TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN I
Tìm hiểu về bộ biến đổi nguồn DC/DC sử dụng mạch cộng
hưởng LLC

Sinh viên: Nguyễn Văn Quí

MSSV: 20181716

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Đỉnh
Bộ mơn: Tự động hóa cơng nghiệp
Viện: Điện

1


Mục lục
Lời mở đầu
Chương I:Tìm hiểu chung
Chương II:Thiết kế mạch lực
Chương III:Mô phỏng
Chương IV:Tổng kết
Tài liệu tham khảo

2


Lời mở đầu
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn,điện tử công suất đã
bước sang một trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,công

suất lớn,mặc dù vậy do yêu cầu của nền công nghiệp phát triển cũng như yêu cầu của
đời sống thì các bộ biến đổi cịn phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt
khe như kích thước phải nhỏ,mật độ công suất lớn ,độ tin cậy cao… ;để đạt được điều
này người ta đã tìm cách tăng tần số đóng cắt của các van bán dẫn ngày càng cao,bằng
cách áp dụng các phương pháp mới,đặc biệt là phương thức sử dụng mạch cộng hưởng
để đạt được chế độ ZVS ( zero voltage switching) hay chế độ ZCS (zero current
switching) mà tổn hao khi chuyển mạch giảm và tần số chuyển mạch ngày càng được
nâng cao đáp ứng được những yêu cầu của thực tế.Một trong các cách để tạo nên sự
cộng hưởng là sử dụng mạch cộng hưởng LLC,đây là một trong những phương pháp
mới và có nhiều ưu điểm.Mặc dù vậy ở Việt Nam phương pháp này chưa có nhiều sự
tìm hiểu .Vì vậy với đồ án I , “Bộ biến đổi nguồn DC/DC sử dụng mạch cộng hưởng
LLC” sẽ cho thấy được những lợi ích mà bộ biến đổi nguồn này đem lại.

3


Chương I:Tìm hiểu chung
1.1 Tổng quan về bộ biến đổi nguồn DC-DC
Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, cần thiết phải biến đổi nguồn một chiều
(DC) cố định thành nguồn DC thay đổi được. Một bộ biến đổi như vậy được gọi
là bộ biến đổi điện áp một chiều. Bộ biến đổi kiểu này, về mặt chức năng, có thể
xem như tương đương với một biến áp xoay chiều có thể điều chỉnh điện áp ra
một cách liên tục. Cũng giống như biến áp, bộ biến đổi điện áp một chiều có thể
dùng để tăng hoặc giảm điện áp từ nguồn DC ngõ vào. Bộ biến đổi điện áp một
chiều có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng. Chúng có thể được
dùng để điều khiển động cơ trong xe điện, cầu trục, sử dụng trong các bộ nguồn
năng lượng tái tạo v.v…Chúng cũng có thể sử dụng trong các bộ nguồn DC cung
cấp cho các thiết bị điện tử. Các BBĐ nguồn DC-DC dần loại trừ các loại biến áp
tần số thấp trong các bộ nguồn, dẫn đến kích thước các thiết bị điện tử ngày càng
nhỏ gọn,phù hợp với xu thế người sử dụng.

Ưu điểm của các BBD nguồn DC-DC so với các loại biến áp tần số thấp là
việc sử dụng các phần tử MOSFET, IGBT, đặc biệt là MOSFET, với tần số đóng
cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz. Trong tương lai đến 1Mhz. Nhờ tần số đóng
cắt cao mà giảm được độ đập mạch của dòng điện, điện áp một chiều, tiến tới lý
tưởng. Kích thước các phần tử phản kháng như điện cảm, tụ điện giảm đáng kể từ
đó giảm được kích thước BBĐ nói chung đến mức rất nhỏ. Do khơng cần dùng
biến áp nguồn tần số thấp nữa nên sẽ giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép.Nhưng việc
sử dụng các BBD cũng xảy ra nhiều vấn đề cần phải lưu ý đó là năng lượng tổn
hao trên van rất lớn nhất là với các hệ thống công suất cao,tần số chuyển mạch
cao cũng tạo ra nhiễu điện từ (EMI)-Nhiễu EMI là một dạng xáo trộn sóng điện từ
làm giảm hiệu quả làm việc của thiết bị điện thậm chí khiến nó ngừng hoạt
động,việc thiết kế các bộ điều khiển BBD nguồn DC-DC đạt hiệu quả cao cũng
là công việc cần phải nghiên cứu.
Các bộ biến đổi nguồn DC-DC dựa trên nguyên lý băm xung áp. Phần tử cơ
bản là khoá điện tử V, là một van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, MOSFET,
BJT), được mắc nối tiếp giữa tải và nguồn. Điơt D0 có vai trị quan trọng trong sự
hoạt động của sơ đồ, gọi là điôt không. Điôt này sẽ dẫn dịng tải khi V khố.
Từ 0 đến t x : V thông, nối tải vào nguồn, Ut = E.
Từ t x đến T: V khoá lại, tải bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải có tính cảm, dịng tải
phải tiếp tục duy trì qua điơt D0, U t = 0.
Với tỷ số D=t x / T là hệ số điều chế của hệ băm xung.

4


Hình 1: Sơ đồ bộ băm xung áp

Đầu ra của BBD phải có tụ đủ lớn để san bằng điện áp trên tải. Nếu bộ băm
xung áp dùng để điều chỉnh dịng điện một chiều ra tải (nguồn dịng) thì bộ biến
đổi nguồn DC-DC dùng để điều chỉnh điện áp ra tải (nguồn áp).

Có thể chia các bộ biến đổi nguồn DC-DC thành ba loại.Đầu tiên là các sơ
đồ không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost Converter, đây là các BBD khơng có
thành phần máy biến áp để cách ly nguồn với tải với cấu trúc đơn giản nhưng độ
tin cậy không cao.Trong ba sơ đồ cơ bản mạch van đều chỉ gồm 2 phần tử, van
MOSFET và điơt, chỉ có 2 trạng thái đóng cắt ứng với khi van MOSFET mở và
khi van khóa. Có thể làm việc ở chế độ dòng liên tục và chế độ dòng gián
đoạn.Thứ hai là các sơ đồ cách ly: Flyback, Forward, Half-Bridge, Full Bridge,
cấu tạo các bộ này có thêm thành phần biến áp với mục đích sử dụng khi hệ số
biến đổi lớn và yêu cầu cách ly. Các sơ đồ Flayback, Forward là các sơ đồ một
nhịp, chỉ dùng cho công suất nhỏ, dưới 150 W. Dải công suất cỡ 150 – 300 có thể
dùng sơ đồ nửa cầu, khi cơng suất yêu cầu cỡ 1000 – 1500 W phải dùng sơ đồ
cầu.Cuối cùng là sơ đồ cộng hưởng: nối tiếp, song song, LCC, LLC ,mặc dù có
thể coi đây cũng là một dạng BBD cách ly nhưng với phương pháp chuyển mạch
mềm thì nó đem lại hiệu suất cao hơn hẳn nhưng sơ đồ cách lý thông thường.

1.2 Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng
Với xu hướng thúc đẩy của các bộ biến đổi nguồn hiệu suất cao, các nhà
thiết kế cung cấp điện đang tìm kiếm các cấu trúc liên kết khác nhau để cải thiện
hiệu quả cung cấp điện của họ.Một cấu trúc liên kết đã được quan tâm là bộ
chuyển đổi cộng hưởng. Trước đây, bộ chuyển đổi cộng hưởng đã bị bỏ qua do sự
phức tạp của điều khiển nhưng giờ đã được khắc phục. Bộ biến đổi cộng hưởng
ngày càng trở nên phổ biến hơn gần đây do khả năng đạt được hiệu quả cao thông
qua việc chuyển mạch mềm trên các van .Các kỹ thuật chuyển mạch mềm như
chuyển mạch không điện áp (ZVS) hay chuyển mạch khơng dịng điện (ZCS) sẽ
giúp hạn chế nhiễu điện từ EMI và đạt hiệu suất cao.Bộ biến đổi cộng hưởng có
khả năng đạt được mật độ cơng suất cao hơn ,có nghĩa là kích thước bộ biến đổi
tổng thể có thể được giảm xuống vì bộ biến đổi có thể hoạt động ở tần số chuyển
mạch cao hơn do áp dụng phương pháp chuyển mạch mềm. Bộ chuyển đổi cộng
hưởng rất phù hợp cho các ứng dụng công suất cao (trên 1500W) và hoạt động
5



tốt trên dải điện áp đầu vào rộng. Chi phí thấp hơn - Do tần số chuyển mạch cao
nên kích thước của các thành phần thụ động có thể được giảm bớt.
1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý chung của các bộ biến đổi cộng hưởng

Hình 2 Sơ đồ khối BBD cộng hưởng
Sơ đồ trên trình bày cấu trúc tổng quan của bất kỳ bộ chuyển đổi cộng hưởng
nào. Một bộ chuyển đổi cộng hưởng có thể được chia thành bốn khối chính: Bộ
chuyển đổi cầu tồn phần / nửa cầu, Bể cộng hưởng, Bộ chỉnh lưu và Bộ lọc
thông thấp. Bắt đầu từ phía đầu vào, bộ chuyển đổi tồn cầu / nửa cầu thường
được đóng cắt với hệ số điều chế (Duty) cố định (~ 50%) và với một thời gian
chết đã xác định. Bộ chuyển đổi cầu thường được vận hành bằng cách điều chỉnh
hệ số điều chế nhưng trong trường hợp của bộ chuyển đổi cộng hưởng, bộ chuyển
đổi cầu được điều khiển bằng tần số. Điều này có nghĩa là bằng cách thay đổi tần
số của bộ biến đổi, chúng ta thay đổi trở kháng của bể cộng hưởng. Chúng ta sẽ
thảo luận thêm về vấn đề này ở các phần sau.
Đầu ra của bộ chuyển đổi cầu là một sóng vng với hệ số điều chế(Duty) cố
định, với biên độ bằng Vdc.Bể cộng hưởng được tạo thành từ các phần tử thụ
động (tụ điện và cuộn cảm) và có thể có một số cấu trúc khác nhau. Tùy thuộc
vào cấu tạo bể cộng hưởng, đầu ra sẽ có dịng điện hoặc điện áp hình sin. Bể cộng
hưởng sẽ tạo ra sự dịch chuyển pha giữa điện áp và dịng điện và do đó chúng ta
có thể đạt được chuyển mạch mềm. Kết hợp bộ chuyển đổi cầu và bể cộng hưởng,
ta tạo ra bộ biến tần cộng hưởng và bằng cách thêm bộ chỉnh lưu và bộ lọc thông
thấp, chúng ta tạo ra bộ chuyển đổi cộng hưởng.
Trước khi tìm hiểu sâu hơn về bộ chuyển đổi cộng hưởng, trước tiên chúng
ta nên hiểu một vài thuật ngữ thường được sử dụng để mô tả bộ chuyển đổi cộng
hưởng:
 Trước tiên chúng ta hãy xem xét ý nghĩa của sự cộng hưởng. Trong một đoạn
mạch LC nối tiếp đơn giản (Hình 4) tồn tại một điểm mà cảm kháng của tụ

điện và cảm kháng của cuộn cảm có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu. Ở
tần số cụ thể này, điện kháng bằng 0 và trở kháng giữa đầu vào và đầu ra của
mạch là nhỏ nhất. Nếu chúng ta nhìn vào biểu đồ trở kháng so với biểu đồ tần
số, chúng ta sẽ thấy rằng tổng điện kháng của tụ điện và cuộn cảm là nhỏ nhất
tại điểm cộng hưởng.

6


Hình 3.Đồ thị trở kháng -tần số

Hình 4.Sơ đồ đoạn mạch LC nối tiếp

 Một thuật ngữ khác được sử dụng để mô tả bộ chuyển đổi cộng hưởng là Hệ
chất lượng (Quality Factor). Hệ số chất lượng (Q) là một tham số khơng có
thứ ngun mơ tả mức độ giảm dao động của mạch cộng hưởng. Hệ số chất
lượng càng cao thì phạm vi hoạt động của hệ thống càng hẹp.Hệ số chất lượng
có thể được định nghĩa là tỷ số giữa công suất được lưu trữ và công suất tiêu
tán trong mạch. Điều quan trọng cần lưu ý là hệ số chất lượng thay đổi theo tải
(tức là nó khơng phải là một tham số cố định).
Q= Plưu trữ /Ptiêu tán= I 2 X /I 2 R
 Một bộ biến đổi sẽ có một vùng làm việc nhất định tùy thuộc thiết kế ,để xác
định vùng làm việc đó ta dựa vào hệ số độ lợi (Gain).Hệ số Gain cho ta biến
được tỷ số giữa đầu ra và đầu vào của bể cộng hưởng ,từ đó xác định được
vùng làm việc và thiết kế mạch được đúng theo yêu cầu:
Gain=V out / V ¿

Hình 5 Đồ thị đặc tính Gain của BBD cộng hưởng LLC(m=6)
7



1.2.2 Quá trình chuyển mạch của bộ biến đổi cộng hưởng
Những bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng dao động mạch LC là một giải pháp
để giảm tổn thất chuyển mạch bằng cách tạo ra điều kiện chuyển mạch mềm cho
các van.Các van sẽ được đóng mở khi dịng qua van hoặc điện áp trên van bằng 0.

Hình 6. So sánh tổn hao của chuyển mạch cứng và chuyển mạch cộng
hưởng.
Tùy theo dòng điện đặt vào khối cộng hưởng sớm hay trễ pha so với xung
vuông điện áp đặt vào mạch cộng hưởng mà ta có được các điều kiện chuyển
mạch điện áp bằng khơng (ZVS) hay chuyển mạch dịng điện bằng khơng (ZCS).


Chuyển mạch dịng điện bằng khơng(ZCS) chỉ xảy ra khi dòng điện qua khối
cộng hưởng sớm pha hơn xung điện áp đặt vào khối cộng hưởng. Do khi phát
xung điều khiển mở van thì dịng tích lũy ở diode ngược và tụ ký sinh song
song được giải phóng qua van nên dịng điện qua van khi mở sẽ có xung đỉnh
lớn gây nhiễu điện từ và tổn hao khi mở van .

Trong khi chuyển mạch điện áp bằng khơng(ZVS) xảy ra khi dịng điện chạy
qua khối cộng hưởng trễ pha hơn xung điện áp đặt vào khối cộng hưởng. Ở chế
độ ZVS: Mosfet phải chịu tổn hao khi khóa van do dịng điện lúc này chưa về
bằng khơng. Nhưng dịng lúc này đã nhỏ và chuyển sang nạp cho tụ ký sinh
song song của van. Khi diode ngược của van dẫn dịng thì điện áp trên tụ sẻ giải
phóng trước khi mosfet thơng. Do đó, khơng có tổn hao khi mở van và loại trừ
được tổn hao do sự nạp xả diode ngược và tụ ký sinh song song.
 Vì vậy, trong thực tế người thiết kế thường chọn mạch làm việc ở tần số cộng
hưởng để đạt được điều kiện chuyển mạch ZVS.
1.2.3 Phạm vi ứng dụng của các BBD cộng hưởng
Hiện nay ,trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển các BBD sử dụng nguyên

lý cộng hưởng trong rất nhiều các ứng dụng quan trọng như sau:
 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC với công suất lớn :Bộ sạc cho xe ô tô điện,Bộ
biến đổi năng lượng tái tạo(gió,mặt trời,…)
 Các thiết bị gia nhiệt:bếp điện từ,lò sản xuất thép
 Các thiết bị yêu cầu mật độ công suất cao:Các thiết bị viễn thông,các thiết bị
điện tử như TV,sạc điện thoại,sạc laptop…
8


1.2.4 Yêu cầu thiết kế bộ biến đổi





Vin=DC380V
Vout=DC54V-72V
Pout=2.5kW
Hiệu suất ɳ>95%

1.2 Các bộ biến đổi cộng hưởng
Kỹ thuật cộng hưởng được sử dụng để giảm tổn thất chuyển mạch. Có nhiều
mơ hình cộng hưởng như:
• Bộ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp
• Bộ nghịch lưu cộng hưởng song song
• Bộ nghịch lưu cộng hưởng LLC.
Hai mơ hình đầu tiên khơng thể tối ưu hóa cho dải điện áp vào rộng và sự
thay đổi tải ở đầu ra. Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC giảm được tổn thất khi điện
áp đầu vào thay đổi rộng và tổn thất turn off được giảm đến mức tối thiểu.
1.2.1 Mạch cộng hưởng nối tiếp(SRC)


Hình 7 .Cấu trúc và đồ thị đặc tính GAIN của bể cộng hưởng nối tiếp
Trong cấu trúc nối tiếp, cuộn L và tụ C được nối tiếp với nhau để tạo nên
mạch cộng hưởng. Khối cộng hưởng được nối tiếp với tải. Bằng cách thay đổi tần
số của điện áp đầu vào Vd, trở kháng của mạch cộng hưởng sẽ thay đổi. Bể cộng
hưởng đóng vai trị phân áp với tải - Độ lợi DC luôn thấp hơn 1 (độ lợi tối đa xảy
ra ở tần số cộng hưởng do trở kháng của khối cộng hưởng sẽ rất nhỏ). Khi đó,
điện áp đặt vào sơ cấp của máy biến áp gồm toàn bộ điện áp đầu vào. Nếu điện áp
giảm, mạch điều khiển sẽ xác định sự giảm xuống của điện áp và chuyển tần số
của bộ biến đổi tới tần số cộng hưởng để tăng điện áp ra mong muốn. Ngược lại,
nếu điện áp ra có xu hướng tăng thì mạch điều khiển sẽ đưa tần số của bộ biến đổi
ra xa tần số cộng hưởng để giảm điện áp.
 Ưu điểm: Giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu điện từ thông qua chuyển
mạch điện áp bằng không ( ZVS ) dẫn đến nâng cao hiệu suất, giảm kích
9


thước các phần tử trong mạch từ nhờ hoạt động ở tần số cao, có thể làm việc
khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn dịng của khối cộng hưởng và tải
giảm thì dịng chạy qua van cơng suất giảm. Điều này làm tổn thất giảm khi
tải giảm và hiệu suất vẫn giữ được ở giá trị cao như làm việc đầy tải.
 Nhược điểm: Có thể tối ưu hóa hiệu suất tại một điểm hoạt động nhưng không
thể với dải điện áp đầu vào và tải biến đổi. Không thể điều chỉnh đầu ra ở điều
kiện không tải .Dòng điện sau chỉnh lưu (đầu ra tụ điện): hạn chế đối với ứng
dụng dòng điện đầu ra cao.
1.2.2 Mạch cộng hưởng song song(PRC)

Hình 8.Cấu trúc và sơ đồ đặc tính GAIN của bể cộng hưởng song song
Trong cấu trúc của bộ biến đổi song song, khối cộng hưởng gồm L và tụ C
mắc song song với biến áp. Do đó, khối cộng hưởng có trở kháng thấp với mạch

đầu ra và được coi như là một nguồn áp. Trở kháng của bể cộng hưởng có thể
được thay đổi bằng cách thay đổi tần số của điện áp điều khiển (Vin).
 Ưu điểm:BBD sử dụng bể cộng hưởng song song có ưu điểm hơn so với bể
cộng hưởng nối tiếp đó là có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra trong điều
kiện không tải và sử dụng được trong trường hợp dòng điện đầu ra cao.
 Nhược điểm:Dòng điện phía sơ cấp máy biến áp hầu như khơng phụ thuộc vào
tải :dịng điện đáng kể có thể chạy qua mạng cộng hưởng ,ngay cả khi ở điều
kiện không tải.Ngồi ra cịn vấn đề dịng điện tuần hồn trong mạch tăng lên
khi điện áp đầu vào tăng do đó dải điện áp đầu vào bị giới hạn.

1.2.3 Mạch cộng hưởng LLC
Trong những năm gần đầy bộ biến đổi LLC được sử dụng ngày càng tăng.
Có thể sử dụng các thành phần điện cảm của máy biến áp có sẵn để tiết kiện được
diện tích thành phần từ hóa. Do đó, điều kiện chuyển mạch mềm từ khơng tải đến
đầy tải có thể thực hiện được. Cấu trúc LLC là cấu trúc của bộ biến đổi nguồn
dòng. So với cấu trúc nối tiếp, cấu trúc bộ biến đổi LLC có thêm thành phần cuộn
dây Lm mắc song song với biến áp trong khối cộng hưởng tạo một mạch vòng
10


điện khi đầu ra biến áp hở mạch. Vì vậy, miền chuyển mạch ZVS rộng hơn khi
giảm tải so với cấu trúc nối tiếp.

Hình 9. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LLC
Ưu điểm của bộ biến đổi LLC:
 Có thể dể dàng thiết kế với dải điện áp đầu vào rộng, giảm tổn thất chuyển
mạch thông qua độ chuyển mạch ZVS dẫn đến nâng cao hiệu suất, dải tần
số thay đổi trong khoảng hẹp với tải thay đổi rộng
 Chuyển mạch ZVS với cả chế độ khơng tải.
 Có dịng điện tuần hồn thấp hơn và dải hoạt động rộng hơn so với bộ

chuyển đổi cộng hưởng song song . Với những ưu điểm đó, bộ biến đổi
LLC có thể đáp ứng được những yêu cầu cho ứng dụng cho biến đổi DCDC.
 Sử dụng máy biến áp tích hợp các thành phần cuộn cảm (Lr,Lm) để nâng
cao mật độ công suất của bộ biến đổi.
Như vậy mạch cộng hưởng LLC sẽ đáp ứng được yêu cầu thiết kế đặt ra,ta sẽ
thiết kế bộ biến đổi DC-DC chính là mạch cộng hưởng LLC.

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch cộng hưởng LLC
1.3.1 Cấu tạo mạch cộng hưởng LLC
Bộ biến đổi LLC cơ bản gồm ba thành phần: khối phát xung vuông, khối cộng
hưởng và khối chỉnh lưu .

11


Hình 10. Cấu tạo cơ bản mạch cộng hưởng LLC
Khối phát xung vuông tạo ra một điện áp xung vuông có độ lớn Vd bằng
cách phát xung vào hai van Q1 và Q2 với độ rộng xung là 50% trong mỗi chu kỳ.
Có một khoảng thời gian deadtime nhỏ tại điểm chuyển mạch.
Khối cộng hưởng gồm Llkp, Llks, Lm và Cr,có chức năng lọc các thành
phần dịng điện dao động tần số cao để được dịng điện hình sin qua mạch cộng
hưởng. Dòng điện Ip trễ pha hơn so với điện áp đặt vào khối cộng hưởng ( là
thành phần cơ bản của điện áp xung vuông đưa vào khối cộng hưởng) để cho
Mosfet được mở van với chuyển mạch điện áp bằng khơng(ZVS).

Hình 11. Dạng sóng dịng điện và điện áp của bộ chuyển đổi Half – bridge LLC
Khối chỉnh lưu tạo ra điện áp một chiều bằng cách chỉnh lưu dòng điện xoay
chiều với bộ chỉnh lưu diode và một tụ lọc đầu ra. Bộ chỉnh lưu sử dụng sơ đồ
chỉnh lưu cầu.
12



Mạng cộng hưởng lọc các dịng điện sóng hài cao hơn. Do đó, về cơ bản chỉ
có dịng điện hình sin được phép chạy qua mạng cộng hưởng mặc dù một điện áp
sóng vng (Vin) được đặt vào mạng cộng hưởng. Ta sử dụng phương pháp xấp
xỉ sóng hài bậc nhất(FHA): giả định rằng chỉ có thành phần cơ bản của điện áp
sóng vng đầu vào ,vào mạng cộng hưởng góp phần truyền cơng suất đến đầu
ra.Như vậy điện áp sóng vng có thể được thay thế bằng thành phần cơ bản của
nó.

Hình 12 Áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng hài bậc nhất(FHA)
Ta có thể xem phía thứ cấp của máy biến áp là mạng một cửa,do mạch chỉnh
lưu phía thứ cấp đóng vai trị biến trở nên điện trở tải tương đương khác với điện
trở tải thực tế. Mạch phía sơ cấp được thay thế bằng nguồn dịng hình sin ( I ac) và
sóng vng điện áp (V RI ) xuất hiện ở đầu vào của bộ chỉnh lưu.

Hình 13 Điện trở tải tương đương

13


Trên Hình 14 đã mơ tả q trình biến đổi của dịng điện thứ cấp máy biến
áp,từ đó ta tính được các thơng số dịng áp và giá trị tải tương đương ( Với n là hệ
số máy biến áp ):
πIo
sin ⁡(ωt)
2

Dòng điện vào chỉnh lưu :


I ac =

Điện áp vào chỉnh lưu(Bậc nhất):

V FRI =

(1.0)

4 Vo
sin(ωt )
π

(1.1)

Vậy điện trở tương đương phía thứ cấp được tính theo cơng thức:
V FRI V FRI 8 Vo 8
Rac = F =
=
= Ro
I ac I ac π 2 Io π 2

(1.2)

Điện trở tương đương được qui đổi về phía sơ cấp:
8∗n2
Rac = 2 Ro
π

(1.3)


Hình 14 Mạch điện tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng half-bright
LLC
Trong đó thành phần V dF và V FRO là thành phần cơ bản bậc nhất của điện áp
vào và ra bể cộng hưởng.
Sau khi chuyển đổi mạch điện tương đương ta dễ dàng tính được hệ số
khuếch đại (Gain) của bể cộng hưởng :
n 4 Vo
sin ( ωt )
V
nV
2n V o
π
M=
=
=
=
4 Vi
Vi
V
V
sin ( ωt )
π 2
F
RO
F
d

F
RI
F

d

14


|

ω2 Lm Rac C r

¿

Trong đó:

Rac =
ω o=

ω2
ω2
2
.
L
+
n
L
+
R
.
1−
( m
lks )

ac
ω 2o
ω 2p

( )

jω . 1−

(

|

)

(1.4)

8∗n2
Ro
π2

1
1
ω p=
,
√ Lr. Cr
√ L p . Cr (Hai tần số cộng hưởng )

L p=Lm + Llks , Lr=Llkp + Lm /¿( n2 Llks )

1.3.2 Phân tích ảnh hưởng của máy biến áp tới BBD cộng hưởng LLC

Trong sơ đồ cấu trúc mạch cộng hưởng LLC ta xét trường hợp biến áp lý
tưởng. Trong thực tế thiết kế, người ta sử dụng điện cảm tản sơ cấp và điện cảm
tản thứ cấp của biến áp để tham gia vào mạch cộng hưởng. Do đó có thể tiết kiệm
được chi phí và diện tích bản mạch in.

Hình 15 Mạch điện sau quy đổi của bộ biến đổi cộng hưởng Half-bright LLC
Trong Hình 16, Llkp là điện cảm tản sơ cấp, Llks là điện cảm tản thứ cấp và Lm
là điện cảm từ hóa của máy biến áp. Với máy biến áp xung thì số vịng dây của
cuộn dây sơ cấp và thứ cấp rất nhỏ nên điện trở nội rất nhỏ (có thể coi bằng 0)
cịn điện trở Rm của cuộn cảm từ hóa rất lớn (có thể coi bằng vơ cùng lớn) vì vậy
mạch điện tương đương của biến áp xung như trên.
Có thể viết thành :

15


|

ω 2 Lm Rac C r

M=

Trong đó : Q=

√ Lr /¿C , R
r

Rac

ω o=


ω2
ω2
.
L
+
R
.
1−
m
ac
ω 2o
ω 2p

( )

jω . 1−

ac

=

(

|

)

(1.5)


8∗n2
Ro ¿
π2

1
1
ω p=
,
√ Lr. Cr
√( L ¿ ¿ r + Lm ). Cr ¿

1.3.3 Đặc tính Gain

Hình 16 Đồ thị đặc tính Gain của BBD cộng hưởng LLC(m=5)
Từ trên hình ta thấy bộ biến đổi có hai tần số cộng hưởng fo và fp.Với tải
khác nhau thì các đường đặc tính đều quy tại một điểm ở tần số cộng hưởng f0. Ở
tần số lớn hơn tần số fo thì bộ biến đổi làm việc như bộ biến đổi nối tiếp. Ở tần số
cộng hưởng, hệ số khuếch đại điện áp được giữ không đổi với sự thay đổi của tải.
M ¿¿

Các giá trị hệ số khuếch đại đỉnh (peak) có tần số nằm trong khoảng giữa fo
và fp. Khi Q giảm (giảm tải), tần số khi M max chuyển sang fp và thu được lợi
nhuận cao hơn. 9 Khi Q tăng (tải tăng), tần số khi M max chuyển sang và lợi
nhuận giảm xuống.

16


1.3.4 Các chế độ hoạt động của mạch cổng hưởng LLC
Đầu tiên chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách kiểm tra chi tiết các dạng sóng hoạt

động khi hệ thống hoạt động ở tần số cộng hưởng. Để đơn giản, ta sẽ xem xét một
bộ chuyển đổi nửa cầu ở phía sơ cấp và một bộ chỉnh lưu tồn sóng ở phía thứ
cấp. Điốt D1, D2 và tụ điện C1, C2 đã được vẽ rõ ràng ở đây nhưng về cơ bản là
một phần của ký sinh trùng MOSFET.
a,Hoạt động ở tần số cộng hưởng ( f sw =f o ¿

Hình 17 Dạng sóng của các thành phần trong mạch cộng hưởng LLC( f sw =f r ¿
 Chế độ 1( t < to):

Hình 18 Hoạt động của bộ Half – bridge LLC trong chế độ 1
17


Giả sử ,tại thời điểm tđiện áp đặt trên tụ kí sinh của van bằng V dc .Dịng điện chảy trong bể cộng hưởng
theo chiều âm qua Q2 ,chiều dòng điện sơ cấp máy biến áp khi này là chiều đi ra
điểm trung tính, do vậy dịng điện phía thứ cấp làm cho Diode D4 phân cực thuận
dẫn dòng điện ra tải.
 Chế độ 2( to
Hình 19. Hoạt động của bộ half – bridge LLC trong chế độ 2
Tại thời điểm t0 khiển (được gọi là vùng thời gian chết) .Trong khoảng thời gian này dòng điện
chảy qua bể cộng hưởng bằng giá trị dịng từ hóa máy biến áp. Ở phía sơ cấp ta
thấy có dịng điện từ hóa chạy qua sẽ bắt đầu phóng điện tụ C1 và nạp điện cho tụ
C2. Dịng điện từ hóa phải đủ lớn để sạc / xả tụ điện trước khi khoảng thời gian
chết kết thúc, do đó việc tính tốn thời gian deadtime và thiết kế điện cảm Lm rất
quan trọng .Ở phía thứ cấp máy biến áp hai Diode phía thứ cấp D3, D4 đều bị
phân cực ngược. Lúc này tụ điện đầu ra đang cung cấp dòng điện cần thiết cho
tải.

 Chế độ 3( t1
Hình 20 Hoạt động của bộ half – bridge LLC trong chế độ 3

18


Trong khoảng thời gian t1 được xả hồn tồn và dịng điện sẽ được dẫn quan Diode kí sinh D1,khi đó
MOSFET phía trên (Q1) bắt đầu chuyển sang trạng thái bật . Khi MOSFET (Q1)
được kích hoạt, tổn hao chuyển mạch bằng 0, do đó nhận được chuyển mạch
mềm với điện áp bằng khơng (ZVS).
 Chế độ 4( t2
Hình 21 Hoạt động của bộ half – bridge LLC trong chế độ 4
Tại thời điểm t2 khoảng thời gian đầu tiên diễn ra q trình chuyển mạch . Dịng điện trong bể
cộng hưởng được cung cấp bởi nguồn điện áp đầu vào và dịng điện từ hóa được
tạo ra bởi điện áp sơ cấp của máy biến áp. Cuộn cảm từ hóa được kẹp ở điện áp
này, do đó dịng điện từ hóa tăng tuyến tính:
I m=

1
V dt
Lm ∫ Lm

(1.6)

Dịng điện trong bể cộng hưởng hình sin chạy trong máy biến áp sẽ tạo ra
dịng điện gần hình sin ở phía thứ cấp liên quan đến tỷ số vịng quay của máy biến

áp. Vào cuối chu kỳ chuyển mạch, dòng điện chạy qua diode D3 sẽ bằng 0, do đó
việc chuyển đổi dịng bằng khơng đạt được ở phía thứ cấp.
 Chế độ 5( t3
Hình 22 Hoạt động của bộ half – bridge LLC trong chế độ 5
19


Tại khoảng thời gian t3 điện từ hóa. Hoạt động của mạch giống như khoảng thời gian deadtime trước đó
ngoại trừ lúc này, tụ điện C1 đang được sạc trong khi tụ điện C2 được phóng
điện.Ở phía thứ cấp ,do khơng có năng lượng cung cấp từ phía sơ cấp nên tụ sẽ
phóng năng lượng để cấp cho tải.Hoạt động của mạch trong các khoảng thời gian
còn lại sẽ là ngược lại của nửa chu kỳ đầu tiên
a,Hoạt động ở dưới tần số cộng hưởng ( f sw < f o ¿

Hình 23 Dạng sóng của các thành phần trong mạch cộng hưởng LLC( f sw < f r ¿
Trước đó chúng ta đã xem xét chi tiết hoạt động của mạch LLC khi hoạt
động ở tần số cộng hưởng, chúng ta sẽ xem xét sự khác biệt trong hoạt động của
mạch khi bộ chuyển đổi hoạt động trên và dưới tần số cộng hưởng cộng
hưởng(fo).
Khi hoạt động dưới cộng hưởng, sóng sin cơ bản của bể cộng hưởng sẽ có
chu kỳ ngắn hơn chu kỳ chuyển mạch (giảm tần số chuyển mạch
tăng
chu kỳ chuyển mạch). Từ hình vẽ, chúng ta có thể thấy rằng dịng điện qua bể
cộng hưởng ( I r) sẽ bằng dịng điện từ hóa trước khi nửa chu kỳ kết thúc (tx - t3).
Từ thời điểm này trở đi dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp là dịng điện từ hóa.Ở
phía bên thứ cấp máy biến áp các Diode đều không dẫn ở thời điểm t x .
a,Hoạt động ở trên tần số cộng hưởng ( f sw > f o ¿
Hoạt động của mạch bị đảo ngược so với hoạt động bên dưới cộng hưởng.Vì

chu kỳ cộng hưởng dài hơn chu kỳ chuyển mạch, ở cuối nửa chu kỳ chuyển
mạch, dòng điện trong bể cộng hưởng cao hơn dịng điện từ hóa. Trong khoảng
20


thời gian chết, dòng điện trong bể giảm nhanh đến giá trị của dịng từ hóa, để một
nửa chu kỳ mới có thể bắt đầu.

Hình 24 Dạng sóng của các thành phần trong mạch cộng hưởng LLC( f sw > f r ¿

Chương II:Thiết kế mạch lực
Yêu cầu thiết kế:





Vin=DC380 V
Vout=DC54V-72V
Pout=2.5 kW
Hiệu suất ɳ > 95%

2.1 Thực hiện thiết kế
2.1.1 Tính tốn bể cộng hưởng
 Bước I:Xác định các thơng số kĩ thuật của hệ thống
 Dải điện áp đầu vào : Chọn độ đập mạch của điện áp đầu vào khoảng 10%Vin
Vi nmax =420(V )
Vi nmin =340(V )

 Giá trị điện áp đầu ra trung bình:

21


Vou t nom=63(V )

 Bước II:Xác định dải biến đổi điện áp
 Chọn mạch tạo xung vuông là sơ đồ nửa cầu với van Mosfet do tính yêu cầu
thiết kế mạch hạ áp nên không cần thiết tạo xung vuông với biên độ lớn ,đồng
thời cịn giảm tổn hao khóa cứng van .Phía thứ cấp máy biến áp để đạt được
chất lượng điện áp tốt hơn nên sử dụng mạch chỉnh lưu cầu .

Hình 25 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LLC được lựa chọn
 Tỷ số máy biến áp :
n=

V nom
380
¿
=
≈3
nom
2∗63
2 V out

 Điện trở tương đương:
2

8∗n2
8∗n2 V out 8∗3 2 632
Rac = 2 Ro= 2

= 2
=11.582 (Ω)
π
π Pout
π 2500

 Hệ số Gain tính tốn được :
M max =

n. V max
out
V

min
¿

/2

=

3∗72
=1.27
340/ 2

n. V min
3∗54
M min = maxout =
=0.771
420
V¿

2
2

 Bước III:Lựa chọn hệ số m và Q

 Để đơn giản cho việc tính tốn ,cơng thức (1.5) được rút gọn như sau:

22


M=

F 2x ( m−1 )
2

2

2

√ (m . F −1 ) + F . ( F −1 ) . ( m−1 ) . Q
2
x

2
x

2
x

2

(2.1)

Trong đó :
Q=

√ Lr /C r
Rac

8∗n2
Rac = 2 Ro
π
f
F x= s
fr
1
f o=
2 π √ Lr .C r
Lr + Lm
m=
Lr

Hệ số chất lượng

(2.2)

Tải tương đương

(2.3)

Tỷ số giữa tần số chuyển mạch và tần số cộng hưởng

(Chọn

f o=100 KHz ¿ Tần số cộng hưởng

Tỷ số điện cảm

(2.4)
(2.5)

Hình 26. Đồ thị đặc tính Gain với m=4.5
 Chọn :

Q=0.35 và m=4.5

Dựa vào hệ số Gain( M min , M max ¿ và đồ thị đặc tính Hình 26 ,xác định được dải tần
số chuyển mạch:
f max
s =160000 Hz
f min
s =78000 Hz

 Bước IV:Thông số bể cộng hưởng với tần số f o=100 kHz
Từ công thức (2.2) ,(2.3) ,(2.4) ,(2.5) :
23


C r=



1
2 π . Q. f o . R ac
¿

Lr =


¿

(2.6)

1
2 π∗0.35∗100000∗11.582

= 0.3926 (uF)

1
2
( 2 π∗f o ) ∗Cr

(2.7)

1
=6.4519(uH )
( 2 π∗100000 ) ∗0. 3926∗10−6



2

Lm= ( m−1 ) . Lr

(2.8)

¿ ( 4.5−1 )∗6.24519∗10−6 =22.5816(uH )

Kiểm tra lại các giá trị :
1
1
 f o= 2 π L .C =
√ r r 2 π∗√ 0.3926∗10−6∗6.4519∗10−6
¿ 100000.2695( Hz)
L /C

√ r r √6.4519∗10 / 0.3926∗10
 Q= R =
11.582
ac
−6

−6

¿ 0.35

2.1.2 Tính tốn các thơng số dòng điện :

 Mối quan hệ giữa các giá trị:
 Điện áp vào bể cộng hưởng-thành phần bậc nhất của xung vuông:

2
v Fd ( t)= ∗V dc∗sin ⁡( 2 π f s t)
π

(2.9)

Từ đó tính được giá trị hiệu dụng (RMS):
2
V dF= √ ∗V dc
π

(2.10)

 Điện áp đầu ra của bể cộng hưởng ( điện áp trên cuộn cảm Lm ) :
4
v Fpr (t)= ∗n∗V o∗sin ⁡(2 π f s t−φV )
π

(2.11)

Trong đó φ V là độ lệch pha giữa v Fd và v Fpr ,giá trị hiệu dụng (RMS) :
24


V Fpr=

2 √2
∗n∗V o
π

(2.12)

 Dịng điện phía sơ cấp của máy biến áp:
π
∗1
2
(2.13)
i pr (t )=
∗I o∗sin ⁡( 2 π f s t−φi)
n
Trong đó φ ilà độ lệch pha giữa v Fpr và i pr ,giá trị hiệu dụng (RMS) :
π
∗1
(2.14)
2 √2
I pr=
∗I o
n

 Giá trị hiệu dụng của dòng từ hóa:
2 √2
∗n∗V o
V oe
V oe
π
I m=
=
=
X Lm ω s . Lm
2 πf s . Lm

(2.15)

 Giá trị hiệu dụng của dòng điện trong bể cộng hưởng:
I r= √ I 2m + I 2oe

(2.16)

 Tính giá trị dịng điện:
π



π
2 2
I pr(RMS )= √
n

∗1
∗I o=

2 √2
3

∗1
∗2500
62

¿ 14.692( A)



2 √2
2 √2
∗n∗V o
∗3∗63
π
π
I m( RMS)=
=
2 πf s . Lm
2 π∗100000∗22.5816∗10−6

¿ 11.993( A)

2
2
2
2
 I r (RMS)= √ I m + I oe=√ 14.692 + 11.993

¿ 18.965( A)

2.1.3 Xét điều kiện chuyển mạch mềm ZVS

Ngoài điều kiện cần về miền hoạt động ở vùng tính cảm kháng, để đạt được
ZVS, ta còn cần 1 điều kiện đủ nữa. Đó là phải mở được diode trong của
MOSFET trong khoảng thời gian t dead.
25