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.
