Mạch chỉnh lưu (Phần 2: Vấn đề chính)

#1 · 17/10/2021, 17:11

Quote from Hà Biện Cao Thăng on 17/10/2021, 17:11
Chào các bạn đọc

Ở phần 1 mình có đề cập sơ lược về mạch chỉnh lưu và các dạng của mạch chỉnh lưu. Ở phần 2 này mình sẽ nói lên sự tổn thất khi dùng diode thường và cách giải quyết vấn đề này.

Trên thực tế, diode có thể làm sụt áp từ 0,7V đến 1.7V tùy loại. Mình làm một bài toán đơn giản thế này: Chúng ta có một nguồn có điện áp là 12V dòng điện là 100A, điện áp tổn thấn khi đi qua diode là 0.7V, vậy công suất bị tổn thất trên diode sẽ được tính theo công thức P = U x I = 0.7 x 100 = 70W, vậy nguồn ban đầu của chúng ta có công suất khoảng 1200W khi đi qua diode thì bị mất 70W và còn lại 1130W, hiệu suất khoảng 94.17% (trên thực tế hiệu suất còn thấp hơn con số này ^^).

Vậy để giải quyết vấn đề về công suất bị thất thoát trên diode. Các loại mạch điện hiện đại người ta sẽ dùng mạch chỉnh lưu đồng bộ (synchronous rectification).

Chỉnh lưu đồng bộ (hay còn gọi là chỉnh lưu tích cực) là một kỹ thuật để nâng cao hiệu quả của việc chỉnh lưu bằng việc thay thế diode bằng các công tắc được điều khiển tích cực, thường là MOSFET công suất hoặc bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực công suất (BJT). Trong khi diode bán dẫn bình thường có điện áp giảm gần như cố định khoảng 0,7-1.7 volt.

ĐỘNG LỰC ĐỂ NGHIÊN CỨU

Sự sụt giảm điện áp liên tục của một diode tiếp giáp pn tiêu chuẩn thường nằm trong khoảng từ 0,7 V đến 1,7 V, gây ra tổn thất điện năng đáng kể trong diode. Công suất điện phụ thuộc vào dòng điện và hiệu điện thế: tổn thất điện năng tăng tỷ lệ thuận với cả cường độ dòng điện và hiệu điện thế.

Trong các bộ chuyển đổi điện áp thấp (khoảng 10V trở xuống), điện áp giảm của một diode (thường khoảng 0,7 đến 1 volt đối với một diode silicon ở dòng điện danh định của nó) có ảnh hưởng xấu đến hiệu suất. Một giải pháp cổ điển thay thế diode silicon tiêu chuẩn bằng diode Schottky , có điện áp giảm rất thấp (thấp nhất là 0,3V). Tuy nhiên, ngay cả bộ chỉnh lưu Schottky cũng có thể bị tổn hao nhiều hơn đáng kể so với loại đồng bộ, đặc biệt là ở dòng cao và điện áp thấp.

Khi giải quyết các bộ chuyển đổi điện áp rất thấp, chẳng hạn như bộ cấp nguồn cho bộ chuyển đổi buck cho CPU máy tính (với đầu ra điện áp khoảng 1 vôn và nhiều ampe của dòng điện đầu ra), chỉnh lưu Schottky không cung cấp hiệu quả tương xứng. Trong các ứng dụng như vậy, việc nghiên cứu mạch chỉnh lưu đồng bộ trở nên cần thiết.

Thay thế một diode bằng một phần tử chuyển mạch được điều khiển tích cực như MOSFET là trọng tâm của quá trình chỉnh lưu đồng bộ. MOSFET có nội trở rất thấp không đổi khi dẫn (nội trở giữa cực D và cực S). Chúng có thể được chế tạo với điện trở thấp tới 10 mΩ hoặc thậm chí thấp hơn. Điện áp giảm trên bóng bán dẫn sau đó thấp hơn nhiều, có nghĩa là giảm tổn thất điện năng và tăng hiệu suất. Tuy nhiên, định luật Ohm điều chỉnh sự sụt giảm điện áp trên MOSFET, có nghĩa là ở dòng cao, mức sụt giảm có thể vượt qua mức của một diode. Hạn chế này thường được giải quyết bằng cách đặt một số bóng bán dẫn song song, do đó làm giảm dòng điện qua từng bóng bán dẫn riêng lẻ hoặc bằng cách sử dụng thiết bị có vùng hoạt động nhiều hơn (trên FET, một thiết bị tương đương song song).

Mạch điều khiển để chỉnh lưu đồng bộ thường sử dụng các bộ so sánh (Op-Amp) để cảm nhận điện áp của AC đầu vào và mở các bóng bán dẫn vào những thời điểm chính xác để cho phép dòng điện chạy theo hướng chính xác. Thời gian là rất quan trọng, vì phải tránh ngắn mạch trên nguồn điện đầu vào và có thể dễ dàng gây ra bởi một bóng bán dẫn bật trước khi bóng bán dẫn khác tắt (hiện tượng trùng dẫn). Và vẫn như các mạch chỉnh lưu thường, các bộ chỉnh lưu đồng bộ vẫn cần các tụ điện làm mịn điện áp.

Về ưu điểm của dạng chỉnh lưu đồng bộ này chắc chắn là hiệu suất rất cao, ngoài ra nó giảm lượng nhiệt tỏa ra so với diode thường, vậy nên sẽ giảm diện tích bề mặt để lắp miếng nhôm tản nhiệt. Còn về nhược điểm thì dạng mạch này thường phức tạp và chi phí để làm ra nó còn cao hơn rất nhiều so với dùng diode (1 con diode thường có 300đ thôi ^^).

Tiếp theo mình sẽ giải thích một vấn đề mà ban đầu mình cũng hiểu sai:

Ảnh mình chụp một câu trả lời của một bác trên diễn đàn điện tử việt nam (www.dientuvietnam.net)

Trong MOSFET sẽ có thêm một con diode nội, nó có nhiệm vụ là dập xung trong lúc MOSFET tắt.

Thực tế, mình cấp điện áp giữa hai chân G và S để nó ở trạng thái dẫn, mình dùng đồng hồ số bật thang đo điện trở và đo trên hai cực D và S (que đỏ vào chân D que đen vào chân S và ngược lại) thì nó dẫn cả hai chiều.

Có hai trạng thái MOSFET làm việc

Trạng thái 1: nguồn điện ở bán kì dương, lúc này sẽ có dòng điện đi từ S sang D (không đi qua diode nội vì nội trở của diode nội rất lớn so với nội trở của MOSFET) và được làm mịn bằng tụ điện sau đó cấp cho tải.

Trạng thái 2: nguồn điện ở bán kì âm, vào lúc này MOSFET ở trạng thái tắt và diode nội không dẫn.

Các bạn đọc hãy tưởng tượng giống như một công tắc K mắc song song với diode vậy ^^

Sau đây mình sẽ sử dụng nhu liệu SIMetrix để mô phỏng cho các bạn đọc thấy được sự sụt giảm điện áp giữa diode và MOSFET khác biệt như thế nào, các bạn để ý giá trị Maximum.

Đây là của diode bị sụt áp khoảng 0.679V

Đây là của MOSFET, sụt áp khoảng 0.000087V, đường sóng màu xanh lá kia chính là tín hiệu xung để điều khiển IRF3205

Trên đây là mình viết bài theo cách hiểu của mình, nếu có sai sót hoặc thiếu chỗ nào mong các bạn đóng góp bằng cách comment bên dưới bài viết này.

Chân thành cám ơn ^^

Chào các bạn đọc

Ở phần 1 mình có đề cập sơ lược về mạch chỉnh lưu và các dạng của mạch chỉnh lưu. Ở phần 2 này mình sẽ nói lên sự tổn thất khi dùng diode thường và cách giải quyết vấn đề này.

Trên thực tế, diode có thể làm sụt áp từ 0,7V đến 1.7V tùy loại. Mình làm một bài toán đơn giản thế này: Chúng ta có một nguồn có điện áp là 12V dòng điện là 100A, điện áp tổn thấn khi đi qua diode là 0.7V, vậy công suất bị tổn thất trên diode sẽ được tính theo công thức P = U x I = 0.7 x 100 = 70W, vậy nguồn ban đầu của chúng ta có công suất khoảng 1200W khi đi qua diode thì bị mất 70W và còn lại 1130W, hiệu suất khoảng 94.17% (trên thực tế hiệu suất còn thấp hơn con số này ^^).

Vậy để giải quyết vấn đề về công suất bị thất thoát trên diode. Các loại mạch điện hiện đại người ta sẽ dùng mạch chỉnh lưu đồng bộ (synchronous rectification).

Chỉnh lưu đồng bộ (hay còn gọi là chỉnh lưu tích cực) là một kỹ thuật để nâng cao hiệu quả của việc chỉnh lưu bằng việc thay thế diode bằng các công tắc được điều khiển tích cực, thường là MOSFET công suất hoặc bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực công suất (BJT). Trong khi diode bán dẫn bình thường có điện áp giảm gần như cố định khoảng 0,7-1.7 volt.

ĐỘNG LỰC ĐỂ NGHIÊN CỨU

Sự sụt giảm điện áp liên tục của một diode tiếp giáp pn tiêu chuẩn thường nằm trong khoảng từ 0,7 V đến 1,7 V, gây ra tổn thất điện năng đáng kể trong diode. Công suất điện phụ thuộc vào dòng điện và hiệu điện thế: tổn thất điện năng tăng tỷ lệ thuận với cả cường độ dòng điện và hiệu điện thế.

Trong các bộ chuyển đổi điện áp thấp (khoảng 10V trở xuống), điện áp giảm của một diode (thường khoảng 0,7 đến 1 volt đối với một diode silicon ở dòng điện danh định của nó) có ảnh hưởng xấu đến hiệu suất. Một giải pháp cổ điển thay thế diode silicon tiêu chuẩn bằng diode Schottky , có điện áp giảm rất thấp (thấp nhất là 0,3V). Tuy nhiên, ngay cả bộ chỉnh lưu Schottky cũng có thể bị tổn hao nhiều hơn đáng kể so với loại đồng bộ, đặc biệt là ở dòng cao và điện áp thấp.

Khi giải quyết các bộ chuyển đổi điện áp rất thấp, chẳng hạn như bộ cấp nguồn cho bộ chuyển đổi buck cho CPU máy tính (với đầu ra điện áp khoảng 1 vôn và nhiều ampe của dòng điện đầu ra), chỉnh lưu Schottky không cung cấp hiệu quả tương xứng. Trong các ứng dụng như vậy, việc nghiên cứu mạch chỉnh lưu đồng bộ trở nên cần thiết.

Thay thế một diode bằng một phần tử chuyển mạch được điều khiển tích cực như MOSFET là trọng tâm của quá trình chỉnh lưu đồng bộ. MOSFET có nội trở rất thấp không đổi khi dẫn (nội trở giữa cực D và cực S). Chúng có thể được chế tạo với điện trở thấp tới 10 mΩ hoặc thậm chí thấp hơn. Điện áp giảm trên bóng bán dẫn sau đó thấp hơn nhiều, có nghĩa là giảm tổn thất điện năng và tăng hiệu suất. Tuy nhiên, định luật Ohm điều chỉnh sự sụt giảm điện áp trên MOSFET, có nghĩa là ở dòng cao, mức sụt giảm có thể vượt qua mức của một diode. Hạn chế này thường được giải quyết bằng cách đặt một số bóng bán dẫn song song, do đó làm giảm dòng điện qua từng bóng bán dẫn riêng lẻ hoặc bằng cách sử dụng thiết bị có vùng hoạt động nhiều hơn (trên FET, một thiết bị tương đương song song).

Mạch điều khiển để chỉnh lưu đồng bộ thường sử dụng các bộ so sánh (Op-Amp) để cảm nhận điện áp của AC đầu vào và mở các bóng bán dẫn vào những thời điểm chính xác để cho phép dòng điện chạy theo hướng chính xác. Thời gian là rất quan trọng, vì phải tránh ngắn mạch trên nguồn điện đầu vào và có thể dễ dàng gây ra bởi một bóng bán dẫn bật trước khi bóng bán dẫn khác tắt (hiện tượng trùng dẫn). Và vẫn như các mạch chỉnh lưu thường, các bộ chỉnh lưu đồng bộ vẫn cần các tụ điện làm mịn điện áp.

Về ưu điểm của dạng chỉnh lưu đồng bộ này chắc chắn là hiệu suất rất cao, ngoài ra nó giảm lượng nhiệt tỏa ra so với diode thường, vậy nên sẽ giảm diện tích bề mặt để lắp miếng nhôm tản nhiệt. Còn về nhược điểm thì dạng mạch này thường phức tạp và chi phí để làm ra nó còn cao hơn rất nhiều so với dùng diode (1 con diode thường có 300đ thôi ^^).

Tiếp theo mình sẽ giải thích một vấn đề mà ban đầu mình cũng hiểu sai:

Ảnh mình chụp một câu trả lời của một bác trên diễn đàn điện tử việt nam (http://www.dientuvietnam.net)

Trong MOSFET sẽ có thêm một con diode nội, nó có nhiệm vụ là dập xung trong lúc MOSFET tắt.

Thực tế, mình cấp điện áp giữa hai chân G và S để nó ở trạng thái dẫn, mình dùng đồng hồ số bật thang đo điện trở và đo trên hai cực D và S (que đỏ vào chân D que đen vào chân S và ngược lại) thì nó dẫn cả hai chiều.

Có hai trạng thái MOSFET làm việc

Trạng thái 1: nguồn điện ở bán kì dương, lúc này sẽ có dòng điện đi từ S sang D (không đi qua diode nội vì nội trở của diode nội rất lớn so với nội trở của MOSFET) và được làm mịn bằng tụ điện sau đó cấp cho tải.

Trạng thái 2: nguồn điện ở bán kì âm, vào lúc này MOSFET ở trạng thái tắt và diode nội không dẫn.

Các bạn đọc hãy tưởng tượng giống như một công tắc K mắc song song với diode vậy ^^

Sau đây mình sẽ sử dụng nhu liệu SIMetrix để mô phỏng cho các bạn đọc thấy được sự sụt giảm điện áp giữa diode và MOSFET khác biệt như thế nào, các bạn để ý giá trị Maximum.

Đây là của diode bị sụt áp khoảng 0.679V

Đây là của MOSFET, sụt áp khoảng 0.000087V, đường sóng màu xanh lá kia chính là tín hiệu xung để điều khiển IRF3205

Trên đây là mình viết bài theo cách hiểu của mình, nếu có sai sót hoặc thiếu chỗ nào mong các bạn đóng góp bằng cách comment bên dưới bài viết này.

Chân thành cám ơn ^^

Đặng Lê Hiếu has reacted to this post.

#2 · 17/10/2021, 20:10

Theo mình biết thì hiện nay mạch chỉnh lưu được sử dụng rất phổ biến, thân thiện nhất là bộ sạc acqui dùng diode cầu để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 220V thành dòng điện 1 chiều. Cảm ơn bạn đã có 1 bài viết hay và ý nghĩa.