Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng llc hiệu suất cao chỉnh lưu đồng bộ bằng mosfet

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC đồng bộ bằng MOSFET.” 60 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO NGUỒN CỘNG HƯỞNG LLC HIỆU SUẤT CAO CHỈNH LƯU ĐỒNG BỘ BẰNG MOSFET Lê Xuân Thành* Tóm tắt: Ngày nay, việc nâng cao hiệu suất và mật độ năng lượng trong các bộ chuyển đổi nguồn ngày càng được quan tâm và trở thành xu hướng trong tương lai. Bộ chuyển đổi điện cộng hưởng, đặc biệt là các bộ chuyển đổi cấu hình một nửa cầu (Half- Brigde) LLC gần đây đang nhận được nhiều sự chú ý vì đặc tính đạt được tần số chuyển mạch cao, giảm được tổn hao chuyển mạch thông qua vùng ZVS. Trong bài báo này, chúng tôi đã tiến hành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn switching theo nguyên lý dạng nửa cầu (Half Brigde) cộng hưởng LLC mật độ công suất và hiệu suất cao với kích thước rất nhỏ gọn nhằm mục đích ứng dụng cho các thiết bị điều khiển với các thông số kỹ thuật như sau: điện áp đầu vào dải rông 90- 240V ac; đầu ra là điện áp một chiều ổn định 24V,công suất 300W, hiệu suất đạt được 95% khi đủ tải. Từ khóa: Nguồn điện một chiều; Nguồn switching; Nguồn switching hiệu suất cao; Nguồn cộng hưởng LLC; Chỉnh lưu bằng Mosfet. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, trong các thiết kế chuyển đổi nguồn và các ứng dụng của chúng ngày càng yêu cầu hiệu suất và mật độ linh kiện cao hơn nhằm thu nhỏ thiết bị trong các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, quân sự, hàng không... [1-3]. Những bộ chuyển đổi nguồn này đóng một vai trò quan trọng không chỉ trong việc truyền năng lượng mà còn trong việc cách ly điện, đảm bảo an toàn cho thiết bị. Việc thiết kế các bộ chuyển đổi nguồn nhỏ gọn, hiệu suất cao thể hiện rất nhiều thách thức, đặc biệt là những bộ chuyển đổi nguồn có hiệu suất lớn hơn 92%. Bộ chuyển đổi điện cộng hưởng, đặc biệt là các bộ chuyển đổi cấu hình một nửa cầu (Half- Brigde) LLC gần đây đang nhận được nhiều sự quan tâm vì tiềm năng của những bộ chuyển đổi nguồn này có thể giảm được tổn hao chuyển mạch xuống rất thấp[4-6]. Bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu LLC có thể đạt được chuyển đổi điện áp - zero (ZVS) và chuyển mạch dòng - zero ở phía chính của máy biến áp, bởi vậy sẽ đạt được tần số chuyển mạch cao, giảm được tổn hao chuyển mạch thông qua vùng ZVS. Tuy nhiên, việc sử dụng tần số chuyển mạch cao có thể gây ra một số tiêu cực nhất định. Một trong số những tác động tiêu cực của tần số chuyển mạch cao hoạt động là việc tăng tuyến tính của tổn hao chuyển mạch thiết bị bán dẫn, do đó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả của toàn bộ công suất hệ thống. Đặc biệt, nhiễu điện từ được tạo ra bởi tần số hoạt động cao sẽ là ảnh hưởng đến chất lượng cũng như hiệu suất trung bình của mạch. Bộ chuyển đổi cộng hưởng một nửa cầu LLC thực hiện công suất chuyển đổi với điều chế tần số thay vì điều chế độ rộng xung, đòi hỏi một cách tiếp cận mới trong thiết kế. Hoạt động ở tần số chuyển mạch cao, sự chuyển đổi mềm lẫn nhau của việc đóng mở công suất, lựa chọn tối ưu đóng mở công suất, lựa chọn lõi từ, nắn dòng bằng Mosfet là điều kiện tiên quyết cho thiết kế thành công của nguồn hiệu suất cao. Mục đích trong nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo nguồn switching AC-DC hiệu suất cao lớn hơn 94% ở chế độ đủ tải, trên cơ sở mạch cộng hưởng nửa cầu LLC với kích thước rất nhỏ gọn, công suất ra 300 W, điện áp đầu vào 90-270 V xoay chiều, và điện áp đầu ra ổn định ở 24 V một chiều. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 61 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT Sơ đồ khối chức năng của nguồn switching được mô tả như trong hình.1. Nguồn xoay chiều 220V được đưa vào mạch chỉnh lưu để lọc, nắn tạo ra một điện áp thô một chiều đầu vào. Mức điện áp này có thể dao động, không ổn định trong một dải rộng do các dao động xoay chiều trong nguồn đầu vào. Điện áp một chiều này được đưa vào mạch ổn định điện áp PFC để ổn định điện áp tại khoảng 400V một chiều. Điện áp này được đưa trực tiếp vào khối trung tâm của nguồn là phần chuyển mạch công suất tần số cao (khối mạch công suất). Khối mạch công suất này gồm các linh kiện bán dẫn công suất chuyển mạch nhanh, ví dụ như MOSFETs và Bipolars, được điều khiển đóng/mở bởi khối điều khiển và chuyển mạch điện áp đầu vào trên máy biến áp sơ cấp. Các xung điều khiển có tần số (thông thờng từ 20 đến 200kHz) và chu kỳ làm việc được điều khiển bởi mạch điều khiển. Khối nguồn nội bộ là nguồn nội bộ dc-dc công suất rất nhỏ chuyển điện áp sau khi chỉnh lưu thành điện áp +15V nuôi bo mạch điều khiển. Nhờ biến áp xung các xung điện áp được truyền trực tiếp từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây thứ cấp với biên độ và tỷ lệ phù hợp. Việc truyền công suất này được thực hiện tại vùng ZVS thực hiện với mức tổn hao thấp nhất có thể, để duy trì hiệu suất làm việc. Chuỗi xung điện áp trên cuộn thứ cấp được chỉnh lưu bởi các bóng MOSFET được điều khiển một cách thích hợp, và sau đó được làm mịn bởi bộ lọc đầu ra là một tụ điện hoặc một bộ kết hợp tụ điện/cuộn cảm, tùy thuộc vào cấu trúc được sử dụng. Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. Việc điều chỉnh (ổn áp) đầu ra để tạo ra điện áp một chiều ổn định được thực hiện bằng cách lấy tín hiệu phản hồi đưa về xử lý trên mạch điều khiển nhằm điều chỉnh tần số chuyển mạch của các bóng MOSFET. Đối với nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC tần số xung được điều khiển nhằm thay đổi tỉ lệ độ rộng xung trên một chu kỳ bằng chu kỳ cơ sở cùng với đó là một sự thay đổi năng lượng tương ứng. Điện áp đầu ra so sánh với một điện áp tham khảo chính xác, và điện áp sai khác trên bộ so sánh logic này đợc sử dụng để điều khiển các switch (chuyển mạch) công suất ở một thời điểm chính xác. Điều này bù đắp cho những thay đổi trong nguồn cung cấp đầu vào và đầu ra tải. Như vậy, việc tối ưu thiết kế các linh kiện thụ động và linh kiện từ, và lựa chọn đúng các linh kiện bán dẫn công suất chính xác là rất quan trọng. Việc thiết kế đúng sẽ tạo ra nguồn điện áp một chiều rất ổn định với hiệu suất cao. 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ NGUỒN CỘNG HƯỞNG LLC 3.1. Thiết kế mạch lọc nắn và ổn định điện áp đầu vào Đặc tính của nguồn cộng hưởng LLC là hoạt động tối ưu ở vùng tần số cộng hưởng, khi đó năng lượng tổn hao đóng cắt trong vùng ZVS rất nhỏ giúp cải thiện đáng hiệu suất của bộ nguồn. Bởi vậy cần phải thiết kế mạch PFC nhằm ổn định điện áp trước khi đưa vào mạch cộng hưởng. Trong thiết kế này, điện áp đầu ra của mạch PFC được đưa ra là trong khoảng 370-400V dc. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC đồng bộ bằng MOSFET.” 62 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc nắn và ổn định điện áp đầu vào. Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 15V. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc nắn đầu vào và ổn định điện áp sử dụng được thể hiện trên hình 2. Mạch lọc sử dụng các cuộn chặn và tụ tạo thành các mạch lọc LC nhằm lọc nhiễu cao tần. Dòng điện xoay chiều được nắn thành một chiều bởi diode chỉnh lưu cầu. Điện trở nhiệt RT1 có tác dụng tự ngắt mạch khi nhiệt độ của nguồn tăng cao. Mạch ổn định điện áp được thiết kế trên cơ sở nguồn boots, sử dụng IC PFSF7328H để điều khiển đóng/mở bóng MOSFET tích hợp sẵn trong IC. 3.2. Thiết kế khối nguồn nội bộ 12V Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn nội bộ đầu ra 12V được thể hiện như trên hình 3, đây cũng là một nguồn switching dạng Flyback. Trái tim của khối nguồn này là một IC chuyển mạch tần số cao AP3103 hoạt động ở tần số 100kHz. Đầu vào của khối nguồn là điện áp một chiều được lấy từ ổn định điện áp đầu vào. Đầu ra sau biến áp được nắn bởi điốt xung (diode switching) và tụ lọc, sau đó được ổn áp bằng cách lấy tín hiệu phản hồi đưa về IC điều khiển. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 63 3.3. Thiết kế mạch nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC Nguyên lý bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu LLC Mạch của bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC trong nghiên cứu này được trình bày trong hình 4a, nó bao gồm các giai đoạn chuyển đổi năng lượng như sau : a) b) Hình 4. Sơ đồ nguyên lý nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. - Bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu LLC, được cấu tạo bởi các bóng bán dẫn Mosfet Q1và Q2, biến đổi điện đầu một chiều áp vào thành các xung điện áp vuông; - Mạch cộng hưởng LLC, được tạo thành bởi cuộn cảm nối tiếp Lr, cuộn cảm song song lm và tụ điện cộng hưởng Cr. Khi xuất hiện xung điện áp vuông ở tần số cộng hưởng, nó sẽ lọc các hài bậc cao và tạo ra một điện áp hoặc hoặc dòng gần sin; - Bộ chỉnh lưu, bao gồm trong các điốt D1 và D2, chuyển đổi dòng điện sin thành dòng điện môt chiều; - Bộ lọc đầu ra là tụ điện Co, để đảm bảo điện áp đầu ra duy trì ổn định. Hình 4b thể hiện đặc tính của bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC có hai tần số cộng hưởng, tần số thấp hơn, fp, được quyết định bởi tổng điện cảm nối tiếp Lr, Lm và tụ Cr; tần số cao hơn, fr1 được quyết định bởi Lr và Cr . Vùng hoạt động của bộ chuyển đổi nằm ở bên phải tần số cộng hưởng fp, đây là vùng đạt điều kiện ZVS, còn nếu tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng bộ chuyển đổi sẽ làm việc ở vùng ZCS, đây là vùng khi thiết kế chúng ta nên tránh, không để bộ chuyển đổi làm việc ở vùng này. Thiết kế mạch nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC Hình 5. Sơ đồ thiết kế nguyên lý mạch cộng hưởng nửa cầu LLC. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC đồng bộ bằng MOSFET.” 64 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC được thiết kế như hình 5. Trái tim của mạch nguồn này là IC LCS708. Đây là IC điều khiển tích hợp các chức năng chuyển đổi công suất của nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. Nó điều khiển các cực Gate của các Mosfet và đồng thời tích hợp sẵn các Mosfet công suất theo cấu hình mạch nguồn nửa cầu. Tần số điểu khiển tối đa lên đến 1MHz. Với điện áp đầu vào mạch cộng hưởng nửa cầu LLC, tương ứng với đầu ra của mạch boost PFC, là 370V - 400V; tần số cộng hưởng fo = fr1  100kHz; chúng tôi tính toán được thông số của phần mạch cộng hưởng LLC: Cr  22nF, Lm  118mH, Lp  630 mH. Thiết kế biến áp Các thông số của nguồn để tính toán biến áp: Công suất nguồn: 300W Vout: 24V Vin: 370V-400V Iout: 12.5A Mạch cộng hưởng LLC: Cr  22nF, Lm  118mH, Lp  630 mH. Để tính toán được kích thước biến áp ta phải xác định được mật độ từ thông lớn nhất của lõi (Bmax) dựa trên dữ liệu các thông số vật liệu của lõi tại tần số hoạt động. Nếu không có các dữ liệu thông số của lõi thì thông thường ta chọn Bmax ~0.3 Tesla [7]. Lựa chọn Bmax phải nhỏ hơn từ trường bị bão hòa (Bsat) và lưu ý Bmax càng nhỏ thì tổn hao năng lượng càng thấp. Đối với hầu hết các loại ferrite tổn hao năng lượng tăng theo cấp mũ 2.7 khi tăng Bmax và tăng theo cấp mũ 1.7 khi tăng tần số switching. Với tần số fo = 100kHz thì mật độ từ thông B tương ứng là 0.11 Tesla[7], do đó mật độ từ thông từ đỉnh đến đỉnh sẽ là B= 0.20 Tesla. Xác định kích thước lõi Kích thước lõi được xác định sơ bộ dựa trên công thức sau [7]: = 1.07 cm4 Trong đó: Ac là diện tích mặt cắt của lõi tại phần cuốn dây, cm2 Aw là diện tích cửa sổ của lõi, cm2 Po là công suất đầu ra BMax : Mật độ từ thông đỉnh, Gauss (với nguồn half-bridge Bmax = 1000) Dcma : Mật độ dòng (số vòng* ligiác/Ampe), Dcma thường được chọn là 500 K = 0.0014 đối với kiểu nguồn dạng half-bridge Với Ap=1.07 cm4 ta chọn lõi biến áp loại EER3542 hoặc tương đương. Ta có thể tính toán và lựa chon được số vòng phù hợp trên cuộn dây thứ cấp là 36 vòng và sơ cấp là 4 vòng. Để tạo mạch cộng hưởng LLC với điện cảm nối tiếp Lm  118 mH và điện cảm chính trên cuộn sơ cấp Lp  630 mH ta sử dụng khung biến áp (Bobbin) có vách ngăn ở giữa 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Điện cảm nối tiếp Lm chính là điện cảm rò giữa 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp; điện cảm này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai cuộn dây này. Giá trị điện cảm nối tiếp Lm và điện cảm chính trên cuộn sơ cấp Lp của biến áp xung được kiểm tra bằng thiết bị đo LCR200 tương ứng với giá trị điện cảm của cuộn sơ cấp khi ngắn mạch và hở mạch. Để tăng hiệu suất của khối nguồn, phương pháp chỉnh lưu đồng bộ bằng Mosfet đã được sử dụng trong thiết kế. Dòng điện được chỉnh lưu bằng cách điều khiển đóng mở Mosfet Q1 và Q2 bởi IC điều khiển đồng bộ SRK1000. Mosfet được sử dụng trong mạch fKB DP AwAcAp Max cma0*  Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 65 chỉnh lưu là STP80NF70 có điện trở nội rất nhỏ nên giảm được đáng kể tổn hao so với chỉnh lưu bằng diode thông thường. Hình 6. Hình ảnh khối nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. 0 20 40 60 80 100 70 75 80 85 90 95 E ff ic ie n cy ( % ) Load (%) 220 Vac 110 Vac 20 22 24 26 28 30 O u tp u t v o lt a ge ( V ) Hình 7. Hiệu suất và điện áp ra của khối nguồn thay đổi theo tải. Sau khi thiết kế, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm chế tạo khối nguồn. Trên hình 6 thể hiện hình ảnh khối nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC đã được thiết kế và chế tạo với các thông số như ban đầu đã đặt ra. Khối nguồn có kích thước tương đối nhỏ gọn, 145mm x 70mm x 35mm. Hiệu suất và điện áp ra của khối nguồn thay đổi theo tải được mô tả như hình 7. Điện áp ra có xu hướng giảm và gần như không thay đổi khi tải tăng lên. Khi thay đổi điện áp đầu vào từ 90-240 Vac thì điện áp đầu ra đo được luôn ổn định ở 24Vdc, và điện áp ripple ≤ 120 mV. 4. KẾT LUẬN Với xu hương thu nhỏ thiết bị và tiết kiệm năng lượng thì các bộ chuyển đổi nguồn ngày càng có yêu cầu hiệu suất và mật độ linh kiện cao hơn. Trong bài báo này, chúng tôi đã thực hiện thành công việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC có kích thước rất nhỏ gọn hiệu suất cao nhằm mục đích ứng dụng cho các thiết bị điều khiển với các thông số kỹ thuật như sau: điện áp đầu vào dải rộng từ 90 đến 240V xoay chiều, đầu ra là điện áp một chiều ổn định 24V, công suất 300W, hiệu suất lên đến gần 95% ở chế độ đủ tải. Đây là một kết quả tương đối tốt, có thể ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực nhằm thu thiết bị cũng như giải pháp tiết kiệm năng lượng Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC đồng bộ bằng MOSFET.” 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hu ZY et al, "An interleaved LLC resonant converter operating at constant switching frequency," IEEE, Vol. 29, (2014), pp. 2931-2944. [2]. Acar Vural Revna et al, “Design and optimization of a power supply unit for low profile LCD/LED TVs," IJOCTA, Vol.7, No.2 (2017), pp.158-166. [3]. [3] Lee JB et al, "A high-efficiency PFM half-bridge converter utilizing a half-bridge LLC converter under light load conditions," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.30 (2015), pp. 4931-4943. [4]. R. Beiranvand et al, "A design procedure for optimizing the LLC resonant [5]. converter as a wide output range voltage source," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27 (2012), pp. 3749-3764. [6]. Yu RY et al, "Computer-aided design and optimization of high-effciency LLC series resonant converter," IEEE, Vol. 27 (2012), pp. 3243-3257. [7]. Z. Hu et al, "An Interleaved LLC Resonant Converter Operating at Constant Switching Frequency," IEEE, vol. 29, No.6 (2014), pp. 2931-2943. [8]. Colonel Wm T. Mclyman, "Magnetic Core Selection for Transformers and Inductors" Marcel Dekker, 270 Madison Ave., New York, NY (1992) ABSTRACT DESIGN OF A HIGH EFFICIENCY LLC RESONANT HALF-BRIDGE CONVERTER WITH SECONDARY SYNCHRONOUS RECTIFICATION Nowday, higher efficiency, higher power density of the power-supply is gaining considering and become trends in the future. LLC resonant converter, particular, LLC resonant Half-Bridge converter has been attracting much attention because of its ability to achieve higher frequencies and low switching losses in their zero voltage switching, ZVS. In this paper, a high power density and efficiency, the resonant LLC half-Bridge converter topology with small dimension has been analyzed and practically designed with specification: 90- 240VAC wide range input, 24 V stable output voltage, 300W output power and 95% efficiency at full load. Keywords: Switching power; LLC resonant converter; Half-Bridge converter; Synchronous rectification. Nhận bài ngày 13 tháng 11 năm 2018 Hoàn thiện ngày 03 tháng 12 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: Bộ môn Lý thuyết mạch, Khoa Kỹ thuật điện tử 1, Học viện Bưu chính viễn thông. * Email: thanhqn80@gmail.com.