Khóa luận Bộ nguồn máy tính

í của bộ nguồn nhưng có thể giảm chi phí này bằng cách thêm vào một đầu ra thứ hai trong cuộn dây của máy biến áp điều chỉnh và điều chỉnh khóa công suất phía dưới cùng với máy biến áp giống như ở trên. Từ đó có thể bỏ qua mạch điều khiển quy chuẩn-đất và mạch điều khiển động cho cả hai khóa công suất. Nó cũng cho phép mạch điều khiển trở thành máy biến áp cách ly với đường dây đầu vào nếu thấy cần thiết. Hình 3.8: Dạng sóng của sơ đồ cầu nửa chu kỳ. Transistor voltage VT: là điện áp trên khóa transistor. Transformer current I1: là dòng điện sơ cấp của MBA. Diode current ID: là dòng điện trên diode. Diode voltage VD: là điện áp trên diode. Khi chỉ có 1/2 điện áp vào xuất hiện trên cuộn dây sơ cấp, dòng điện cho phép trong sơ đồ này sẽ cao gấp hai lần so với sơ đồ đẩy-kéo. Điều này có nghĩa là khóa công suất sẽ đạt được giá trị lớn nhất ở một nửa công suất đầu ra của sơ đồ đẩy-kéo. Sơ đồ cầu nửa chu kỳ chỉ dùng với dải công suất đầu ra từ 150W đến 500W. Với mức công suất dưới 150W dùng sơ đồ flyback sẽ có giá trị kinh tế hơn, còn với mức công suất trên 500W thì hoạt động của khóa công suất vẫn là câu hỏi. Với ưu thế có lõi tự cân bằng thì sơ đồ cầu nửa chu kỳ là sơ đồ tồt nhất với dải công suất từ 150W đến 500W. 3.4. Cấu tạo sơ đồ điều chỉnh cầu cả chu kì. Sơ đồ cầu cả chu kì là sơ đồ điều chỉnh độ rộng xung(PWM) sử dụng MBA cách ly rất dặc biệt. Giống như những sơ đồ điều chỉnh có đầu ra kép khác, từ thông của MBA được truyền theo cả chiều phân cực âm và dương. Sơ đồ này cho giá trị công suất đầu ra lớn hơn sơ đồ cầu nửa chu kì. Đây là nguyên nhân dẫn đến việc thay thế tụ điện cân bằng bằng một cặp khóa công suất có dạng giống hệt cặp ban đầu trong sơ đồ cầu nửa chu kỳ đầu. Trong một khoảng thời gian sẽ có hai trong bốn khóa công suất dẫn đồng thời. Trong một chu kì dẫn thì hoặc là khóa công suất bên trái phía trên và bên phải phía dưới hoặc là bộ khóa công suất bên trái phía dưới và bên phải phía trên sẽ cùng dẫn. Mỗi cặp khóa công suất liên kết dẫn những chu kì xen kẽ nhau. Điều này dẫn tới điện áp đầu vào có dạng sóng cả chu kỳ được đưa tới cuộn dây sơ cấp, vì vậy mà làm giảm dòng điện giới hạn trong cuộn sơ cấp dẫn tới công suất đầu ra lớn hơn so với công suất của sơ đồ cầu nửa chu kỳ. Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng của sơ đồ cầu cả chu kỳ. Một lần nữa, vấn đề điều khiển khóa công suất phía trên là thật sự cần thiết trong sơ đồ cầu cả chu kì. Chi phí của MBA điều chỉnh trở nên không quan trọng khi nó phân phối những giá trị công suất cao như thế tới tải. Hơn nữa, từ việc khóa công suất được điều chỉnh trong cùng một cặp, giúp nhà thiết kế chỉ cần bổ sung thêm hai cuộn dây thứ cấp vào MBA điều chỉnh trong sơ đồ cầu nửa chu kỳ để hỗ trợ cho cặp khóa công suất vừa mắc thêm vào. Còn lại mạch điều khiển không thay đổi. Sự cân bằng của lõi đạt được là nhờ đặt một tụ điện nhỏ không phân cực mắc nối tiếp với cuộn dây sơ cấp. Giá trị trung bình của điện áp DC đưa tới tụ điện giảm xuống bằng điện áp đi qua cuộn dây sơ cấp theo chiều giảm độ bão hòa. Độ bão hòa của lõi tại giá trị công suất mà sơ đồ cầu cả chu kỳ làm việc có thể làm hỏng các khóa công suấtđang dẫn. Đây là một ý tưởng hay để thiết kế MBA cí từ thông tản cực đại thấp hơn so với loại bình thường. Sơ đồ điều chỉnh cầu cả chu kỳ được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu công suất đầu ra từ 300W đến nhiều KW. CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC Qua những phân tích về các sơ đồ bộ nguồn đóng cắt ở trên. Dựa vào những ưu điểm và nhược điểm của chúng, với yêu cầu thiết kế bộ nguồn cho máy tính xách tay có điện áp đầu vào là 220(V-AC) điện áp đầu ra là 16(V-DC). Ta chọn sơ đồ mạch động lực là sơ đồ đẩy-kéo có sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 4.1: Sơ đồ mạch động lực. 1.Thiết kế tụ điện đầu vào Tính toán tụ điện ở đầu vào. Lưới điện có các thông số sau: Điện áp lưới: U = 220±5% (V) Tần số hoạt động của lưới: f = 50 (Hz) Dòng điện vào: I = 1 (A) Điện áp ra: Vout = 16 (V) Dòng điện ra: Iout = 4,5 (A) Điện áp sau khi qua bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển được tính theo công thức dưới đây: Vin = 0,9.U (30) Trong đó: Vin là điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. K = 0,9 là hệ số điện áp của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. U = 220V là điện áp lưới. Thay các thông số trên vào công thức ta tính được điện áp ở đầu ra như sau: Vin = 0,9.220 = 198 (V) Công suất ở đầu ra của bộ nguồn được tính theo công thức: Pout = Vout.Iout (31) = 16.4,5 = 72 (W) Trong đó: Vout = 16V là điện áp ra. Iout = 4,5A là dòng điện ra. Từ đó ta có thể tính được công suất đầu vào của bộ biến đổi đẩy-kéo như sau: (32) Trong đó: = 70% là hiệu suất của bộ biến đổi. Ta có: Pin = Vin.Iin (33) Trong đó: Iin là dòng điện đầu ở đầu vào của sơ đồ đẩy-kéo (A) Suy ra: (34) Ta có công thức tính điện dung của tụ điện đầu vào của bộ biến đổi như sau: (35) Trong đó: Cin là giá trị điện dung của tụ điện đầu vào (F) I là dòng điện DC tại đầu vào của bộ biến đổi (A) ∆V là độ sai lệch điện áp cho phép (V) ∆t là thời gian tụ điện phóng () Với: I = 0,52 (A) ∆t là thời gian tụ điện phóng sẽ bằng thời gian mà khóa công suất ngừng dẫn. Nên ta phải đi tính chu kỳ làm việc của khóa công suất theo công thức sau: (36) f = 50(kHz) là tần số hoạt động của khóa công suất. Vậy (37) Công thức thể hiện mối quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào của bộ biến đổi đẩy-kéo là: (38) Với (39) Trong đó: α là hệ số dẫn của khóa MOSFED. ton là thời gian khóa MOSFED dẫn. T là chu kỳ làm việc của khóa MOSFED. Từ biểu thức trên ta có thể tính được thời gian dẫn của khóa MOSFED theo công thức sau: (40) Làm tròn ton = 2(s) Vậy thời gian tụ điện phóng là: ∆t = T - ton (41) = 20 – 2 = 18 () Độ sai lệch điện áp cho phép là: ∆V = 5%.Vin = 0,05.198 = 9,9(V) (42) Thay các thông số vào công thức ta tính được giá trị điện dung cần thiết của tụ điện đầu vào: (43) 2. Thiết kế MBA cho sơ đồ đẩy - kéo Bước 1: Các thông số kỹ thuật đã biết. MBA có các thông số sau: Điện áp đầu vào: 198V DC, phạm vi dao động từ: 188-208V. Tần số hoạt động: 50kHz. Điện áp đầu ra: 16V. Dòng điện đầu ra: 4,5A. Phạm vi nhiệt độ hoạt động: 0-55oC. Hiệu suất: 90%. Bước 2: Lựa chọn kích thước của MBA. Lõi MBA được lựa chọn để đảm bảo cho độ tăng nhệt độ phù hợp và có hiệu suất cao nhất. Độ tăng nhiệt độ cho phép lớn nhất của MBA là 40 oC. Khi đó nhiệt độ bề mặt lớn nhất của MBA là 95 oC với nhiệt độ môi trường là 55 oC. Dựa vào trạng thái hoạt động ổn định của sơ đồ đẩy-kéo với công suất đầu ra của nó là Pout = 72(W) và tần số hoạt động là 50kHz, tra hình 4.1 ta có thể lựa chọn dạng lõi EC41. Lõi EC41 có các thông số sau (được tra từ bảng 4.1: tham số MBA EC và tổn hao của lõi): Số catalogue: 4312 020 52510. Loại lõi: EC42/19/12. Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dạng lõi phụ thuộc vào công suất đầu ra của bộ nguồn và tần số hoật động của khóa công suất. Bảng 4.1: Thông số lõi MBA và tổn hao của lõi. Bước 3: Tổn hao công suất của MBA Với giá trị điện trở nhiệt là Rth = 16oC/W và độ tăng nhiệt độ cho phép lớn nhất là: 40oC, khi đó tổng tổn hao của MBA có thể tính theo công thức sau: (44) Trong đó: Pid là tổng tổn hao của MBA (W) Rth là điện trở nhiệt (oC/W) Tr là độ tăng nhiệt (oC) Để đạt được hiệu suất tối ưu, thì tổn hao của lõi là Pc nên chọn bằng 60% tổng tổn hao Pid. Vậy tổn hao của lõi có giá trị là: Pc = 44%.Pid = 2,5.44% 1,1(W) (45) Bước 4: Lựa chọn mật độ từ thông tối ưu Ta có thể xác định được từ thông đỉnh (peak flux) tối ưu theo phương pháp tổn hao vật liệu (material loss) nếu biết khối lượng của lõi, tần số hoạt động và tổn hao công suất trên gram của vật liệu ferrit. Khối lượng của lõi 41/17/10là 52g. Mà ta có tổng công suất tổn hao của lõi là 1,1(W). Vậy công suất tổn hao trên 1 gram là: (46) Dựa vào hình 4.2 và tần số hoạt động là 50kHz ta có mật độ từ thông đỉnh xấp xỉ bằng 117mT. Từ đó ta có biên độ mật độ từ thông là ∆B có giá trị là: ∆B = 234mT p-p. Hình 4.4: Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa từ thông phụ thuộc vào tổn hao công suất lõi và tần số hoạt động của khóa công suất. Từ hình 4.4 với tổn hao công suất của lõi là Pc = 1,1(W) ta có thể tra được biên độ từ thông tổng (biên độ từ thông tổng) là ф = 32(µWb). Diện tích của lõi là Ae =135 (mm2). Từ đó ta có thể tính được biên dộ mật độ từ thông ∆B bằmg công thức cho dưới đây: (47) Ta tính được ∆B = 237(mT) so sánh với giá trị ∆B = 234(mT) đã tra được, hai kết quả này tương đối chính xác so với nhau. Vì vậy mà các thông số đã chọn là tương đối hợp lý. Vậy tổn hao đồng nên chọn bằng 56% tổng tổn hao: Pcu = 56%.Pid (48) =0,56.3,8=2,13(W) Bước 5: Thiết kế số vòng dây của MBA Trong trường hợp này, yêu cầu sơ đồ chỉ gồm một cuộn dây thứ cấp và số vòng dây thứ cấp phải là số nguyên. Bước đầu của công việc thiết kế là ta đi tính toán số vòng dây của cuộn thứ cấp. Số vòng dây tối ưu trên 1 voltage điện áp có thể được tính bằng công thức cho dưới đây: Trong đó: N/V là số vòng day tối ưư trên 1 voltage điện áp. ton là thời gian dẫn lớn nhất của khóa công suất, (µs). ∆B là biên độ mật độ từ thông tối ưu, (T). Ae là diện tích của lõi, (mm2). Trong biểu thức tính toán này, biên độ mật độ từ thông ∆B gấp 2 lần mật độ từ thông đỉnh B, bởi vì chỉ có 1/4 cung đặc tính B-H được sử dụng cho sơ đồ đẩy-kéo. Thời gian dẫn lớn nhất của mỗi khóa bằng 50% thời gian của một chu kỳ. Vậy với tần số hoạt động của khóa công suất là f =50kHz thì T = 1/f = 1/50 = 20(µs). Do vậy, ta có tonmax = 10(µs). Diện tích của lõi là Ae = 135(mm2). Và biên độ mật độ từ thông tối ưu là ∆B = 234(mT). Từ các thông số trên ta thay vào công thức ta có thể tính được giá trị như sau: (49) Trước khi muốn xác định số vòng dây của cuộn thứ cấp thì ta phải biết được điện áp qua cuộn thứ cấp Vs. Nhưng ta không thể xác định được một cách chính xác độ lớn điện áp của cuộn dây thứ cấp cho tới khi hoàn thành công việc thiết kế và giá trị điện trở của cuộn dây thứ cấp sẽ được tính toán ở bước cuối cùng. Vì vậy, tại thời điểm này ta chỉ có thể xác định được các giá trị gần đúng của chúng. Ta chọn hiệu suất thiết kế bộ nguồn này là =70% Với điện áp Vout = 16(V) Dòng điện ra là Iout = 4,5(A) Từ đó ta có thể xác định được giá trị công suất đầu ra của bộ nguồn là: Pout = Vout.Iout = 16.4,5 = 72(W) (50) Vậy công suất đầu vào được tính là: (51) Vậy phần công suất bị tổn hao qua bộ biến đổi là: pth = Pin – Pout = 103 – 72 = 31(W) (52) Nếu như 75% tổn hao này là tổn hao của mạch điện thứ cấp, thì với dòng điện ra là Iout = 4,5(A) ta có thể tính được điện áp tổn hao rơi trên mạch điện thứ cấp (bao gồm tổn hao của diode chỉnh lưu, cuộn cảm, điện trở MBA (trong sơ đồ này ta chọn diode Schottky)). Ta có công suất tổn hao trên mạch điện thứ cấp là: P2th = 75%.p (53) = 0,75.31 = 23,25(W) Vậy điện áp tổn hao của mạch điện thứ cấp là: (54) Theo lý thuyết yêu cầu thiết kế bộ nguồn có điện áp ra là: Vout = 16(V), nhưng thực tế khi thiết kế sẽ không đạt được 16(V), vì vậy ta phải tạo ra một khoảng dao động có thể chấp nhận được (chọn khoảng dao động là 5%). Vậy thực tế phải thiết kế bộ nguồn có điện áp ra là 17(V) để đảm bảo tải luôn hoạt động ở mức điện áp không đổi là 16(V). Do MBA và độ tự cảm của cuộn dây thứ cấp đã quy định thời gian dẫn hiệu quả của một khóa công suất không được vượt quá giới hạn 50% thời gian dẫn của một chu kỳ làm việc. Dòng điện tăng lên khá chậm tại mỗi nửa chu kỳ làm việc. Kết quả là chu kỳ dẫn hiệu quả chỉ đạt được 46% (sẽ đạt được 92% sau khi chỉnh lưu bởi vì cộng cả hai khóa công suất lại), và điện áp cuộn thứ cấp phải được tăng lên để đạt được kết quả này. Do đó trong trường hợp này điện áp cuộn dây thứ cấp được tính gần đúng theo công thức dưới đây: (55) Số vòng dây của cuộn thứ cấp được tính theo công thức: Ns = Vs.N/V = 24,1.0,32 = 7,712(vòng) (56) Ta làm tròn số vòng dây của cuộn thứ cấp lên thành: Ns = 8(vòng) Dẫn tới kết quả là mật độ từ thông sẽ bị giảm đi một lượng nhỏ so với mật độ từ thông tối ưu. Bước 6: Tính toán cuộn dây sơ cấp Số vòng dây của cuộn sơ cấp sẽ được tính toán với nức điện áp đầu vào là nhỏ nhất và tổn hao cho phép rơi trên điện trở cuộn sơ cấp và khóa công suất là 10%. Điều này sẽ đảm bảo cho điện áp ra đạt yêu cầu với giá trị điện áp đầu vào là nhỏ nhất. Giá trị nhỏ nhất của điện áp nguồn là: Vcc = 188(V) (với độ dao động là 5%) Với độ tổn hao công suất qua khóa công suất và điện trở của cuộn sơ cấp là 10% thì ta sẽ xác định được giá trị điện áp hữu ích đi vào cuộn sơ cấp của MBA Vp là: Vp = 70%.Vcc = 0,7.188 = 131,6(V) (57) Từ đó ta có thể xác định được số vòng dây trên 1V điện áp sẽ thay đổi so với giá trị đã xác định ở bên trên do ta làm tròn số vòng dây của cuộn thứ cấp lên thành 5 vòng. Bây giờ ta có thể tính được chính xác số vòng dây trên 1V điện áp là: (58) Từ đó ta có thể xác định được số vòng dây của cuộn sơ cấp theo công thức dưới đây: Np = Vp.N/V = 131,6.0,38 = 50,008(vòng) (59) Ta làm tròn Np lên thành Np = 50(vòng), khi đó tổn hao điện áp đầu ra sẽ giảm đi một chút. Bây giờ số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp đã xác định được, việc còn lại là ta phải đi lựa chọn kích cỡ dây quấn phù hợp cho cuộn sơ cấp. Bước 7: Lựa chọn kích thước dây quấn, và sơ đồ dây quấn. 3.Thiết kế cuộn cảm lọc ở đầu ra. Chọn cuộn cảm lọc là cuộn cảm Graphical (tức là cuộn cảm dùng lõi Ferrite Gapped). Một số yêu cầu khi dùng lõi loại này: Độ nhấp nhô dòng điện không được vượt quá 20% giá trị dòng điện tải lớn nhất. Ta sử dụng lõi dạng này là vì nó có độ tổn hao rất nhỏ do đó ta có thể bỏ qua. Nó có độ tăng nhiệt độ lớn nhất là 30oC so với nhiệt độ môi trường. Mật độ từ thông không được vượt quá 0,25T khi sơ đồ hoạt động ở trạng thái ổn định. Cho các thông số sau: Điện áp ra Vout = 16(V) Dòng điện ra Iout = 4,5(A) Tần số hoạt động là f = 50kHz Độ nhấp nhô dòng điện là = 5%.Iout = 0,05.4,5 = 0,225(A) Độ tăng nhiệt độ lớn nhất = 30oC Bước 1: Tính giá trị điện cảm Trong thời gian khóa công suất ngừng dẫn thì dòng điện tải giảm xuống rất nhiều. Vì vậy, cần phải có cuộn cảm dự trữ năng lượng để bù vào phần năng lượng đã mất đi giúp tải luôn hoạt động ở trạng thái ổn định. Do đó, ta phải đi xác định giá trị điện cảm của cuộn cảm lọc theo công thức cho dưới đây: (60) Trong đó: L là giá trị điện cảm theo yêu cầu. VL là điện áp đi qua cuộn cảm trong thời gian khóa công suất dẫn. ton là thời gian khóa công suất dẫn. là độ nhấp nhô dòng điện khi khóa công suất dẫn. Giá trị điện áp đi qua cuộn cảm bằng điện áp cuộn thứ cấp trừ đi điện áp ở đầu ra, ta có công thức: VL = Vs – Vout = 24,1 – 16 = 8,1(V) (61) Với Vs = 24,1(V) đã tính được ở phần thiết kế MBA ở trên. Vout = 16(V) ton = 2() đã tính được ở phần thiết kế MBA. Thay các thông số vào công thức trên ta tính được giá trị điện cảm L như sau: (62) Bước 2: Tính toán diện tích dẫn AP(area product AP) Từ đồ thị biểu diễn trong hình 3.1.2 ta có thể xác định được diện tích dẫn AP khi biết độ lớn dòng điện tải và giá trị điện cảm. Trong trường hợp này với Iout = 4,5(A) L = 72() ta tra được từ đồ thị 3.1.2 giá trị của vùng AP là: AP = 0,2(cm4) Dựa vào thông số này ta chọn lõi của cuộn dây dạng EC35. Bước 3: Tính số vòng dây. Số vòng dây nhỏ nhất được quấn trên lõi để tạo ra giá trị điện cảm theo yêu cầu mà mật độ từ thông B không vượt quá giới hạn cho phép sẽ được tính toán bởi công thức cho dưới đây: (63) Trong đó: Nmin là số vòng dây tối thiểu. L là giá trị điện cảm đã xác định được ở bước 1. L = 72.10-6(H) Ipm là dòng điện ra lớn nhất Ipm = 4.8(A) với phạm vi dao động là 5%. Điện trở nhiệt Rth (oC/W) Dòng điện đầu ra (A) Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa diện tích dẫn phụ thuộc vào dòng điện ra và giá trị điện cảm của cuộn dây. Bmax là giá trị mật độ từ thông lớn nhất (250mT) Ae là diện tích lõi. Ae = 84,3 mm2 = 84,3.10-2 cm2 Thay các thông số trên vào công thức ta được: (64) Bước 4: Tính toán kích thước tối ưu của dây quấn. Để giá trị tổn hao là thấp nhất thì kích thước dây quấn phải đạt mức nhỏ nhất trong phạm vi có thể chấp nhận được. Kích thước dây quấn có thể được tính theo công thức cho dưới đây, cụ thể là diện tích của phần dây quấn được quấn trên ống dây là: (65) Trong đó: Ax là diện tích phần dây quấn (mm2). Aw là tổng diện tích cửa sổ dây quấn (mm2). Ku là hệ số dây quấn. Ku = 0,6 đối với dây tròn. N là số vòng dây. N = 16 vòng (đã tính được ở trên). Aw được xác định dựa vào công thức cho dưới đây: AP = Acp.Aw (66) Suy ra (67) Trong đó: AP = 0,2(cm4) (đã xác định được ở trên) là diện tích dẫn. Acp là diện tích của cực trung tâm của lõi (mm2). Với lõi EC35 ta tra được trong bảng 2.19.1 được giá trị của Acp = 66,5(mm2) = 0,665(cm2) Thay các thông số vào công thức ta tính được giá trị Ax: (68) Dựa vào hình 3.1.3 với số vòng dây là N = 16 vòng và lõi EC35 ta có thể lựa chọn loại kích thước của dây quấn. Ta tra được dây quấn có loại kích thước là: #11AWG. Hình 4.6: Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước dây quấn và số vòng dây quấn Dựa vào bảng 4.2 ta có thể tra được kích thước loại dây quấn #11AWG (Bảng các thông số của dây quấn AWG). Dây quấn #11AWG có các thông số sau: Đường kính dây đồng: 0,231cm. Diện tích dây đồng: 0,041729cm2. Đường kính cách điện: 0,244cm. Diện tích cách điện: 0,046738cm2. Bước 5: Tính toán khe hở của lõi. Giả sử phần lớn từ trở là trong khe hở không khí, thì chiều dài khe hở không khí lg (bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố xung quanh) được tính theo công thức dưới đây: (69) Trong đó: lg là tổng chiều dài khe hở không khí (mm). = 1 (đối với không khí). N = 16 (vòng) là số vòng dây quấn. Ae = 84,3.10-2(cm2) là diện tích lõi. L = 720.10-6 (H) là giá trị điện cảm. Thay các thông số vào công thức ta tính được lg: (70) Bước 6: Kiểm tra độ tăng nhiệt độ. Độ tăng nhiệt độ chủ yếu phụ thuộc vào tổn hao công suất (gồm có tổn hao của lõi cộng với tổn hao của dây đồng), diện tích bề mặt và độ phát xạ, và lưu lượng không khí. Độ tăng nhiệt độ sẽ được kiểm tra sau khi ta đã xác định được tổn hao của lõi và tổn hao của dây đồng. Bước 7: Kiểm tra tổn hao lõi. Tổn hao lõi tạo thành do dòng điện xoáy (eddy-current) và tổn hao từ trễ, gồm có sự tăng tần số và độ sai lệch từ thông (flux excursion). Hệ số tổn hao phụ thuộc vào vật liệu. Thông thường, những sơ đồ được đưa ra thường có giả thiết là độ trệch mật độ từ thông bằng 0 (ví dụ sơ đồ đẩy-kéo), từ đó cho biết Bmax có giá trị bằng một nửa biên độ mật độ từ thông ∆B. Độ lệch mật độ từ thông được tính theo công thức sau đây: (71) Trong đó: = Vout + Vth (điện áp ra cộng với điện áp tổn hao). (72) = 16 + 5,17 = 21,17(V) (đã xác định được ở phần thiết kế MBA). ∆Bac là biên độ mật độ từ thông xoay chiều (T). toff = 18 là thời gian khóa công suất ngừng dẫn () N = 16 (vòng) là số vòng dây. Ae = 84,3 là diện tích lõi (mm2). Thay các thông số ở trên vào công thức tính toán ta được: (73) Với vật liệu lõi là ferrit, thì độ lớn mật độ từ thông này và tần số f = 50kHz, từ hình 4.2 ta tra được tổn hao của lõi xấp xỉ bằng 11mW/g. Với cân nặng của lõi là 36g, ta tính được tổn hao lõi là 0,396(W). Do đó tổn hao này có thể bỏ qua. Vậy đối với lõi làm bằng vật liệu là ferrit thì tổn hao của lõi là không đáng kể có thể bỏ qua được (ngoại trừ trường hợp tần số cao và độ nhấp nhô dòng điện là lớn hơn). Bước 8: Kiểm tra tổn hao đồng. Giá trị điện trở của cuộn cảm được xác định từ các thông số của ống dây, hoặc có thể tính toán từ đường kính chính của ống dây, số vòng dây và kích thước của dây quấn. Độ an toàn (tuổi thọ) của dây quấn và các hệ số của dây quấn phụ thuộc vào kỹ thuật quấn dây và nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ giá trị điện trở. Lưu ý, giá trị điện trở của Cu sẽ tăng lên gần 0,43%/oC khi nhiệt độ của nó là 20oC. Giá trị này lớn hơn 34% so với ở nhiệt độ là 100oC. Tổn hao công suất Cu được tính toán bởi công thức cho dưới đây (với độ nhấp nhô dòng điện là thấp): Pcu = I2.R (74) Trong đó: I = 4,5 (A) là dòng điện tải. R là điện trở của dây Cu. Độ dài của dây quấn và giá trị điện trở của nó có thể được tính toán từ đường kính ống dây và số vòng dây. Đường kính chủ yếu của ống dây EC35 là dm = 2(cm). Vậy tổng độ dài của cuộn dây được tính theo công thức sau đây: (cm) (75) Thay số vào công thức ta tính được chiều dài của dây quấn là: lt = .2.16 = 101(cm) Từ bảng 3.1.1 ta tra được giá trị điện trở của dây quấn #11AWG bằng 41 tại 20oC, và bằng 55 tại 100oC. Điện trở của cuộn dây được tính theo công thức: R = (4155).lt (76) = (4155).101 = 4,1415,555 (m) Vậy tổng điện trở của cuộn dây nằm trong khoàng 4,141 đến 5,555 (m). Từ đó ta có thể tính được giá trị tổn hao công suất theo công thức: Pcu = (4,1415,55).10-3.I2 (77) = (4,1415,55).10-3.4,52 = (0,0840,113) (W) Từ bảng 2.19.1 ta có thể tra được giá trị điện trở nhiệt của EC35 là: Rth = 17,4 (oC/W) Từ đó ta có thể tính được độ tăng nhiệt độ theo công thức: Pcu.Rth = (0,0840,113).17,4 = (1,472) (oC) (78) Vậy độ tăng nhiệt độ cho phép nằm trong khoảng (1,472) (oC). Và nhiệt độ của dây quấn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. Bước 9: Kiểm tra độ tăng nhiệt độ. 4. Tính toán lựa chọn tụ điện ở đầu ra Giá trị điện dung của tụ điện đầu ra được tính theo công thức sau đây: (79) Trong đó: C là giá trị điện dung của tụ điện đầu ra (). ∆I là độ nhấp nhô dòng điện trong thời gian khóa công suất dẫn (A). ton là thời gian khóa công suất dẫn (µs). ∆Vo là độ chênh lệch điện áp (V). Ta có các thông số như sau: ∆I = 0,225 (A) ton = 2 (µs) ∆Vo = 5%.Vout = 0,05.16 = 0,8 (V) (80) Thay các thông số vào công thức trên ta sẽ tính được giá trị điện dung của tụ điện đầu ra: (81) 5. Tính toán lựa chọn loại khóa công suất Trong sơ đồ này ta sử dụng khóa MOSFED công suất. Mặc dù khóa Transistor lưỡng cực dễ điều khiển hơn nhưng tổn hao công suất của nó lại lớn hơn, vì vậy để điều khiển khóa này ta cần phải cấp một lượng công suất lớn hơn. Trong khi đó, tổn hao của khóa công suất MOSFED lại nhỏ hơn, nên ta lựa chọn khóa MOSFED. Chọn khóa MOSFED có tần số hoạt động là f = 50kHz. Giá trị dòng điện và điện áp giới hạn mà khóa phải chịu được tính theo công thức dưới đây: (82) Trong đó: Ipk là giá trị dòng điện giới hạn (A). Pout là công suất ra của bộ nguồn (W). Pout = 72(W) đã tính được ở trên. Vin(min) là điện áp vào nhỏ nhất (V). Vin(min) = 188 (V) đã tính được ở trên. Điện áp giới hạn tính theo công thức sau: Vpk = 2.Vin(max) = 2.208 = 416(V) (83) Trong đó: Vpk là điện áp giới hạn (V). Vin(max) là điện áp đầu vào lớn nhất (V). Vin(max) = 208 (V) đã tính được ở trên. Ngoài ra ta còn lựa chọn khóa công suất theo điều kiện sau: (84) Trong đó: Vspike là điện áp giới hạn của khóa đã được tính ở trên (V). Vin = 198 (V) là điện áp đầu vào của bộ biến đổi (V) Np = 50 (vòng) là số vòng dây cuộn sơ cấp của MBA. Ns = 8 (vòng) là số vòng dây cuộn thứ cấp của MBA. VD = 5,17(V) là điện áp tổn hao ở mạch thứ cấp (V). Vout = 16 (V) là điện áp ở đầu ra của bộ nguồn (V). Thay các thông số trên vào công thức ta xác định được điều kiện đặt ra: (85) Nhằm tăng thêm độ dự trữ cho khóa để đảm bảo sự an toàn và trạng thái hoạt động ổn định thì ta phải chọn khóa có Vds = 800(V). 6. Tính toán lựa chọn diode ở đầu ra. Lựa chọn diode theo yêu cầu dòng điện theo điều kiện sau đây: ID > 1,5.Iin = 1,5.0,52 = 0,78 (A) (86) Điện áp cho phép đi qua diode chọn theo công thức sau: (87) Trong đó: VD là điện áp cho phép đi qua diode (V). Vout = 16 (V) là điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi (V). Ns = 8(vòng) là số vòng dây của cuộn thứ cấp. Np = 50(vòng) là số vòng dây của cuộn sơ cấp. Vin(max) = 208 (V) là điện áp đầu vào lớn nhất của bộ biến đổi (V). Với giá trị dòng điện và điện áp như đã tính toán được ở trên, dựa vào đó giúp ta lựa chọn được loại diode nên sử dụng trong mạch này. Trong sơ đồ này ta chọn diode Schottky có các thông số sau: MBR 050 Schottky 50V,1A. hoặc MUR 110 100V,1A. CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Giới thiệu về mạch điều khiển cổ điển cho băm áp một chiều. 1.1 Nguyên lí điều khiển. Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch. Như đã biết ở trên, chu kì đóng cắt van nên thiết kế cố định. Điện áp tải khi điều khiển được tính (88) Trong đó: (89) td, tk, T: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt. U1: điện áp nguồn một chiều. t1 t2 t3 t4 t5 URC Uđk UTải t t α Hình 5.1: Nguyên lý điều khiển điện áp một chiều. Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển α bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. Để điều khiển α với chu kì đóng cắt T không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắt. Nguyên lí điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong điều áp một chiều có thể thực hiện như sau. Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao. Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện á