So sánh giữa Bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu và Bộ chuyển đổi Flyback nửa cầu

So sánh giữa Bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu và Bộ chuyển đổi Flyback nửa cầu

Với sự phát triển của nguồn cung cấp năng lượng chuyển mạch, công nghệ chuyển mạch mềm đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi, đồng thời nhiều cấu trúc liên kết mạch hiệu suất cao đã được nghiên cứu, chủ yếu là cấu trúc liên kết chuyển mạch mềm loại PFM và cấu trúc liên kết chuyển mạch mềm loại PLC.

Trong những năm gần đây, với việc ứng dụng rộng rãi thiết bị bán dẫn GAN thế hệ thứ ba và sự phát triển không ngừng của nguồn điện PD, điều này đã mang đến một cơ hội khác cho sự phát triển của bộ biến đổi điện. Đối với bộ chuyển đổi nửa cầu, nếu được thiết kế hợp lý, có thể đạt được chuyển đổi chuyển mạch mềm, nhờ đó nguồn điện chuyển mạch có hiệu suất cao hơn và giảm đáng kể kích thước của nguồn điện.

1 Nguyên lý làm việc của hai bộ chuyển đổi

1.1 Bộ chuyển đổi flyback nửa cầu

Hình 1 và Hình 2 lần lượt thể hiện sơ đồ mạch và dạng sóng làm việc của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu.

Hình 1 bao gồm hai MOSFET công suất được điều khiển bổ sung (S1 và S2), trong đó chu kỳ làm việc của S1 là D và chu kỳ làm việc của S2 là (1-D); tụ điện chặn DC Cr, có điện áp được dùng làm nguồn điện khi S2 đóng; máy biến áp có nấc điều chỉnh ở giữa Tr, có vòng dây sơ cấp là Np và vòng dây thứ cấp là Ns; một diode chỉnh lưu đầu ra D1; một tụ lọc đầu ra Cout; và điện trở hấp thụ cực đại của ống chỉnh lưu đầu ra và tụ điện R1 và C1.

Như có thể thấy từ sơ đồ, phần chính của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu giống như bộ chuyển đổi nửa cầu bất đối xứng (AHB) truyền thống và phần thứ cấp giống như bộ chuyển đổi flyback. Nguyên lý làm việc ở trạng thái ổn định của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu như sau.

1) Khi S1 bật và S2 tắt, phía sơ cấp của máy biến áp phải chịu điện áp thuận, phía thứ cấp Ns không hoạt động; diode D1 bị cắt; máy biến áp lưu trữ năng lượng;

2) Khi S2 bật và S1 tắt, điện áp trên tụ chặn DC Cr được đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp, phía thứ cấp Ns2 hoạt động và diode D1 được bật.

Trong Hình 2, n1=Np/Ns và n1=n. Bằng cách phân tích mạch điện, có thể thu được công thức tính chu kỳ làm việc D của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu:

Bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu thường được gọi là bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC. Hình 3 và 4 lần lượt thể hiện sơ đồ mạch và dạng sóng hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu.

Trong Hình 3, có hai MOSFET công suất (S1 và S2), cả hai đều có chu kỳ nhiệm vụ là 0,5; một tụ điện cộng hưởng Cr, một máy biến áp có điểm giữa Tr có số vòng bằng nhau ở phía thứ cấp, độ tự cảm rò Lk Tr, và độ tự cảm kích thích Lm. Lm cũng là chất cảm cộng hưởng trong một khoảng thời gian nhất định. Do đó, các phần tử cộng hưởng trong bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu chủ yếu bao gồm ba phần tử cộng hưởng trên là tụ cộng hưởng Cr, cuộn cảm Lk và cuộn cảm kích thích Lm; các điốt chỉnh lưu toàn sóng nửa cầu D1 và D2, và tụ điện đầu ra Cout.

1)〔t1, t2〕Khi t=t1, S2 tắt và dòng điện cộng hưởng phóng điện dung ký sinh của S1 cho đến khi điện áp trên S1 bằng 0, sau đó diode cơ thể của S1 được bật. Ở giai đoạn này, D1 được bật và điện áp trên Lm bị kẹp bởi điện áp đầu ra nên chỉ có Lk và Cr tham gia cộng hưởng.

2)〔t2, t3〕Khi t=t2, S1 được bật trong điều kiện điện áp bằng 0 và phía sơ cấp của máy biến áp phải chịu điện áp chuyển tiếp; D1 tiếp tục được bật và S2 và D2 ​​bị tắt. Lúc này Cr và Lk tham gia cộng hưởng, còn Lm không tham gia cộng hưởng.

3)〔t3, t4〕Khi t=t3, S1 vẫn bật, trong khi D1 và D2 ​​ở trạng thái tắt và phía thứ cấp của Tr bị ngắt khỏi mạch. Lúc này Lm, Lk và Cr cùng tham gia cộng hưởng. Trong mạch thực tế Lm lớn hơn Lk rất nhiều nên có thể coi dòng kích thích và dòng cộng hưởng không đổi ở giai đoạn này.

4)〔t4, t5〕Khi t=t4, S1 tắt và dòng điện cộng hưởng phóng điện dung ký sinh của S2 cho đến khi điện áp trên S2 bằng 0, sau đó diode cơ thể của S2 được bật. Ở giai đoạn này, D2 được bật và điện áp trên Lm được kẹp bởi điện áp đầu ra. Vì vậy chỉ có Lk và Cr tham gia cộng hưởng.

5)〔t5, t6〕Khi t=t5, S2 được bật trong điều kiện điện áp bằng 0 và phía sơ cấp của Tr phải chịu điện áp ngược; D2 tiếp tục được bật, trong khi S1 và D1 bị tắt. Tại thời điểm này, chỉ có Cr và Lk tham gia cộng hưởng, điện áp trên Lm bị điện áp đầu ra kẹp và không tham gia cộng hưởng.

6)〔t6, t7〕Khi t=t6, S2 vẫn bật, trong khi D1 và D2 ​​ở trạng thái tắt và phía thứ cấp của Tr bị ngắt khỏi mạch. Lúc này Lm, Lk và Cr cùng tham gia cộng hưởng. Trong mạch thực tế, Lm lớn hơn Lk rất nhiều. Vì vậy, có thể coi dòng kích thích và dòng cộng hưởng không thay đổi ở giai đoạn này.

Qua những phân tích chi tiết trên, chúng ta đã có những hiểu biết nhất định về nguyên lý, đặc điểm làm việc của hai loại bộ chuyển đổi chuyển mạch mềm này. Sau đây sẽ so sánh sự khác biệt giữa chúng để hiểu sâu hơn về chúng.

2 So sánh sự khác biệt giữa hai bộ chuyển đổi

Mặc dù bộ chuyển đổi flyback nửa cầu và bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu đều là bộ chuyển đổi chuyển mạch mềm, nhưng có những khác biệt cơ bản giữa hai bộ chuyển đổi này. Bộ chuyển đổi flyback nửa cầu là loạiPWM, trong khi bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu là loại PFM. Vì vậy, chúng có sự khác biệt lớn về phương pháp điều khiển, ứng suất điện áp của ống chỉnh lưu thứ cấp và ứng suất dòng điện ở phía sơ cấp. Những khác biệt này sẽ được phân tích chi tiết dưới đây.

2.1 So sánh các phương pháp điều khiển

Bộ chuyển đổi flyback nửa cầu điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh chu kỳ làm việc của ống công tắc. Khi phạm vi biến đổi điện áp đầu vào tương đối lớn, phạm vi biến đổi chu kỳ nhiệm vụ của ống công tắc cũng tương đối lớn. Về lý thuyết, chu kỳ làm việc của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu có thể vượt quá 0,5, do đó thích ứng với dải điện áp đầu vào rộng hơn. Do đó, đặc tính thời gian bảo trì khi tắt nguồn của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu tương đối tốt và có thể được sử dụng rộng rãi trong những trường hợp có yêu cầu tương đối cao về thời gian bảo trì khi tắt nguồn.

So với bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh tần số chuyển mạch, nghĩa là chu kỳ nhiệm vụ của nó không thay đổi dưới các điện áp đầu vào khác nhau. Về mặt lý thuyết, chu kỳ làm việc của bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu sẽ không vượt quá 0,5. Do đó, so với bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, dải điện áp đầu vào của nó tương đối hẹp và đặc tính thời gian bảo trì khi tắt nguồn tương đối kém.

2.2 So sánh ứng suất điện áp chỉnh lưu thứ cấp

Bằng cách phân tích nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, có thể thu được phương pháp tính ứng suất điện áp trên diode thứ cấp như trong công thức sau:

Bằng cách này, khi điện áp đầu vào thay đổi, có thể hiểu được sự thay đổi của điện áp diode thứ cấp.

Hình 5 thể hiện sự thay đổi điện áp trên bộ chỉnh lưu thứ cấp khi điện áp đầu ra là 48V. Khi điện áp đầu vào tương đối cao thì điện áp trên D1 tương đối cao. Do đó, D1 phải sử dụng một diode có định mức điện áp chịu được tương đối cao, điều này sẽ làm tăng tổn thất mạch và chi phí vật liệu.

Trong cùng điều kiện, ứng suất điện áp trên diode thứ cấp trong bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu nhỏ hơn nhiều so với trong bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, vì ứng suất điện áp trên diode thứ cấp trong bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu gấp đôi điện áp đầu ra. Do đó, một diode có điện áp chịu được tương đối thấp có thể được chọn trong bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu, từ đó nâng cao hiệu suất của mạch và giảm chi phí vật liệu.

2.3 So sánh khả năng bật của diode thứ cấp

Từ phân tích của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, có thể thấy rằng diode thứ cấp của nó rất cứng và tổn thất tương đối lớn; trong khi từ phân tích của bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu, có thể thấy rằng diode thứ cấp của nó là một công tắc dòng điện bằng 0 và tổn thất tương đối nhỏ, có thể cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi. Do đó, về mặt lý thuyết, hiệu suất tổng thể của bộ chuyển đổi flyback nửa cầu kém hơn một chút so với bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu (nhưng vẫn tốt hơn nhiều so với các bộ chuyển đổi khác).

2.4 Các khía cạnh khác

Đầu tiên, trong bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, chu kỳ làm việc của các công tắc trên và dưới là bổ sung cho nhau, do đó máy biến áp trong bộ chuyển đổi flyback nửa cầu có hiện tượng sai lệch DC; trong khi ở bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu, chu kỳ làm việc của công tắc trên và công tắc dưới bằng nhau nên máy biến áp trong bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu không có hiện tượng sai lệch DC.

Thứ hai, bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh tần số hoạt động của ống chuyển mạch, do đó, đối với bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu, việc đạt được điều khiển chỉnh lưu đồng bộ sẽ phức tạp hơn; trong khi bộ chuyển đổi flyback nửa cầu điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh chu kỳ làm việc của ống chuyển mạch, do đó, đối với bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, việc đạt được điều khiển chỉnh lưu đồng bộ là tương đối đơn giản.

2.5 Căng thẳng hiện tại

Thông qua phân tích bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu, có thể thấy rằng ứng suất dòng điện của nó tương đối cao và độ gợn dòng điện đầu ra tương đối lớn; trong khi ở bộ chuyển đổi flyback nửa cầu, ứng suất dòng điện tương đối thấp và độ gợn dòng điện đầu ra tương đối nhỏ.

2.6 Dải điện áp đầu ra

Qua phân tích nguyên lý điều khiển của bộ biến đổi flyback nửa cầu, có thể thấy dải điện áp đầu ra của bộ biến đổi flyback nửa cầu rộng hơn, trong khi dải điện áp đầu ra của bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu rất hẹp. Do đó, trong lĩnh vực cấp nguồn PD có nhiều điện áp đầu ra, bộ chuyển đổi flyback nửa cầu phù hợp hơn và có thể bỏ qua bộ chuyển đổi DC/DC.

3 Kết luận

Qua phân tích, nghiên cứu bộ biến đổi flyback nửa cầu và bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu, đồng thời so sánh các phương pháp điều khiển, ứng suất điện áp chỉnh lưu thứ cấp và độ mở thứ cấp, có thể biết rằng bộ biến đổi cộng hưởng nửa cầu phù hợp hơn với nhu cầu phát triển cung cấp điện cho hiệu suất cao; trong khi bộ chuyển đổi flyback nửa cầu phù hợp hơn với trường cấp nguồn PD.