Flyback converter

Mục lục

Chương I: Giới thiệu chung về mạch băm xung 1 chiều ...................................3

1.1. Nguyên tắc hoạt động ..........................................................................3

1.2. Các mạch băm xung một chiều phổ biến([1]) ........................................4

1.2.1. Buck converter ..............................................................................4

1.2.2. Các dạng Buck Converter có cách ly bằng biến áp ..........................5

1.2.3. Boost Converter ............................................................................7

1.2.4. Buck-Boost Converter ...................................................................8

1.2.5. Flyback Converter .........................................................................9

1.3. Các chế độ dòng điện ([2]) ...................................................................9

1.4. Các nguyên lý điều khiển [1] ..............................................................11

1.5. Vấn đề lựa chọn dạng mạch băm xung([2],[3])....................................12

Chương II: Flyback Converter ......................................................................14

2.1.Sơ đồ nguyên lý và hoạt động: ............................................................14

2.1.1. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ CCM ...........14

2.1.2. Flyback Transformer. ..................................................................17

2.1.3. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ DCM ...........17

2.1.4. Các giá trị biên giữa CCM và DCM .............................................18

2.1.5. Các yếu tố tổn hao và mạch đệm cho MOSFET ............................20

Chương III: Thiết kế thực tế Flyback Converter.............................................23

3,1. Các yêu cầu thiết kế: ..........................................................................23

3.2. Tính toán thiết kế theo trình tự............................................................23

3.2.1. Lựa chọn chế độ dòng: ................................................................23

3.2.2. Tính toán thiết kế ở chế độ CCM .................................................24

Chương I: Giới thiệu chung về mạch băm xung 1 chiều

(DC-DC converter)

1.1. Nguyên tắc hoạt động

Mạch băm xung một chiều sử dụng các linh kiện điện tử công suất có thể điều

khiển đóng mở hoàn toàn để tạo ra được điện áp có dạng 1 chiều ở đầu ra như ý

muốn từ một điện áp 1 chiều đầu vào với tổn thất thấp nhất nhờ đặc tính giống như

công tắc của các linh kiện này : điện trở khi đóng bằng không và khi ngắt bằng vô

cùng. Nhờ đó, về mặt lý thuyết, thất thoát năng lượng bằng không.

Hình 1.1: Nguyên tắc hoạt động của DC-DC converter ( [1])

Có thể thấy điện áp đầu ra của mạch băm xung có dạng nhấp nhô, nhưng nếu sử

dụng các linh kiện có tần số đóng cắt lớn cộng với mạch lọc phù hợp thì điện áp

đầu ra sẽ có dạng đường thẳng ở mức chấp nhận được cho hầu như tất cả các ứng

dụng. Do tính chất điều khiển được và tổn hao thấp nên mạch băm xung một chiều

được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế.

1.2. Các mạch băm xung một chiều phổ biến([1])

1.2.1. Buck converter

Hình 1.2: Buck converter

Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch băm xung một

chiều cơ bản nhất, sử dụng một công tắc bán dẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp

vào, đưa vào bộ lọc LC trước khi ra tải. Diode có nhiệm vụ dẫn dòng liên tục trong

cuộn cảm L. Điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào.

Hàm truyền của Buck converter: Vout

Vin=D=

Ton

Ton+Toff=

Ton

T

Buck converter là nền tảng cơ bản để từ đó thiết kế các dạng converter khác có

cách ly bằng biến áp.

1.2.2. Các dạng Buck Converter có cách ly bằng biến áp

Trên thực tế, khi thiết kế các bộ nguồn 1 chiều, trong mạch thường sử dụng

biến áp để cách ly nhằm tăng tính an toàn và tin cậy. Trên cơ sở Buck Converter,

có nhiều dạng converter đã được chế tạo và đang được ứng dụng rất phổ biến hiện

nay. Dưới đây sẽ trình bày vắn tắt nguyên tắc hoạt động của các dạng này. Cụ thể

hơn có thể xem thêm ở tài liệu [2], [3] và [4].

1.2.2.1. Forward Converter

Hình 1.3: Forward converter

Hình 1.3 giới thiệu mạch nguyên lý của Forward Converter:

- Khi S đóng, dòng được dẫn qua cuộn sơ cấp N1 và cảm ứng sang cuộn thứ

cấp N2 của máy biến áp. Diode D1 dẫn và D2 khóa.

- Khi S khóa, D1 b ị khóa lại và D2 dẫn, dòng điện của L được dẫn liên tục

qua D2.

- Cuộn dây N3 và diode D3 có tác dụng dẫn dòng trong cuộn N1. Tỉ số N3/N1

phải được chọn sao cho dòng từ hóa về 0 trước khi S bắt đầu chu kỳ làm

việc tiếp theo.

Hàm truyền của Forward Converter:

Vout

Vin=

D

n=

D.N2

N1

1.2.2.2. Push-Pull converter

Hình 1.4: Push-pull converter

Hình 1.4 giới thiệu mạch nguyên lý của Push-pull Converter:

- Các khóa S1 và S2 hoạt động trên 2 nửa chu kỳ ngược nhau. S1 đóng mở

trên nửa chu kỳ đầu và S2 đóng mở trên nửa chu kỳ sau. Nguyên tắc hoạt

động về cơ bản giống với Forward Converter

- Khi S1 đóng, D1 dẫn. Khi S2 đóng, D2 dẫn. Khi S2 và S1 cùng khóa, D1 và

D2 cùng dẫn dòng qua cuộn L.

Hàm truyền của Push-pull Converter:

Vout

Vin

=2D

n

1.2.2.3. Half-Bridge Converter

Hình 1.5: Half-Bridge Converter

Hình 1.5 giới thiệu nguyên lý hoạt động của Half-Bridge Converter:

- Hoạt động của hai khóa S1 và S2 tương tự như Push-pull Converter. Cuộn

sơ cấp của máy biến áp không có điểm trung tính, nhưng các tụ mắc theo

hình nửa cầu có nhiệm vụ tương tự, đưa một nửa điện áp vào cuộn sơ cấp

trong mỗi khoảng thời gian làm việc của S1 và S2

- Chế độ hoạt động của các diode tương tự như Push-pull Converter

Hàm truyền của Half-Bridge Converter:

Vout

Vin=

D

n

1.2.2.4. Full-Bridge Converter

Hình 1.6: Full-Bridge Converter

Hình 1.6 giới thiệu nguyên lý hoạt động của Half-Bridge Converter:

- Mạch sử dụng 4 khóa trong đó S1, S4 hoạt động đồng thời và ngược với cặp

S2,S3. Hai cặp khóa này hoạt động xen kẽ nhau trên 2 nửa chu kỳ và mạch

hoạt động tương tự như Push-pull Converter.

- Chế độ hoạt động của các diode tương tự như Push-pull Converter

Hàm truyền của Half-Bridge Converter:

Vout

Vin

=2D

n

1.2.3. Boost Converter

Hình 1.7: Boost Converter

Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch băm xung 1 chiều cơ

bản có thể đưa ra điện áp lớn hơn điện áp vào. Khóa S được mắc song song với

điện áp vào. Khi S đóng, năng lượng được tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode

D khóa. Khi S khóa, D dẫn và năng lượng này được truyền đến đầu ra.

Hàm truyền của Boost Converter :

Vout

Vin

=1

1 - D

Boost Converter không có dạng có biến áp cách ly.

1.2.4. Buck-Boost Converter

Hình 1.8: Buck-Boost Converter

Buck-Boost Converter kết hợp khả năng của Boost Converter và Buck

Converter khi có thể tạo ra điện áp ra lớn hơn hoặc bé hơn điện áp vào trong một

khoảng cho phép. Khi S đóng, dòng điện nạp năng lượng cho cuộn cảm L, diode D

khóa. Lúc S khóa, D dẫn dòng từ cuộn cảm và tụ C cũng phóng điện.

Hàm truyền của Buck-Boost Converter :

Vout

Vin

=𝐷

1 - D

Buck-Boost Converter có một dạng có biến áp cách ly rất phổ biến là Flyback

Converter

1.2.5. Flyback Converter

Flyback converter sẽ được nghiên cứu kỹ ở chương sau.

1.3. Các chế độ dòng điện ([2])

Như đã phân tích ở trên, trong tất cả các mạch băm xung, luôn xuất hiện mạch

lọc LC với nhiệm vụ san bằng điện áp ra. Tác dụng của RC có thể được hiểu theo

nguyên tắc: chúng nạp năng lượng khi S đóng và giải phóng năng lượng này khi S

ngắt nhằm duy trì năng lượng cho tải. Trong đó, cuộn cảm L đóng vai trò giữ cho

dòng không đổi để đầu ra có dạng 1 chiều. Khi S đóng , dòng qua L không tăng đột

ngột mà tăng dần theo hiện tượng cảm ứng điện từ và khi S khóa, dòng cũng không

giảm đột ngột mà giảm dần.

Trong thực tế, có 3 chế độ dòng có thể xảy ra cho cuộn cảm:

- Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): IL tăng từ giá trị

Ivalley đến giá trị Ipeak rồi lại giảm xuống Ivalley khi S khóa. Do dòng không

bao giờ về 0 nên chế độ này được gọi là chế độ dòng liên tục.

- Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): IL tăng từ 0

đến Ipeak khi S đóng và khi S khóa, dòng giảm về 0 trước khi S đóng lại trong

chu kỳ tiếp theo.

- Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode hoặc CRM-

critical conduction mode) : mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sao cho khi thất IL

vừa giảm về 0, S sẽ đóng để nạp lại cho L, tức là năng lượng của L sẽ được

giải phóng hết trước chu kỳ tiếp theo.

Hình 1.9: Ba chế độ dòng qua cuộn cảm

Những tính toán cụ thể cho thấy rằng việc lựa chọn L sẽ ảnh hưởng đến chế độ

dòng điện qua nó. Có một giá trị Lb để xác định ranh giới hai chế độ CCM và

DCM. Trường hợp cụ thể với Flyback Converter sẽ được xét ở chương sau.

1.4. Các nguyên lý điều khiển [1]

Các bộ băm xung phải đưa ra được điện áp mong muốn trong điều kiện tải hoặc

điện áp đầu vào thay đổi. Như đã biết, để thay đổi điện áp đầu ra, cần thay đổi tỉ số

làm việc D, tức là thay đổi khoảng thời gian đóng mở của công tắc bán dẫn. Từ đó,

có thể thiết lập một mạch vòng kín để điều khiển như hình vẽ:

Hình 1.10: Nguyên tắc điều khiển điện áp

Trên hình là nguyên tắc điều khiển cơ bản của các bộ băm xung 1 chiều,

nguyên tắc điều khiển điện áp. Điện áp ra được đo về và so sánh với điện áp đặt

mong muốn. Sau đó sai lệch được khuếch đại và đưa vào so sánh với xung răng

cưa có tần số cùng với tần số đóng cắt của S (nguyên lý PWM), và đưa ra xung

đóng mở S. Về mặt nguyên tắc, có thể hiểu mạch hoạt động như sau: ví dụ với

Buck converter nếu Vout cao hơn mong muốn thì khóa S, nhỏ hơn thì mở S, Vout sẽ

dao động liên tục quanh giá trị mong muốn.

Nguyên tắc điều khiển điện áp có ưu điểm lớn về sụ linh hoạt và độ đơn giản.

Bộ điều khiển sẽ phản ứng cực nhanh với tất cả những biến đổi của tải. Tuy nhiên

nếu điện áp vào thay đổi thì sẽ rất lâu bộ điều khiển mới phát hiện và phản ứng với

sự thay đổi đó. Có thể nguyên tắc điều khiển dòng điện để khắc phục điều này.

Hình 1.10: Nguyên tắc điều khiển dòng điện

Ở đây, dòng điện qua công tắc hoặc qua cuộn dây, được phản hồi về dưới dạng

tín hiệu điện áp, và đưa về bộ so sánh thay cho tín hiệu xung răng cưa. Trạng thái

đầu vào của bộ băm xung được phản ánh qua tín hiệu dòng điện này, do đó bộ điều

khiển theo nguyên tắc dòng điện phản ứng rất nhanh với cả thay đổi của tải và thay

đổi đầu vào. Tuy nhiên một nhược điểm lớn của nguyên tắc này là sự phức tạp của

nó.

1.5. Vấn đề lựa chọn dạng mạch băm xung([2],[3])

Các dạng mạch băm xung khác nhau có những ưu và nhược điểm khác nhau.

Tùy thuộc vào yêu cầu về điện áp vào, điện áp ra, công suất thiết kế, giá thành…

mà người thiết kế sẽ chọn ra dạng mạch phù hợp cho mình. Các tài liệu có đưa ra

các bảng sau để tham khảo:

Bảng 1.1: Lựa chọn dạng mạch băm xung

Bảng 1.2: Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng từng dạng mạch

Chương II: Flyback Converter

Flyback Converter là một trong những mạch băm xung phổ biến nhất trên thị

trường hiện nay. Nó có những ưu điểm chính như đơn giản, giá thành thấp, an

toàn, phù hợp với những ứng dụng dân dụng có công suất không cao và không yêu

cầu khắt khe về độ đập mạch.

2.1.Sơ đồ nguyên lý và hoạt động:

Hình 2.1: Sơ đồ cơ bản của Flyback Converter

Flyback converter được phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn

cuộn cảm tích lũy năng lượng được thay bằng cuộn sơ cấp của máy biến áp. Máy

biến áp được đấu ngược đầu như hình vẽ. Diode D được nối vào sau cuộn thứ cấp.

2.1.1. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ CCM

Khi phân tích, các điều kiện được coi là lý tưởng. Các yếu tố thực tế sẽ được xét

ở chương sau.

Khi S thông:

Khi khóa S thông, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp. Cuộn cảm

trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng dần từ Ivalley đến Ipeak theo tỉ lệ

dI/dt = Vin/LP.Với thời gian dẫn là ton, ta có:

Ở phía thứ cấp, do cực Anode của D được nối vào đầu âm của cuộn thứ cấp

(máy biến áp mắc ngược) nên D khóa, cuộn thứ cấp không có dòng điện. Ta có

mạch tương đương như hình vẽ:

Hình 2.2: Mạch tương đương khi S đóng

Lúc này điện áp ra được duy trì nhờ năng lượng tích trữ trên tụ C từ trước, do

đó điện áp phân cực ngược của D:

Với N =1/n = N2/N1

Khi S khóa:

Khi S khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấp, điện áp

trên cuộn sơ cấp ngay lập tức bị đảo ngược, và trên cuộn thứ cấp điện áp cũng đảo

chiều, dẫn đến việc D phân cực thuận và ta có mạch tương đương sau:

Hình 2.3: Mạch tương đương khi S thông

Điện áp trên cuộn thứ cấp lúc này bằng điện áp ra Vout và cuộn sơ cấp sẽ cảm

ứng một điện ápVr = Vout/N. Do đó,điện áp rơi trên cực D và cực S của MOSFET

là:

Vr được gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấp đã

gây ra điện áp trên cuộn sơ cấp. Đây cũng là nguồn gốc của cái tên Flyback

Converter.

Điện áp trên cuộn sơ cấp làm cho dòng qua nó giảm theo tỉ lệ dI/dt = -Vr/Lp.Do

đó ta có:

Kết hợp hai phương trình quan hệ Ivalley và Ipeak ta có:

Đây là hàm truyền đạt của Flyback Converter. Nó có dạng tương tự như của

Buck-Boost Converter nhưng thêm hệ số N. Việc điều chỉnh D sẽ có thể đưa ra

điện áp ra lớn hoặc bé hơn điện áp vào một cách tùy ý.

2.1.2. Flyback Transformer.

Biến áp của mạch Flyback không hoạt động như các biến áp thông thường. Có

thể thấy cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không bao giờ cùng dẫn dòng. Sự hiện diện

của biến áp ở đây chỉ có ý nghĩa tích trữ năng lượng trên cuộn sơ cấp và cách ly

input/output mà thôi. Vì vậy, trong một số chương trình mô phỏng, hoặc để dễ

hiểu, người ta thường vẽ biến áp Flyback như sau:

Hình 2.4: Mạch tương đương của biến áp Flyback

Trong sơ đồ này, biến áp lý tường thông thường được sử dụng và cuộn cảm Lms

để đại diện cho mặt tích trữ năng lượng của biến áp.

Một điểm cần chú ý khác là trong biến áp Flyback chỉ hoạt động trên 1 nửa của

đường cong từ hóa B-H nên cần có khe hở không khí lớn để tránh bão hòa từ. Điều

này dẫn đến thể tích của biến áp sẽ tăng rất lớn đối với các mạch có công suất cao.

Đó là một hạn chế của Flyback Converter.

2.1.3. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ DCM

Ở chế độ DCM, Flyback Converter hoạt động với nguyên tắc tương tự. Tuy

nhiên, có 3 giai đoạn trong quá trình hoạt động ở chế độ này.

- Khi S dẫn, các đại lượng trong mạch biến thiên tương tự như ở CCM, chỉ có

điều dòng Ip tăng từ 0 cho đến Ipeak.

- Giai đoạn thứ 2 là từ khi S khóa cho đến dòng về 0, dòng trong mạch biến

thiên với các phương trình tương tự như ở chế độ CCM, chỉ có điều Ip giảm

dần về 0.

- Giai đoạn thứ 3 là giai đoạn Ip=0 khi S khóa, lúc này D cũng khóa và cả

cuộn sơ cấp lẫn thứ cấp đều không có dòng điện.

Kết quả tính toán đưa ra được biểu thức hàm truyền đạt sau:

Với n = 1/N, RL là điện trở tải. fs là tần số băm xung, Lms = Lp/n2 = Lm/n

2 là điện

cảm cuộn thứ cấp.

Có thể thấy tỉ số truyền của chế độ DCM phụ thuộc vào tải.

2.1.4.Các giá trị biên giữa CCM và DCM

Có một giá trị của tỉ số làm việc D xác định biên giới giữa hai trạng thái. Giá trị

đó được tính theo công thức sau:

Có thể coi DB là hàm của VO và IO hoặc RL 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 hơn ở hai đồ thị dưới đây (các đồ thị được vẽ khi

không tính đến tổn hao):

Hình 2.5 : Đồ thị phụ thuộc của D vào dòng tải IO/(VO/2fs Lms )

đối với các hàm truyền có giá trị cố định

Hình 2.6 : Đồ thị phụ thuộc của D vào điện áp tải RL/(2fs Lms )

đối với các hàm truyền có giá trị cố định

2.1.5.Các yếu tố tổn hao và mạch đệm cho MOSFET

2.1.5.1. Các đại lượng ký sinh.

Trong mạch băm xung một chiều, các đại lượng ký sinh là không thể không xét

đến. Chúng không những gây ra tổn hao mà còn là nguyên nhân của các dao động

ký sinh, gây nhiễu trong hệ thống và làm quá dòng hoặc quá áp, ảnh hưởng đến các

thiết bị trong mạch. Các yếu tố này bao gồm:

- Điện cảm ký sinh trong cuộn sơ cấp Lleak. Điện cảm này không gây hỗ cảm

lên cuộn sơ cấp mà chỉ tích trữ năng lượng. Thông thường Lleak = (2-5)% Lm.

- Tụ ký sinh trên cuộn dây máy biến áp.

- Tụ ký sinh trên MOSFET

- Điện trở cuộn dây.

- Tụ điện trên các diode.

Có thể tổng hợp các yếu tố này trên mạch như hình vẽ:

Hình 2.7: Mạch Flyback Converter có xét đến các yếu tố ký sinh.

Một cách phổ biến để giảm tác động của các yếu tố ký sinh là sử dụng mạch

đệm.

2.1.5.2.Mạch đệm cho MOSFET

Mạch đệm phổ biến nhất trong thực tế là mạch đệm RLD, bao gồm mach RC

mắc nối tiếp với diode tần số cao như hình vẽ:

Hình 2.8: Mạch đệm RLD

Chức năng lớn nhất của mạch đệm là cung cấp một con đường để dòng trong

cuộn sơ cấp có thể tiếp tục khép vòng khi S chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng

thái khóa, qua đó giảm điện áp ngược trên MOSFET. Khi S khóa, dòng chạy qua

Dclp đến nạp cho tụ. Và khi S dẫn, năng lượng trên tụ giải phóng qua Rclp.

Một chức năng khác của mạch đệm là giảm bớt 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 sẽ thay đổi, do đó lúc

thiết kế cần tính toán với sơ đồ mạch có mạch đệm. Khi thiết kế mạch đệm, dựa

vào điện áp ngược cực đại giữa cực Drain và cực Source của MOSFET VDSS để

tính ra điện áp rơi trên RC, gọi là Vclamp. Nhìn trên sơ đồ ta thấy:

Với: - kD là hệ số an toàn, thường lấy 0,85

- VOS là điện áp cực đại rơi trên Diode, thường lấy 20V

- Vin là điện áp vào.

Tỉ số giữa điện áp Vclamp và điện áp phản xạ trên cuộn sơ cấp được gọi là kc:

Ở đây có tính đến điện áp rơi trên D khi D dẫn ( khoảng 0,7V)

kc thường được chọn trong khoảng 1,3 cho đến 1,5 để từ đó tính ra N:

Tính toán cụ thể hơn về Rclp và Cclp sẽ được xét ở mục sau.

Chương III: Thiết kế thực tế Flyback Converter

3,1. Các yêu cầu thiết kế:

Các thông số cần thiết cho thiết kế:

- Điện áp vào nhỏ nhất Vin,min = 24V

- Điện áp vào lớn nhất Vin,max = 60V

- Điện áp ra Vout = 12V

- Dòng điện ra Iout = 5A

Một số thông số khác sẽ được lựa chọn khi thiết kế.

3.2. Tính toán thiết kế theo trình tự.

3.2.1.Lựa chọn chế độ dòng:

Như ta đã biết ở trên, việc thay đổi D có thể giúp cho mạch chuyển từ chế độ

dòng CCM sang DCM và ngược lại. Tuy nhiên, xác định một chế độ dòng để điều

chỉnh D trong chế độ đó sẽ giúp đơn giản hơn cho việc tính toán mạch lực và mạch

điều khiển.

Hình 3.1: Đồ thị dòng qua cuộn sơ cấp ở chế độ CCM

Theo tài liệu [2], DCM thích hợp cho các ứng dụng có công suất không quá

cao, có điện áp ra lớn và dòng nhỏ còn CCM thì ngược lại (ta có thể thấy điều này

qua đồ thị 2.5. Ở bài toán này, lựa chọn CCM là hợp lý.

Hình 3.1 thể hiện đồ thị dòng qua LP ở chế độ CCM.

3.2.2. Tính toán thiết kế ở chế độ CCM

Chọn tần số băm xung:

Tần số băm xung được lấy ở mức 20KHz

Tính dòng vào Iin:

Dòng trung bình đầu vào:

,

, 

2,94 ( )outin avg

in min

PI A

V

Với ɳ là hiệu suất của mạch, ở đây lấy 0,85

Và Pout= Vout.Iout = 12.5 = 60(W)

Dòng vào trung bình ở đây lấy theo giá trị cực đại có thể xảy ra.

Chọn điện áp Vclamp

Điện áp cực đại giữa cực Drain và cực Source của MOSFET được chọn đủ lớn

để đảm bảo an toàn. Ở đây ta lựa chọn VDSS = 150V. Từ đó ta tính ra Vclamp:

Vclamp = kd.VDSS – Vin,max - VOS = 150 × 0,85 – 60 – 20 = 47,5 (V)

Tính hệ số máy biến áp 1/N

Chọn kc = 1,5. Ta có:

( ) 1,5(12 0,7)0,401

47,5

c out f

clamp

k V VN

V

Chọn N = 0,4.

Tính Dmax

Dmax được tính tử công thức hàm truyền đạt, ứng với Vin, min:

,

120,56

12 0,4 24

outmax

out in min

VD

V NV

IL, avg là dòng trung bình qua cuộn sơ cấp:

, 

,

2,945,25( )

0,56

in avg

L avg

max

II A

D

Tính Lp

Lp được tính toán theo nguyên tắc sau: ta chọn một tỉ lệ thay đổi dòng điện hợp

lý từ Ipeak đến Ivallley và từ đó tính ra L:

IL, avg là dòng trung bình qua cuộn sơ cấp:

, 

,

2,945,25( )

0,56

in avg

L avg

max

II A

D

δIr thay đổi từ 0÷2, khi δIr = 2, mạch hoạt động ở trạng thái biên.Chọn δIr = 0,8,

suy ra ∆IL = 4.2A và ta tính được L theo công thức sau:

Công thức trên được thiết lập khi đồng nhất 2 phương trình tính Ipeak theo Ivalley.

ɳ là hiệu suất của toàn bộ mạch, ɳ= 0,85 như đã nói ở trên

Thay số vào ta có:

2 20,85 24 31,75181( )

0,8 20000 60 24 31,75 24 31,75 0,85L H

Chọn MOSFET

Để tính chọn MOSFET, ta tính dòng qua cuộn sơ cấp máy biến áp, theo công

thức sau:

Dòng điện cực đại ,

4,25,25 7,35( )

2 2

Lpeak L avg

II I A

Rút ra 2

2

,

4,20,56 7,35 7,35 4,2 4,03( )

3L rmsI A

Như vậy cần chọn MOSFET cần loại N-MOSFET có điện áp 150V dòng

4,03A.

Chọn mạch đệm:

Mạch đệm được chọn theo các công thức sau:

Lleak được tính theo LP theo công thức Lleak = 0,02 Lp = 3,62( H )

∆V là điện áp sai lệch cho phép của Vclamp : ∆V = 0,1 Vclamp = 47,5 ≈ 5V

Rút ra:

2

2 6 2

1,5 1 2 1,5 12,7144( )

0,4 20000 3,62 10 7,62clpR

1,5 12,73,3( )

0,4 144 20000 5clpC F

Lưu ý lựa chọn Rclp là điện trở công suất do toàn bộ năng lượng nạp cho tụ

được giải phóng trên điện trở.Năng lượng đó vào khoảng

Tính ra

6 2 1,50,5 20000 3,62 10 7,35 6(W)

1,5 1clpRP

Chọn Diode phía thứ cấp:

Điện áp ngược lớn nhất trên D:

0,4 60 12 36( )in outPIV NV V V

Chọn tụ lọc đẩu ra:

Tủy vào đặc tính của tải mà độ nhấp nhô của điện áp sẽ khác nhau. Tuy nhiên,

một tụ cỡ vài mF có thể đưa ra được điện áp đủ phẳng.

Mặt khác, một điện trở ký sinh trên tụ có thể gây ra điện áp chênh lệch khá lớn,

vì thế cần xem xét đến điểu khiện về điện trở ký sinh:

Với Vripple là điện áp nhấp nhô mong muốn

Isec,peak là dòng cực đại trên cuộn thứ cấp

sec,

7,3518,4( )

0,4

peak

peak

II A

N

3.3. Thiết kế mạch

Cầu chìDC

Kh

ối d

rive

r

(IR2

11

0)

Ch

ip ổ

n á

p 1

2V

78

05

12V

30

F1

01

0PWM

Ph

ản

hồ

i

dò

ng

(AC

S7

15)

I in

I out

U p

hI

Tả

i

R phân ápRsense

Kh

ối p

hả

n h

ồi

áp

(AD

73

6)

U p

hU

VC

C

VC

CV

CC

VC

C

RS

23

2

4N

35

Hình 3.2: Sơ đồ các khối cơ bản của mạch

3.3.1. Khối nguồn

Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho vi xử lý và driver. Thường ở các

mạch trong thực tế, nguồn cấp này được lấy từ chính Vout (thời gian đầu người ta

dùng một cơ chế gọi là start-up voltage để lấy nguồn từ Vin, sau đó trích áp từ Vout

để điều khiển mạch).

Ở đây, ta sử dụng hai mạch ổn áp là mạch ổn áp 12V và mạch ổn áp 5V nối tiếp

để tạo ra nguồn 12V đóng mở MOSFET và nguồn 5V cho các chip trên mạch.

3.3.2. MOSFET và driver

Sau khi tham khảo các nguồn cung cấp MOSFET và Driver trên thị trường, ta

lựa chọn MOSFET và driver như sau:

MOSFET dùng loại IRF630 (VDSS =200V, Imax = 9A).

Driver dùng loại IR2103. Đây là loại chuyên dùng để đóng mở MOSFET 2

kênh dùng trong điều khiển động cơ nhưng cũng có thể sử dụng kênh low của nó

để đóng mở MOSFET trong mạch:

Hình 3.3: Sơ đồ các chân và sơ đồ mạch căn bản

Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động IR2103

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy, ta nếu chỉ sử dụng các chân LIN, VCC, LO, COM,

ta vẫn có thể điều khiển đóng mở N-MOSFET ở trong mạch Flyback Converter

theo sơ đồ sau

Hình 3.5: Dùng IR2103 để điều khiển IRF630

Ta nhận thấy rằng điện áp logic vào LIN, điện áp nguồn VCC và điện áp ra LO

cùng một mức, cũng là mức để đóng mở MOSFET, mà ở đây ta chọn là 12V. Tuy

nhiên điện áp ra của vi xử lý vào khoảng 5V nên ta cần sử dụng mạch 4N35 để

thay đổi mức điện áp đưa vào. 4N35 ở đây không thực sự có chức năng cách ly mà

chỉ để chuyển đổi mức điện áp do chân đất được nối chung.

Hình 3.6 : Mạch dùng 4N35 để thay đổi mức điện áp

3.3.3. Khối phản hồi dòng

Dòng điện được đo từ phía sơ cấp của mạch sử dụng cảm biến dòng ACS715.

ACS715 là cảm biến dòng sử dụng hiệu ứng Hall, có mạch chức năng như hình:

Hình 3.7: Sơ đồ chân và cách mắc thông dụng của ACS715

Với sơ đồ mắc như hình vẽ, ta có công thức điện áp ra của cảm biến:

ax

ccout in

m

VV I

I

Imax là giá trị cực đại của dòng điện, phụ thuộc vào loại ACS715

3.3.4. Khối đo áp

Điện áp ra của mạch được đưa qua trở phân áp và đưa về cảm biến điện áp

AD736. AD736 là cảm biến điện áp có tác dụng đưa ra điện áp tỉ lệ thuận với điện

áp vào với tỉ lệ chính xác cao và nhiễu thấp. Mạch cơ bản dùng AD736 như hình

dưới đây:

Hình 3.8: Khối phản hồi áp