MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu: Ngày nay, điện tử công suất là một lĩnh vực đóng vai trò to lớn trong công nghiệp và cuộc sống. Nó có thể đƣợc tìm thấy trong hầu hết các sản phẩm điện tử và liên tục mở rộng các ứng dụng nhƣ năng lƣợng tái tạo, xe điện, chiếu sáng và truyền tải điện năng không dây [1]. Trong các ứng dụng điện tử công suất, bộ chuyển đổi DC/DC là một nhóm mạch điện tử trong đó đầu vào là điện áp DC đƣợc chuyển sang một điện áp đầu ra DC với cƣờng độ lớn hoặc nhỏ, cực tính đảo ngƣợc hoặc đƣợc cách ly với đầu vào [2].
Thƣờng đƣợc sử dụng trong hệ thống cung cấp điện cho máy tính và máy chủ trong hệ thống viễn thông, bộ sạc cho laptop và bộ sạc cho các thiết bị điện tử tiêu dùng. Đối với các hệ thống đƣợc kết nối với lƣới AC (hình 1.1), chuyển đổi DC/DC thƣờng đƣợc áp dụng nhƣ một giai đoạn sau một bộ chỉnh lƣu AC/DC để tạo ra điện áp DC với hệ số công suất cao và hiệu suất cao. Cấu hình cơ bản của một hệ thống cung cấp năng lƣợng : Hình 1. Cấu hình cơ bản của hệ thống cung cấp năng lượng Trong giai đoạn DC-DC, tần số chuyển mạch cao luôn là mục tiêu theo đuổi không ngừng nghỉ vì khi ấy kích thƣớc của các thành phần thụ động nhƣ cuộn dây, máy biến áp và tụ điện sẽ nhỏ lại, tăng mật độ công suất và dẫn đến giá thành sản xuất giảm.
Tuy nhiên, các tổn thất chuyển mạch, tỉ lệ thuận với tần số chuyển mạch, và nhiệt độ cho phép của linh kiện bán dẫn sẽ hạn chế tần số hoạt động. Trong một số nổ lực giảm tổn thất chuyển mạch, một số kỹ thuật chuyển mạch mềm đã đƣợc áp 1 dụng nhƣ : Chuyển đổi dịch pha (phase shift), chuyển đổi cộng hƣởng (Resonant converter). Giữa hai kỹ thuật này, chuyển đổi cộng hƣởng đƣợc sử dụng ở phạm vi rộng hơn [3,4]. Trong các kỹ thuật chuyển đổi cộng hƣởng, chuyển đổi cộng hƣởng dạng nối tiếp (Series resonant converter-SRC) đạt đƣợc hiệu suất cao nhƣng khó điều chỉnh điện áp ở tải nhẹ [5-7].
Chuyển đổi cộng hƣởng dạng song song (PRC) không gặp vấn đề điều chỉnh điện áp ở tải nhẹ nhƣng có công suất chạy vòng trong mạch cộng hƣởng cao [8]. Trong khi đó chuyển đổi cộng hƣởng dạng nối tiếp-song song (SPRC) khắc phục đƣợc các khuyết điểm của dạng SRC và PRC; nhƣng nó lại nhạy cảm với sự thay đổi của tải [9]. Cộng hƣởng dạng LLC (Inductor-inductor- Capacitor) có đƣợc ƣu điểm của các dạng SRC, PRC và SPRC nhƣng nó vẫn còn nhạy cảm với sự thay đổi của tải [10]. Cấu trúc chuyển đổi cộng hƣởng LLC cho phép chuyển mạch điện áp không (ZVS) trên các khóa công suất, vì thế giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch và tăng hiệu suất.
Hơn nữa, chuyển đổi này có thể hoạt động ở một dãy điện áp đầu ra rộng với một sự thay đổi tƣơng đối nhỏ của tần số. Chuyển đổi cộng hƣởng LLC đã đƣợc thực hiện thành công trong nhiều công trình nghiên cứu. Một phân tích chính xác chuyển đổi LLC đã thực hiện ở [10] nhƣng nó không dễ để sử dụng vì quy trình thiết kế phức tạp. Phân tích dựa vào phƣơng pháp xấp xỉ hài cơ bản (FHA) đƣợc thực hiện ở [4], [12-15] cho kết quả khá chính xác cho các điểm vận hành trên tần số cộng hƣởng.
Cấu trúc LLC đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chuyển đổi DC/DC cách ly [16]. Một thử thách khác là ứng dụng ở chuyển đổi có dòng điện cao và điện áp thấp, kết hợp chỉnh lƣu đồng bộ giảm tổn thất dẫn đã thực hiện ở [17-19]. Một thiết kế với công suất 120W tần số vận hành 1MHz dựa trên nền DSP với MOSFET công suất (Silicon-on-insulator) đạt đƣợc hiệu suất cao nhất 95% đƣợc trình bày ở [20]. Tuy nhiên, trong đa số các ứng dụng, bộ chuyển đổi cộng hƣởng đƣợc thiết kế vận hành ở diện áp đầu ra và đầu vào cố định hoặc điện áp đầu vào thay đổi trong một khoảng hẹp [21].
Giữa các ứng dụng chuyển đổi DC/DC, bộ sạc acquy đƣợc sự quan tâm ngày càng tăng vì sự tăng lên ngày càng nhiều các thiết bị di động nhƣ laptop, điện thoại, xe điện,…và các hệ thống điện mặt trời độc lập. Chi phí của một hệ thống điện mặt trời 2 vẫn còn cao, vì thế, một bộ sạc acquy có hiệu suất cao mong đợi cho hệ thống điện mặt trời độc lập. Từ những mong đợi đó, Luận văn tìm hiểu các cấu trúc DC/DC cũng nhƣ các phƣơng pháp giảm tổn hao trong bộ chuyển đổi bao gồm: kỹ thuật chuyển mạch mềm và kỹ thuật chỉnh lƣu đồng bộ, luận văn chọn cấu trúc half-bridge cho một bộ chuyển đổi cộng hƣởng LLC cho ứng dụng sạc acquy trong hệ thống điện mặt trời cách ly (có cấu trúc nhƣ hình 1.2) trong đó giải thuật điều khiển tần số kết hợp kỹ thuật chỉnh lƣu đồng bộ, sau đó luận văn dùng mô phỏng để xác định các giới hạn của linh kiện đƣợc lựa chọn và tính khả thi của giải thuật điều khiển, với kết quả mô phỏng đạt hiệu suất cao nhất đạt 98% và cuối cùng dùng thực nghiệm để kiểm chứng sự phù hợp của giải pháp đề xuất. TRANSFORMER PV Inverter Resonant Synchronous Filter Battery PANEL tank Rectifier PWM PWM Vin Vout MCU Iin Iout Hình 1.
Cấu trúc bộ sạc acquy đề xuất 1. Bài báo đã công bố : Đề tài đã công bố một bài báo tại hội nghị quốc tế WCSET 2016 lần thứ 5 tổ chức tại Việt nam.Q-Nam “Improving Battery harging Efficiency with Soft Switching Technique”, 5th Word Conference on Applied Sciences, Engineering and Technology (WCSET), VietNam (2016). Trong chƣơng này đã trình bày tổng quan về vị trí của bộ sạc acquy trong hệ thống điện tử công suất và hƣớng tiếp cận của đề tài, công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố của đề tài. Tiếp theo chƣơng 2 sẽ tìm hiểu một giải pháp giúp giảm tổn hao khi chuyển mạch ở MOSFET và nâng cao tầng số làm việc giúp tăng mật độ công suất của bộ chuyển đổi công suất là kỹ thuật chuyển mạch mềm.
4 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH MỀM Trong các nỗ lực nâng cao hiệu suất, mật độ công suất và giảm kích thƣớc các thành phần thụ động trong bộ biến đổi công suất, Kỹ thuật chuyển mạch mềm đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng. Chƣơng này sẽ trình bày về các vấn đề chuyển mạch của khóa công suất và khái niệm cơ bản về chuyển mạch mềm. Khóa công suất và các vấn đề liên quan đến chuyển mạch : Khóa công suất đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực điện tử công suất, tùy theo ứng dụng mà loại khóa khác nhau đƣợc sử dụng. Trong đó, hầu hết các bộ biến đổi DC/DC công suất nhỏ (vài kilo watt) đều sử dụng FET.
Một chủng loại phổ biến hay dùng là MOSFET. Cấu tạo của một MOSFET kênh N nhƣ hình 2.1, gồm nền silic loại P; hai điện cực chính D và S loại N; cực kích G đƣợc cách ly với nền bởi lớp cách điện SiO2. Ở trạng thái bình thƣờng không có điện áp kích trên GS, cực D tới S của MOSFET là lớp tiếp xúc NPN, nên không có dòng điện từ D tới S. Lúc này Fet ở trạng thái ngắt (Off).
Khi đặt một điện áp xác định lên hai cực G và S, do hiệu ứng từ trƣờng nên giữa hai cực DS hình thành một kênh dẫn và MOSFET ở trạng thái đóng (On). Trạng thái đóng và ngắt MOSFET kênh N Nhƣ vậy, để điều khiển MOSFET đóng hay ngắt, ta phải đƣa điện áp phụ hợp vào GS của MOSFET. Từ cực G đến cực S phải qua một lớp bán dẫn cách điện SiO2 và bán dẫn loại P. Chính lớp cách điện này làm cho tổng trở vào của MOSFET rất cao (hàng Mega Ohm) kết quả là dòng kích MOSFET rất thấp (micro Ampere) nên việc kích MOSFET đóng hoặc ngắt xem ra rất đơn giản.
Tuy nhiên, kết luận này chỉ phù hợp với MOSFET lý tƣởng, còn thực tế thì quá trình kích phức tạp hơn do ảnh 5 hƣởng những thành phần ký sinh. Các thành phần ký sinh bao gồm : điện trở rg, tụ Cgs, Cgd, Cds, điện trở dẫn Rds, Diode nội, Transistor ký sinh và điện trở Rb nhƣ minh họa ở hình 2. Các thành phần ký sinh trong MOSFET Mỗi MOSFET đƣợc chế tạo đều có điện áp ngƣỡng kích thích đóng riêng – Vth ( threhold). Khi đặt một điện áp lớn hơn Vth vào hai cực GS thì MOSFET sẽ đóng.
Thực tế, việc kích đóng/ ngắt MOSFET gặp trở ngại do tụ Cgs và Cgd vì mạch kích phải nạp xả hai tụ này nếu muốn điều khiển áp trên cực G. Kết quả là mạch kích MOSFET phải có khả năng cung cấp dòng tƣơng đối lớn (vài ampere) để kích MOSFET đƣợc nhanh. Dạng sóng khi kích đóng ngắt MOSFET không còn đƣờng vuông góc lý tƣởng nữa mà là một đồ thị điện áp Vgs theo thời gian và đƣợc chia thành 4 giai đoạn, nhƣ hình 2. Giản đồ dòng-áp khi đóng MOSFET Trong quá trình chuyển mạch, ta phải tốn năng lƣợng để kích đóng (nạp các tụ điện) và kích ngắt (xả tụ).
Đây đƣợc xem là một tổn hao nhƣng rất nhỏ so với 6 tổng tổn hao ở khóa và thƣờng đƣợc bỏ qua. Khi xét tổn hao trên MOSFET, có hai loại tổn hao chính là tổn hao chuyển mạch và tổn hao dẫn. Hai loại tổn hao này tỉ lệ với công suất mạch. Quan sát trong hình 2.3, ở giai đoạn thứ 2 dòng qua MOSFET tăng lên trong khi điện áp trên MOSFET đang giảm.
Khoảng giao nhau này gây ra tổn thất cho quá trình đóng MOSFET. Tƣơng tự cho quá trình kích ngắt. Tổn hao này là tổn hao chuyển mạch. Ở giai đoạn thứ 3 và thứ 4, khi MOSFET dẫn, điện áp Vds giảm xuống thấp , do đó vẫn tồn tại một công suất tổn hao trên khóa Pth =Vds.
Tổn hao này phụ thuộc vào dòng Ids và điện trở dẫn của khóa. Với các loại MOSFET công suất, giá trị điện trở dẫn thƣờng cố định và nhỏ (vài mili-ohms) nên tổn hao dẫn thƣờng không lớn và xác định đƣợc. Mỗi linh kiện công suất luôn có một vùng hoạt động an toàn, vùng này thể hiện khả năng chịu đựng công suất tức thời rơi trên linh kiện khi nó hoạt động. Cụ thể là trong quá trình đóng cắt MOSFET nhƣ ta biết có sự giao nhau giữa dòng và áp trên linh kiện tại thời điểm chuyển mạch, giá trị dòng và áp này cho ta một công suất tổn hao tức thời rơi trên MOSFET.
Nếu công suất này nằm ngoài vùng hoạt động an toàn thì có thể dẫn tới phá hủy MOSFET. Vùng hoạt động an toàn của MOSFET Hình 2.