Đề tài Nghiên cứu, phát triển các bộ biến đổi một chiều dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ

vào thì điện áp đầu ra được đưa về mạch phản hồi, lấy tín hiệu đưa vào mạch so sánh với điện áp chuẩn Vref để đưa ra tín hiệu cho mạch điều khiển bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu sẽ được điều khiển thay đổi tần số chuyển mạch hoặc độ rộng xung để ổn định điện áp đầu ra. Vấn đề điều khiển này sẽ được trình bày ở chương 3. Trong phạm vi đồ án này, bộ nguồn cộng hưởng nghiên cứu là loại cộng hưởng tải (kết hợp khối cộng hưởng và tải để tạo điều kiện chuyển mạch mềm), do đó bộ nghịch lưu phải có cấu trúc đối xứng dạng half bridge hoặc full bridge. Ở đây ta lựa chọn cấu hình half bridge do tính đơn giản, sử dụng ít van công suất và điều khiển dễ hơn cấu hình full bridge. Tuy nhiên nếu công suất thiết kế lớn thì ta sẽ phải sử dụng cấu hình full bridge để phát huy hết công suất của mạch. Chương 1. Tổng quan về bộ biến đổi cộng hưởng. 9 Mục tiêu thiết kế bộ nguồn trong đồ án này hướng tới là phục vụ cho các ứng dụng có điện áp ra thấp, dòng điện lớn (như các ứng dụng trong điện tử, viễn thông) nên khối cộng hưởng được sử dụng có cấu trúc nối tiếp – song song (LCC). Việc lựa chọn và phân tích cấu trúc này được thể hiện cụ thể trong chương 2. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 10 Chương 2 Ph©n tÝch bé biÕn ®æi céng h•ëng Half bridge 2.1. So sánh các cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng half bridge 2.1.1. Cấu trúc nối tiếp Hình 2-1 Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp tụ Cs và cuộn cảm Ls mắc nối tiếp với nhau để tạo thành khối cộng hưởng. Khối cộng hưởng làm việc như một nguồn dòng. Mạch lọc phía đầu ra chỉ sử dụng tụ lọc để hòa hợp trở kháng. Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là có thể làm việc khi đầu ra bị ngắn mạch do tính chất nguồn dòng của bộ biến đổi. Ưu điểm khác của bộ biến đổi nối tiếp là dòng chạy qua van công suất giảm khi giảm tải. Điều này dẫn tới tổn thất dẫn qua van cũng như các tổn thất khác giảm khi giảm tải, do đó duy trì được hiệu suất cao như khi làm việc đầy tải. Xét đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp: Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 11 Hình 2-2 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi nối tiếp Từ hình 2-2 ta thấy khi giảm tải (Q giảm) thì tần số chuyển mạch tăng lên rất nhiều so với khi Q lớn. Đặc biệt khi tải quá nhẹ hay không tải thì tần số chuyển mạch tăng lên giá trị vô cùng lớn. Do vậy, bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chế độ làm việc không tải. Một nhược điểm khác của bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp là tụ lọc đầu ra phải mang dòng điện với độ gợn cao, khoảng 48% biên độ của dòng điện 1 chiều [10]. Do đó bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp không phù hợp với các ứng dụng có áp ra thấp, dòng điện cao. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 12 2.1.2. Cấu trúc LLC Hình 2-3 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC Cấu trúc LLC vẫn là bộ biến đổi cộng hưởng dạng nguồn dòng. So với cấu trúc nối tiếp thì cấu trúc LLC có thêm thành phần Lm trong khối cộng hưởng. Lm có thể là điện cảm từ hóa của biến áp được sử dụng làm thành phần cộng hưởng, tạo ra một mạch vòng dòng điện khi đầu ra biến áp hở mạch hay mạch làm việc không tải. Vì vậy miền chuyển mạch ZVS rộng hơn khi giảm tải so với cấu trúc nối tiếp. Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LLC được thể hiện ở hình 2-4. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 13 Hình 2-4 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LLC Thông thường, miền làm việc của bộ biến đổi LLC được thiết kế gần tần số cộng hưởng để hiệu suất chuyển đổi năng lượng là lớn nhất. Vì bộ biến đổi LLC tạo ra miền chuyển mạch ZVS rộng hơn và hiệu suất biến đổi cao hơn nên nó được ứng dụng trong các bộ nguồn đầu vào yêu cầu có điện áp cao, dòng điện tương đối nhỏ. Tuy nhiên trong các ứng dụng yêu cầu điện áp thấp, dòng cao thì bộ biến đổi LLC có chung nhược điểm với bộ nối tiếp là độ gợn của dòng điện đầu ra lớn và cần nhiều tụ lọc đầu ra để làm giảm độ gợn. Do đó bộ biến đổi LLC không thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu áp thấp, dòng cao. M Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 14 2.1.3. Cấu trúc song song Hình 2-5 Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song Trong cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng song song, khối cộng hưởng gồm cuộn cảm Ls và tụ cộng hưởng Cp mắc song song với biến áp. Do đó khối cộng hưởng có trở kháng thấp đối với mạch đầu ra và được coi như là nguồn áp. Mạch lọc đầu ra gồm cuộn kháng Lf và tụ C0 để hòa hợp trở kháng. Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song được thể hiện ở hình 2-6. Từ những đường đặc tính này ta nhận thấy, ngược lại với bộ biến đổi nối tiếp thì bộ biến đổi song song có thể điều khiển điện áp đầu ra ở chế độ không tải bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch trên tần số cộng hưởng. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 15 Hình 2-6 Đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi song song Nhược điểm chính của bộ biến đổi song song là dòng điện chạy qua van công suất và các thành phần cộng hưởng tương đối độc lập với tải [1]. Kết quả là tổn thất dẫn qua van và các thành phần cộng hưởng không đổi khi giảm tải, do đó hiệu suất khi tải nhẹ giảm rất mạnh. Hơn nữa, dòng điện này tăng khi điện áp đầu vào bộ biến đổi tăng lên. Vì vậy bộ biến đổi này không lý tưởng cho các ứng dụng có điện áp đầu vào thay đổi lớn và yêu cầu làm việc ở hiệu suất cao khi non tải. Ngược lại, bộ biến đổi song song phù hợp hơn với các ứng dụng có điện áp đầu vào ít thay đổi (ví dụ: 15%) và làm việc gần với công suất cực đại thiết kế (ví dụ: 75% công suất cực đại thiết kế). Bộ biến đổi song song phù hợp cho các ứng dụng điện áp đầu ra thấp, dòng ra lớn. Điều này có được do bộ lọc đầu ra có cuộn cảm lọc, do đó hạn chế được các dòng gợn đi vào tụ lọc, dòng điện đầu ra tương đối bằng phẳng. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 16 2.1.4. Cấu trúc LCC Bộ biến đổi LCC tận dụng được ưu điểm của cả bộ biến đổi nối tiếp và song song, trong khi khắc phục được các nhược điểm của chúng như vấn đề điều chỉnh không tải ở bộ biến đổi nối tiếp và dòng điện vòng lớn khi tải nhẹ ở bộ biến đổi song song. Cấu trúc bộ biến đổi LCC được thể hiện ở hình 2-7. Hình 2-7 Cấu trúc bộ biến đổi LCC Bộ biến đổi LCC có thể coi là sự kết hợp giữa bộ biến đổi nối tiếp và bộ biến đổi song song. Khối cộng hưởng bao gồm 3 thành phần cộng hưởng: Ls, Cs và Cp. Bằng việc thêm tụ nối tiếp Cs vào khối cộng hưởng song song, dòng điện vòng chạy qua van nhỏ hơn so với bộ biến đổi song song. Với việc thêm vào tụ song song Cp, bộ biến đổi LCC có thể điều chỉnh điện áp đầu ra trong điểu kiện không tải. Tụ song song Cp cũng tạo ra trở kháng nhỏ đối với mạch đầu ra, do đó hòa hợp với mạch lọc L-C, tạo ra dòng điện với độ gợn nhỏ chạy qua tụ lọc. Do đó bộ biến đổi LCC thích hợp với các ứng dụng yêu cầu áp nhỏ, dòng lớn. Các phân tích cụ thể về nguyên lý hoạt động và đặc tính khuếch đại áp của bộ biến đổi LCC sẽ được trình bày ở mục 2.2 và 2.3. 2.2. Phân tích hoạt động bộ biến đổi half bridge LCC. Dựa vào dạng điện áp trên tụ song song Cp ta chia hoạt động của bộ LCC thành 2 dạng: chế độ liên tục (VCp liên tục) và chế độ gián đoạn (VCp gián đoạn). Việc phân tích hoạt động của bộ LCC dựa trên các dạng sóng sau:  Điện áp đầu vào khối cộng hưởng VM hay điện áp trên van Q2  Dòng điện chạy qua cuộn cảm cộng hưởng IL  Dòng điện từ hóa biến áp phản ánh từ dòng đầu ra hay dạng xung dòng điện đầu vào khối chỉnh lưu. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 17  Điện áp trên tụ song song VCp 2.2.1. Hoạt động ở chế độ liên tục Hình 2-8 Dạng sóng hoạt động cơ bản của bộ LCC ở chế độ liên tục Hoạt động của bộ LCC ở chế độ liên tục được thể hiện qua 5 giai đoạn nhỏ:  Giai đoạn 1 (t0 đến t1): tại t0 van Q1 đang thông, van Q2 đang khóa, điện áp trên van Q2 bằng điện áp đầu vào VIN, dòng cộng hưởng qua cuộn cảm bắt đầu tăng từ 0. Dòng điện của biến áp và điện áp trên tụ song song có giá trị âm và đang tiến dần về 0.  Giai đoạn 2 (t1 đến t2): đến thời điểm t1, điện áp trên Cp về giá trị 0 và bắt đầu tăng theo chiều dương. Dòng điện trên biến áp đảo chiều. Dòng điện cộng hưởng qua cuộn cảm tiếp tục quá trình cộng hưởng. Điện áp đầu vào khối cộng hưởng tiếp tục duy trì giá trị dương cho đến thời điểm t2. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 18  Giai đoạn 3 (t2 đến t3): Q1 khóa và Q2 mở tức thì tại thời điểm t2. Vì dòng cộng hưởng trễ pha so với điện áp nên Q2 mở ở điều kiện chuyển mạch ZVS. Điện áp trên Cp trong giai đoạn này giữ giá trị dương cho đến t3.  Giai đoạn 4 (t3 đến t4): tại t3, điện áp trên Cp về 0 và hướng xuống phía âm. Dòng trên biến áp cũng đổi chiều. Tại t4, Q2 khóa và Q1 mở. Vì dòng cộng hưởng chậm pha so với điện áp nên Q1 mở ở điều kiện ZVS.  Giai đoạn 5 (t4 đến t5): sau t4, điện áp đưa vào khối cộng hưởng lại có giá trị dương. Dòng cộng hưởng tiếp tục cộng hưởng tiếp tục giảm về 0. Tại t5, dòng cộng hưởng giảm tới 0 và bắt đầu chu kỳ mới. 2.2.2. Hoạt động ở chế độ không liên tục Khi dòng cộng hưởng nhỏ hơn dòng sơ cấp máy biến áp được phản ánh từ dòng tải tại thời điểm điện áp Cp về bằng 0 thì sẽ không có dòng chạy vào tụ Cp. Điều này dẫn tới điện áp trên tụ Cp sẽ duy trì bằng 0 cho tới khi dòng cộng hưởng tăng lớn hơn dòng phản ánh tải. Hình 2-9 so sánh chế độ hoạt động giữa chế độ liên tục và không liên tục. (a) (b) Hình 2-9 So sánh chế độ hoạt động giữa chế độ liên tục và không liên tục a- Chế độ liên tục b- Chế độ không liên tục Trong khoảng thời gian β, điện áp trên tụ song song bằng 0 dẫn đến toàn bộ chỉnh lưu thứ cấp dẫn và vượt quá dòng tải chạy vòng trong chỉnh lưu. Do đó cần tránh chế độ này trong thiết kế. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 19 2.3. Phân tích bộ biến đổi half bridge LCC ở chế độ xác lập. 2.3.1. Phương pháp phân tích và các giả thiết Để phân tích mạch điện ở chế độ xác lập, ta sử dụng mạch điện tương đương như hình 2-8. Các MOSFET được mô hình bằng chuyển mạch có điện trở khi đóng mạch là rDS1 và rDS2. Xét các van đóng cắt với chu kỳ làm việc 50%. Chỉnh lưu biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu có thể được thay thế bằng nguồn dòng xung vuông như hình 2-8 (b). Vì thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào xung vuông trùng pha với điện áp đầu vào của chỉnh lưu nên phía chỉnh lưu có thể thay thế bằng điện trở vào của nó như hình 2-8 (c). Hình 2-10 Bộ biến đổi cộng hưởng LCC a- Mạch LCC với chỉnh lưu biến áp có điểm giữa b- Mạch tương đương với chỉnh lưu được thay bằng nguồn dòng xung vuông c- Mạch tương đương với chỉnh lưu được thay bằng điện trở vào của nó Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 20 Giả thiết tổn thất chuyển mạch có thể bỏ qua do thỏa mãn điều kiện chuyển mạch mềm và dòng điện chạy qua cuộn cảm cộng hưởng là hình sin, sử dụng phương pháp xấp xỉ hình sin ta sẽ có được các phân tích về bộ biến đổi LCC ở chế độ xác lập. 2.3.2. Hàm truyền đạt áp a) Hàm truyền đạt áp của khối van điều khiển Điện áp đầu vào khối cộng hưởng vDS2 là xung vuông có biên độ VI cho bởi: 2 , 0< t 0, < t 2 I DS V v          (2.1) Thành phần sóng hài cơ bản của nó là 1 sini mv V t , ở đây: 2 0,6366m I IV V V   (2.2) Vì vậy, giá trị hiệu dụng của vi1 là / 2 2 / 0,4502rms m I IV V V V  . Hàm truyền đạt áp từ VI đến thành phần cơ bản tại đầu vào của khối cộng hưởng là : 1 2 0,4502rmsI I V M V     (2.3) b) Hàm truyền đạt áp của khối cộng hưởng Dựa vào mạch điện tương đương 2-10 (c) ta tính được hàm truyền đạt áp của khối cộng hưởng như sau: Điện trở vào của mạch cộng hưởng là: Zi = L nt C 1 nt ( C 2 // Ri ) (2.4) Điện trở ra của mạch hưởng là: Zo = (C 2 // Ri ) (2.5) Hàm truyền của mạch cộng hưởng là: 2 2 2 0 0 L 0 1 ωω 1 ω A (1+A)[1-( ) ]+j ( - ) ω Q ω ω A+1 jRi I I rms V M M e V    (2.6) Với 2 2 2 2 20 2 0 L 0 1 ωω 1 ω A (1+A) [1-( ) ] + ( - ) ω Q ω ω A+1 IM  (2.7) Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 21 0 L 0 2 0 ω1 ω A ( - Q ω ω A+1 φ=-arctan ω (1+A)[1-( ) ] ω             (2.8) Trong đó A = C 2 /C 1 , C = C 1C 2/(C 1+C 2 ) = C2/(1+A) = C1/(1+1/A),  0 = 1/ LC là tần số góc, VRi là giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào chỉnh lưu. 0 0/L i iQ CR R L   là hệ số phẩm chất của mạch hay điện trở tải chuẩn hóa của bộ nghịch lưu. Như vậy biên độ hàm truyền điện áp của bộ nghịch lưu là: Ri I I1 I2 2 2 2 20 2 0 L 0 V 2 | M | M . M ωω 1 ω A (1+A) [1-( ) ] + ( - ) Q A+1 IV     (2.9) Hình 2-11 thể hiện đặc tính khuếch đại áp của khối cộng hưởng với các tải khác nhau và các giá trị A khác nhau. Khi giá trị tụ nối tiếp C1 rất lớn so với giá trị tụ song song C2 thì A0, mạch hoạt động như bộ biến đổi song song (hình 2-11a). (a) Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 22 (b) (c) Hình 2-11 Tỉ số biến đổi điện áp của khối cộng hưởng a- Với A=0 b- Với A=0,5 c- Với A=1 Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 23 c) Hàm truyền đạt áp của khối chỉnh lưu và biến áp Điện trở đầu vào mạch chỉnh lưu quy về sơ cấp của biến áp là: 2 2 0 1 8 L F i n R V R V         (2.10) Trong đó: RL là điện trở tải n là tỉ số biến áp VF là điện áp rơi trên điot chỉnh lưu V0 là điện áp đầu ra Hàm truyền đạt áp của mạch chỉnh lưu là: 0 2 2 1 O R Ri F V M V V n V          (2.11) Nếu khối chỉnh lưu sử dụng là cầu chỉnh lưu thì: 2 2 0 2 1 8 L F i n R V R V         (2.12) 0 2 2 2 1 O R Ri F V M V V n V          (2.13) d) Hàm truyền đạt áp dc-dc của bộ cộng hưởng LCC I 2 2 2 2 20 2 0 L 0 V 2 M M .M ωω 1 ω A (1+A) [1-( ) ] + ( - ) (1 ) Q A+1 O R fI O V n V      (2.14) 2.3.3. Phân tích các thông số mạch cộng hưởng a) Trở kháng vào của mạch cộng hưởng 2 0 i 0 L 0 L 0 ωω 1 ω A R {(1+A)[1-( ) ]+j ( - )} ω Q ω ω A+1 Z e • ω 1+jQ ( )(1+A) ω j i iZ   (2.15) Trong đó: Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 24   2 2 2 2 0 2 0 0 2 0 0 1 (1 ) 1 ( ) 1| | 1 1 Li L L A A Q AZ Q Z Q A                                (2.16) 2 20 0 0 0 1 arctan (1 ) 1 1 L L A Q A Q A                             (2.17) Tại 2 2 2 2 0 0 0/ 1, / [(1 ) 1 (1 ) ] Z / [ (1 ) ]i L if f Z Z A Q A R A       với 2 2(1 ) 1LQ A  . Vì vậy |Zi| giảm khi A và Ri tăng, tại f = f0. Khi f0 hay f∞ thì |Zi|∞ thể hiện như ở hình 2-12. (a) Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 25 (b) Hình 2-12 Biên độ trở kháng vào mạch cộng hưởng a- Với A=1 b- Với A=2 Hình 2-13 thể hiện góc pha ψ là hàm của f/f0 tại các giá trị khác nhau của QL với A=1. Tại f = f0 thì arctan{1/ [ (1 )]} 0LQ A    . Vì vậy khối cộng hưởng có tính chất điện cảm tại f = f0. Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 26 Hình 2-13 Góc pha của trở kháng vào khối cộng hưởng với các giá trị QL khác nhau b) Tần số cộng hưởng của mạch Tần số cộng hưởng fr được xác định là tần số mà tại đó góc pha của trở kháng vào ψ bằng 0 (hình 2-11). Đưa ψ cho bởi công thức 2.17 về 0 ta xác định được tần số cộng hưởng: 2 2 2 2 2 2 2 2 0 (1 ) 1 [ (1 ) 1] 4 (1 ) 2 (1 ) L L Lr L Q A Q A Q A Af f Q A          (2.18) Ta thấy tần số cộng hưởng fr phụ thuộc vào QL và A. Khi 00, / 1/ 1 1/L rQ f f A   . Hình 2-14 thể hiện quan hệ giữa tần số cộng hưởng chuẩn hóa fr/f0 với QL tại các giá trị khác nhau của A. Khi QL càng lớn thì fr càng gần bằng f0 kể cả khi A thay đổi. ψ Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 27 Hình 2-14 Tần số cộng hưởng chuẩn hóa và QL c) Dòng điện qua cuộn cảm cộng hưởng Dòng điện qua cuộn cảm L là sin( )mi I t   với: 2 2 0 0 22 1 [Q (1+A)] I Im I m L i i L V MV V I Z Z Z Q        (2.19) Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 28 (a) (b) Hình 2-15 Quan hệ giữa ImZ0/VI với f/f0 và QL a- A = 1 b- A = 2 Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 29 Hình 2-15 thể hiện quan hệ giữa ImZ0/VI với f/f0 và QL tại A = 1 và 2. Ta có thể thấy rằng Im đạt giá trị lớn tại tần số cộng hưởng fr. Vì vậy nếu tải đầy ở giá trị QL thấp, Im giảm khi QL tăng dẫn tới tổn thất dẫn giảm và duy trì hiệu suất cao khi giảm tải. Tuy nhiên, nếu tải đầy ở giá trị QL lớn thì Im sẽ hầu như độc lập với tải, dẫn đến giảm hiệu suất khi giảm tải. Quan hệ giữa ImZ0/VI và QL tại các giá trị khác nhau của |MI2| với A=1 được thể hiện ở hình 2-16. Hình 2-16 Quan hệ giữa ImZ0/VI và QL tại các giá trị khác nhau của |MI2| với A=1 2.3.4. Ảnh hưởng của chu kỳ làm việc D tới điện áp đầu ra Từ các phân tích về hàm truyền đạt áp của mạch và các thông số mạch cộng hưởng ta thấy, khi điện áp đầu vào khối cộng hưởng thay đổi thì điện áp ra và các thông số mạch cộng hưởng cũng thay đổi theo. Điện áp này phụ thuộc vào điện áp đầu vào VI và chu kỳ làm việc của xung điều khiển MOSFET. 1 os(2 )Irms V V c D    (2.20) 1 1 1 os(2 )rmsI I V M c D V     (2.21) Chương 2. Phân tích bộ biến đổi cộng hưởng Half bridge. 30 Ri I I1 I2 2 2 2 20 2 0 L 0 1 os(2 )V | M | M . M ωω 1 ω A (1+A) [1-( ) ] + ( - ) Q A+1 I c D V        (2.22) I 2 2 2 2 20 2 0 L 0 1 os(2 )V M M .M ωω 1 ω A (1+A) [1-( ) ] + ( - ) (1 ) Q A+1 O R fI O c D V n V        (2.23) Với D = 0 ÷ 0,5 là chu kỳ làm việc của MOSFET. Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 31 Chương 3 Ph©n tÝch ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn 3.1. Phân tích phương pháp điều khiển để ổn áp đầu ra Từ các phân tích ở trên ta nhận thấy với điện áp đầu vào và tải cho trước điện áp đầu ra phụ thuộc vào tần số chuyển mạch và duty cycle D. Do đó để ổn định điện áp đầu ra trước sự thay đổi của tải và điện áp đầu vào, ta có thể điều khiển tần số chuyển mạch hoặc duty cycle. 3.1.1. Phương pháp điều khiển tần số Để đảm bảo van chuyển mạch trong điều kiện ZVS ta chỉ thay đổi tần số chuyển mạch trên tần số cộng hưởng. Hình 3-1 Tần số chuyển mạch và tải Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 32 Để đảm bảo tần số chuyển mạch thay đổi nhưng không nhỏ hơn tần số cộng hưởng ta sử dụng phương pháp “vòng khóa pha” PLL (phase lock loop) để xác định tần số cộng hưởng. Sơ lược về Vòng khoá pha (Phase-locked loop): PLL ( Phase-locked loop ) là một hệ thống hồi tiếp gồm có một dò pha (Phase detector ), bộ lọc thông thấp ( LPF: Low-pass filter), bộ khuếch đại và mạch dao động thế kiểm ( VCO: Voltage-controlled oscillator ) trong một số mạch PLL thì bộ VCO có thể được thay thế bằng bộ CCO (Current-controlled oscillator). Sơ đồ khối Hình 3-2 Sơ đồ khối mạch PLL  Mạch dò pha (Phase detector): Bộ này có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha ( hiệu tần số) của hai tín hiệu vào, thường là tín hiệu hình Sin hoặc dãy xung chữ nhật hay nói cách khác là so sánh fin và fout của VCO để cho ra điện thế DC tỉ lệ thuận với độ sai pha giữa hai tần số. Có hai loại dò pha: + Dò pha tuyến tính: thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự. Tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào. + Dò pha phi tuyến (dò pha số ): được thực hiện bởi các mạch số (AND, OR, XOR, EXOR… ). Tín hiệu vào của nó là dãy xung chữ nhật. Tín hiệu ra không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào.  Mạch lọc thông thấp: dùng để lấy tín hiệu tần số thấp, lấy ra điện thế DC. Trong hệ thống PLL, người ta thường dùng các bộ lọc thấp bậc một để bảo đảm tính ổn định cho hệ thống.  Mạch khuếch đại: Để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 33  Mạch VCO: Để phát ra tần số tỷ lệ với điện thế ngõ vào. Đây là một khối quan trọng nhất trong PLL vì nó quyết định độ ổn định tần số, các đặc trưng giải điều chế tín hiệu, điều tần (FM). Các khái niệm cơ bản trong PLL  Dải bắt (capture range) : Là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (khoá). Nói cách khác đó là dải tần số mà PLL có thể đạt được sự khoá pha khi việc khoá pha chưa thực hiện.  Dải khoá (the lock range) : Là khoảng tần số lân cận fN của VCO mà PLL đồng nhất được tần số fo với tần số fi. Dải này còn được gọi là dải đồng chỉnh (Tracking range). Hình 3-3 Dải bắt và dải khóa Nguyên lý hoạt động của PLL Thực chất PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai sót về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, nghĩa là PLL là cho tần số ra fo của tín hiệu so sánh bám theo tần số vào fi của tín hiệu vào. Khi không có tín hiệu lối vào Vi, điện áp lối ra bộ khuếch đại Vout = 0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN được cài đặt bởi điện trở và tụ điện bên ngoài. Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 34 Ứng dụng vào việc bắt tần số cộng hưởng và điều khiển tần số: Ta sử dụng IC HEF4046 với bộ dò pha PC2 hoạt động theo sườn lên của tín hiệu. Hình 3-4 Sơ đồ khối 4046 [12] Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 35 Hình 3-5 Hoạt động của bộ so sánh pha PC2 Như vậy, nếu đưa tín hiệu phản hồi dòng về chân SIGNin , tín hiệu phản hồi áp về chân COMPin , đầu ra VCO là tần số chuyển mạch thì khi áp sớm pha hơn dòng (mạch có tính cảm, f>fr) bộ PC2 hoạt động sẽ giảm tần số VCOout dẫn tới tần số chuyển mạch giảm xuống. Đến khi tín hiệu dòng, áp trùng pha thì tần số VCOout không đổi, tần số chuyển mạch bằng tần số cộng hưởng. Lý giải tương tự cho trường hợp ban đầu áp trễ pha hơn dòng. Để đảm bảo tần số làm việc luôn lớn hơn tần số cộng hưởng ta sử dụng thủ thuật: nếu ta làm trễ tín hiệu phản hồi áp so với tín hiệu phản hồi dòng thì do bộ PLL hoạt động luôn đảm bảo tín hiệu SIGNin và COMPin trùng pha nên điện áp thực tế luôn sớm pha hơn dòng điện thực hay tần số chuyển mạch lớn hơn tần số cộng hưởng. Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 36 Hình 3-6 Tín hiệu dòng, áp thực và phản hồi Như vậy, việc điều khiển tần số trên tần số cộng hưởng được thực hiện bằng cách thay đổi độ trễ của tín hiệu phản hồi áp so với tín hiệu phản hồi dòng đưa về 4046. Sơ đồ nguyên lý điều khiển: Hình 3-7 Nguyên lý điều khiển tần số Tín hiệu điện áp khối cộng hưởng được đưa qua mạch tạo răng cưa sườn lên và đưa vào so sánh với tín hiệu điện áp sai lệch Ve giữa tín hiệu điện áp đầu ra và điện áp chuẩn Vref. Tín hiệu điện áp sau bộ so sánh được đưa vào bộ so sánh pha cùng với tín hiệu phản hồi dòng vào khối cộng hưởng để điều chỉnh VCO dẫn tới thay đổi tần số fs Ve Mạch lái VCO lái Phản hồi áp ra So sánh Vref So sánh So sánh pha Phản hồi dòng Phản hồi áp Tạo răng cưa Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 37 chuyển mạch. Xung ra khối VCO được đưa qua mạch lái để đưa vào điều khiển các van công suất. 3.1.2. Phương pháp thay đổi độ rộng xung (PWM) Cấu trúc điều khiển: ` Hình 3-8 Cấu trúc điều khiển độ rộng xung Từ mạch tạo xung vuông với tần số làm việc ta đưa qua bộ tạo xung răng cưa sườn lên. Tín hiệu răng cưa này được đưa vào so sánh với tín hiệu điện áp sai lệch Ve giữa tín hiệu điện áp đầu ra và điện áp chuẩn Vref. Kết quả cho ta xung ra có độ rộng thay đổi phụ thuộc vào sai lệch giữa điện áp ra và điện áp chuẩn. 3.1.3. Điều khiển cả tần số và độ rộng xung Phương pháp điều biến độ rộng xung chỉ ổn áp được với dải đầu vào và tải biến thiên nhỏ do độ rộng xung chỉ có thể thay đổi trong 1 phạm vi nhất định. Phương pháp điều khiển tần số cũng có hạn chế là khi tải giảm mạnh thì tần số chuyển mạch phải đẩy lên rất cao để có thể ổn áp. Sự thay đổi nhỏ về tần số chuyển mạch ở gần giá trị cộng hưởng cũng làm điện áp đầu ra thay đổi khá lớn, do đó khả năng ổn áp chính xác của phương pháp này không cao. Để tận dụng ưu điểm, khắc phục nhược điểm của cả 2 phương pháp ta sử dụng phương pháp kết hợp: dùng điều khiển tần số để chỉnh thô, biến điệu độ rộng xung để chỉnh tinh. Ve So sánh Mạch lái Phản hồi áp ra So sánh Vref Tạo răng cưa Mạch tạo xung vuông fs Chương 3. Phân tích phương pháp điều khiển 38 Cách thực hiện: Ta lấy xung ra của bộ điều khiển tần số (xung ra của 4046) làm mạch tạo xung vuông cho bộ điều biến độ rộng xung. Như vậy xung điều khiển van vừa thay đổi tần số, vừa biến điệu độ rộng xung để ổn áp đầu ra. Hình 3-9 Cấu trúc điều khiển cả tần số và độ rộng xung 3.2. Phân tích phương pháp điều khiển mạch half bridge Từ sơ