BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM QUANG VƯỢNG

MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI
CỘNG HƯỞNG KIỂU NỐI TIẾP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ MẠNH CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này do tôi tự thực hiện dưới sự hướng
dẫn khoa học của TS. Đỗ Mạnh Cường. Các số liệu, kết quả tính tốn và mơ phỏng
trong luận văn là hồn tồn trung thực và là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.

Học viên

Phạm Quang Vượng

ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ v
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG ................................ 3
1.1. Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng .........................................................3
1.1.1.

Bộ biến đổi cộng hưởng ......................................................................4

1.1.2.

So sánh nghịch lưu cộng hưởng với nghịch lưu truyền thống ............6

1.2. Cấu trúc bộ biến đổi tải cộng hưởng ............................................................8
1.2.1.

Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp .........................................................9

1.2.2.

Bộ biến đổi cộng hưởng song song ...................................................11

1.2.3.

Bộ biến đổi cộng hưởng song song – nối tiếp ...................................12


1.3. Điều kiện chuyển mạch trên van bán dẫn ..................................................13
1.3.1.

Chuyển mạch cứng (Hard switching) ...............................................13

1.3.2.

Mạch trợ giúp van (Snubber circuit) .................................................14

1.3.3.

Chuyển mạch mềm (Soft switching) .................................................18

1.3.4.

So sánh các điều kiện chuyển mạch van ...........................................20

Chương 2. PHÂN TÍCH BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG LLC .............................. 21
2.1. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC ....................................................................21
2.2. Hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC ............................................24
2.3. Phân tích thơng số bộ biến đổi cộng hưởng LLC ......................................29
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG
LLC ........................................................................................................................... 37
3.1. Giới thiệu về cấu trúc điều khiển ...............................................................37
3.1.1.

Điều khiển tần số không đổi .............................................................38

3.1.2.


Ðiều khiển tần số thay đổi.................................................................38

3.2. Phương pháp điều khiển vịng khố pha PLL ............................................40

iii


3.2.1.

Sơ lược về vịng khóa pha (Phase – locked loop) .............................40

3.2.2.

Ứng dụng PLL điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng LLC .................41

Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................... 46
4.1. Thiết kế và tính tốn các thơng số bộ biến đổi ..........................................46
4.1.1.

Tính tốn mạch cộng hưởng cho bộ biến đổi ....................................46

4.1.2.

Tính toán máy biến áp cho bộ biến đổi cộng hưởng .........................47

4.1.3.

Tính tốn thơng số mạch chỉnh lưu ...................................................48


4.1.4.

Tính chọn MOSFET cho mạch nghịch lưu .......................................48

4.2. Mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC bằng Simulink và PLECS .........49
4.2.1.

Mơ hình bộ biến đổi và cấu trúc điều khiển PLL .............................49

4.2.2.

Kết quả mô phỏng .............................................................................51

4.2.3.

Nhận xét kết quả mô phỏng ..............................................................54

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 56
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 57

iv


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Cp:

Tụ điện của mạch cộng hưởng song song

Cr:


Tụ điện của mạch cộng hưởng LLC

Cs:

Tụ điện của mạch cộng hưởng nối tiếp

fr:

Tần số cộng hưởng

fs:

Tần số chuyển mạch

Io:

Dòng điện đầu ra

Lm:

Điện cảm song song của mạch LLC

Lr:

Điện cảm nối tiếp của mạch LLC

Ls:

Điện cảm của mạch cộng hưởng nối tiếp


Q:

Hệ số chất lượng

Q1, Q2: Van chuyển mạch của mạch nghịch lưu
Ro:

Điện trở tải đầu ra

Vo:

Điện áp đầu ra

AC:

Xoay chiều

DC:

Một chiều

EMI:

Nhiễu điện từ

PLL:

Vịng khố pha


PRC:

Bộ biến đổi cộng hưởng song song

PWM:

Điều chế độ rộng xung

SPRC:

Bộ biến đổi cộng hưởng song song nối tiếp

SRC:

Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

ZCS:

Chuyển mạch dịng điện qua khơng

ZVS:

Chuyển mạch điện áp qua không

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của bộ biến đổi cộng hưởng LLC ...............................46


vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bộ biến đổi xung truyền thống ....................................................................3
Hình 1.2. Phân loại các bộ biến đổi cộng hưởng ........................................................5
Hình 1.3. Bộ biến đổi kiểu cộng hưởng ......................................................................6
Hình 1.4. Một số cấu hình khối cộng hưởng ...............................................................9
Hình 1.5. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp ...................................................9
Hình 1.6. Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp ........................10
Hình 1.7. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song .............................................11
Hình 1.8. Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng song song ....................12
Hình 1.9. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LCC .....................................................13
Hình 1.10. Quá trình chuyển mạch cứng ..................................................................13
Hình 1.11. Dạng xung điện áp và dịng điện khi chuyển mạch ................................14
Hình 1.12. Mạch trợ giúp van RC .............................................................................15
Hình 1.13. Điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch .......................................16
Hình 1.14. Mạch trợ giúp van RCD ..........................................................................17
Hình 1.15. Dạng điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch ..............................17
Hình 1.16. Chuyển mạch điện áp qua khơng ............................................................18
Hình 1.17. Chuyển mạch dịng điện qua khơng ........................................................19
Hình 1.18. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn cơng suất ..............................20
Hình 2.1. Khối cộng hưởng LCC và LLC.................................................................22
Hình 2.2. Đặc tính DC của bộ biến đổi LCC ............................................................22
Hình 2.3. Đặc tính DC của bộ biến đổi LLC ............................................................23
Hình 2.4. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC half-bridge.................................................23
Hình 2.5. Đặc tính của bộ biến đổi cộng hưởng LLC ...............................................24
Hình 2.6. Ba vùng hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC ..............................25
Hình 2.7. Mơ phỏng dạng sóng hoạt động ở vùng 1 .................................................26
Hình 2.8. Mơ phỏng dạng sóng trong vùng 2 ...........................................................27

Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện giai đoạn 1 trong vùng 2................................................27
Hình 2.10. Sơ đồ mạch điện giai đoạn 2 trong vùng 2..............................................28
Hình 2.11. Sơ đồ mạch điện giai đoạn 3 trong vùng 2..............................................28

vii


Hình 2.12. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC half-bridge...............................................30
Hình 2.13. Dạng sóng đặc trưng của bộ biến đổi LLC half-bridge ..........................30
Hình 2.14. Trở kháng tải tương đương Rac ...............................................................31
Hình 2.15. Mạch điện AC tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng LLC .............33
Hình 2.16. Mạch điện AC tương đương đơn giản của bộ LLC ................................34
Hình 2.17. Đường cong khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng LLC ....................35
Hình 2.18. Điểm cực đại so với Q tại các giá trị k khác nhau ..................................36
Hình 3.1. Cấu trúc bộ biến đổi LLC .........................................................................37
Hình 3.2. Các cấu trúc điều khiển cho mạch nghịch lưu DC/AC .............................38
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển tần số thay đổi ...........................................................39
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại điện áp và tần số ...............................39
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển PLL ..................................................................40
Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc điều khiển PLL cho bộ biến đổi LLC ...............................41
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 4046 .......................................................42
Hình 3.8. Hoạt động của bộ so sánh pha PC1.............................................................43
Hình 3.9. Tín hiệu dịng điện, điện áp thực và phản hồi ...............................................44
Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển PLL cho bộ biến đổi LLC .............................................45
Hình 4.1. Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi LLC với Q=0,43 .............................47
Hình 4.2. Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi LLC trên PLECS ........................................49
Hình 4.3. Mơ hình bộ điều khiển PLL 4046 trên Simulink ......................................49
Hình 4.4. Mơ hình mạch chuyển đổi Pos2pm ...........................................................50
Hình 4.5. Mơ hình mạch chuyển đổi Sin2rect ..........................................................50
Hình 4.6. Mơ hình bộ biến đổi với cấu trúc điều khiển PLL ....................................50

Hình 4.7. Kết quả mô phỏng bộ biến đổi LLC khi Vin=400V ..................................51
Hình 4.8. Kết quả mơ phỏng bộ điều khiển PLL khi Vin=400V ...............................51
Hình 4.9. Kết quả mơ phỏng bộ biến đổi LLC khi Vin=300V ..................................52
Hình 4.10. Kết quả mơ phỏng bộ điều khiển PLL khi Vin=300V .............................52
Hình 4.11. Hoạt động chuyển mạch của van khi Vin=400V .....................................53
Hình 4.12. Hoạt động chuyển mạch của van khi Vin=300V .....................................53

viii


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay trong lĩnh vực kỹ
thuật hiện đại, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao,
kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là một yêu cầu tất yếu. Quá trình
xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến
đổi DC-DC. Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian
của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử
dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời,…). Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn
không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và
đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các cơng trình nghiên cứu. Bởi bộ biến đổi là
đối tượng điều khiển tương đối phức tạp vì mơ hình của bộ biến đổi có tính phi
tuyến.
Bộ biến đổi thông thường sử dụng mạch nghịch lưu là các van bán dẫn được
điều khiển bằng phương pháp PWM để tạo ra điện áp AC dạng xung vuông và đưa
qua máy biến áp để thay đổi mức điện áp. Điện áp đầu ra được duy trì ổn định bằng
cách thay đổi độ rộng xung (thời gian mở van) trong khi vẫn giữ chu kỳ chuyển
mạch của van là không đổi. Phương pháp điều khiển này đã được sử dụng cho các
ứng dụng công suất trong nhiều năm qua. Tuy nhiên, phương pháp này không đạt
được hiệu suất cao và tồn tại nhiễu điện từ lớn do các van trong mạch nghịch lưu
phải làm việc trong điều kiện chuyển mạch cứng (Hard switching). Để khắc phục

những nhược điểm đó, bộ biến đổi cộng hưởng đã ra đời với nhiều ưu điểm vượt
trội, các van nghịch lưu được làm việc trong điều kiện chuyển mạch mềm (Soft
switching) làm giảm tổn hao khi chuyển mạch, nâng cao tần số làm việc và mật độ
công suất của bộ biến đổi đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng thực
tế. Với những lý do đó, đề tài “Mơ hình hố và thiết kế bộ điều khiển trượt cho các
bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nối tiếp” được lựa chọn để làm rõ hơn những ưu điểm
mà bộ biến đổi cộng hưởng mang lại, đồng thời đề xuất phương pháp thết kế bộ
điều khiển cho bộ biến đổi này.

-1-


Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm làm rõ các đặc tính hoạt động của bộ
biến đổi dựa trên nguyên tắc cộng hưởng, trên cơ sở đó xây dựng và tổng hợp bộ
điều khiển cho thiết bị này. Kết quả nghiên cứu phải xây dựng được bộ điều khiển
cho bộ biến đổi dựa trên nguyên tắc cộng hưởng góp phần nâng cao hiệu suất và
mật độ công suất của các thiết bị điện tử công suất. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
là phân tích các bộ biến đổi cộng hưởng, lựa chọn cấu hình cộng hưởng tối ưu để
xây dựng bộ điều khiển cho cấu hình đó.
Nội dung của bản luận văn này gồm có 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng, trình bày các cấu trúc cơ
bản của bộ biến đổi tải cộng hưởng và những vấn đề về điều kiện chuyển mạch trên
van bán dẫn.
Chương 2: Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng LLC, trình bày cấu trúc bộ biến
đổi cộng hưởng LLC, phân tích hoạt động và các thơng số của bộ biến đổi cộng
hưởng LLC.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC, trình bày
các cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC, xây dựng bộ điều khiển
bám theo nguyên tắc vịng khố pha (PLL-Phase Locked Loop) cho bộ biến đổi
cộng hưởng LLC.

Chương 4: Kết quả mơ phỏng, trình bày kết quả tính tốn, mơ hình hố và
kiểm chứng kết quả hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC với bộ điều khiển
bám PLL sử dụng IC 4046 trên nền MATLAB/SIMULINK và PLECS.
Để hồn thành luận văn này tơi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình trong
suốt thời gian vừa qua của TS. Đỗ Mạnh Cường. Do khả năng cũng như các nguồn
tài liệu tham khảo còn hạn chế nên kết quả luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót.
Tơi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cơ cùng các đồng
nghiệp để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây
dựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn.

-2-


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG
1.1.

Sự ra đời của bộ biến đổi cộng hưởng
Ngày nay, với khả năng tích hợp ngày càng cao của các thiết bị bán dẫn, nhu

cầu tiêu thụ công suất của các thiết bị này cũng ngày một nâng cao. Các thiết bị điện
tử hiện đại đặt ra yêu cầu đối với bộ biến đổi cơng suất phải có kích thước nhỏ,
trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao và 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 bộ biến đổi cơng suất lớn thì kích thước của các thành phần này cũng
sẽ rất lớn. Giảm kích thước các thành phần trên, đặc biệt bộ tản nhiệt sẽ tăng mật độ
công suất của bộ biến đổi 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 xung sử dụng van bán dẫn,
chuyển mạch ở tần số cao để giảm kích thước L, C. Bộ biến đổi xung có cấu trúc
như sau [10]:


Vin

Nghịch
lưu
cao tần

Chỉnh lưu
đầu ra

Lọc
đầu ra

Ro

+
Vo
-

Hình 1.1. Bộ biến đổi xung truyền thống
Bộ biến đổi xung truyền thống gồm có: mạch nghịch lưu tần số cao (High
Frequency Inverter), biến áp cách ly, mạch chỉnh lưu đầu ra (Output Rectifier) và
mạch lọc thông thấp (Output Filter) ở đầu ra. Điện áp DC ở đầu vào được băm với
tần số cao để tạo ra điện áp AC dạng xung vng. Điện áp AC này có thể được tăng
lên hoặc hạ xuống bởi biến áp. Sau đó được chỉnh lưu và lọc để có được điện áp ra
DC theo yêu cầu. Thời gian tích cực của xung vng xác định biên độ của điện áp
ra. Và nó có thể thay đổi giá trị để ổn định điện áp ra khi điện áp vào thay đổi.
Tuy nhiên, bộ biến đổi này lại gặp phải vấn đề về chuyển mạch, các van phải
chuyển mạch trong điều kiện chuyển mạch cứng, nghĩa là khi van đóng hoặc cắt thì
dịng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hoặc giảm về không


-3-


nên các van cơng suất phải đóng cắt trong điều kiện dòng và áp cao gây ra tổn thất
chuyển mạch lớn dẫn đến mật độ công suất thấp và tồn tại nhiễu trường điện từ 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. Phương pháp
này vẫn bị hạn chế bởi tổn thất chuyển mạch tỉ lệ với tần số chuyển mạch nên khi
tần số chuyển mạch tăng cao thì tổn thất chuyển mạch là rất đáng kể, do đó tần số
làm việc của bộ biến đổi bị giới hạn. Đồng thời các thành phần tụ kí sinh và điện
cảm rị là ngun nhân gây ra nhiễu điện từ (EMI) lớn.
Để khắc phục những hạn chế của các bộ biến đổi trên, bộ biến đổi cộng
hưởng đã ra đời. Với việc sử dụng dao động của mạch L-C bộ biến đổi cộng hưởng
đã tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm cho van, các van sẽ được phát xung đóng
hoặc mở khi dịng qua van hoặc điện áp rơi trên van bằng có giá trị bằng 0. Hai điều
này không thể xảy ra đồng thời nên khi chuyển mạch ở điều kiện điện áp qua khơng
(ZVS) thì sẽ phải chịu tổn hao khi khóa van, cịn chuyển mạch ở điều kiện dịng
điện qua khơng (ZCS) thì sẽ chịu tổn hao khi mở van. Tuy nhiên lượng tổn hao này
rất nhỏ so với bộ biến đổi xung truyền thống vì lúc này dịng và áp trên van có giá
trị nhỏ. Vấn đề về các điều kiện chuyển mạch sẽ được làm rõ hơn ở mục 1.3.
1.1.1. Bộ biến đổi cộng hưởng
Bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng một mạch cộng hưởng L-C để tạo điều kiện
cho các thiết bị chuyển mạch bán dẫn đóng – cắt khi dòng điện hoặc điện áp của
chúng bằng 0. Điều này làm giảm các ứng suất trên các van bán dẫn và giảm tổn
hao trong quá trình chuyển mạch. Điều kiện chuyển mạch này là chuyển mạch mềm.
Bộ biến đổi cộng hưởng có ưu điểm là giảm được tổn hao đóng cắt và do đó
làm tăng tần số chuyển mạch của van hay tăng tần số làm việc của mạch; khắc phục
được hiện tượng nhiễu trường điện từ. Nhược điểm của bộ biến đổi này là cấu trúc
bộ biến đổi và mạch điều khiển phức tạp hơn.


-4-


Bộ biến đổi làm việc trên nguyên lý cộng hưởng người ta chia ra thành các
loại như sơ đồ sau [11]:
Các bộ biến đổi 1 chiều
kiểu cộng hưởng

Các bộ biến đổi cộng
hưởng truyền thống

Mơ hình điều khiển
dịch pha

Các bộ biến đổi
bán cộng hưởng

Tần số làm việc
không đổi

BBĐ Cộng
hưởng song song

Tần số làm việc
không đổi
Tần số làm việc
thay đổi

Tải cộng hưởng


BBĐ Cộng
hưởng nối tiếp

Các bộ biến đổi đa
cộng hưởng

Tần số làm việc
thay đổi

BBĐ Cộng hưởng
song song – nối tiếp

Hình 1.2. Phân loại các bộ biến đổi cộng hưởng
Bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống (Conventional Resonant Converter):
Là bộ biến đổi sử dụng các khối cộng hưởng LC (Resonant Tank) để đạt được các
điều kiện chuyển mạch mềm cho van.
Bộ biến đổi bán cộng hưởng (Quasi-resonant Converter): Là sự kết hợp giữa
bộ biến đổi cộng hưởng và bộ biến đổi PWM truyền thống.
Bộ biến đổi đa cộng hưởng (Multi-resonant Converter): 2 dạng bộ biến đổi
trên chỉ có thể đạt được điều kiện chuyển mạch mềm cho van công suất hoặc điốt
chỉnh lưu đầu ra mà không thể đạt được cho cả hai cùng lúc. Bộ biến đổi đa cộng
hưởng ra đời khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử dụng van đa cộng
hưởng (Multi-resonant switches).
Ðối với các ứng dụng yêu cầu điện áp thấp dịng cao ở đầu ra thì bộ biến đổi
tải cộng hưởng (Load resonant converter) là phù hợp hơn cả. Trong phạm vi đề tài
này chúng ta cũng chỉ phân tích và thiết kế bộ biến đổi loại này.

-5-



1.1.2. So sánh nghịch lưu cộng hưởng với nghịch lưu truyền thống
Các mạch nghịch lưu truyền thống đang được sử dụng phổ biến ở các bộ
biến đổi xung PWM. Sơ đồ bộ biến đổi với mạch nghịch lưu truyền thống được thể
hiện trên hình 1.1.
Bộ biến đổi thơng thường hoạt động theo nguyên tắc chuyển mạch nghịch
lưu để điện áp DC ở đầu vào được băm với tần số cao, tạo ra điện áp AC dạng xung
vng. Sau đó điện áp AC này được đưa qua máy biến áp và chỉnh lưu để đưa điện
áp DC tới đầu ra. Mạch nghịch lưu truyền thống được điều khiển bằng phương pháp
điều chế độ rộng xung PWM nghĩa là điều khiển thay đổi thời gian tích cực của
xung vng trong khi chu kỳ đóng cắt van khơng thay đổi để ổn định điện áp ra khi
điện áp vào thay đổi.
Với nghịch lưu cộng hưởng, nó hoạt động một cách khác. Sơ đồ của bộ biến
đổi cộng hưởng được minh họa trong hình 1.3 [10].

Vin

Nghịch lưu
cao tần

Khối
cộng
hưởng

Chỉnh lưu
đầu ra

Lọc
đầu ra


Ro

+
Vo
-

Hình 1.3. Bộ biến đổi kiểu cộng hưởng
Về mặt cấu trúc, bộ biến đổi cộng hưởng có thêm khối cộng hưởng ở sau
khối nghịch lưu tần số cao và trước biến áp. Điện áp DC ở đầu vào được được băm
xung để có xung vuông AC ở khối nghịch lưu tần số cao, sau đó điện áp AC được
đưa tới khối cộng hưởng và điều khiển dịng năng lượng tới đầu ra thơng qua một
biến áp, sau đó chỉnh lưu và lọc để có được điện áp DC theo yêu cầu.
Phương pháp nghịch lưu cộng hưởng điều chỉnh điện áp đầu ra có thể coi
như một bộ chia trở kháng giữa khối cộng hưởng với đầu ra. Trở kháng của khối
cộng hưởng được điều khiển bởi tần số chuyển mạch của bộ nghịch lưu để điều
chỉnh điện áp đầu ra khi có sự biến đổi điện áp vào hoặc biến đổi của tải ở đầu ra.
Khi điện áp vào cao hơn, tần số chuyển mạch được tăng lên để khối cộng hưởng có
-6-


trở kháng cao hơn do đó mà điện áp trên điện trở đầu ra vẫn ổn định (khơng đổi).
Khi dịng điện tải cao hơn, điện trở đầu ra thấp hơn, tần số chuyển mạch được giảm
xuống để giữ cho trở kháng của khối cộng hưởng thấp hơn và do đó điều chỉnh điện
áp đầu ra. Khác với nghịch lưu truyền thống, nghịch lưu cộng hưởng được điều
khiển bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch tức là chu kỳ chuyển mạch của van
thay đổi cịn thời gian tích cực của xung vng ln có thời gian là một nửa chu kỳ
chuyển mạch của van tại mỗi thời điểm.
Bộ biến đổi cộng hưởng có thể hoạt động cả ở trên và dưới tần số cộng
hưởng của khối cộng hưởng, nó phụ thuộc vào điều kiện chuyển mạch của phần tử
chuyển mạch. Nếu tần số chuyển mạch thấp hơn tần số cộng hưởng, bộ biến đổi có

thể thực hiện bằng chuyển mạch dịng điện qua khơng (ZCS). Nếu tần số chuyển
mạch cao hơn tần số cộng hưởng, bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chuyển mạch
điện áp qua không (ZVS). Với phần tử chuyển mạch bằng MOSFET, bộ biến đổi
hoạt động trên tần số cộng hưởng được sử dụng nhiều hơn nhằm giảm tổn thất
chuyển mạch.
Trong biến đổi PWM, điện áp AC được tạo ra bằng bộ băm xung có dạng
sóng hài cơ bản là dạng xung vng. Nhiễu điện từ (EMI) được tạo ra ở cả hai dạng
dẫn và bức xạ, cần được giảm đi. Khi các chuyển mạch được bật và tắt với dòng
điện cao sẽ tiêu hao năng lượng. Tổn hao này phụ thuộc vào tần số chuyển mạch,
khi tần số chuyển mạch cao thì tổn hao chuyển mạch sẽ là đáng kể và có thể gây
phá hủy một phần vì phát nóng.
Bộ biến đổi kiểu cộng hưởng tự nhiên có đặc tính của ZVS. Nó làm cho bộ
biến đổi cộng hưởng tạo ra ít nhiễu EMI hơn bộ biến đổi PWM. Cũng vì ZVS có thể
thực hiện một cách tự nhiên mà bộ chuyển đổi giảm được tổn thất chuyển mạch, nó
có thể hoạt động ở một tần số tương đối cao, tạo ra bộ lọc thụ động kích thước nhỏ
ở cả phía đầu vào và đầu ra.

-7-


Ngày nay, các bộ biến đổi cơng suất địi hỏi phải hoạt động được với tần số
cao, kích thước nhỏ gọn và cải thiện hiệu suất thì bộ biến đổi kiểu cộng hưởng là
phù hợp hơn cả cho những yêu cầu trên.
1.2.

Cấu trúc bộ biến đổi tải cộng hưởng
Bộ biến đổi tải cộng hưởng có cấu trúc như trên hình 1.3.
Ðiện áp một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu tần số cao, đóng cắt thành

điện áp dạng xung vng. Ðiện áp này bao gồm thành phần sóng cơ bản và các

sóng hài lẻ bậc cao, sẽ được đưa qua khối cộng hưởng (Resonant Tank). Tần số
cộng hưởng của khối cộng hưởng này được điều chỉnh gần với tần số cơ bản của
điện áp xung vuông sau nghịch lưu, cũng chính là tần số chuyển mạch fs. Khi đó, bộ
cộng hưởng có tác dụng loại bỏ ảnh hưởng của các thành phần hài bậc cao tồn tại
trong điện áp xung vuông và chỉ cho các thành phân cơ bản (dạng hình sin) đi qua.
Dịng điện và điện áp hình sin sau thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu và lọc để đạt
được điện áp một chiều có giá trị yêu cầu ở đầu ra.
Việc điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra có thể được xem như một bộ phân áp
giữa khối cộng hưởng và điện trở tải đầu ra. Trở kháng của khối cộng hưởng sẽ
được điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch của khối nghịch lưu, qua
đó điều chỉnh điện áp đầu ra có giá trị không đổi trước sự thay đổi của điện áp đầu
vào và của tải. Khi điện áp vào tăng lên, tần số chuyển mạch sẽ được điều chỉnh
tăng để tăng trở kháng của khối cộng hưởng, nhờ vậy mà điện áp đầu ra được giữ cố
định. Tương tự, khi tăng dòng tải (điện trở tải giảm), tần số chuyển mạch được điều
chỉnh giảm làm giảm trở kháng của khối cộng hưởng, qua đó điều chỉnh được điện
áp đầu ra khơng đổi.
Có rất nhiều cấu hình bộ cộng hưởng được tạo thành từ các phần tử L và C,
tuy nhiên có 3 cấu hình được dùng phổ biến nhất đó là: khối cộng hưởng nối tiếp,
khối cộng hưởng song song và khối cộng hưởng song song nối tiếp [8].

-8-


Hình 1.4. Một số cấu hình khối cộng hưởng
Các bộ biến đổi sử dụng các bộ cộng hưởng này lần lượt có tên là: bộ biến đổi
cộng hưởng nối tiếp (SRC), bộ biến đổi cộng hưởng song song (PRC) và bộ biến
đổi cộng hưởng song song – nối tiêp (SPRC).
1.2.1. Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

Q1


C1
LS

CS
Co

VIN

Ro

CIN

Q2
C2

Hình 1.5. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp
Hình 1.5 là sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp half-bridge [10].
Trong đó, điện cảm LS và tụ điện CS mắc nối tiếp với nhau tạo thành khối cộng
hưởng. Q1, Q2, C1, C2 tạo ra một xung vuông hai chiều có chu kỳ làm việc (duty
cycle) là 50% đưa tới khối cộng hưởng. Khối cộng hưởng làm việc như một nguồn
dịng điện. Tụ lọc CO ở phía thứ cấp được sử dụng để hịa hợp trở kháng. Có thể
xem khối cộng hưởng và tải đầu ra RO tạo thành một mạch phân áp.

-9-


Khi điện áp tải hoặc điện áp đầu vào thay đổi, sự thay đổi trở kháng của khối
cộng hưởng sẽ duy trì điện áp trên tải là khơng đổi. Bằng cách thay đổi tần số
chuyển mạch, trở kháng của khối cộng hưởng có thể được kiểm sốt, do đó điện áp

đầu ra được điều chỉnh.
Đặc tính khuếch đại được cho ở hình 1.6 với 5 đường cong tương ứng với các
giá trị khác nhau của Q. Qua đó ta thấy, khi giảm tải (Q giảm) thì tần số chuyển
mạch tăng lên rất nhiều so với khi Q lớn. Ví dụ: so sánh tần số chuyển mạch giữa
Q=1 với Q=10 và hệ số khuếch đại là 0.6 thì tần số góc tương đối với Q=10 là 1.1
trong khi với Q=1 là 1.8. Xét với điều kiện không tải, bộ biến đổi có thể gặp khó
khăn trong việc điều khiển điện áp đầu ra bởi tần số làm việc sẽ tăng lên rất cao.

Hình 1.6. Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp
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 dịng điện 1 chiều.
Do đó bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng có điện áp
ra thấp, dịng điện cao.

- 10 -


1.2.2. Bộ biến đổi cộng hưởng song song
Với bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nguồn dòng ở trên, mặc dù chúng có thể đạt
hiệu quả cao cho các ứng dụng có điện áp cao, dịng điện tương đối nhỏ, nhưng
chúng khơng phù hợp với các ứng dụng có điện áp thấp và dòng điện cao.

Q1

C1

LF

LS


Co
VIN

CIN

Ro

CP

Q2
C2

Hình 1.7. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song
Hình 1.7 chỉ ra sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi cộng hưởng song song [10].
Khối cộng hưởng được tạo thành từ một cuộn cảm và một tụ điện. Khi tụ điện được
mắc song song với máy biến áp thì bộ biến đổi được gọi là bộ biến đổi song song.
Khối cộng hưởng xuất hiện trở kháng thấp để mạch điện đầu ra được xem như một
nguồn điện áp. Một bộ lọc LC được đặt ở đầu ra để hòa hợp trở kháng. So sánh với
bộ biến đổi cộng hưởng kiểu nguồn dòng, bộ biến đổi cộng hưởng song song có thể
cho ta gợn sóng đầu ra thấp bằng cách sử dụng bộ lọc tổn hao thấp LC.
Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện ở hình 1.8. 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.

- 11 -


Hình 1.8. Đặc tính khuếch đại của bộ biến đổi cộng hưởng song song
1.2.3. Bộ biến đổi cộng hưởng song song – nối tiếp

Bằng cách thêm tụ nối tiếp vào bộ biến đổi song song hoặc thêm tụ cộng
hưởng song song vào bộ biến đổi nối tiếp, ta có cấu trúc của bộ biến đổi cộng
hưởng song song – nối tiếp (Series – Parallel Resonant Converter), còn được gọi là
bộ biến đổi cộng hưởng LCC.
Bộ biến đổi LCC tận dụng được ưu điểm của cả bộ biến đổi nối tiếp và song
song, khắc phục được các nhược điểm của chúng như vấn đề điều chỉnh không tải ở
bộ biến đổi nối tiếp và dòng điện vòng lớn khi tải nhẹ ở bộ biến đổi song song. Cấu
trúc bộ biến đổi LCC được thể hiện ở hình 1.9 [10].

- 12 -


Q1

CS

LF

LS

Co
VIN

CIN

Ro

CP

Q2


Hình 1.9. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LCC
Bộ biến đổi LCC có thể coi là sự kết hợp giữa bộ biến đổi nối tiếp và bộ biến
đổi song song. Khối cộng hưởng bao gồm 3 thành phần cộng hưởng: Ls, Cs và Cp.
Bằng việc thêm tụ nối tiếp Cs vào khối cộng hưởng song song, dòng điện vòng chạy
qua van nhỏ hơn so với bộ biến đổi song song. Với việc thêm vào tụ song song Cp,
bộ biến đổi LCC có thể điều chỉnh điện áp đầu ra trong điều kiện không tải. Tụ song
song Cp cũng tạo ra trở kháng nhỏ đối với mạch đầu ra, do đó hịa hợp với mạch lọc
L-C, tạo ra dịng điện với độ gợn nhỏ chạy qua tụ lọc. Do đó bộ biến đổi LCC thích
hợp với các ứng dụng yêu cầu điện áp nhỏ, dòng lớn.
1.3.

Điều kiện chuyển mạch trên van bán dẫn

1.3.1. Chuyển mạch cứng (Hard switching)
Chuyển mạch cứng là thực hiện việc đóng cắt van bán dẫn khi điện áp hoặc
dòng điện trên van vẫn còn cao. Quá trình chuyển mạch của van trong các bộ biến
đổi xung truyền thống được thể hiện như hình vẽ dưới [6]:
HARD SWITCHING

Losses

Hình 1.10. Quá trình chuyển mạch cứng
- 13 -


Do dịng điện và điện áp trên van khơng thể ngay lập tức thay đổi nên tại thời
điểm đóng cắt, trên van tồn tại cả điện áp và dòng điện khá lớn gây ra tổn hao đóng
1
cắt. Tổn hao này lại phụ thuộc vào tần số chuyển mạch Pcm  fs V  Ion t on  Ioff t off  ,

2

nên khi tần số tăng cao tổn hao chuyển mạch cũng tăng lên đáng kể. Ðiều này làm
cho tần số làm việc của bộ biến đổi xung truyền thống bị giới hạn (<100kHz).
Mặt khác, do tồn tại các thành phần điện cảm rị và tụ kí sinh trong mạch nên
ở điều kiện chuyển mạch cứng các van bán dẫn phải chịu các xung dao động của
dòng điện và điện áp như hình vẽ [11]:

Hình 1.11. Dạng xung điện áp và dịng điện khi chuyển mạch
Chính các xung dao động này là nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu trường
điện từ EMI trong mạch, ngoài ra khi các xung đỉnh này có giá trị lớn cịn có thể
phá hỏng van bán dẫn công suất của mạch.
1.3.2. Mạch trợ giúp van (Snubber circuit)
Ðể khắc phục các tồn tại của chuyển mạch cứng đã nêu trên, mạch trợ giúp
van (snubber circuit) ra đời.
Mạch trợ giúp van là những mạch được nối thêm vào cạnh van, giúp bảo vệ
van và tăng hiệu quả làm việc của van. Mạch trợ giúp có thể đem lại nhiều khả năng
cho van:
- 14 -


- Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng
- Hạn chế dU/dt, dI/dt
- Ðưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn (SOA)
- Truyền năng lượng phát nhiệt của van sang điện trở ngoài hoặc sang hướng
khác có lợi
- Giảm tổn hao cơng suất trong q trình đóng cắt
- Giảm nhiễu trường điện từ do dập tắt nhanh các dao động dịng và áp
Có nhiều loại mạch trợ giúp van nhưng phổ biến nhất là 2 loại: mạch RC
(trở-tụ) và mạch RCD (trở - tụ - điốt)

a. Mạch trợ giúp RC đơn giản
Mạch trợ giúp gồm điện trở Rs và tụ Cs mắc song song với van như hình vẽ:

Hình 1.12. Mạch trợ giúp van RC
Ðiện trở Rs được chọn sao cho I0  E0 R S . Như vậy khi van ngắt, dòng có
thể chuyển sang mạch trợ giúp mà điện áp trên van khơng vượt q mức E0. Sau đó
khi van dẫn dịng, năng lượng tích trên tụ được phóng và tiêu tán trên điện trở RS.
Tụ điện CS được chọn sao cho dao động sinh ra khi chuyển mạch là tắt dần. Muốn
vậy phải chọn Cs ít nhất bằng 2 lần giá trị của tụ kí sinh CP.
Ví dụ, với MOSFET IRF540, I0 = 1A, E0 = 12V, CP = Coss = 250pF, tần số
chuyển mạch fs = 100kHz, ta chọn CS = 2Cp = 500pF; RS = E0/I0 = 12, Công suất tiêu
tán trên điện trở RS sẽ là:
PRs  Cs .E02 .fs  500.1012.102.100.103  7,2  mW 

- 15 -


Cách tính trên đây chỉ là phương pháp giúp thiết kế nhanh một mạch trợ giúp
RC đơn giản. Trong quá trình làm việc ta phải hiệu chỉnh các giá trị RC bằng thực
nghiệm.
Bằng cách đo và hiển thị dạng điện áp trên 2 cực D-S của van trên
oscilloscope, ta có thể thấy rõ hơn tác dụng của mạch trợ giúp RC [4]:

(a)

(b)

Hình 1.13. Điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch
a. Khi khơng có mạch trợ giúp RC
b. Khi có mạch trợ giúp RC

Qua dạng sóng thu được trong 2 trường hợp, ta có thể thấy dao động điện áp
trên van bị dập nhanh chóng, và xung đỉnh điện áp cũng bị triệt tiêu.
Trong mạch trợ giúp RC, khi van mở ra, tụ CS phóng điện qua điện trở RS
qua van. Dịng điện này có thể có đỉnh khá lớn, tuy nhiên thời gian rất ngắn nên
không nguy hại nhiều về phát nhiệt trên van. Nhưng dịng điện phóng của tụ gây
phức tạp cho vấn đề hạn chế tốc độ tăng dòng di/dt và làm tăng thời gian mở của
van. Mạch trợ giúp RCD sau đây có thể khắc phục được những nhược điểm này.
b. Mạch trợ giúp RCD
Mạch RCD có thêm điốt DS mắc song song với điện trở RS như sau:

- 16 -


Hình 1.14. Mạch trợ giúp van RCD
Trong mạch RCD tụ vẫn phóng điện qua điện trở khi van mở nhưng giá trị
của điện trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van nên giá trị
có thể chọn linh hoạt hơn. Mạch RCD có những ưu điểm hơn mạch RC như sau:
- Mạch cho phép suy giảm xung điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt
của van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp.
- Cho phép van làm việc trong vùng an toàn (SOA) tốt hơn. Tuy nhiên, dòng
nạp qua tụ lấy thẳng qua điốt không phải là giá trị tối ưu nên quá điện áp trên
van sẽ lớn hơn so với sơ đồ RC [4]:

(a)

(b)

Hình 1.15. Dạng điện áp trên van trong quá trình chuyển mạch
a. Với mạch trợ giúp RC
b. Với mạch trợ giúp RCD


- 17 -