Bài tập 1 (10% tổng số điểm)

THIẾT KẾ BIẾN ÁP XUNG

CHO BỘ NGUỒN FLYBACK

I. Giới thiệu về bộ nguồn flyback:

Bộ biến đổi điện áp DC/DC được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện

hiện nay. Chúng thường được chia thành 2 loại. Thứ nhất là kiểu biến đổi tuyến tính,

được thực hiện bằng các Transistor hoặc các IC chuyên dụng như 78xx, 79xx…; Thứ

2 là kiểu chuyển mạch, có thể dùng tụ chuyển mạch hoặc điện cảm chuyển mạch. Giải

pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn.

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: Buck

(giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 1.2 thể

hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này. Với những cách bố trí điện cảm, khóa

chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác

nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua

điện cảm. [13]

Hình 1.2: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

Flyback là một bộ biến đổi DC-DC dựa trên bộ biến đổi Buck-Boost. Sự phát

triển của nó được sơ lược qua hình 1.3. [14]

Hình 1.3: Sự phát triển của bộ biến đổi Flyback

Hình 1.3(a) chính là bộ biến đổi Book-Boost, thường gồm một MOSFET và

diode. Trong hình 1.3(b), cuộn cảm gồm 2 vòng dây với tỉ số vòng là 1:1. Chức năng

cơ bản của cuộn cảm không đổi vì 2 cuộn dây song song này tương đương với 1 cuộn

dây lớn hơn. Trong hình 1.3(c), 2 cuộn dây được tách rời. Một cuộn dây được dùng

khi transistor Q1 dẫn, trong khi cuộn còn lại được dùng khi diode D1 dẫn. Dòng điện

tổng trong 2 cuộn dây vẫn không đổi so với hình 1.3(b). Nhưng dòng điện lúc này

được tách ra riêng biệt ở 2 cuộn dây. Còn từ trường trong cuộn cảm thì giống nhau

trong 2 trường hợp (b) và (c). Cuộn cảm gồm 2 vòng dây này còn được gọi là flyback

transformer. Hình 1.3(d) là sơ đồ mạch biến đổi flyback thường dùng. Cực S của

MOSFET được nối với điểm ground của phía sơ cấp, làm đơn giản hóa mạch kích cho

MOSFET. 2 cực cùng pha của cuộn cảm được đặt ngược nhau để thu được điện áp

ngược ở ngõ ra. Tỉ số vòng dây lúc này cũng được thay đổi thành 1: n để phù hợp với

yêu cầu thiết kế.

1.2.2 Nguyên lý làm việc.[14]

Đặc tính của hầu hết biến thế cách ly có thể được mô hình hóa gồm một biến thế

lý tưởng và một cuộn cảm mắc song song với nó, được vẽ như hình 1.4(a).

Hình 1.4: Mô hình bộ biến đổi flyback

Cuộn cảm LM có đặc tính giống như điện cảm ban đầu trong mạch hình 1.3(a).

Khi transistor Q1 dẫn, năng lượng từ nguồn Vg được tích trữ trong LM. Khi Q1 tắt,

điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để

diode phân cực thuận diode D1 dẫn. chính năng lượng được tích trữ trong LM được

truyền qua tải. Dòng và áp của điện cảm truyền qua tải theo tỉ số truyền 1: n của biến

thế lý tưởng.

Trong giai đoạn Q1 dẫn, mạch biến đổi được rút gọn như hình 1.4(b). Giá trị điện

áp trên cuộn cảm vL, dòng điện trên tụ iC và dòng điện ig qua nguồn DC như sau:

(1.1)

Giả sử ở trạng thái xác lập, bộ biến đổi hoạt động với dòng gợn trên cuộn dây là

nhỏ và điện áp gợn trên tụ cũng nhỏ. Thì dòng điện qua cuộn dây và điện áp trên tụ

tương đương với thành phần DC của chúng, tương ứng là I và V. Biểu thức 1.1 trở

thành.

(1.2)

Trong giai đoạn Q1 ngắt, Diode dẫn. Mạch tương đương như hình 1.4(c). Giá trị

điện áp trên cuộn cảm phía sơ cấp vL, dòng điện trên tụ iC và dòng điện ig của nguồn

DC như sau:

(1.3)

Tương tự, khi độ gợn sóng nhỏ, thì biểu thức 1.3 trên trở thành.

(1.4)

Dạng sóng của vL(t), iC(t) và ig(t) được vẽ trong hình 1.5. Trong đó D là thời gian

Q1 dẫn, và D’ là thời gian D1 dẫn trong một chu kỳ đóng ngắt.

Hình 1.5: Dạng sóng của vL(t), iC(t) và ig(t).

Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị

của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét

trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì

điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên

điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0 nên điện áp rơi

trung bình trên điện cảm phải là 0.

vL = D (Vg) + D' (– V/n) = 0 (1.5)

Hay

(1.6)

Với V là điện áp tải.

Tương tự, vì tụ điện không tiêu thụ năng lượng (tụ điện lý tưởng), hay công suất

trung bình trên tụ là bằng 0, và điện áp trung bình của tụ là khác 0 nên dòng điện trung

bình qua tụ phải là 0.

iC = D (– V/R) + D' (I/n– V/R) = 0 (1.7)

Hay I = nV/D'R=nV/(1-D)R (1.8)

Với I là thành phần dòng DC qua cuộn dây phía sơ cấp. Còn dòng điện qua

nguồn như sau:

Ig = D (I) + D' (0) (1.9)

Như vậy, dòng điện qua nguồn Ig và điện áp trên tải V tỷ lệ với thời gian đóng

Q1. Dòng điện qua điện cảm giảm khi thời gian đóng Q1 tăng. Ngoài ra, điện áp trên

MOSFET lúc nó ngắt là vL+ Vg , giá trị này có thể lớn và làm hỏng MOSFET nên khi

thiết kế thường có mạch snubber để hạn chế điện áp này.

Điện áp ngõ ra được ổn định bằng cách hồi tiếp, điện áp hồi tiếp này tác động

làm thay đổi giá trị D để đạt được sự ổn định ở ngõ ra.

Hình 1.6 dưới đây là sơ đồ bộ biến đổi blyback tổng quát. Mạch snubber bao

gồm một diode nhanh, một tụ điện và một điện trở. IC điều khiển độ rộng xung D và

kích MOSFET, độ rộng xung được điều khiển dựa vào tín hiệu áp hồi tiếp từ tải. Điện

trở Rs dùng để cấp điện cho IC điều khiển trong lúc khởi động. Sau khi khởi động thì

điện áp trên cuộn dây N3 sẽ cấp điện lại cho IC hoạt động.

Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ biến đổi flyback.

II. Đề bài: Thiết kế biến áp xung cho bộ nguồn flyback với thông số như sau:

- Công suất ngõ ra: 19V x 4,5A. - Điện áp đầu vào:

36V – đối với SV có MSSV tận cùng là 0,3,6,9 với duty của xung ngõ vào là 20%.

150V - đối với SV có MSSV tận cùng là 1,4,7 với duty của xung ngõ vào là 20%.

300V - đối với SV có MSSV tận cùng là 2,5,8 với duty của xung ngõ vào là 20%.

- Điện áp nguồn nuôi (cuộn n3): 12V @ 50mA - Lõi sắt từ: EER35, vật liệu từ PC40EER35-Z - Tần số hoạt động của khóa đóng cắt công suất: 100KHz

Xác định:

1/ Khe hở không khí g cần thiết giữa 2 lõi sắt. (1đ) 2/ Số vòng dây n1,n2,n3(cuộn nuôi). (3đ) 3/ Độ tự cảm cuộn dây sơ cấp L1. (2đ) 4/ Độ tự cảm cuộn dây thứ cấp L2. (2đ) 5/ Độ hỗ cảm M. (1đ) 6/ Hiệu suất MBA tính từ các thông số trên (1đ)

Yêu cầu:

- SV trình bày ngắn gọn trên 1 tờ giấy A4 (đánh máy hoặc viết tay), góc trên bên trái ghi rõ Họ-tên, MSSV.

- SV viết được chương trình tính toán 6 kết quả trên bằng Excel/Matlab thông qua các thông số đầu vào trong đề bài (điện áp ngõ vào, điện áp ngõ ra, công suất ngõ ra, loại lõi biến áp, duty trung bình va dựa theo tài liệu AN1059 phía dưới) được cộng tối đa 4 điểm cho 2 bài tập kế tiếp.

- Hạn chót nộp bài: 8g thứ 2, ngày 23/08/2010 tại 314B1.

Tài liệu tham khảo (search trên google): 1. http://www.tdk-components.de/pdfs/ferrite/ferrites-products/eer_cores.pdf 2. http://www.magnet-tech.com/pdf/MnZn/mnzn_power_ferrite/EER_ETD.pdf 3. Application note AN4137, Design Guidelines for Off-line Flyback Converters

Using Fairchild Power Switch (FPS) 4. ECEN4517, The Flyback Converte, Lecturer note. 5. AN1059 APPLICATION NOTE, Design equations of high-power-factor

flyback converters based on the l6561.