Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với vấn đề nóng lên và cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo ước tính, khoảng 30% tổng mức tiêu thụ năng lượng và 60% mức tiêu thụ điện năng toàn cầu được sử dụng trong các tòa nhà, trong đó chiếu sáng chiếm một phần lớn. Đèn LED với hiệu suất phát sáng cao, tuổi thọ trên 100.000 giờ và khả năng tiết kiệm năng lượng lên đến 40% so với các nguồn sáng truyền thống, đã trở thành giải pháp chiếu sáng ưu việt. Tuy nhiên, để tận dụng tối đa ưu điểm của đèn LED, các bộ lái LED (LED driver) cần được thiết kế hiệu quả, đảm bảo cung cấp dòng điện một chiều ổn định, hệ số công suất gần bằng 1 và hiệu suất cao trên 90%.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển bộ biến đổi DC-DC ứng dụng trong bộ lái LED, bao gồm bộ lái LED một tầng sử dụng bộ chuyển đổi Flyback và bộ lái LED hai tầng với cấu hình Half-Bridge LLC resonant. Phạm vi nghiên cứu bao gồm dải điện áp đầu vào rộng từ 150 đến 260 VAC, với mục tiêu đạt hiệu suất trên 90%, hệ số công suất bằng 1 theo tiêu chuẩn IEC61000-3-2 và đảm bảo cách ly điện giữa sơ cấp và thứ cấp. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ đầu năm 2023 đến cuối năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Việc phát triển các bộ lái LED hiệu quả không chỉ góp phần giảm tiêu thụ năng lượng trong chiếu sáng mà còn nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống chiếu sáng, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường do giảm phát thải khí nhà kính. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng dân dụng, công nghiệp và chiếu sáng công cộng, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết chuyển đổi DC-DC: Tập trung vào hai cấu hình chính là Flyback và Half-Bridge LLC resonant. Bộ chuyển đổi Flyback hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM), sử dụng mô hình không gian trạng thái tín hiệu lớn và nhỏ để phân tích và điều khiển. Bộ chuyển đổi LLC resonant sử dụng kỹ thuật chuyển mạch cộng hưởng mềm (soft switching) nhằm giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI, phù hợp với công suất trung bình và cao.

  • Mô hình điều khiển PFC (Power Factor Correction): Tích hợp trong bộ lái LED nhằm đạt hệ số công suất gần bằng 1, tuân thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2. Phương pháp điều khiển gồm vòng điều khiển lồng nhau, vòng ngoài điều khiển dòng điện tải và vòng trong điều khiển dòng điện đầu vào theo dạng sóng sin.

  • Khái niệm chính:

    • Chế độ dẫn liên tục (CCM): Dòng điện cuộn cảm không giảm về 0 trong chu kỳ chuyển mạch.
    • Chế độ chuyển mạch cộng hưởng (Resonant Switching): Giúp giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI.
    • Mô hình không gian trạng thái: Phân tích hệ thống điện tử công suất dưới dạng phương trình vi phân để thiết kế bộ điều khiển.
    • Mô hình tín hiệu nhỏ và tín hiệu lớn: Phân tích đáp ứng hệ thống với các dao động nhỏ quanh điểm hoạt động ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện qua ba bước chính:

  1. Tìm hiểu và đánh giá: Tổng hợp các công nghệ bộ lái LED và bộ chuyển đổi DC-DC hiện có, phân tích ưu nhược điểm của bộ lái một tầng và hai tầng công suất, từ đó xác định hướng nghiên cứu phù hợp.

  2. Mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng Matlab Simulink để xây dựng mô hình không gian trạng thái, mô hình tín hiệu nhỏ và lớn của bộ chuyển đổi Flyback và Half-Bridge LLC. Mô phỏng các điều kiện điện áp đầu vào khác nhau (150-260 VAC) và tải thay đổi để đánh giá hiệu suất, hệ số công suất và ổn định hệ thống.

  3. Thiết kế và thực nghiệm phần cứng: Thiết kế bộ lái LED một tầng công suất 70W sử dụng Flyback quasi-resonant với bộ điều khiển NCL30186 và bộ lái LED hai tầng công suất 250W với cấu hình Half-Bridge LLC. Thực hiện đo đạc hiệu suất, hệ số công suất, dạng sóng điện áp và dòng điện, cũng như kiểm tra nhiễu EMI tại phòng thí nghiệm chuyên dụng.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mô hình mô phỏng và các bộ lái LED thực nghiệm được thiết kế và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm điện tử công suất Pelab 115B1. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các cấu hình phổ biến trong công nghiệp và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống chiếu sáng LED hiện đại. Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ mô phỏng và thiết bị đo chuyên dụng như dao động ký TDS2024B, đồng hồ đo điện kỹ thuật số NAPUI PM9811 và hệ thống kiểm tra EMI AFJ LS16C-10.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất và hệ số công suất của bộ lái LED một tầng Flyback:

    • Hiệu suất đạt ổn định khoảng 91% ở công suất đầu ra định mức 65W trong dải điện áp đầu vào từ 150,9 đến 260,7 V.
    • Hệ số công suất gần bằng 1, với dòng điện đầu vào có dạng sóng sin và cùng pha với điện áp, đáp ứng tiêu chuẩn IEC61000-3-2.
    • Ở tải nhỏ (10% công suất định mức), hiệu suất giảm xuống khoảng 84,2% do tổn thất trên máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn hơn.

  2. Ổn định dòng điện và điều khiển PFC trong bộ lái LED một tầng:

    • Dòng điện đầu ra được điều khiển ổn định ở mức 0,5A và tăng lên 1A trong thử nghiệm mô phỏng, với dòng điện đầu vào bám sát dạng sóng điện áp, đảm bảo hệ số công suất bằng 1.
    • Dòng từ hóa trên biến áp duy trì liên tục trong dải điện áp đầu vào 150-250 VAC, chứng tỏ hoạt động ổn định ở chế độ CCM.

  3. Hiệu quả giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI:

    • Bộ điều khiển quasi-resonant giúp giảm tổn thất chuyển mạch MOSFET tới 74% so với flyback truyền thống, nhờ bật MOSFET tại valley đầu tiên hoặc thứ hai của điện áp chuyển mạch.
    • Nhiễu EMI được giảm đáng kể, phù hợp với các tiêu chuẩn tương thích điện từ cho thiết bị chiếu sáng.

  4. Ưu điểm của bộ lái LED hai tầng Half-Bridge LLC:

    • Phù hợp với công suất từ 100W trở lên, cải thiện hiệu suất và giảm nhấp nháy điện áp trên LED so với bộ lái một tầng.
    • Mô hình hóa và mô phỏng cho thấy bộ lái hai tầng có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra rộng và tải biến đổi với sự thay đổi nhỏ của tần số chuyển mạch, đạt hiệu suất cao và hệ số công suất tốt.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy bộ lái LED một tầng Flyback quasi-resonant là giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất thấp đến trung bình, với hiệu suất trên 90% và hệ số công suất gần bằng 1. Việc sử dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm giúp giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị. Tuy nhiên, nhược điểm của bộ lái một tầng là dòng điện gợn sóng trên tải, không phù hợp cho chiếu sáng công cộng hoặc các ứng dụng yêu cầu chất lượng dòng điện cao.

Bộ lái LED hai tầng với cấu hình Half-Bridge LLC resonant khắc phục được các hạn chế trên, đặc biệt phù hợp với công suất lớn hơn 100W. Mô hình hóa và mô phỏng cho thấy khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra linh hoạt và hiệu suất cao nhờ kỹ thuật chuyển mạch cộng hưởng, đồng thời giảm thiểu nhấp nháy và tăng độ ổn định dòng điện. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển bộ lái LED công suất trung bình và cao, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về hiệu suất và tương thích điện từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất theo điện áp đầu vào và tải, dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào/đầu ra, cũng như biểu đồ nhiễu EMI để minh họa sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và chất lượng điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển bộ lái LED một tầng Flyback cho ứng dụng công suất thấp:

    • Tăng cường ứng dụng kỹ thuật chuyển mạch quasi-resonant để giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI.
    • Mục tiêu đạt hiệu suất trên 90% và hệ số công suất gần bằng 1 trong dải điện áp đầu vào 150-260 VAC.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị điện tử công suất.

  2. Ứng dụng bộ lái LED hai tầng Half-Bridge LLC cho chiếu sáng công cộng và công nghiệp:

    • Thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển PFC và LLC để đảm bảo hiệu suất cao, giảm nhấp nháy và tăng độ ổn định dòng điện.
    • Mục tiêu đạt hiệu suất trên 92% và tuân thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2.
    • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ chiếu sáng.

  3. Nâng cao chất lượng và độ tin cậy của bộ lái LED thông qua kiểm soát nhiệt độ và bảo vệ quá dòng:

    • Tích hợp cảm biến nhiệt độ và mạch bảo vệ để tránh hiện tượng quá nhiệt gây hỏng LED.
    • Mục tiêu giảm tỷ lệ hỏng hóc thiết bị xuống dưới 2% trong vòng 5 năm sử dụng.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế phần cứng.

  4. Đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển số cho bộ lái LED:

    • Sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển dự đoán (PFC predictive control) để tối ưu hóa hiệu suất và giảm THD.
    • Mục tiêu cải thiện hệ số công suất và giảm méo hài tổng (THD) xuống dưới 10%.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa:

    • Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa và điều khiển bộ biến đổi DC-DC ứng dụng trong LED driver.
    • Áp dụng phương pháp mô phỏng và thiết kế phần cứng trong các đề tài nghiên cứu tương tự.

  2. Kỹ sư thiết kế bộ nguồn và bộ lái LED trong ngành điện tử công suất:

    • Tham khảo các kỹ thuật điều khiển PFC và chuyển mạch cộng hưởng để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy sản phẩm.
    • Áp dụng các giải pháp thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển đã được kiểm chứng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị chiếu sáng LED:

    • Tối ưu hóa thiết kế bộ lái LED nhằm giảm chi phí, tăng hiệu suất và đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về hiệu suất và tương thích điện từ.
    • Nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và tổ chức tiêu chuẩn kỹ thuật:

    • Tham khảo các kết quả nghiên cứu để xây dựng hoặc cập nhật các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến bộ lái LED và hiệu suất năng lượng.
    • Đánh giá các công nghệ mới nhằm thúc đẩy phát triển bền vững trong lĩnh vực chiếu sáng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ lái LED một tầng Flyback có ưu điểm gì so với bộ lái hai tầng?
    Bộ lái một tầng Flyback có thiết kế đơn giản, chi phí thấp và hiệu suất cao (khoảng 90-91%) trong công suất thấp đến trung bình. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là dòng điện gợn sóng trên tải và không phù hợp cho công suất lớn hoặc chiếu sáng công cộng.

  2. Tại sao cần tích hợp bộ điều khiển PFC trong bộ lái LED?
    Bộ điều khiển PFC giúp cải thiện hệ số công suất gần bằng 1, giảm méo hài tổng (THD), tuân thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2, từ đó giảm tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện năng cho hệ thống chiếu sáng.

  3. Kỹ thuật chuyển mạch cộng hưởng LLC có lợi ích gì?
    Kỹ thuật này giúp giảm tổn thất chuyển mạch, giảm nhiễu EMI, cho phép hoạt động ở tần số cao, nâng cao hiệu suất và độ ổn định dòng điện, đặc biệt phù hợp với công suất trung bình và cao trên 100W.

  4. Hiệu suất bộ lái LED thay đổi như thế nào khi tải thay đổi?
    Hiệu suất giảm khi tải thấp do tổn thất trên máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn hơn, ví dụ hiệu suất giảm xuống khoảng 84,2% ở tải 10% công suất định mức. Khi tải trên 50%, hiệu suất ổn định trở lại khoảng 91%.

  5. Làm thế nào để giảm nhiễu EMI trong bộ lái LED?
    Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm (quasi-resonant hoặc soft switching) giúp giảm điện áp chuyển mạch đột ngột, từ đó giảm nhiễu EMI. Ngoài ra, thiết kế bộ lọc EMI và tuân thủ các tiêu chuẩn tương thích điện từ cũng rất quan trọng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình hóa và điều khiển bộ biến đổi DC-DC ứng dụng trong bộ lái LED một tầng Flyback và hai tầng Half-Bridge LLC, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, hệ số công suất và cách ly điện.
  • Bộ lái LED một tầng Flyback đạt hiệu suất ổn định trên 90% và hệ số công suất gần bằng 1 trong dải điện áp đầu vào rộng 150-260 VAC.
  • Bộ lái LED hai tầng Half-Bridge LLC phù hợp với công suất trên 100W, cải thiện hiệu suất và giảm nhấp nháy điện áp trên LED, thích hợp cho chiếu sáng công cộng và công nghiệp.
  • Kỹ thuật chuyển mạch mềm và điều khiển PFC tích hợp giúp giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển các giải pháp điều khiển số tiên tiến và tích hợp cảm biến bảo vệ để nâng cao hiệu quả và độ bền của bộ lái LED.

Next steps: Triển khai thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển nâng cao, mở rộng thử nghiệm thực tế tại các ứng dụng chiếu sáng khác nhau, đồng thời nghiên cứu tích hợp các công nghệ IoT để giám sát và điều khiển từ xa.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực chiếu sáng LED được khuyến khích áp dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển sản phẩm hiệu quả, thân thiện môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế.