Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Hóa và Điều Khiển Bộ DCDC Ứng Dụng LED Driver

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điều khiển và tự động hóa mô hình hóa và điều khiển bộ dcdc ứng dụng led driver, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Bùi Đức An
• Người hướng dẫn: GS. Lê Minh Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Điều Khiển Bộ DC/DC Ứng Dụng LED Driver
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tổng quan về đèn LED
• 1.2. Bộ lái LED
• 1.3. Nhiệm vụ luận văn
• 1.3.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3.2.1. Tìm hiểu và đánh giá
• 1.3.2.2. Mô hình hóa và mô phỏng trên Matlab
• 1.3.2.3. Thiết kế các bộ lái LED
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI FLYBACK
• 2.1. Nguyên lý hoạt động Flyback
• 2.1.1. Chế độ CCM
• 2.1.2. Mô hình không gian trạng thái tín hiệu lớn và nhỏ trong CCM
• 2.1.3. Các mô hình tín hiệu nhỏ trong miền tần số
• 2.2. Thiết kế bộ lái LED một tầng
• 2.3. Kết quả thực nghiệm bộ lái LED một tầng
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ CHUYỂN ĐỔI LLC
• 3.1. Nguyên lý hoạt động bộ chuyển đổi LLC
• 3.2. Mô hình hóa và mô phỏng bộ lái LED hai tầng công suất
• 3.3. Thiết kế bộ lái LED hai tầng công suất
• 3.4. Kết quả thực nghiệm bộ lái LED hai tầng
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô Hình Hóa và Điều Khiển Bộ DCDC Ứng Dụng LED Driver

Mô hình hóa và điều khiển bộ DCDC ứng dụng LED Driver là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Các bộ lái LED không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất chiếu sáng. Việc nghiên cứu và phát triển các bộ chuyển đổi DC-DC cho LED Driver đang trở thành xu hướng chính trong ngành công nghiệp chiếu sáng hiện đại.

1.1. Đèn LED và Tầm Quan Trọng của Bộ DCDC

Đèn LED đã trở thành nguồn sáng chính nhờ vào hiệu suất phát sáng cao và tuổi thọ dài. Bộ DCDC giúp cung cấp dòng điện ổn định cho đèn LED, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

1.2. Các Công Nghệ Bộ Chuyển Đổi DC DC Hiện Nay

Các công nghệ bộ chuyển đổi DC-DC hiện nay bao gồm Flyback và Half-Bridge LLC resonant. Mỗi công nghệ có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Mô Hình Hóa Bộ DCDC

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc mô hình hóa và điều khiển bộ DCDC ứng dụng LED Driver cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, hiệu suất và chi phí sản xuất cần được giải quyết để đảm bảo tính khả thi của các giải pháp.

2.1. Độ Ổn Định và Hiệu Suất Hệ Thống

Độ ổn định của hệ thống là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động liên tục của bộ lái LED. Các phương pháp điều khiển như PID có thể được áp dụng để cải thiện độ ổn định.

2.2. Chi Phí và Tính Khả Thi Trong Sản Xuất

Chi phí sản xuất các bộ DCDC cần được tối ưu hóa để đảm bảo tính khả thi trong thương mại. Việc sử dụng các linh kiện chất lượng cao và thiết kế hiệu quả có thể giúp giảm chi phí.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Bộ DCDC Ứng Dụng LED Driver

Để mô hình hóa bộ DCDC ứng dụng LED Driver, các phương pháp như mô phỏng trên Matlab Simulink và thiết kế phần cứng là rất quan trọng. Những phương pháp này giúp kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

3.1. Mô Phỏng Trên Matlab Simulink

Mô phỏng trên Matlab Simulink cho phép kiểm tra các đặc tính của bộ DCDC trong điều kiện thực tế. Điều này giúp phát hiện sớm các vấn đề và tối ưu hóa thiết kế.

3.2. Thiết Kế Phần Cứng Bộ DCDC

Thiết kế phần cứng cho bộ DCDC cần đảm bảo tính hiệu quả và độ tin cậy. Việc lựa chọn linh kiện và cấu hình mạch là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ DCDC Trong LED Driver

Bộ DCDC ứng dụng LED Driver có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chiếu sáng. Từ các hệ thống chiếu sáng công cộng đến các ứng dụng trong nhà, bộ DCDC giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

4.1. Hệ Thống Chiếu Sáng Công Cộng

Trong các hệ thống chiếu sáng công cộng, bộ DCDC giúp cung cấp ánh sáng ổn định và tiết kiệm năng lượng, góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng Dụng Trong Chiếu Sáng Nội Thất

Bộ DCDC cũng được sử dụng trong chiếu sáng nội thất, giúp tạo ra không gian sống thoải mái và tiết kiệm điện năng cho người sử dụng.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Mô Hình Hóa Bộ DCDC

Mô hình hóa và điều khiển bộ DCDC ứng dụng LED Driver đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực chiếu sáng. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ LED và bộ DCDC sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều cải tiến về hiệu suất và độ tin cậy. Các nghiên cứu mới sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng.

5.2. Tác Động Đến Ngành Công Nghiệp

Sự phát triển của bộ DCDC ứng dụng LED Driver sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp chiếu sáng, giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống chiếu sáng nhân tạo hiện chiếm khoảng 30% tổng năng lượng tiêu thụ và xấp xỉ 60% tổng lượng điện năng sử dụng trong các tòa nhà thương mại và dân dụng trên quy mô toàn cầu. Trước sức ép của biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt tài nguyên hóa thạch, công nghệ điốt phát quang (LED) đã trở thành giải pháp đột phá với khả năng chuyển hóa đến 40% điện năng thành quang năng, vượt trội hoàn toàn so với mức 5% đến 15% của đèn sợi đốt và huỳnh quang truyền thống, đồng thời sở hữu tuổi thọ vận hành ấn tượng trên 100.000 giờ.

Tuy nhiên, đặc tính vật lý tiếp giáp p-n của LED mang hệ số nhiệt điện áp âm: khi nhiệt độ mối nối tăng, điện áp rơi giảm khiến dòng điện tăng vọt theo hàm mũ, tiềm ẩn nguy cơ phá hủy linh kiện do quá nhiệt nếu sử dụng nguồn áp thông thường. Do đó, việc thiết kế các bộ biến đổi nguồn DC-DC hoạt động như một nguồn dòng không đổi là yêu cầu kỹ thuật mang tính sống còn. Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn quốc tế nghiêm ngặt như IEC 61000-3-2 Class C bắt buộc thiết bị chiếu sáng phải tích hợp mạch hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) để duy trì hệ số công suất tiệm cận 1,0 và hạn chế tối đa sóng hài bậc cao gây ô nhiễm lưới điện.

Nghiên cứu này tập trung vào bài toán mô hình hóa, thiết kế và điều khiển hai cấu hình biến đổi công suất DC-DC có cách ly quang điện: bộ biến đổi một tầng Flyback Quasi-Resonant công suất 70W phục vụ chiếu sáng dân dụng và bộ biến đổi hai tầng tích hợp Boost PFC kết hợp Half-Bridge LLC Resonant công suất 250W phục vụ chiếu sáng công cộng. Toàn bộ hệ thống được khảo sát và thực nghiệm trong dải điện áp lưới đầu vào mở rộng từ 150 VAC đến 260 VAC, hướng tới mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trên 90%, triệt tiêu độ nhấp nháy quang học và tuân thủ các quy chuẩn khắt khe về tương thích điện từ (EMI).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tiếp giáp bán dẫn p-n với phương trình dòng-áp kinh điển của Shockley: $I = I_0(e^{qV/KT} - 1)$, chứng minh sự phụ thuộc phi tuyến sâu sắc giữa dòng điện qua LED, điện áp chuyển tiếp và nhiệt độ làm việc. Khung lý thuyết điều khiển nguồn xung (SMPS) được áp dụng nhằm nâng hiệu suất chuyển đổi từ mức 30% của nguồn tuyến tính lên dải 85% - 95%.

Đối với cấu hình một tầng, tác giả sử dụng phương pháp trung bình hóa không gian trạng thái (State-Space Averaging) trong chế độ dòng điện liên tục (CCM) để thiết lập mô hình tín hiệu lớn phi tuyến và mô hình tín hiệu nhỏ tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Từ hệ phương trình trạng thái Laplace miền tần số, sáu hàm truyền then chốt bao gồm quan hệ giữa tỷ số chu kỳ xung với dòng điện từ hóa $G_{id}(s)$ và điện áp đầu ra $G_{vd}(s)$ được xác lập chính xác.

Đối với cấu hình hai tầng, lý thuyết xấp xỉ sóng hài bậc một (Fundamental Harmonic Approximation - FHA) được triển khai để giải bài toán mạng cộng hưởng LLC. Cấu trúc này khai thác hiện tượng cộng hưởng giữa tụ điện $C_r$, điện cảm rò $L_r$ và điện cảm từ hóa $L_m$ của biến áp xung để đạt trạng thái chuyển mạch điện áp bằng không (ZVS) cho các khóa bán dẫn MOSFET, giúp loại bỏ triệt để tổn thất đóng cắt ở tần số cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu triển khai phương pháp phối hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng số trị trên nền tảng Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm phần cứng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hai mô hình phần cứng độc lập: bộ nguồn Flyback 70W (tần số định mức 65 kHz) và bộ nguồn LLC 250W (tần số cộng hưởng 133 kHz), được đo kiểm qua 15 kịch bản thử nghiệm tải từ 10% đến 100% công suất định mức và quét dải điện áp lưới từ 150 VAC đến 260 VAC.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm dựa trên nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo các mức điện áp danh định (150V, 180V, 220V, 260V) nhằm đảm bảo tính đại diện cho độ bất định của lưới điện thực tế. Lý do lựa chọn kết hợp mô hình không gian trạng thái với phần mềm mô phỏng chuyên dụng là nhằm kiểm soát chính xác độ dự trữ biên và độ dự trữ pha của hệ thống kín trước khi gia công mạch in. Quá trình thu thập dữ liệu sử dụng dao động ký số Tektronix TDS2024B, thiết bị phân tích công suất số NAPUI PM9811, đồng hồ vạn năng Fluke 119 và hệ thống đo kiểm nhiễu AFJ LS16C-10 tại phòng thí nghiệm chuyên chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm cho thấy bộ lái LED một tầng Quasi-Resonant Flyback 70W sử dụng chip điều khiển tích hợp NCL30186 và biến áp lõi ferrite PQ2625 ($L_m = 600\ \mu\text{H}$) vận hành vượt trội nhờ kỹ thuật valley switching. Khi điện áp vào đạt 180 VAC, khóa MOSFET đóng ở thung lũng điện áp thứ nhất với giá trị chỉ 160V thay vì 440V như cấu hình truyền thống, giúp giảm tới 74% tổn hao chuyển mạch. Ở điện áp danh định 220 VAC và đầy tải 65,6W, hiệu suất đạt 91,2%, hệ số công suất PF đạt 0,985 và độ méo hài tổng THD dòng điện duy trì dưới 12,5%. Tuy nhiên, nhược điểm của cấu hình một tầng là biên độ dòng gợn trên tải còn ở mức 1,0 A đỉnh-đỉnh tần số 100 Hz.

Đối với bộ lái LED hai tầng 250W (Boost PFC kết hợp Half-Bridge LLC), kết quả đo đạc khẳng định chất lượng vượt bậc. Tầng Boost PFC ổn định điện áp DC bus ở mức 400 VDC với hệ số công suất đạt 0,992, trong khi tầng Half-Bridge LLC cung cấp đầu ra 48 VDC - 5A đạt hiệu suất chuyển đổi lên tới 92,8% ở tải định mức. Các MOSFET nửa cầu đạt chuẩn ZVS trên toàn dải tải từ 20% đến 100%, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng quá nhiệt cục bộ. Biên độ dòng gợn ngõ ra giảm xuống dưới 1,5%, loại bỏ triệt để hiện tượng nhấp nháy quang học vốn có hại cho thị giác.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường thể hiện đặc tuyến hiệu suất theo mức tải và bảng phân tích phổ sóng hài dòng điện theo tiêu chuẩn quốc tế. Khi so sánh giữa hai cấu hình, bộ biến đổi một tầng thể hiện ưu thế vượt trội về chi phí sản xuất và kích thước nhỏ gọn do số lượng linh kiện bán dẫn giảm khoảng 40%, nhưng hiệu suất giảm nhanh xuống mức 84,2% khi tải giảm về 10% do tổn thất lõi từ chiếm ưu thế.

Ngược lại, cấu hình hai tầng Boost PFC kết hợp LLC Resonant thể hiện sự ổn định tuyệt đối về hiệu suất trong toàn dải công suất từ 100W đến 250W. Kết quả đo kiểm nhiễu điện từ bằng máy thu AFJ LS16C-10 cho thấy cả hai bộ driver đều có phổ phát xạ dẫn EMI thấp hơn đường giới hạn tiêu chuẩn EN 55015 từ 6 dB đến 10 dB nhờ cơ chế chuyển mạch mềm ZVS. Điều này chứng minh rằng việc tăng thêm tầng biến đổi không làm tăng tổn hao tổng thể nếu mạng cộng hưởng được tính toán tối ưu tại tần số 133 kHz.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm tối ưu hóa việc sản xuất và ứng dụng bộ nguồn LED driver:

1. Chuẩn hóa cấu hình Quasi-Resonant Flyback cho phân khúc dân dụng dưới 70W: Các kỹ sư R&D thuộc các nhà máy sản xuất thiết bị chiếu sáng cần áp dụng thuật toán nhảy thung lũng (valley skipping) và hồi tiếp cuộn sơ cấp nhằm cắt giảm 100% linh kiện optocoupler, hướng tới mục tiêu nâng hiệu suất tải nhẹ lên trên 88% và rút ngắn chu kỳ thiết kế phần cứng xuống dưới 3 tháng.
2. Triển khai module hai tầng Boost PFC kết hợp Half-Bridge LLC cho chiếu sáng công cộng: Các doanh nghiệp sản xuất đèn đường và đèn chiếu sáng công nghiệp trên 100W cần chuyển đổi sang cấu trúc cộng hưởng LLC để đạt hiệu suất trên 92% và khống chế độ gợn dòng dưới 2%, thực hiện lộ trình thương mại hóa trong vòng 6 đến 9 tháng tới.
3. Ứng dụng linh kiện bán dẫn công nghệ mới GaN và SiC MOSFET: Nhóm nghiên cứu đề xuất các viện nghiên cứu điện tử công suất tích hợp linh kiện GaN để nâng tần số chuyển mạch lên mức 300 kHz - 500 kHz trong giai đoạn 2025 - 2026, giúp giảm thể tích cuộn cảm và tụ điện lọc xuống khoảng 35%.
4. Xây dựng bộ điều khiển thích nghi kỹ thuật số trên nền tảng DSP/MCU: Đơn vị phát triển hệ thống điều khiển cần lập trình thuật toán điều khiển số hai vòng lặp lồng nhau với thời gian đáp ứng dưới 20 mili-giây, đảm bảo hệ số công suất luôn duy trì trên 0,98 khi điện áp lưới dao động từ 90 VAC đến 265 VAC.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung công trình mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về phương pháp mô hình hóa tín hiệu nhỏ trong không gian trạng thái, kỹ thuật biến đổi Laplace và phân tích ổn định hệ thống SMPS phi tuyến.
2. Kỹ sư thiết kế phần cứng và R&D nguồn xung (Power Supply Design Engineers): Hướng dẫn chi tiết từng bước tính toán thông số từ tính cho biến áp PQ2625, lựa chọn tụ cộng hưởng và xây dựng mạch lái cổng MOSFET chuyển mạch mềm ZVS.
3. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị chiếu sáng LED chiếu sáng đô thị: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chi phí sản xuất bộ driver 250W, đáp ứng trọn vẹn các tiêu chuẩn quốc tế về hiệu suất năng lượng và tương thích điện từ EMI/EMC.
4. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm học liệu mẫu phục vụ giảng dạy các học phần Điện tử công suất nâng cao, Thiết kế hệ thống nhúng và Điều khiển thiết bị biến đổi điện năng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đèn LED công suất lớn bắt buộc phải sử dụng nguồn dòng thay vì nguồn điện áp?

Đèn LED có đặc tính V-I phi tuyến dạng hàm mũ và hệ số nhiệt điện áp âm. Khi vận hành liên tục, nhiệt độ mối nối p-n tăng làm sụt áp chuyển tiếp, dẫn đến dòng điện tăng vọt nếu cấp nguồn áp cố định. Nguồn dòng không đổi giúp tự động điều chỉnh điện áp rơi theo nhiệt độ, ngăn chặn hiện tượng trôi nhiệt và kéo dài tuổi thọ chip LED trên 100.000 giờ.

Sự khác biệt cốt lõi về hiệu năng giữa bộ lái LED 1 tầng và 2 tầng là gì?

Bộ lái 1 tầng tích hợp chức năng PFC và chuyển đổi DC-DC trên cùng một biến áp giúp giảm 30% chi phí và kích thước, nhưng tạo ra dòng điện gợn 100 Hz khoảng 1 Apk-pk. Bộ lái 2 tầng tách biệt tầng Boost PFC và tầng LLC Resonant, triệt tiêu hoàn toàn sóng nhấp nháy, đạt hiệu suất trên 92,5% và phù hợp tuyệt đối cho công suất trên 100W.

Cơ chế Valley Switching trong cấu hình Flyback Quasi-Resonant giúp tiết kiệm năng lượng như thế nào?

Thay vì kích mở MOSFET ở thời điểm điện áp Vds đạt đỉnh 440V như nguồn xung cứng thông thường, mạch Quasi-Resonant phát hiện thời điểm điện cảm từ hóa xả hết năng lượng để kích mở khóa tại đáy sóng hình sin (khoảng 160V). Cơ chế này giúp giảm 74% tổn thất đóng cắt và hạn chế tối đa bức xạ nhiễu EMI.

Mạng cộng hưởng Half-Bridge LLC giải quyết bài toán suy giảm hiệu suất ở tần số cao như thế nào?

Mạng cộng hưởng LLC tích hợp ba phần tử $L_r$, $C_r$ và $L_m$ tạo ra góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sơ cấp. Trạng thái này cho phép dòng điện nạp/xả điện dung ký sinh của MOSFET trước khi kích xung mở cổng, tạo điều kiện chuyển mạch không điện áp (ZVS) hoàn hảo, duy trì hiệu suất trên 92% ngay cả ở tần số 133 kHz.

Quy trình kiểm thử tương thích điện từ EMI của bộ driver được thực hiện như thế nào?

Mô hình phần cứng được đo kiểm thực tế tại phòng thí nghiệm chuyên dụng bằng hệ thống phân tích phát xạ dẫn AFJ LS16C-10 ở điện áp 220 VAC và đầy tải 65W. Kết quả đo trên toàn dải tần từ 150 kHz đến 30 MHz đều nằm dưới ngưỡng quy định của tiêu chuẩn EN 55015 nhờ đường dẫn chuyển mạch mềm và bộ lọc thụ động đầu vào tối ưu.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học không gian trạng thái tín hiệu nhỏ cho bộ biến đổi Flyback CCM và mô hình FHA cho bộ biến đổi cộng hưởng Half-Bridge LLC.
• Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh phần cứng bộ LED driver 1 tầng Quasi-Resonant 70W đạt hiệu suất 91,2%, giảm 74% tổn hao chuyển mạch nhờ kỹ thuật valley switching.
• Chế tạo thành công module LED driver 2 tầng công suất 250W đạt hiệu suất chuyển đổi 92,8%, hệ số công suất PF đạt 0,992 và triệt tiêu hoàn toàn nhấp nháy quang học.
• Đạt chuẩn tương thích điện từ EMI theo tiêu chuẩn thiết bị chiếu sáng quốc tế qua đo kiểm thực tế trên hệ thống AFJ LS16C-10.
• Định hình quy trình tính toán, thiết kế và tối ưu hóa từ tính cho các bộ biến đổi công suất cách ly dải rộng từ 150 VAC đến 260 VAC.

Công trình luận văn thạc sĩ đã đóng góp một giải pháp toàn diện từ lý thuyết điều khiển đến ứng dụng thực tiễn cho ngành công nghiệp chiếu sáng LED hiệu suất cao tại Việt Nam. Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc số hóa hoàn toàn vòng điều khiển trên vi xử lý ARM Cortex và tích hợp vật liệu bán dẫn dải khe rộng GaN. Các kỹ sư và nhà phát triển quan tâm có thể ứng dụng ngay các thông số thiết kế mạch lực và giải thuật điều khiển từ công trình này để nâng cao chất lượng sản phẩm thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Tổng quang về đèn LED Ngay nay, do sự nóng lên toàn cầu và việc cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch đã trở thành mối quan tâm chính. Theo số liệu thống kê toàn cầu minh họa rằng khoảng 30% tổng mức tiêu thụ năng lượng và khoảng 60% mức tiêu thụ điện được chi cho các tòa nhà như hình 1. Hơn nữa, chiếu sáng là một trong những tiêu thụ chính của điện xây dựng và làm thế nào để cải thiện hiệu quả chiếu sáng là một vấn đề cần được giải quyết.1 Năng lợng tiêu thụ của một số khu vực. Trong những năm gần đây, ánh sáng LED trở thành nguồn sáng chính vì hiệu quả phát sáng của nó cao như được thể hiện trong Hình 1.

Ngoài ra so với các nguồn sáng truyền thống với cấu trúc vật lý độc đáo, đặc tính điện và quang học. Đèn LED có nhưng ưu điểm riêng. Ví dụ: 1) tiết kiệm năng lượng, 40% điện năng được chuyển thành ánh sáng; 2) tuổi thọ dài, hơn 100000 giờ; 3) đáp ứng nhanh, thời gian bắt đầu của đèn LED ở mức nano giây; 4) đóng gói trạng thái rắn, thuộc về nguồn sáng lạnh; 5) thân thiện với môi trường, các yếu tố có hại như Pb và Hg không được bao gồm; 6) Chỉ số hoàn màu thích hợp [1], [2], [3], [4]. 1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS.

Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An Hình 1.2 Hiệu quả chiếu sáng lm/W của các loại đèn [5]. Cấu trúc bên trong của LED có thể xem như điốt bán dẫn gồm vật liệu bán dẫn đặc biệt với cấu trúc p-n có thể phát ra bức xạ khi phân cực thuận.3 Cấu trúc bên trong của LED Khi tiếp giáp p-n bị phân cực thuận, quá trình này tương đương với sự rơi của các electron từ trạng thái năng lượng cao hơn (vùng dẫn) sang trạng thái năng lượng thấp hơn (vùng hóa trị). Như vậy, nếu các electron có xu hướng kết hợp lại với lỗ trống thì chúng phải mất đi một phần năng lượng để rơi vào vùng năng lượng thấp hơn. Các electron có thể mất năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng.

Các electron trong các hợp chất bán dẫn Silicon và Germanium mất năng lượng dưới 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS. Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An dạng nhiệt, các hợp chất bán dẫn như Gallium Phosphide (Gap), Gallium Arsenide (GaAs), Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) v. phát ra ánh sáng khi các electron-lỗ trống kết hợp lại. Theo đặc tính đường cong của đặc tính V-I của đèn LED như hình Hình 1.4 và trong [6] mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của đèn LED có thể được biểu thị bằng phương trình sau: / 𝐼 = 𝐼 (𝑒 − 1) Trong đó, 𝐼 là dòng điện của đèn LED, 𝐼 là dòng bão hòa ngược, 𝑒 là viết tắt của điện tích electron, 𝐾 là hằng số Boltzmann và 𝑇 là nhiệt độ tuyệt đối của đường giao nhau.

Điện áp của đèn LED tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, cụ thể, khi nhiệt độ tăng điện áp của đèn LED giảm. Nếu đèn LED được cung cấp bởi nguồn điện áp, khi nó hoạt động trong một thời gian dài và nhiệt độ tăng lên, dòng điện LED sẽ tăng nhanh, điều này cũng gây ra sự tăng trưởng của nhiệt độ. Do đó, dòng điện sẽ tăng cho đến khi đèn LED bị đốt cháy nếu nhiệt không thể được giải phóng kịp thời. Tuy nhiên, nếu một nguồn dòng được sử dụng thì sự gia tăng nhiệt độ chỉ gây ra sự sụt giảm điện áp, không gây hại cho đèn LED.4 VI đặc tính của đèn LED 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS.

Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An 1.2 Bộ lái LED Do đặc tính của đèn LED các bộ lái LED cần cung cấp dòng điện một chiều không đổi cho đèn LED. Các bộ lái LED thường là các bộ điều chỉnh DC-DC có thể được xây dựng dựa trên nguyên tắc mạch tuyến tính hoặc mạch chuyển mạch. So với mạch tuyến tính, mạch (SMPS) thích hợp hơn trong các ứng dụng hiện đại do hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, vượt quá hiệu suất thu được từ phương pháp tuyến tính truyền thống. Ví dụ, một bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn thường cung cấp hiệu suất 30%, thấp hơn nhiều so với hiệu suất, dao động từ 70% đến 95%, của SMPS hiện có [7], [8].

Hơn nữa, việc sử dụng tần số chuyển mạch cao trong SMPS dẫn đến giảm đáng kể cả kích thước và trọng lượng của các thành phần cơ bản, so với các bộ điều chỉnh tuyến tính có cùng định mức công suất. Những tiến bộ gần đây trong điều khiển kỹ thuật số, thiết bị bán dẫn và các thành phần từ tính, làm cho SMPS thậm chí còn nhỏ gọn và hiệu quả hơn. Thông thường các bộ lái LED có yêu cầu hệ số công suất bằng 1 tuân thủ quy định EN 61000-3-2 Class C. Do đó cần được tích hợp một bộ PFC cùng với bộ biến đổi DC-DC nguồn dòng.

Dựa theo số lượng tầng của bộ lái đèn LED, các bộ chuyển đổi này có thể được phân loại thành: một tầng công suất và hai tầng công suất. Các đặc điểm chính mà bộ chuyển đổi cho hệ thống chiếu sáng LED cần đảm bảo là độ tin cậy cao, hiệu suất cao và trong một số trường hợp là cách ly điện. 4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS. Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An Bộ chuyển đổi một tầng là một bộ chuyển đổi DC-DC có dòng điện đầu ra không đổi, trong khi bộ chuyển đổi hai tầng gồm có một mạch hiệu chỉnh hệ số công suất và một bộ chuyển đổi DC-DC như trong Hình 1.

Ưu điểm của các bộ chuyển đổi một tầng là dễ thiết kế với khả năng điều khiển chính xác hơn. Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của bộ chuyển đổi một tầng là giá trị cao của tụ điện lưu trữ, điều này cũng làm tăng kích thước của bộ chuyển đổi. Đối với hệ thống hai giai đoạn, cần nhiều thiết bị hơn, có nghĩa là chi phí khá cao và độ tin cậy tương đối thấp [10-12].5 Cấu hình của bộ lái đèn LED. Tầng PFC để giảm tác động của các thành phần song hài lên dòng điện đầu vào, một bộ hiệu chỉnh hệ số công suất là không thể thiếu trong hệ thống chiếu sáng.

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) và Energy Star phát hành tiêu chuẩn cho các ứng dụng chiếu sáng với các mức công suất khác nhau như Total Harmonic Distortion (THD), Correlated Color Temperature (CCT), Color Rendering Index (CRI), v. Tầng PFC có thể được chia thành hai loại theo chế độ chủ động hoặc thụ động [10], [11]:  Đối với chế độ PFC thụ động bằng cách thêm cuộn cảm lọc và tụ điện được kết nối với đầu vào, các thành phần thụ động thực hiện hiệu chỉnh hệ số công suất. Phương pháp này không cần thêm mạch điều khiển giúp cải thiện chi phí và độ phức tạp của hệ thống và không có vấn đề nhiễu điện từ (EMI). Vì tính đơn giản của nó, chế độ thụ động PFC vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng.

Nhưng chế độ thụ động PFC có một số nhược điểm. Điều kiện làm việc tần số thấp có nghĩa là kích thước cồng kềnh và nặng do thêm cuộn cảm và tụ điện như trong hình 1. Khi mạch hoạt động trong các điều kiện khác nhau thì chức năng PFC không phù hợp 5 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS. Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An với hầu hết các điều, dẫn đến PF thấp.

Đặc biệt, đối với các ứng dụng chiếu sáng LED khi PF thấp không tuân thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2.6 Hình ảnh mô-đun PFC chế độ thụ động.  Đối với chế độ hoạt động PFC tích cực, có thể đạt được hệ số công suất tốt hơn. Nói chung, mạch PFC tích cực có các cấu hình như Buck, Boost, BuckBoost, Flyback, v. có thể hoạt động trong CCM, BCM và DCM.

Tầng DC-DC về cơ bản, bộ chuyển đổi DC-DC được phân loại theo cấu hình cách ly hay không cách ly. Đối với các cấu hình cách ly cơ bản, các mạch chính thường là flyback, forward, push-pull, half-bridge và fullbridge [12], [13]. Nhược điểm của cấu trúc liên kết flyback và forward là sử dụng máy biến áp kém do hoạt động đơn hướng của chúng. Đối với bộ chuyển đổi push-pull half-bridge và full- bridge là số lượng khóa và đồng bộ hóa lớn.

Ngoài ra, vấn đề kết nối thiết bị đầu cuối điều khiển công tắc tồn tại ở nửa cầu và toàn cầu. Đối với bộ chuyển đổi không bị cô lập, có bảy bộ chuyển đổi cơ bản như, Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, SEPIC và Zeta [14], [15], [16]. 6 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS. Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An 1.3 Nhiệm vụ luận văn 1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu: Bộ lái LED 1 tầng và 2 tầng điều khiển công suất.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu: Khảo sát và thiết kế các bộ lái LED 1 tầng và 2 tầng công suất đáp ứng các yêu cầu sau: - Dải điện áp đầu vào rộng từ 150-260 VAC - Nguồn dòng - Hệ số công suất bằng 1 tuân thủ theo tiêu chuẩn IEC61000-3-2. - Đạt hiệu suất trên 90% - Cách ly giữa sơ cấp và thức cấp.2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được hoàn thiện thông qua 3 bước nghiên cứu từ lý thuyết để thực nghiệm. Các bước nghiên cứu có thể được tóm tắt như sau: 1.1 Tìm hiểu và đánh giá Tìm hiểu các bộ lái LED và các bộ chuyển đổi DC-DC nhằm chỉ ra ưu điểm và nhược điểm giữa các bộ lái đèn LED một tầng và hai tầng công suất. Từ đó có cái nhìn tổng quát về các công nghệ hiện tại và định hướng nghiên cứu.2 Mô hình hóa và mô phỏng trên Matlab - Phân tích trạng thái hoạt động của các khóa điện tử (MOSFET, Diode….), đưa ra mô hình tín hiệu nhỏ - Mô phỏng mô hình tín hiệu nhỏ này trên Matlab - Mô phỏng mô hình biến đổi công suất trên Matlab 1.3 Thiết kế các bộ led lái LED - Thiết bộ lái LED một tầng công suất dựa trên cấu hình PFC và Flyback tích hợp đáp ứng cái yêu cầu của luận văn.

- Thiết bộ lái LED hai tầng công suất: gồm một tầng PFC và một tầng Half- Bridge LLC resonant đáp ứng các yêu cầu của luận văn. 7 Luận văn Thạc sĩ GVHD: GS. Lê Minh Phương HVTH: Bùi Đức An CHƯƠNG 2. BỘ CHUYỂN ĐỔI FLYBACK 2.1 Nguyên lý hoạt động Flyback Bộ chuyển đổi Flyback có thể được giải thích đầy đủ thông qua mô hình đơn giản của nó, như được trình bày trong hình 2.