Chương 1: Giới thiệu về xe điện và các vấn đề của sạc pin xe điện, nêu lên bài toán thiết kế • Chương 2: Đi sâu vào cơ sở lý thuyết bộ biến đổi LLC 5 • Chương 3: Thiết kế bể cộng hưởng của bộ biến đổi LLC • Chương 4: Phân tích tổn hao • Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Bảng 1-1. Thông số thiết kế Điện áp đầu vào 360-440 V Điện áp đầu ra 40-60 V Công suất đầu ra 800 W 6 CHƯƠNG 2.1 Mô hình hóa bộ biến đổi LLC 2.1 Cấu trúc bộ biến đổi LLC Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi LLC Bộ biến đổi LLC bao gồm ba thành phần: Mạch van, mạch đầu ra và bể cộng hưởng. Phần mạch van gồm các van MOSFET, được mắc theo cấu trúc cầu hoặc nửa cầu. Phần mạch đầu ra bao gồm mạch chỉnh lưu đi-ốt (chỉnh lưu cầu hoặc chỉnh lưu hình tia) và tụ san phẳng phía đầu ra.
Phần bể cộng hưởng gồm có cuộn cảm cộng hưởng 𝐿𝑟 , tụ cộng hưởng 𝐶𝑟 và cuộn cảm từ hóa của biến áp 𝐿𝑚. Phần mạch van của bộ biến đổi LLC tạo ra điện áp đặt hình xung vuông, có tần số bằng tần số đóng cắt vào phần bể cộng hưởng. Có hai cấu trúc thường được sử dụng trong phần mạch van là cấu trúc cầu hoặc nửa cầu. Đối với cấu trúc nửa cầu, số lượng van ít hơn hai lần so với cấu trúc cầu, tuy nhiên, dòng điện hiệu dụng qua các van của cấu trúc nửa cầu lại gấp hai lần.
Do đó, tổn hao dẫn của cấu trúc nửa cầu gấp đôi cấu trúc cầu. Ngoài ra, tuy số vòng cuộn sơ cấp khi dùng mạch nửa cầu bằng một nửa so với khi dùng mạch cầu, nhưng với dòng hiệu dụng gấp đôi nên tổn hao đồng của cuộn sơ cấp khi dùng mạch nửa cầu gấp đôi so với khi dùng mạch cầu. Vì vậy, đối với những ứng dụng có dòng sơ cấp lớn, tổn hao dẫn đáng kể so với các tổn hao khác thì mạch cầu được ưu tiên lựa chọn. Phần mạch chỉnh lưu đầu ra có hai cấu trúc là chỉnh lưu hình tia và chỉnh lưu cầu.
Đối với cấu trúc chỉnh lưu hình tia, điện áp ngược đặt lên đi-ốt gấp đôi so với chỉnh lưu cầu, tuy nhiên, với số đi-ốt ít hơn một nửa, tồn hao dẫn của cấu trúc chỉnh lưu hình tia chỉ bằng một nửa so với cấu trúc chỉnh lưu cầu. Vì vậy, đối với các ứng dụng có điện áp đầu ra sau chỉnh lưu lớn, cấu trúc chỉnh lưu cầu thường được lựa chọn. Bể cộng hưởng là phần quan trọng nhất của bộ biến đổi LLC. Thông số của các thành phần trong bể cộng hưởng không chỉ ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại của bộ biến đổi, mà còn ảnh hưởng tới các thông số khác như tần số đóng cắt, chế độ làm việc hay tổn hao tổng của bộ biến đổi.
Chính vì thế, đối với bộ biến đổi LLC, việc thiết kế bể cộng hưởng cần được thực hiện một cách tỉ mỉ và cẩn thận.2 Phương pháp xấp xỉ sóng hài bậc nhất Khác với các bộ biến đổi điện tử công suất có tần số điều chế cố định, bộ biến đổi LLC sử dụng phương pháp điều chế tần số, do dó, việc mô hình hóa bộ LLC bằng phương pháp mô hình trung bình không còn phù hợp [6], thay vào đó, phương pháp xấp xỉ sóng hài bậc nhất (FHA) được sử dụng. Giả sử bộ biến đổi LLC hoạt động tại tần số gần tần số cộng hưởng 𝑓𝑟 của bể cộng hưởng, khi đó, dòng điện chạy trong mạch cộng hưởng có thành phần chính là dòng điện có tần số gần với tần số cộng hưởng. Phương pháp FHA xấp xỉ dòng điện trong mạch cộng hưởng thành một thành phần dòng điện duy nhất có tần số bằng tần số cộng hưởng. Phương pháp FHA không hoàn toàn chính xác do điện áp đầu vào bể cộng hưởng 𝑉𝑖𝑛 có dạng xung vuông, chứa nhiều thành phần tần số, bao gồm cả thành phần có tần số cộng hưởng 𝑓𝑟.
Tuy nhiên, kết quả của phương pháp này có thể chấp nhận được miễn là bộ biến đổi hoạt động ở vùng gần tần số cộng hưởng. Phương pháp FHA được dùng để tính toán hàm truyền giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào hay còn gọi là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi. Các bước tiến hành phương pháp FHA như sau: • Biểu diễn điện áp và dòng diện đầu vào dưới dạng sóng hài bậc nhất, bỏ qua các thành phần tần số cao khác. • Bỏ qua tác dụng của tụ lọc đầu ra và điện cảm rò của biến áp • Quy đổi các thành phần thức cấp về sơ cấp • Biểu diễn điện áp và dòng diện thứ cấp đã quy đổi dưới dạng sóng hài bậc nhất, bỏ qua các thành phần tần số cao khác Sau khi thực hiện các bước của phương pháp FHA, mô hình tương đương của mạch LLC được mô tả trong Hình 2.3, 𝑉𝑔𝑒 thành phần bậc nhất của 𝑉𝑠𝑞 , 𝑉𝑜𝑒 thành phần bậc nhất của 𝑉𝑠𝑜 .2 Mô hình mạch tương đương phi tuyến 8 Hình 2.3 Mô hình mạch tương đương tuyến tính hóa Thành phần cơ bản của điện áp đầu vào 𝑉𝑠𝑞 được tính toán trong (2.1) 𝜋 Giá trị hiệu dụng của 𝑣𝑔𝑒 (𝑡) là: √2 𝑉𝑔𝑒 = 𝑉 (2.2) 𝜋 𝑑𝑐 Thành phần cơ bản của điện áp ra vào 𝑉𝑜𝑒 là: 4 𝑣𝑜𝑒 (𝑡) = 𝑛𝑉𝑜 sin(2𝜋𝑓𝑠𝑤 𝑡 − 𝜑𝑣 ) (2.3) 𝜋 Trong đó, 𝜑𝑣 là góc lệch pha giữa 𝑣𝑜𝑒 và 𝑣𝑔𝑒 , giá trị hiệu dụng của 𝑉𝑜𝑒 (𝑡) là: 2√2 𝑉𝑜𝑒 = 𝑛𝑉𝑜 (2.4) 𝜋 Thành phần cơ bản của dòng điện đầu ra 𝐼𝑜𝑒 là: 𝜋 1 𝑖𝑜𝑒 (𝑡) = ∙ 𝐼𝑜 sin(2𝜋𝑓𝑠𝑤 𝑡 − 𝜑𝑖 ) (2.5) 2 𝑛 Trong đó, 𝜑𝑖 là góc lệch pha giữa 𝑖𝑜𝑒 và 𝑣𝑜𝑒 , giá trị hiệu dụng của 𝑖𝑜𝑒 (𝑡) là: 𝜋 1 𝐼𝑜𝑒 = ∙ 𝐼𝑜 (2.6) 2√2 𝑛 Giá trị tải AC tương đương có thể được tính bởi (2.7) 𝐼𝑜𝑒 𝜋 𝐼𝑜 𝜋 Giá trị hiệu dụng dòng điện từ hóa máy biến áp 𝑖𝑚 : 9 𝑉𝑜𝑒 2√2 𝑛𝑉𝑜 𝐼𝑚 = = ∙ (2.8) 𝜔𝐿𝑚 𝜋 𝜔𝐿𝑚 Giá trị hiệu dụng dòng điện cộng hưởng 𝑖𝑟 : 2 + 𝐼2 𝐼𝑟 = √𝐼𝑚 𝑜𝑒 (2.3 Hàm điện áp-hệ số khuếch đại Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra được biều diễn trong (2.10) 𝑉𝑔𝑒 1 (𝑗𝜔𝐿𝑚 )||𝑅𝑒 + 𝑗𝜔𝐿𝑟 + 𝑗𝜔𝐶𝑟 Hàm hệ số điện áp-hệ số khuếch đại trong (2.10) được biểu diễn ở dạng tiêu chuẩn hóa trong (2.11) [(𝐿𝑛 + 1)𝑓𝑛2 − 1] + 𝑗[(𝑓𝑛2 − 1)𝑓𝑛 𝑄𝑒 𝐿𝑛 ] Trong đó: √𝐿𝑟 /𝐶𝑟 𝑄𝑒 = , hệ số chất lượng 𝑅𝑒 𝑓𝑠𝑤 𝑓𝑛 = , tần số đóng cắt chuẩn hóa 𝑓𝑟 1 𝑓𝑟 = , tần số cộng hưởng 2𝜋√𝐿𝑟 𝐶𝑟 𝐿𝑚 𝐿𝑛 = , tỉ lệ điện cảm từ hóa trên điện cảm cộng hưởng 𝐿𝑟 Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra được mô tả trong (2.12) 𝑛 2 Trong đó: 𝑀𝑔 , hệ số khuếch đại tại điểm làm việc 𝑛 , tỉ lệ biến áp 𝑉𝑖𝑛 , điện áp đầu vào 10 Hàm hệ số điện áp-hệ số khuếch đại trong (2.11) phụ thuộc vào ba thông số: 𝑓𝑛 , 𝐿𝑛 và 𝑄𝑒.
Trong hàm 𝑀𝑔 , 𝑓𝑛 là biến điều khiển, mặt khác, điện áp đầu ra phụ thuộc vào 𝑀𝑔 như mô tả trong (2. Do đó, điện áp đầu ra được điều khiển thông qua 𝑀𝑔 bằng cách thay đổi 𝑓𝑛 .2 Các chế độ làm việc của bộ biến đổi LLC Trong một chu kỳ đóng cắt, bộ biến đổi LLC thực hiện hai hoạt động: Truyền công suất từ đầu vào sang đầu ra và hoạt động tự do (Freewheeling operation). Hoạt động truyền công suất diễn ra hai lần trong một chu kỳ. Hoạt động truyền công suất diễn ra khi 𝑄1 hoặc 𝑄2 mở, khi đó đi-ốt 𝐷1 hoặc 𝐷2 dẫn để truyền công suất ra phía tải, dòng điện từ hóa của máy biến áp liên tục đảo chiều để từ hóa và khử từ lõi biến áp.
Hoạt động tự do diễn ra trong khoảng thời gian dead-time (cả hai van đều không dẫn) hoặc khi , khi đó, hai đi-ốt đầu ra đều không dẫn, dẫn đến cuộn cảm từ hóa máy biến áp kết hợp với cuộn cảm cộng hưởng là tăng tần số cộng hưởng của bể cộng hưởng. Bộ biến đổi LLC sử dụng kỹ thuật điều chế tần số, tùy thuộc vào điện áp đầu vào và dòng tải đầu ra, bộ biến đổi hoạt động ở hai chế độ: Chế độ dưới cộng hưởng (𝑓𝑠 < 𝑓𝑟 ) chế độ trên cộng hưởng (𝑓𝑠 > 𝑓𝑟 ). Chế độ cộng hưởng (𝑓𝑠 = 𝑓𝑟 ) là một trường hợp đặc biệt của chế độ làm việc dưới cộng hưởng.1 Chế độ trên cộng hưởng Hình 2.4 Dạng sóng khi bộ biến đổi hoạt động trên cộng hưởng 11 Ở chế độ trên cộng hưởng, mỗi nửa chu kỳ đóng cắt có một hoạt động truyền công suất, tuy nhiên, năng lượng được nạp vào bể cộng hưởng không được truyền hoàn toàn mà bị ngắt bởi nửa chu kỳ tiếp theo. Do đó, tổn hao khi turn-off của các van MOSFET tăng và đi-ốt phía thứ cấp bị chuyển mạch cứng.
Bộ biến đổi hoạt động ở chế độ này khi điện áp đầu vào tăng, khi đó, tần số đóng cắt được điều chỉnh tăng để giảm hệ số khuếch đại của mạch cộng hưởng. Trong chế độ này, thành phần 𝐿𝑚 không tham gia vào mạng cộng hưởng và hoạt động như một tải thụ động, điện áp trên 𝐿𝑚 bị ghim bởi điện áp đầu ra. Chế độ này có thể gọi là chế độ dòng liên tục (CCM) của bộ biến đổi LLC. Như mô tả trong Hình 2.4, từ 𝑡0 − 𝑡1 , 𝐿𝑟 và 𝐿𝑚 được nạp năng lượng bởi dòng 𝑖𝑟 và dòng 𝑖𝑚 , đi-ốt 𝐷1 dẫn.
Tuy nhiên, tại 𝑡1 , khi van 𝑄1 và 𝑄2 đều đóng, điện áp trên 𝐿𝑚 là 𝑣𝐿𝑚 vẫn lớn hơn 𝑛 ∙ 𝑣𝑜𝑢𝑡 nên đi-ốt 𝐷1 dẫn. Tại 𝑡2 , khi van 𝑄2 mở, van 𝑄1 đóng, năng lượng tích lũy trong tụ 𝐶𝑟 được giải phóng và dòng điện 𝑖𝑟 đổi chiều. Khi đó, quá trình diễn tra trong 𝑡2 − 𝑡3 và 𝑡3 − 𝑡4 tương tự như 𝑡0 − 𝑡1 và 𝑡1 − 𝑡2 .2 Chế độ dưới cộng hưởng Ở chế độ dưới cộng hưởng, mỗi nửa chu kỳ đóng cắt có một hoạt động truyền công suất, tuy nhiên, năng lượng được truyền đi hết trước khi bắt đầu nửa chu kỳ tiếp theo, khi đó, bể cộng hưởng hoạt động ở chế độ tự do, làm cho khoảng thời gian năng lượng tuần hoàn trong mạch bị kéo dài, tăng tổn hao dẫn của mạch cộng hưởng. Bộ biến đổi hoạt động ở chế độ này khi điện áp đầu vào giảm, khi đó, tần số đóng cắt được điều chỉnh giảm để tăng hệ số khuếch đại của mạch cộng hưởng.