Flyback Flyback converter
Mục lục
Chươ ng ng I: Giớ i thiệu chung v ề mạch băm xung 1 chiề u ................................... ...................................3 3 1.1. Nguyên t ắc ho ạt động ............................... ................................................... ........................................ .......................3 ...3 1.2. Các mạch băm xung mộ t chiề u phổ biến([1]) ........................................4 1.2.1. 1.2.1. Buck Buck conve converte rterr .................. ......... ................... ................. ................. ................... ................... ................... ..............4 .....4 1.2.2. Các d ạng Buck Converter có cách ly b ằng biến áp ..........................5 ..........................5 1.2.3. Boost Converter ............................................................................7 1.2.4. 1.2.4. Buck-B Buck-Boost oost Conver Converte terr ................... .......... ................... ................. ................. ................... .................. ............8 ...8 1.2.5. 1.2.5. Flyback Flyback Conve Converte rterr ................... .......... ................... .................. ................. ................... .................. ................. .........9 9 1.3. Các chế độ dòng điện ([2]) ...................................................................9
1.4. Các nguyên lý điều khiển [1] ..............................................................11 1.5. Vấn đề lựa chọ n dạng mạch băm ....................................12 .12 b ăm xung([2],[3]) xung([2],[3]) ................................... Chươ ng ng II: II: Flyba Flyback ck Converte Converterr ..................... ............ ................... ................. ................. ................... ................. .............14 .....14 2.1.Sơ đồ ơ đồ nguyên lý và ho ạt động: ............................................................14 2.1.1. Phân tích ho ạt động của Flyback Converter ở ch chế độ CCM ...........14 ......... ..14 2.1.2. 2.1.2. Flyback Flyback Transform Transformer er.. .................... ........... ................... .................. ................. .................. ................. ..........17 ..17 2.1.3. Phân tích ho ạt động của Flyback Converter ở ch chế độ DCM...........17 ......... ..17 2.1.4. Các giá tr ị biên giữa CCM và DCM ................... ......... ................... ................. ................. .........18 18 2.1.5. Các yếu tố tổn hao và mạch đệm cho c ho MOSFET MOSFET .................. ......... ................... ..........20 20 Chươ ng ng III: Thiết k ế th t hực tế Flyba Flyback ck Conver Converte ter... r............. ................... .................. ................. ..............23 ......23 3,1. Các yêu c ầu thiết k ế : ............................... .................................................. ....................................... ........................2 ....23 3 3.2. Tính toán thiế t k ế theo trình tự................................ ................................................... ............................2 .........23 3 3.2.1. Lựa chọ n chế độ dòng: ................................................................23 3.2.2. Tính toán thiế t k ế ở ch chế độ CCM .................................................24
Chươ ng ng I: Giớ i thiệu chung về mạch băm xung 1 chiều (DC-DC converter)
1.1. Nguyên tắc hoạt động Mạch băm xung một chiều s ử dụng các linh kiệ n điệ n t ử công suất có thể điều khiển đóng mở hoàn hoàn toàn để tạo ra đượ c điện áp có d ạng 1 chiều ở đầ ở đầu ra như ý muốn từ một điện áp 1 chiều đầu vào vớ i tổ n thất thấ p nh ất nhờ đặ ờ đặc tính giống như công tắc c ủa các linh kiện này : điện tr ở ở khi khi đóng b ằng không và khi ngắt bằng vô cùng. Nhờ đó ng b ằng không. ờ đó, về mặt lý thuyết, thất thoát năng lượ ng
Hình Hình 1.1: Nguyên t ắ ắc hoạt
động của DC-DC converter ( [1])
Có thể thấy điện áp đầu ra c ủa mạch b ăm xung có d ạng nhấ p nhô, nhưng n ếu sử dụng các linh kiệ n có tần s ố đóng cắt lớ n c ộng vớ i mạch lọc phù hợ p thì đ iện áp ng thẳng ở mức chấ p nhận đượ c cho hầu như tất cả các ứng đầu ra s ẽ có d ạng đườ ng dụng. Do tính chất điều khiển đượ c và tổn hao thấ p nên mạch b ăm xung một chiều
đượ c sử d ụng r ất r ộng rãi trong thực tế.
1.2. Các mạch băm xung một chiề u ph phổ biế n([1]) 1.2.1. Buck converter
Hình Hình 1.2: Buck conv erter
Buck converter hay còn g ọi là step-down converter là m ạch b ăm xung một chiều c ơ bản nhất, s ử dụng một công tắc bán d ẫn mắc nối tiế p b ăm xung đ iệ n áp vào, đưa vào b ộ lọc LC trướ c khi ra tải. Diode có nhiệ m vụ d ẫn dòng liên t ục trong cuộ n cảm L. Điện áp đầu ra luôn nhỏ hơ n điện áp đầu vào. Hàm truyề n của Buck converter:
Vout
=D=
Vin
Buck converter là nền tả ng cơ b b ản để từ cách ly b ằng biến áp.
Ton Ton +Toff
=
Ton T
đó thiết k ế các d ạng converter khác có
1.2.2. Các d ạng Buck Converter có cách ly b ằng biến áp áp Trên thực tế, khi thiết k ế các bộ ngu nguồn 1 chiều, trong mạch thườ ng ng s ử dụng biến áp để cách ly nhằ m tăng tính an toàn và tin c ậy. Trên c ơ s s ở Buck Buck Converter, có nhiều d ạng converter đã đượ c ch c hế tạo và đang đượ c ứng dụng r ất phổ biến hiện nay. Dướ Dướ i đây s ẽ trình bày vắn tắt nguyên tắc hoạt động c ủa các dạng này. C ụ thể hơ n có thể xem thêm ở tài tài liệu [2], [3] và [4]. 1.2.2.1. Forward Converter
Hình Hình 1.3: Forward conv erter
Hình 1.3 giớ i thiệ u mạch nguyên lý c ủa Forwa Fo rward rd Conve Co nverter: rter: Khi S đóng, dòng đượ c dẫn qua cuộ n sơ c c ấ p N1 và c ảm ứng sang cuộn thứ c ấ p N2 của máy biến áp. Diode D1 d ẫn và D2 khóa. - Khi S khóa, D1 b ị khóa lại và D2 d ẫn, dòng điệ n c ủa L đượ c d ẫn liên tục qua D2. - Cuộn dây N3 và diode D3 có tác d ụng dẫn dòng trong cuộn N1. Tỉ số N3/N1 phải đượ c chọn sao cho dòng t ừ hóa về 0 trướ c khi S b ắt đầu chu k ỳ làm -
việc tiế p theo. Hàm truyề n của Forward F orward Conve Co nverter: rter: Vout
D
Vin
n
=
1.2.2.2. Push-Pull converter
=
D.N2 N1
Hình Hình 1.4: Push-pull conv erter
Hình 1.4 giớ i thiệ u mạch nguyên lý c ủa Push-pull Converter: -
-
Các khóa S1 và S2 ho ạt độ ng trên 2 nửa chu k ỳ ngượ c nhau. S1 đóng mở trên nửa chu k ỳ đầu và S2 đóng mở trên trên nửa chu k ỳ sau. Nguyên tắc hoạt bản giống vớ i Forward Converter độ ng về cơ b Khi S1 đóng, D1 d ẫn. Khi S2 đóng, D2 dẫn. Khi S2 và S1 cùng khóa, D1 và D2 cùng d ẫn dòng qua cu ộn L.
Hàm truyề n của Push-pull Converter: Vout Vin
=
2D n
1.2.2.3. Half-Bridge Converter
Hình Hình 1.5: Half-Bridge Conv erter
Hình 1.5 giớ i thiệu nguyên lý ho ạt độ ng của Half-Bridge Converter:
-
-
Hoạt độ ng c ủa hai khóa S1 và S2 tương t ự như Push-pull Converter. Cuộn s ơ c ấ p của máy biến áp không có điểm trung tính, như ng các tụ mắc theo hình nửa c ầu có nhiệ m v ụ tương t ự, đưa mộ t nửa đ iện áp vào cuộn s ơ c ấ p trong mỗi kho ảng thờ i gian làm việc c ủa S1 và S2 Chế độ hoạt độ ng c ủa các diode tương tự như Push-pull Converter
Hàm truyề n của Half-Bridge Converter: Vout
D
Vin
n
=
1.2.2.4. Full-Bridge Converter
Hình 1.6: Full Fu ll-Bridge -Bridge Conv erter
Hình 1.6 giớ i thiệu nguyên lý ho ạt độ ng của Half-Bridge Converter: -
-
Mạch s ử d ụng 4 khóa trong đó S1, S4 ho ạt độ ng đồng thờ i và ngượ c vớ i cặ p S2,S3. Hai c ặ p khóa khóa này này ho ạt độ ng xen k ẽ nhau trên 2 n ửa chu k ỳ và mạch hoạt động tương tự như Push-pull Converter. Chế độ hoạt độ ng c ủa các diode tương tự như Push-pull Converter
Hàm truyề n của Half-Bridge Converter: Vout Vin
1.2.3. Boost Converter
=
2D n
Hình Hình 1.7: Boost Conv erter
Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch b ăm xung 1 chiều cơ bản có thể đưa ra điện áp lớ n hơ n đ iện áp vào. Khóa S đượ c mắc song song vớ i ng đượ c tích tíc h tr ữ vào cuộn cảm, đồ điện áp vào. Khi S đóng, năng lượ ng đ ồng thờ i diode D khóa. Khi S khóa, D d ẫn và năng lượ ng ng này đượ c truyền đến đầu ra. Hàm truyề n của Boost Converter : Vout Vin
=
1 1-D
Boost Converter Converter không có dạng có biến áp cách ly.
1.2.4. Buck-Boost Converter
Hình Hình 1.8: Buck-B Buck -Boo oost st Conv erter
Buck-Boost Converter k ết hợ p khả năng c ủa Boost Converter và Buck Converter khi có thể tạo ra đ iện áp ra lớ n hơ n hoặc bé hơ n điện áp vào trong một kho kho ảng cho phép. Khi S đóng, dòng dò ng điện nạ p năng lượ ng ng cho cuộn cảm L, diode D khóa. Lúc S khóa, D d ẫn dòng từ cuộn c ảm và tụ C cũng phóng điện. Hàm truyề n của Buck-Boost Converter : Vout Vin
=
1-D
Buck-Boost Converter có một dạng có biến áp cách ly r ấ t phổ biến là Flyback Converter 1.2.5. Flyback Converter Flyback converter s ẽ đượ c nghiên c ứu k ỹ ở ch chương sau.
1.3. Các chế
độ dòng điện ([2])
Như đã phân tích ở trên, trên, trong tất c ả các mạch b ăm xung, luôn xuất hiện m ạch lọc LC vớ i nhiệm vụ san b ằng điện áp ra. Tác d ụng của RC có thể đượ c hiểu theo nguyên t ắc: chúng nạ p năng lượ ng ng khi S đóng và giải phóng năng lượ ng ng này khi S ngắt nhằm duy trì năng lượ ng ng cho tải. Trong đó, cu c uộn cảm L đóng vai trò giữ cho dòng khô ng đổi để đầu ra có d ạng 1 chiều. Khi S đóng , dòng qua L không t ăng độ t ngộ t mà tăng d ần theo hiện tượ ng ng c ảm ứng đ iện từ và khi S khóa, dòng c ũng không giảm độ t ngột mà giảm dần. Trong thực tế, có 3 chế độ dòng có thể xảy ra cho cuộ n cảm: Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): I L tăng từ giá tr ị Ivalley đến giá tr ị I p eak r ồi lại giả m xuố ng Ivalley khi S khóa. Do dòng không bao giờ v về 0 nên chế độ này đượ c gọi là chế độ dòng liên tục. - Chế độ dòng gián đ oạn (DCM-discontinuous -discontinuous conducti c onduction on mode): I L tăng từ 0 đến I peak khi S đóng và khi S khóa, dòng gi ảm về 0 trướ c khi S đóng lại trong chu k ỳ tiế p theo. - Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode ho ặc CRMcritical conduction mode) : mạch điều khiển sẽ đ iều chỉnh sao cho khi th ất IL vừa giảm về 0, S s ẽ đóng để nạ p lại cho L, tức là năng lượ ng ng c ủa L s ẽ đượ c giải phóng hết trướ c chu k ỳ tiế p theo. -
Hình Hình 1.9: Ba chế độ ế độ dòng qua cuộn cảm
Những tính toán c ụ thể cho thấy r ằng việc lựa chọn L s ẽ ảnh hưở ng ng đến chế độ dòng điện qua nó. Có một giá tr ị L b để xác định ranh giớ i hai chế độ CCM và DCM. Trườ ng ng hợ p cụ thể vớ i Flyback Converter s ẽ đượ c xét ở ch chương sau.
1.4. Các nguyên lý điề u khiể n [1] Các bộ băm xung phả i đưa ra đượ c điện áp mong muốn trong đ iều ki k iệ n tả i ho ho ặc điện áp đầu vào thay đổ i. Như đã biết, để thay đổ i điện áp đầu ra, cần thay đổ i tỉ số làm việc D, tức là thay đổ i kho ảng thờ i gian đóng mở c c ủa công tắc bán dẫn. Từ đó, có thể thiết lậ p một mạch vòng kí n để điều khiển như hình vẽ :
Hình Hình 1.10: Nguyên t ắ ắc đ iề u khiể n đ iện áp
Trên hình là nguyên tắc đ iều khiển c ơ b ản c ủa các b ộ băm xung 1 chiề u, nguyên t ắc đ iều khiển đ iện áp. Điện áp ra đượ c đo về và so sánh vớ i đ iện áp đặt mong muốn. Sau đó sai lệch đượ c khu ếch đại và đưa vào so sánh vớ i xung r ăng c ưa có tần s ố cùng vớ i t ần s ố đóng c ắt của S (nguyên lý PWM), và đưa ra xung đóng mở S. Về mặt nguyên tắc, có thể hiểu mạch hoạt độ ng như sau: ví d ụ vớ i Buck converter nếu Vout cao hơ n mong muốn thì khóa S, nhỏ hơ n thì mở S, S, Vout s ẽ dao động liên tục quanh giá tr ị mong muốn. Nguyên Nguyên tắc điều khiển đ iện áp có ưu điểm lớ n v ề sụ linh ho ạt và độ đơ n giả n. Bộ đ iều khiển s ẽ phản ứ ng c ực nhanh vớ i tất cả nhữ ng b iế n đổ i của tải. Tuy nhiên nếu đ iện áp vào thay đổi thì sẽ r ất lâu b ộ điều khiển mớ i phát hiện và phản ứ ng vớ i s ự thay đổi đó. Có thể nguyên t ắc đ iều khiển dòng điện để khắc ph p hục điều này.
Hình Hình 1.10: Nguyên t ắ ắ c đ iề u khiể n dòng đ iện
p hản hồ i về dướ i dạng Ở đây, dòng điện qua công tắc ho ặc qua cuộn dây, đượ c ph tín hiệu đ iện áp, và đưa về bộ so sánh thay cho tín hiệu xung r ăng c ưa. Tr ạng thái p hản ánh qua tín hiệu dòng điện này, do đó bộ điều đầu vào c ủa bộ băm xung đượ c ph khiển theo nguyên t ắc dòng điện phản ứ ng r ất nhanh vớ i cả thay đổi của tải và thay đổ i đầu vào. Tuy nhiên một nhượ c điểm lớ n của nguyên tắc này là s ự phức tạ p c ủa nó.
1.5. Vấn đề lự a chọn dạng mạch băm xung([2], xung([2],[3]) [3]) Các dạng mạch băm xung khác nhau có những ưu và nhượ c điểm khác nhau. Tùy thuộc vào yêu c ầu về điệ n áp vào, điện áp ra, công suất thiết k ế, giá thành… mà ngườ i thiết k ế sẽ chọ n ra d ạng mạch phù hợ p ch c ho mình. mình. Các C ác tài liệ u có đưa ra các b ảng sau để tham khảo :
Bảng 1.1: Lự a chọn d ạng mạch băm xung
Bảng 1.2: Ưu nhượ c đ iể m và phạm vi ứ ng ng d ụng t ừ ng d ạng mạch ừ ng
Chương II: Flyback Converter Flyback Converter là một trong nhữ ng mạch b ăm xung phổ biến nhất trên th ị ng hiện nay. Nó có những ư u đ iểm chính như đơ n giản, giá thành thấ p, an trườ ng toàn, phù hợ p vớ i những ứng dụng dân d ụng có công suất không cao và không yêu c ầu khắt khe v ề độ đậ p mạch.
2.1.Sơ đồ ơ đồ nguyên lý và hoạt động:
Hình Hình 2.1: S ơ đồ bản của Flyback Converter ơ đồ cơ b
Flyback converter đượ c phát triển từ Buck-Boost Converter, vớ i thành phẩn cuộ n cảm tích lũy năng lượ ng ng đượ c thay b ằng cuộn s ơ c c ấ p c ủa máy biến áp. Máy biến áp đượ c đấu ngượ c đầu như hình vẽ. Diode D đượ c nối vào sau cuộ n thứ c ấ p. 2.1.1. Phân tích ho ạt động của Flyback Converter ở ch chế độ CCM Khi phân phân tích, tíc h, các điều kiệ n đượ c coi là lý tưở ng. ng. Các yếu tố thực tế sẽ đượ c xét chương sau. ở ch
Khi Khi S thông: Khi khóa S thông, dòng đ iệ n chạy qua cuộn s ơ c ấ p máy máy biến áp. Cuộ n c ảm trong mạch không cho dòng t ăng độ t ngột mà tăng dần t ừ Ivalley đến I p eak theo tỉ lệ dI/dt = Vin/LP.Vớ i thờ i gian dẫn là ton, ta có:
c uộn thứ cấ p Ở phía thứ cấ p, do cực Anode c ủa D đượ c nối vào đầu âm c ủa cu (máy biến áp mắc ngượ c) c) nên D khóa, cuộn thứ cấ p không không có dòng đ iện. Ta có mạch tương đương như hình vẽ :
Hình Hình 2.2: M ạch t ương ương
đươn g khi S đóng
Lúc này đ iệ n áp ra đượ c duy trì nhờ năng đó điện áp phân c ực ngượ c của D:
ng tích tr ữ trên tụ C từ trướ c, c, do lượ ng
Vớ i N =1/n = N2/N1
Khi S khóa: Khi S khóa, để đảm bảo không thay đổ i dòng đột ngột trên cuộ n sơ c cấ p, điện áp trên cuộn sơ c c ấ p ngay lậ p tức b ị đảo ngượ c, c, và trên cuộ n thứ c ấ p điện áp c ũng đảo chiều, dẫn đến việc D phân c ực thuận và ta có mạch tương đương sau:
ương Hình Hình 2.3: M ạch t ương
đươn g k hi S thông
Điện áp trên cuộn thứ cấ p lúc này b ằng điện áp ra Vout và cuộn s ơ cấ p sẽ c ảm ứng một điện ápVr = Vout/N. Do đó,điện áp r ơ ơi trên c ực D và c ực S c ủa MOSFET là:
Vr đượ c gọi là đ iện áp phản xạ, nhằ m nói đến việc đ iện áp trên cuộn thứ c ấ p đã gây ra đ iện áp trên cuộ n s ơ cấ p. Đây c ũng là nguồn gốc của cái tên Flyback Converter. c ấ p làm làm cho dòng qua nó giảm theo tỉ lệ d I/dt = -Vr /L p .Do Điện áp trên cuộn sơ c
đó ta có:
K ết hợ p hai phương trình quan hệ Ivalley và I p eak ta có:
Đây là hàm truyền đạt của Flyback Converter. Nó có d ạng tương tự như của Buck-Boost Converter như ng thêm h ệ số N. Việc đ iều chỉ nh D s ẽ có thể đưa ra điện áp ra lớ n hoặc bé hơ n điện áp vào một cách tùy ý. 2.1.2. Flyback Transformer. Biến áp c ủa mạch Flyback không ho ạt động như các biến áp thô ng thườ ng. ng. Có thể thấ y cu c uộn s ơ c ấ p và cuộn thứ cấ p không bao giờ cùng cùng d ẫn dòng. S ự hiện d iện c ủa bi b iến áp ở đâ c hỉ có ý ngh ĩ a tích tr ữ năng lượ ng ng trên cuộn s ơ c c ấ p và cách c ách ly ở đây ch input/output mà thôi. Vì vậy, trong một s ố chương trình mô phỏng, ho ặc để dễ hiểu, ngườ i ta thườ ng ng vẽ biến áp Flyback như sau:
Hình Hình 2.4: M ạch t ương ương
đươn g của biế n áp Flyback
Trong s ơ đồ ng thô ng thườ ng ng đượ c s ử d ụng và cuộ n cảm Lms ơ đồ này, biến áp lý tườ ng ng c ủa biến áp. để đại diện cho mặt tích tr ữ năng lượ ng Một điể m cần chú ý khác là trong bi ến áp Flyback chỉ hoạt động trên 1 nửa của ng cong từ hóa B-H nên c ần có khe hở không không khí lớ n để tránh bão hòa từ. Điều đườ ng này d ẫn đến thể tích của biến áp s ẽ tăng r ất lớ n đố i vớ i các mạch có công suất cao. Đó là một hạn chế c ủa Flyback Converter. 2.1.3. Phân tích ho ạt động của Flyback Converter ở ch chế độ DCM
Ở chế độ DCM, Flyback Converter ho ạt độ ng vớ i nguyên tắc tương tự. Tuy nhiên, có 3 giai đoạn trong quá trình ho ạt động ở ch chế độ này.
-
-
Khi S d ẫn, các đại lượ ng ng trong mạch biến thiên tương t ự như ở CCM, CCM, chỉ có có điều dòng I p tăng từ 0 cho đến I p p eak . Giai đo ạn thứ 2 là từ khi S khóa cho đến dòng về 0, dòng trong mạch biến thiên vớ i các phương trình t ương t ự như ở ch chế độ CCM, chỉ có điều I p giảm d ần về 0. Giai đoạn thứ 3 là giai đo ạn I p =0 khi S khóa, lúc này D c ũng khóa và c ả cuộn s ơ c cấ p lẫn thứ c ấ p đều không có dòng đ iện.
K ết quả tính toán đưa ra đượ c biểu thức hàm truyề n đạt sau:
2
2
Vớ i n = 1/N, R L là là đ iện tr ở ở t tải. f s là tần số băm xung, Lms = L p /n = Lm/n là đ iện c ảm cuộ n thứ c ấ p. Có thể thấy tỉ số truyền của chế độ DCM phụ thuộc vào tải. 2.1.4.Các giá tr ị biên giữa CCM và DCM Có một giá tr ị c ủa tỉ s ố làm việc D xác định biên giớ i giữa hai tr ạng thái. Giá tr ị s au:: đó đượ c tính theo công thức sau
Có thể coi DB là hàm c ủa VO và IO hoặc R L và Lms. Ở chế độ CCM, hàm truyền M không phụ thuộc vào tải trong khi ở chế độ DCM, M phụ thuộc vào tải hoặc dòng đầu ra. Có thể thấy rõ hơ n ở hai đồ thị dướ i đây (các đồ thị đượ c vẽ khi không tính đến tổn hao):
Hình Hình 2.5 : Đồ th ị phụ thu ộc của D vào dòng t ải I O /(V O /2f s Lms )
đố i vớ i các hàm truyề n có giá tr ị cố đị ố định
Hình Hình 2.6 : Đồ th ị phụ thu ộc của D vào đ iện áp t ải R L /(2f /(2f s Lms )
đố i vớ i các hàm truyề n có giá tr ị cố đị ố định 2.1.5.Các 2.1.5.Các yếu tố tổn hao và mạch đệm cho MOSFET 2.1.5.1. Các đại lượ ng ng ký sinh. Trong mạch b ăm xung một chiề u, các đại lượ ng ng ký sinh là không th ể không xét đến. Chúng không những gây ra tổn hao mà còn là nguyên nhân c ủa các dao độ ng ký sinh, gây nhiễu trong h ệ thố ng và làm quá dòng ho ặc quá áp, ảnh hưở ng ng đến các thiết b ị trong mạch. Các yếu tố này bao gồm:
Điện c ảm ký sinh trong cu ộn s ơ cấ p Lleak . Điện c ảm này không gây h ỗ cảm lên cuộ n sơ c c ấ p mà chỉ tích tr ữ năng lượ ng. ng. Thông thườ ng ng Lleak = (2-5)% Lm. - Tụ ký sinh trên cuộn dây máy biến áp. - Tụ ký sinh trên MOSFET - Điện tr ở cuộn dây. ở cu -
-
Tụ đ iện trên các diode.
Có thể tổng hợ p các yếu tố này trên m ạch như hình vẽ :
ố ký Hình Hình 2.7: M ạch Flyback Flyback Converter có xét đế n các yế u t ố ký sinh. Một cách phổ biến đệm.
để giảm tác độ ng c ủa các yếu tố ký sinh là s ử dụng mạch
2.1.5.2.Mạch đệm cho MOSFET Mạch
n hất trong th ực tế là mạch đệm RLD, bao gồm mach RC đệm phổ biến nh mắc nối tiế p vớ i diode tần số cao như hình vẽ:
Hình Hình 2.8: M ạch đệm RLD
Chức năng lớ n nh n hất c ủa mạch đệm là cung c ấ p một con đườ ng ng để dòng trong cuộ n s ơ cấ p có thể tiế p tục khép vòng khi S chuy ển từ tr ạng thái d ẫn sang tr ạng thái khóa, qua đó giảm đ iệ n áp ngượ c trên MOSFET. Khi S khóa, dòng chạy qua Dclp đến nạ p cho tụ. Và khi S d ẫn, năng lượ ng ng trên t ụ giải phóng qua R clp clp. Một chức năng khác c ủa mạch đệm là giả m bớ t tác động của các yếu tố ký sinh,
đặc biệt là Lleak và Cclump như trong hình 2.7. Khi đưa mạch đệm vào trong mạch, các yếu tố tính toán s ẽ thay đổi, do đó lúc thiết k ế c ần tính toán vớ i sơ đồ ơ đồ mạch có mạch đệm. Khi thiết k ế mạch đệm, d ựa vào điện áp ngượ c c ực đại gi g iữa c ực Drain và c ực Source c ủa MOSFET VDSS để tính ra điện áp r ơ ơi trên RC, gọi là Vclamp . Nhìn trên s ơ đồ ơ đồ ta thấy:
Vớ i: i: - k D là là hệ s ố an toàn, thườ ng ng lấy 0,85 - VOS là điệ n áp c ực đại r ơ ng lấy 20V ơ i trên Diode, thườ ng - Vin là đ iện áp vào. Tỉ số giữa đ iện áp Vclamp và điện áp phản xạ trên cuộn sơ c cấ p đượ c gọi là k c :
Ở đây có tính đến điện áp r ơ ơi trên D khi D d ẫn ( kho ảng 0,7V) k c thườ ng ng đượ c chọn trong kho ảng
1,3 cho đến 1,5 để từ đó tính ra N:
Tính toán c ụ thể hơ n về R clp c xét ở m mục sau. clp và Cclp clp sẽ đượ
Chương III: Thiết k ế thực tế Flyback Converter 3,1. Các yêu c ầu thiế t k ế : Các thông s ố cần thiết cho thiết k ế :
Điện áp vào nhỏ nhất Vin,min = 24V Điện áp vào lớ n nhất Vin,max = 60V Điện áp ra Vout = 12V - Dòng điện ra Iout = 5A -
Một số thông số khác s ẽ đượ c lựa chọn khi thiết k ế.
3.2. Tính toán thiết k ế theo trình tự . 3.2.1.Lựa chọn chế độ dòng: Như ta đã biết ở trên, trên, việc thay đổ i D có thể giúp cho mạch chuyển t ừ chế độ dòng CCM sang DCM và ngượ c lại. Tuy nhiên, xác định mộ t chế độ dòng để điều chỉ nh D trong chế độ đó sẽ giúp đơ n giản hơ n cho việc tính toán mạch lực và mạch điều khiển.
Hình Hình 3.1: Đồ th ị dòng qua cuộn sơ c cấ p ở ch chế độ ế độ CCM
Theo tài liệu [2], DCM thích hợ p cho các ứng dụng có công suất không quá cao, có đ iện áp ra lớ n và dòng nhỏ còn CCM thì ngượ c lại (ta có thể thấ y điều này lý. qua đồ thị 2.5. Ở bài toán này, lựa chọn CCM là hợ p lý. Hình 3.1 thể hiệ n đồ thị dòng qua LP ở ch chế độ CCM. CC M. 3.2.2. Tính toán thiết k ế ở ch chế độ CCM
Chọ n tần số băm xung: Tần số băm xung đượ c lấy ở m mức 20KHz 20KHz
Tính dòng vào Iin : Dòng trung bình đầu vào: I in,avg
P out V in, min
Vớ i ɳ là là hiệ u suất của mạch,
2,94 ( A)
ở đâ ở đây lấy 0,85
Và Pout= Vout .Iout out = 12.5 = 60(W) Dòng vào trung bình
ở đâ ở đây lấy theo giá tr ị c ực đại có thể xảy ra.
Chọ n điệ n áp Vclamp
Điện áp c ực đại giữa c ực Drain và c ực Source c ủa MOSFET đượ c chọn đủ lớ n để đảm bảo an toàn. Ở đây ta lựa chọn VDSS = 150V. Từ đó ta tính ra Vclamp: Vclamp = k d.VDSS – V Vin,max - VOS = 150 × 0,85 – 60 60 – 20 20 = 47,5 (V)
Tính hệ số máy biến áp 1/N Chọ n k c = 1,5. Ta có: N
V f ) 1,5( kc (Vou 1,5(12 12 0,7) out V clamp
47,5
0,401
Chọn N = 0,4.
Tính Dmax Dmax đượ c tính tử công thức hàm truy ền đạt, ứng vớ i Vin, min :
Dmax
V out Vout NV in,min
12 12 0, 4 24
0,56
IL, avg là dòng trung bình qua cuộn sơ c cấ p: I L,avg
I in,avg Dmax
2,94 0,56
5,25( ,25( A)
Tính Lp
đượ c tính toán theo nguyên t ắc sau: ta chọn một tỉ lệ thay đổi dòng điện hợ p lý từ I peak đến Ivallley và từ đó tính ra L: L p
IL, avg là dòng trung bình qua cuộn sơ c cấ p: I L,avg
I in,avg Dmax
2,94 0,56
5,25( ,25( A)
tr ạng thái biên.Chọ n δI r = 0,8, δ Ir thay đổ i từ 0÷2, khi δIr = 2, mạch ho ạt động ở tr tí nh đượ c L theo công thức sau s au:: suy ra ∆IL = 4.2A và ta tính
Công thức trên đượ c thiết lậ p
khi đồng nhất 2 phương trình tính I peak theo Ivalley. là hiệu suất c ủa toàn b ộ mạch, ɳ = 0,85 như đã nói ở trên trên ɳ là Thay s ố vào ta có: L
0,85 ,85 242 31,75 ,752 0,8 20 2 0000 60 24 31,75 ,75 24 31,75 ,75 0,85 ,85
181( H )
Chọn MOSFET c ấ p máy máy bi b iến áp, theo công Để tính chọn MOSFET, ta tính dòng qua cu ộn s ơ c thức sau:
Dòng điện cực
đại I peak I L,avg
I L 2
5, 25
4,2 2
7, 35( A)
4,2 4, 22 2 Rút ra I L,rms 0, 56 7, 35 7, 35 4, 2 4, 03( A) 3 Như vậy c ần chọn MOSFET c ần lo ại N-MOSFET có
điện áp 150V dòng
4,03A.
Chọ n mạch đệ m: Mạch đệm đượ c chọn theo các công th ức sau s au::
Lleak đượ c tính theo LP theo công thức Lleak = 0,02 L p = 3,62( H ) c ho phép phép c ủa Vclamp : ∆V = 0,1 Vclamp = 47,5 ≈ 5V ∆V là điện áp sai lệch cho Rút ra: Rclp
1,5 1 2 1,5 12,72 6
0, 4 20000 3, 3, 62 62 10 10 7, 62 62 2
2
144()
Cclp
1,5 12,7 12,7 0,4 144 20000 5
3, 3( F )
Lưu ý lựa chọn R clp ở công suất do toàn b ộ năng clp là đ iệ n tr ở
ng nạ p cho tụ lượ ng
. N ăng lượ ng ng đó vào kho ảng đượ c giải phóng trên đ iện tr ở ở.N
Tính Tí nh ra 6 2 P Rclp 0, 5 20000 3, 62 10 7, 35
1, 5 1,5 1
6(W)
Chọn Diode phía thứ c cấp:
Điện áp ngượ c lớ n nhất trên D: PIV NVin Vout 0, 4 60 12 36(V )
Chọ n tụ lọc đẩ u ra: Tủy vào đặc tính c ủa tải mà độ nhấ p nhô nhô c ủa đ iện áp s ẽ khác nhau. Tuy nhiên, một tụ c ỡ vài vài mF có thể đưa ra đượ c điện áp đủ phẳng. Mặt khác, một điện tr ở ký sinh trên tụ có thể gây ra đ iện áp chênh lệch khá lớ n, n, ở ký vì thế c ần xem xét đến điểu khiệ n về điện tr ở ký sinh: ở ký
Vớ i
Vripple là điện áp nhấ p nhô mong muốn Isec,peak là dòng c ực đại trên cuộn thứ c ấ p I sec, peak
I peak N
7,35 0,4 0, 4
18,4( A)
3.3. Thiế t k ế mạch DC
( P A C d h S ò ả n 7 n 1 g h ồ 5 i )
I out
I in
U p h I
Cầu chì
C h i p ổ n á p 1 2 V
V C C
7 8 0 5 3 0 F 1 0 1 0
V C C V C C
1 2 V
R S 2 3 2
4 N 3 5 U p h U
K h ( ố A i D á p 7 p h ả 3 n 6 ) h ồ i
Rsense
PWM
K ( h I R ố 2 i 1 d r 1 i 0 v e ) r
V C C
R phân áp
T ả i
Hình 3.2: S ơ đồ bản của mạch ơ đồ các khố i cơ b
3.3.1. Khối nguồn Khối nguồn có nhiệ m vụ cung c ấ p nguồn cho vi xử lý và dr iver. ng ở các các iver. Thườ ng mạch trong thực tế, nguồn c ấ p này này đượ c lấy t ừ chính Vout (thờ i gian đầu ngườ i ta dùng một cơ ch chế gọi là start-up vol vo ltage để lấy nguồn từ Vin, sau đó trích áp từ Vout để điều khiển mạch).
Ở đây, ta s ử d ụng hai mạch ổn áp là mạch ổn áp 12V và m ạch ổn áp 5V nối tiế p MOSFET và nguồ n 5V cho các chip trên mạch. để tạo ra nguồn 12V đóng mở MOSFET 3.3.2. MOSFET và driver Sau khi tham khảo các nguồn cung c ấ p MOSFET và Driver Driver trên th ị trườ ng, ng, ta lự a chọ n MOSFET và driver như sau: MOSFET dùng lo ại IRF630 (VD SS =200V, Imax = 9A). Driver dùng lo ại IR2103. Đây là lo ại chuyên dùng để đóng mở MOSFET 2 kênh dùng trong đ iều khiển độ ng c ơ nhưng c ũng có thể sử dụng kênh low c ủa nó MOSFET trong mạch: để đóng mở MOSFET
ơ đồ các chân và sơ đồ ơ đồ mạch căn bản Hình Hình 3.3: S ơ đồ
Hình Hình 3.4: Nguyên lý hoạt
động IR2103
Từ s ơ đồ ơ đồ nguyên lý ta th ấy, ta nếu chỉ s ử dụng các chân LIN, VCC, LO, COM, ta vẫn có thể đ iều khiển đóng mở N-MOSFET ở trong mạch Flyback Converter theo s ơ đồ ơ đồ sau
Hình Hình 3.5: Dùng IR I R2103 để đ để đ iề u khiể n IRF630
Ta nhận thấy r ằng điện áp logic vào LIN, điện áp nguồn VCC và điện áp ra LO cùng một mức, cũng là mức để đóng mở MOSFET, MOSFET, mà ở đâ ở đây ta chọn là 12V. Tuy nhiên đ iện áp ra c ủa vi xử lý vào kho ảng 5V nên ta c ần s ử dụng mạch 4N35 để thay đổ i mức điện áp đưa vào. 4N35 ở đâ ở đây không thực s ự có chức năng cách ly mà chỉ để chuyển đổ i mức điện áp do chân đất đượ c nối chung.
Hình Hình 3.6 : M ạch dùng 4N35 để thay để thay đổ i mứ c đ iện áp
3.3.3. Khối phản hồ i dòng Dòng điệ n đượ c đ o từ phía s ơ c c ấ p c ủa mạch s ử dụng c ảm biến dòng ACS715. ACS715 là c ảm biến dòng s ử dụng hiệu ứng Hall, có mạch chức năng như hình:
ơ đồ chân và cách mắ c thông d ụng của ACS715 Hình Hình 3.7: S ơ đồ Vớ i sơ đồ ơ đồ mắc như hình vẽ, ta có công thức điện áp ra c ủa cảm biến: Vout
V cc I max
I in
Imax là giá tr ị c ực đại của dòng điện, phụ thuộc vào lo ại ACS715 3.3.4. Khối đo áp
Điện áp ra c ủa mạch đượ c đưa qua tr ở ở phân áp và đưa về cảm b iến đ iện áp AD736. AD736 là c ảm biến đ iện áp có tác d ụng đưa ra đ iện áp tỉ lệ thu t huận vớ i đ iện áp vào vớ i tỉ lệ chính xác cao và nhiễu th t hấ p. Mạch cơ bản dùng AD736 như hình dướ i đây:
Hình Hình 3.8: Khố i ph ản hồi áp
