBT) đang được chú trọng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi (Hình
1.3)

Hình1.3 Cấu trúc mạch Totempole PFC

So với các cấu trúc khác, Totempole PFC có nhiều ưu điểm vượt trội [2]. Việc sử dụng
các MOSFET làm van đóng cắt, loại bỏ diode khỏi mạch làm giảm tổn hao công suất trên

đường dây, đồng nghĩa với việc hiệu suất của mạch được cải thiện rõ rệt (thường đạt trên

7


97%) [2]. Ngồi ra, do đặc điểm dẫn dịng 2 chiều của MOSFET, cấu trúc mạch này cịn có
thể hoạt động như một mạch nghịch lưu. Cấu trúc mạch chỉnh lưu này được đánh giá là hiệu
quả và tiết kiệm chi phí cho bộ sạc tích hợp 2 chiều. Tuy nhiên việc sử dụng nhiều linh kiện
làm tăng giá thành và độ phức tạp trong thiết kế. Cấu trúc Totempole PFC thường được sử
dụng trong các mạch công suất lớn (từ vài kW), yêu cầu hiệu suất cao (từ 97%) [1].

Chương 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2.1

Nguyên lý hoạt động mạch Totem-Pole PFC

Hình2.1 Sơ đồ mạch Totem-Pole PFC

8


Cấu trúc của mạch Totem-Pole PFC gồm 4 van: 2 van S1, S4 đóng cắt với tần số cao
(50kHz) và 2 van S2, S3 đóng cắt theo tần số lưới (50 Hz).
Nguyên lý hoạt động:

(a) Nửa chu kỳ dương S4 ON

(c) Nửa chu kỳ âm S1 ON


(b) Nửa chu kỳ dương S1 ON

(d) Nửa chu kỳ âm S4 ON

Hình2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch

Nguyên lý hoạt động của mạch Totem-poke PFC được mơ tả trong hình 2. Trong đó,
hình 2a và 2b ứng với nửa chu kì dương, 2c và 2d ứng với nửa chu kì âm.
Trong nửa chu kì dương, van S2 ln ON, van S1 và S4 thay nhau đóng cắt. Khi S4
ON, S1 OFF, dịng điện chảy từ cực dương của nguồn AC qua điện cảm 𝐿, qua van
S2, qua van S4 và trở về âm nguồn. Lúc này, cuộn cảm 𝐿 được nạp năng lượng,và tải
𝑅 được cấp dòng bởi tụ điện 𝐶. Khi S4 OFF, S1 ON, tải 𝑅 được nhận năng lượng đồng
thời từ nguồn AC và cuộn cảm 𝐿, đồng thời tụ điện 𝐶 được nạp điện áp.
Trong nửa chu kì âm, van S3 luôn ON, van S1 và S4 thay nhau đóng cắt. Khi
S1 ON, S4 OFF, dịng điện chảy từ cực dương nguồn AC qua điện cảm 𝐿, qua van S3,
qua van S1 và trở về âm nguồn. Lúc này, cuộn cảm 𝐿 được nạp năng lượng,và tải 𝑅
được cấp dòng bởi tụ điện 𝐶. Khi S1 OFF, S4 ON, tải 𝑅 được nhận năng lượng đồng
thời từ nguồn AC và cuộn cảm 𝐿, đồng thời tụ điện 𝐶 được nạp điện áp.
Có thấy rằng, mạch Totem-pole PFC hoạt động tương tự trong cả 2 nửa chu kì.
Các phương trình toán học biểu diễn cũng tương tự nhau.
2.2

Phương án điều khiển

9


Bộ biến đổi PFC sử dụng các van bán dẫn tích cực và các phần tử thụ động nhằm nắn
dạng sóng dịng điện đầu vào đồng thời giữ ổn định điện áp đầu ra. Sử dụng phương pháp
điều khiển và chế độ dịng điện phù hợp có thể đưa PF tiến gần tới 1.

Tùy vào các mức công suất khác nhau, bộ biến đổi PFC có thể được thiết kế để hoạt
động ở 1 trong 3 chế độ: chế độ dòng liên tục (CCM), chế độ dòng gián đoạn (DCM), chế
độ dòng tới hạn (CrM)
2.2.1 Chế độ dòng điện tới hạn
Hình 2.3 mơ tả dạng sóng của mạch PFC trong chế độ CrM. Trong đó MOSFET được
đóng (ON) ngay khi dòng điện trên cuộn cảm về 0. Điều này giúp CrM PFC đạt chuyển
mạch mềm khơng dịng điện và giảm tổn đóng cắt so với chế độ CCM.

Hình2.3 Dạng sóng dòng áp của mạch CrM PFC

Một ưu điểm khác của chế độ CrM đó là u cầu vịng điều khiển đơn giản (chỉ cần
vòng điện áp). Điện áp đầu ra được đo về và độ rộng xung của van MOSFET được điều
khiển theo nó. Độ rộng xung giảm khi điện áp đầu ra tăng, và tăng khi điện áp đầu ra giảm.
Tần số hoạt động của mạch CrM PFC không cố định bởi nó phụ thuộc vào giá trị điện áp
đầu vào, điện áp đầu ra và giá trị của tải. Do tần số thay đổi nên việc thiết kế bộ lọc cũng
gặp nhiều khó khăn. Đồng thời, độ đập mạch lớn khiến cho giá trị điện cảm trong chế độ
CrM cũng lớn hơn so với chế độ CCM. Thêm vào đó, giá trị dịng điện đỉnh lớn, khiến các
linh kiện cần có ngưỡng chịu dịng cao hơn. Do đó bộ biến đổi PFC chạy CrM thường ứng
dụng trong các mạch công suất thấp dưới 300 W [1].
2.2.2 Chế độ dịng điện gián đoạn
Hình 2.4 mơ tả dạng sóng dịng điện, điện áp của mạch PFC chạy chế độ DCM.Ở chế
độ DCM, MOSFET sẽ đạt được chuyển mạch mềm không dịng điện, bên cạnh đó
MOSFET cũng sẽ khơng phải chịu dịng phục hồi ngược do dịng điện đã về khơng. Nhược
điểm lớn nhất của chế độ DCM là độ đập mạch lớn, từ đó yêu cầu cao hơn các chế độ khác
về khả năng chịu dựng của các linh kiện, bên cạnh đó hiệu suất kém so với các chế độ cịn
lại nên DCM thường được sử dụng ở cơng suất thấp < 100W [2].

10



Hình2.4 Dạng sóng dịng áp của mạch DCM PFC

2.2.3 Chế độ dịng điện liên tục
Hình 2.5 mơ tả dạng sóng dòng điện, điện áp của mạch PFC chạy chế độ CCM
Trong chế độ CCM, dòng điện trong mạch PFC liên tục chạy qua điện cảm. Do đó, van
bán dẫn được ON trước khi dòng điện về 0. Điều này gây ra tổn hao khi ON MOSFET và
cũng chính là nhược điểm của chế độ CCM. Đổi lại, CCM có độ đập mạch dịng điện nhỏ
hơn DCM và CrM, từ đó áp lực lên các van MOSFET cũng giảm đáng kể. Do đó, trong các
ứng dụng cơng suất lớn (vài trăm đến vài chục nghìn W), chế độ CCM ln được ưu tiên
lựa chọn [2]. Trong đồ án này, bộ biến đổi Totem-pole PFC cũng được phân tích và tính
tốn trong chế độ hoạt động CCM.

Hình2.5 Dạng sóng dịng áp của mạch CCM PFC

Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH
3.1 Thông số mạch:
Điện áp đầu vào V i
Điện áp đầu ra V 0
Công suất đầu ra P
Tần số đóng cắt f sw
Tần số điện áp đầu vào f 0
Hiệu suất η
3.2 Tính tốn giá trị cuộn cảm

220 V
400 V
6600 W
50 kHz
50 Hz
97%


11


Hình3.6: Sơ đồ mạch Totem-Pole PFC

Nửa chu kỳ đầu khi S2 và S4 dẫn (t on=D¿T)
Theo định luật Kirchhoff ta có:
dI
=V ¿
dt
d v −V o
C c=
dt
R

{

L

(2.1)

Từ phương trình thứ nhất của (2.1), ta có:
dI L ∆ I
∆I
=
=L
dt
∆t
DTs

V¿D
→ L=
fs.∆ I
Khi S4 đóng (t off =(1-D)¿T), S1 dẫn ta có:
L

(2.3)

(2.4)

dI
=V ¿ −V o
dt
dv
V
C c =I L− o
dt
R
→ V L =V ¿ −V o

{

(2.2)

L

(2.5)

Vì giá trị điện áp trung bình của cuộn cảm trong 1 chu kỳ đóng cắt bằng 0, ta có:
T


t on

t off

∫ v L dt =∫ v L dt+∫ v L dt=0
0

0

(2.6)

0

→ ( V ¿ t on+ ( V ¿−V o ) t off ) =0

(2.7)

→ ( V ¿ DT + ( V ¿ −V o ) ( 1−D ) T ) =0

(2.8)

→ V ¿−V o ( 1−D )=0

(2.9)

→ V o=

V¿
V

= ¿'
1−D D

(2.10)

Mặt khác:

12


V ¿ =V m sinθ

(2.11)

Vm
.|sinθ|
Vo
V
→ D=1− m .|sinθ|
Vo

(2.12)

'

→D=

(2.13)

Vì Dϵ [ 0,1 ] → sinθ ≥ 0 nên ta chỉ xét θ ϵ [ 0 , π ] .

Từ (2.3)
Vm
. sinθ
Vo
ΔII =
fs.L
Vm
Vm
2
→ ΔII=
. sinθ−
. sinθ
fs.L
Vo

(

(2.14)

)

V m . sinθ. 1−

(

(2.15)

)

Tìm ΔI I max , đạo hàm 2 vế của (2.15):

→

Vm
∂ ΔII V m
=
cosθ−
.2 sinθ . cosθ
∂θ f s.L
Vo

(

∂ ΔII
=0 ↔
∂θ

[

cosθ=0 →θ=

(2.16)

)

(2.17)

π
2

Vo

2. V m

(2.18)

V
V
ΔII 1= m . 1− m
f s. L
Vo

(2.19)

sinθ=

Từ (2.17) và (2.18)

→

{

(

)

Vm
Vo
V m V o2
Vo
ΔII 2=
.

−
.
=
2
f s . L 2. V m V o 4. V m
4. f s . L

(

)

Có f s=50 kHz ,V m=220 √ 2V , V o =400 V
Vì
ΔII 1 −ΔII 2=

1
V m2 V o
V −
−
<0
f s.L. m Vo
4

(

→ ΔI I max= ΔII 2=

)

Vo

4. f s . L

(2.20)
(2.21)

13


→ L=

Vo
4. f s . ΔII

(2.22)

Chọn ΔI I =30 % I L, pk, ta có:
I ¿, rms ≈ I L, rms =

Po
V ¿∗PF

(2.23)

6600
=30.92 A
220∗0.97
→ I L, pk =I L, rms∗√ 2=30.92 √ 2 ≈ 43.74 A

(2.24)


ΔI I L , pk
≈ 50.8 A
2
Vo
400
→ L=
=
≈ 0.151 mH
4. f s . ΔII 4∗50000∗0.3∗43.74

(2.26)

→ I L, rms=

→ I L, max=I L, pk +

(2.25)

(2.27)

3.3 Tính tốn giá trị tụ điện
Ta có biểu thức điện áp và dòng điện đàu vào theo thời gian như sau:

{

(3.1)

→ P ¿=v ¿ ( t )∗i ¿ ( t )

(3.3)


¿ √ 2V ¿ sin ( ωtt )∗√ 2 I ¿ sin ( ωtt )

(3.4)

v ¿ (t)= √ 2 V ¿ sin ⁡( ωtt)
i ¿ (t)=√ 2 I ¿ sin ⁡( ωtt)

(3.2)

¿ V ¿∗I ¿∗(1−cos ( 2ωtt ) )

Mặt khác
p¿ ( t )∗PF∗η=V o∗i o (t)

(3.5)

Từ (3.4) và (3.5):
→ i o ( t )=

V ¿∗I ¿
∗(1−cos ( 2 ωtt ))
Vo

V ¿∗I ¿ V ¿∗I ¿
−
∗cos ⁡(2 ωtt )
Vo
Vo
I c (t)=i o ( t )−I o


→ i o ( t )=

→ ic ( t )=

−V ¿∗I ¿
∗cos ⁡( 2ωtt )
Vo

→ V c =V o−

V ¿∗I ¿
∗sin ( 2 ωtt )
2 ωt∗C∗V o

V ¿∗I ¿
→ ∆ V c=
2 ωt∗V o∗C

(3.6)

14


Tụ điện đầu ra có tác dụng san phẳng thành phần điện áp đầu ra. Giá trị của tụ điện
được chọn dựa theo độ đập mạch của điện áp đầu ra. Độ đập mạch điện áp đầu ra của bộ
biến đổi Totem-pole PFC sẽ ảnh hưởng đến chất lượng điện áp đầu vào của bộ DC-DC.
Theo [1], độ đập mạch đầy ra của các bộ PFC được chọn nhỏ hơn 5% giá trị điện áp DC.
C=


Po
=1.36 ( mF )
2 π f L ¿ V o∗∆ V o

(3.7)

3.4 Lựa chọn linh kiện
3.4.1 Thiết kế cuộn cảm
Input
0.0002
43.74
13.12
50
50000
50

L
I dc
∆I
Tr
f sw

f

H
A
A
℃

Hz

Hz

Bảng1: Thông số cuộn cảm

J

533
0.4
0.4
0.6
0.75

Bmax
Ku

S2
S3

A/c m2
T

Bảng 2: Lựa chọn thông số cần thiết của cuộn cảm

Tính tốn:
Bước 1: Dịng điện đỉnh
I pk =I dc +

∆I
=50.08 A
2


(3.8)

Bước 2: Khả năng tích trữ năng lượng
Energy=

L I 2 0.2∗50.8 2
=
=0,258Ws
2
2

(3.9)

Bước 3: Hệ số sử dụng công suất
2 ⋅ Energy ⋅ 104
4
Ap=
=54.68 c m
B pk ⋅ J ⋅ K u

(3.10)

Bước4: Giá trị dòng điện đỉnh qua cuộn cảm là I pk =50.08 A . Vật liệu Sendust là một lựa
chọn hợp lí bởi tổn hao nhỏ và điện cảm không thay đổi nhiều theo DC bias [8]. Lõi cuộn
cảm sẽ được chọn theo phương pháp Ap [7]. Với các thông số K u , J , Bm được chọn trước để

15



ước lượng kích thước lõi cần thiết. Với J là mật độ dòng điện chạy qua dây quấn, thường
được chọn trong khoảng 300-800 A/c m2. Ở đây J được chọn là 533 A/ c m2. K u là hệ số hiệu
dụng cửa sổ, được định nghĩa là tỷ lệ tổng tiết diện của các vịng dây trên diện tích cửa sổ
của lõi, K u được chọn ở đây là 0.4. Với vật liệu Sendust, mật độ từ thông tối đa Bm khoảng
0.8T. Để tránh lõi bão hòa, mật độ từ thông tối đa khi hoạt động của lõi phải nhỏ hơn ).8T, ở
đây chọn Bm=0.4 T . Lõi được chọn cần có Ap lớn hơn tính tốn. Lõi CS_467060 được chọn
với thông số dưới đây đáp ứng được yêu cần về hệ số sử dụng công suất.
Thông số
Outer diameter
Inner diameter
Height
Chiều dài mạch từ
Chiều dài một vòng dây
Core area
Surface area
Eff.Window area
Inductance index
Độ từ thẩm
Area product
Core volume

CS_467060
OD
ID
Ht
MPL
MLT
Ac
Sa
Wa

AL
μ

Ap
Vc

4.674
2.413
1.803
10.74
17.42
7.96
242.89
4.27
540
60
33.99
85.49

cm
cm
mm
cm
cm
c m2
c m2
c m2
nH/ N 2
c m4
c m3


Bảng3: Lựa chọn lõi cuộn cảm theo A p

Bước 5: Trị hiệu dụng dòng điện

√

I rms = I 2dc +

∆I2
=44.19 A
12

(3.11)

Bước 6: Tính tốn tiết diện dây trần cần thiết
A w ( B )=

I rms
2
=0.079 c m
J

(3.12)

Bước 7: Tính skin depth
ϵ=

6.62
=0.0296

√ f sw

(3.13)

Bước 8: Chọn dây AWG 13 và số dây cần thiết là 3
Bước 9: Tính diện tích cửa sổ hiệu quả
W a ( eff )=W a ⋅S 3=4.27 c m

2

(3.14)

Bước 10: Tính số vịng dây có thể quấn
N p=

W a (eff ) ⋅ S 2
=30 vòng
Aw

(3.15)

Bước 11: Tính độ từ thẩm cần thiết của lõi

16


Bm ⋅ MPL ⋅ 104
μ∆ =
=37.53
Wa ⋅ J ⋅ Ku


(3.16)

Bước 12: Tính số vịng dây cần thiết
N L=

√

L
=20 vịng < N p
AL

(3.17)

Bước 13: Tính điện trở dây quấn
Rdc =MLT ⋅ N L ⋅

μΩ
1
⋅106 ⋅ =0.0076 Ω
cm
n

(3.17)

Bước 14: Tính tổn hao đây quấn
Pcu =I 2rms ⋅ R L =8.25 W

(3.18)


Bước 15: Tính mật độ từ thơng xoay chiều:
Bac =

∆I
μ ⋅10−4
2
=0.1 T
MPL

0.4 π N L

(3.19)

Bước 16: Tính mW/g:
mW /cc=B2.207 ( 4.518 f +0.0244 ⋅ f 1.967 )

(3.20)

Bước 17: Tính tổn hao lõi
Pfe =

mW
⋅ V c =3.98 W
cc

(3.21)

Bước 18: Tính tổng tổn hao
P∑=P fe + Pcu =12.23W


(3.22)

Bước 19: Tính mật độ cơng suất
Ψ=

P∑
=0.055
At

(3.23)

Bước 20: Tính bước tăng nhiệt độ
T r=450 ⋅Ψ 0.826=38.14 ℃

3.4.2

(3.24)

Tụ điện

Tụ điện đầu ra thường được chọn là tụ hóa vì tụ hóa có giá trị điện dung lớn cùng với
chịu được điện áp cao. Do bản thân tụ điện ln tồn tại thành phần nội trở, nên khi có dịng
chạy qua cũng sinh ra tổn hao. Chọn Tụ hóa EKXL451ELL680MK4 với các thông số như
bảng 4. Với C=1.63 mF, ta chọn cách lắp 20 tụ với C=68 μ F song song để giảm nội điện trở
R ESR của tụ và chi phí.

Khi đó tổng điện dung của 20 tụ là:
C=20 ⋅68 ⋅ 10−3=1.36 mF

(3.25)


17


(F)

68 uF

R ESR

0.2 𝛺

V out

450 V

Giá ($)

1.3 $

Bảng 4: Thông số của tụ điện
Từ datasheet, điện trở ESR của mỗi tụ là 0,2 Ω nên tổng trở của 20 tụ lắp song song bằng:
R ESRtotal=

Cơng thức tính I c ,rms dưới đây :

0.2
=0.01 Ω
20


√

I c ,rms = I rec 2−
0<θ <180: I rec =i L =
I rec=0

√

I c ,rms = (

I L, peak ´ 2 P20
√ D1 ) − V 2 =¿
√2
0

√(

(3.26)

(3.27)

P20
V 20

i L, peak
√ d 1khi s1 on
√2

khi s4 on
2

43.74
6600 2
=18.17 A
√ 0.5 −
√2
4002

)

(3.28)

Tổn hao trên điện trở R ESRtotal của tụ điện là:
PC =I 2c ,rms ⋅ R ESRtotal =¿ 18.172 ⋅0.01=3.3 W

(3.29)

3.4.3 Mosfet
Để chọn được Mosfet, trước hết phải biết được các giá trị dòng điện chạy qua Mosfet
cùng điện áp V ds của Mosfet. Với giá trị dòng điện hiệu dụng I rms và dòng điện trung bình là
I avg được tính như sau:

Dịng hiệu dụng qua Mosfet S1 và S4:
2π

1
1
¿
D´ 1=
d1d θ =
∫

2
π
2π 0
30.92
=21.86 A
I MOSFET 1 ,rms= I L ,rms ⋅ √ D´ 1=
√2
2π

1
1
¿
D´ 4 = ∫ d 1 d θ =
2π
2π 0
30.92
I MOSFET 4 , rms =  I L, rms ⋅ √ D´ 4=
=21.86 A
√2

Dòng hiệu dụng qua Mosfet S2 và S3:

18


2π

1
1
D´ 2=

d2d θ =
∫
2
2π 0
I MOSFET 2 ,rms= I L ,rms ⋅ √ D´ 2=

30.92
=21.86 A
√2

2π

1
1
D´ 3=
d3 d θ =
∫
2
2π 0
30.92
=21.86 A
I MOSFET 3 ,rms =  I L ,rms ⋅ √ D´ 3=
√2

Dịng trung bình qua van:
I avg=

√ 2 I l ,rms
π


=13.6 A

Chọn van có V ds gấp khoảng 1.3-1.4 lần V max (điện áp lớn nhất trên van) để có thể tránh
khỏi các sự cố khi van hoạt động. Ta lựa chọn được Mosfet UJ4C075023K3S như bảng
dưới.
Thông số

UJ4C075023K3S

I ds (100° C)

60

A

Rөjcjc

0.3

Ω

Rds , on(max)

23

mΩ

Rg

4.5


Ω

V gs

15

V

V th

4.8

V

V pl

7.5

V

V ds (max )

750

V

Bảng 5: Thông số của van
Tổn hao dẫn của Mosfet do nội điện trở Rds gây ra:
Pcond =I 2S 1 ,rms ⋅ R ds, on=4 ⋅ 21.862 ⋅ 0.023=44.92W


Khi xét về tổn hao đóng cắt của Mosfet thì việc xác định thời gian đóng mở là rất quan
trọng. Thời gian đóng mở phụ thuộc vào các thành phần ký sinh. Mô hình Mosfet được mơ
tả ở hình dưới đây.

19


Hình 2.8: Các thành phần ký sinh của Mosfet

Các thành phần kí sinh bao gồm điện trở ký sinh, điện cảm ký sinh và tụ điện ký sinh.
Điện cảm ký sinh của Mosfet là điện cảm của dây dẫn. Thành phần tụ điện ký sinh có ảnh
hưởng tới q trình chuyển mạch của Mosfet. Thời gian chuyển mạch của Mosfet phụ thuộc
vào giá trị các tụ này. Giá trị điện dung của các tụ điện không phải là hằng số vì điện áp
giữa các chân thay đổi theo thời gian. Dưới đây là quá trình mở Mosfet.

Hình 2.9: Quá trình mở Mosfet

Chọn IC 1ED3122MU12H. Khi IC lái đẩy điện áp cực G tăng lên tới V gs, threshold thì dịng
điện I ds tăng dần lên đến khi bằng dòng điện tại điểm làm việc. Khi đó Mosfet vào vùng
Plateu, tụ C gd được sạc làm cho điện áp V ds giảm dần về khơng. Thời gian tăng của dịng
điện được tính theo cơng thức:

(

t ri =Rg ⋅ C iss ⋅ ln ⁡

V gs−V gs ,threshold
V gs −V gs , plateu


)

(3.30)

Thời gian giảm của điện áp được tính theo cơng thức:
t fv =Rg ⋅C gd ⋅

V ds
V gs−¿V

gs, plateu

(3.31)
¿

Tổng thời gian mở Mosfet được tính bằng tổng thời gian tăng của dòng điện và thời
gian giảm của điện áp. Như vậy thời gian mở của Mosfet là:

20