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

Bài viết 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC hiệu suất cao chỉnh lưu đồng bộ bằng MosfetKỹ thuật điều khiển & Điện tử 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 càngyêu cầu hiệu suất và mật độ linh kiện cao hơn nhằm thu nhỏ thiết bị trong các lĩnh vực tựđộng hóa công nghiệp, quân sự, hàng không... [1-3]. Những bộ chuyển đổi nguồn nàyđóng một vai trò quan trọng không chỉ trong việc truyền năng lượng mà còn trong việccách 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 hiệusuất 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 bộchuyển đổi nguồn này có thể giảm được tổn hao chuyển mạch xuống rất thấp[4-6]. Bộchuyển đổi cộng hưởng nửa cầu LLC có thể đạt được chuyển đổi điện áp - zero (ZVS) vàchuyển mạch dòng - zero ở phía chính của máy biến áp, bởi vậy sẽ đạt được tần số chuyểnmạch cao, giảm được tổn hao chuyển mạch thông qua vùng ZVS. Tuy nhiên, việc sử dụngtần số chuyển mạch cao có thể gây ra một số tiêu cực nhất định. Một trong số những tácđộng tiêu cực của tần số chuyển mạch cao hoạt động là việc tăng tuyến tính của tổn haochuyển mạch thiết bị bán dẫn, do đó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả của toàn bộ côngsuất hệ thống. Đặc biệt, nhiễu điện từ được tạo ra bởi tần số hoạt động cao sẽ là ảnh hưởngđến chất lượng cũng như hiệu suất trung bình của mạch. Bộ chuyển đổi cộng hưởng mộtnửa cầu LLC thực hiện công suất chuyển đổi với điều chế tần số thay vì điều chế độ rộngxung, 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 côngsuất, lựa chọn lõi từ, nắn dòng bằng Mosfet là điều kiện tiên quyết cho thiết kế thành côngcủa nguồn hiệu suất cao. Mục đích trong nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo nguồn switching AC-DC hiệusuất cao lớn hơn 94% ở chế độ đủ tải, trên cơ sở mạch cộng hưởng nửa cầu LLC với kíchthước rất nhỏ gọn, công suất ra 300 W, điện áp đầu vào 90-270 V xoay chiều, và điện ápđầu ra ổn định ở 24 V một chiều.60 Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC … đồng bộ bằng MOSFET.”Nghiên cứu khoa học công nghệ 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT Sơ đồ khối chức năng của nguồn switching được mô tả như trong hình.1. Nguồn xoaychiều 220V được đưa vào mạch chỉnh lưu để lọc, nắn tạo ra một điện áp thô một chiều đầuvào. Mức điện áp này có thể dao động, không ổn định trong một dải rộng do các dao độngxoay chiều trong nguồn đầu vào. Điện áp một chiều này được đưa vào mạch ổn định điệnáp PFC để ổn định điện áp tại khoảng 400V một chiều. Điện áp này được đưa trực tiếp vàokhối trung tâm của nguồn là phần chuyển mạch công suất tần số cao (khối mạch côngsuất). 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 chuyểnmạch điện áp đầu vào trên máy biến áp sơ cấp. Các xung điều khiển có tần số (thông thờngtừ 20 đến 200kHz) và chu kỳ làm việc được điều khiển bởi mạch điều khiển. Khối nguồnnội bộ là nguồn nội bộ dc-dc công suất rất nhỏ chuyển điện áp sau khi chỉnh lưu thànhđiện áp +15V nuôi bo mạch điều khiển. Nhờ biến áp xung các xung điện áp được truyềntrực tiếp từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây thứ cấp với biên độ và tỷ lệ phù hợp. Việctruyền công suất này được thực hiện tại vùng ZVS thực hiện với mức tổn hao thấp nhất cóthể, để duy trì hiệu suất làm việc. Chuỗi xung điện áp trên cuộn thứ cấp được chỉnh lưubởi các ...