Cân bằng nguồn Xung - Switching mắc song song

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> CÂN BẰNG NGUỒN XUNG - SWITCHING MẮC SONG SONG<br /> Chu Xuân Quang*, Nguyễn Văn Thành, Đặng Anh Tuấn<br /> Tóm tắt: Bài toán trình bày phương pháp cân bằng dòng cho nguồn switching<br /> mắc song song để đảm bảo các khối nguồn cơ sở có dòng điện đầu ra giống nhau.<br /> Bài báo đưa ra ví dụ cân bằng nguồn switching trên cơ sở kỹ thuật số sử dụng công<br /> nghệ FPGA cho 2 modules cơ sở loại 28.5V-40A.<br /> Từ khóa: Switching, Song song, FPGA.<br /> <br /> 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÒNG CHO NGUỒN SWITCHING<br /> MẮC SONG SONG<br /> Nguồn xung (switching) ngày càng được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng do<br /> có khối lượng nhỏ và hiệu suất cao hơn nguồn liên tục. Trong một số trường hợp,<br /> để tăng công suất hoặc để tăng độ dự phòng người ta mắc song song hai hoặc nhiều<br /> hơn các nguồn độc lập, sơ đồ phổ biến như hình 1.<br /> I1<br /> +U1<br /> PS1<br /> D1<br /> <br /> <br /> <br /> In Rt<br /> +Un<br /> PSn<br /> Dn<br /> <br /> <br /> Hình 1. Nguồn mắc song song các module switching.<br /> Trong đó:<br /> PS1, PS2…PSn là các nguồn thứ 1 đến thứ n.<br /> D1, D2…Dn là các Didode<br /> Các nguồn PS1, PS2…PSn được chế tạo với các vật tư linh kiện giống hệt nhau<br /> để đảm bảo điện áp ra về cơ bản là như nhau trong suốt quá trình làm việc. Các<br /> didode D1, D2…Dn được lựa chọn cùng chủng loại để có tham số giống nhau nhất<br /> với hi vọng trong quá trình làm việc dòng làm việc I1, I2…In đều như nhau hoặc<br /> gần như nhau.<br /> Trong thực tế, không tồn tại các điều kiện lý tưởng. Do thời gian, nhiệt độ thay<br /> đổi…gây ra sai lệch cho các điện áp ra Ui và sai lệch điểm làm việc trong các<br /> diode Di dẫn đến dòng điện các nguồn PSi cung cấp ra tải khác nhau. Trong một số<br /> ứng dụng (cả dân dụng lẫn quân sự) sự lệch dòng dẫn tới hòng hóc nguồn ảnh<br /> hưởng tới thiết bị nuôi. Bài báo này trình bày một phương pháp cân bằng dòng cho<br /> nguồn switching. Nguyên tắc chính là can thiệp vào mạch điều khiển ổn áp của<br /> từng nguồn PSi để thay đổi Ui sao cho các dòng đầu ra của từng nguồn II khác nhau<br /> không quá một khoảng cho trước.<br /> Các nguồn mắc song song để tăng công suất hoặc tăng độ an toàn thông thường<br /> là các nguồn có công suất đủ lớn. Các nguồn này theo thiết kế được xây dựng trên<br /> <br /> <br /> 170 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> nền tảng nguồn xung loại 1 theo phân loại của Nga như sơ đồ hình 2.<br /> L<br /> +E Ur<br /> K<br /> +<br /> D C Tải<br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ nguồn xung loại 1.<br /> Theo sơ đồ khóa K đóng mở theo chu kỳ T, thời gian mở khóa (cho dòng chạy<br /> qua) Tx.<br /> Ur<br /> E<br /> <br /> <br /> Tx T 2T t<br /> Hình 3. Chu kỳ đóng – mở của khóa K.<br /> Điện áp đầu ra tính theo công thức:<br /> <br /> <br /> Loại nguồn này thường dùng cho để làm cơ sở cho nguồn công suất lớn vì có<br /> chỉ số khối lượng - trọng lượng tốt nhất trong ba loại nguồn xung.<br /> Biến thể của loại nguồn này khi dùng với biến thế (Transformer) được mô tả<br /> trong hình 4.<br /> +E<br /> <br /> <br /> K1 K3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> K2 K4<br /> <br /> L<br /> +U<br /> <br /> +<br /> C Tải<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Nguồn loại một dùng với biến thế (Transformer).<br /> Điện áp ra:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2. TÍNH TOÁN XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG<br /> THEO PHƯƠNG PHÁP SỐ<br /> Phần điều khiển hầu hết các nguồn được thiết kế trên cơ sở IC TL494 hoặc<br /> tương đương. Việc can thiệp điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp<br /> so sánh chuẩn đưa vào đầu vào khuếch đại thuật toán để thay đổi điện áp ra sao cho<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 171<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> dòng cân bằng. Việc này được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp bù qua mạch<br /> D/A sau xử lý.<br /> Ví dụ điển hình thiết kế điều khiển bằng cách thay đổi điện áp so sánh chuẩn<br /> trong nguồn dùng IC TL494 được thể hiện trên hình 5. Đây là mạch thiết kế Viện<br /> VLKT đã thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân sự gồm hai nguồn<br /> 28.5Vx40A mắc song song, phần mềm thực hiện đặt tham số sao cho dòng lệch<br /> không quá 5% Imax = 2A bằng cách thiết lập điện áp bù qua mạch chuyển đổi D/A<br /> tới chân DAC . Mạch bù điện áp trong sơ đồ mạch điện hình 5 chính là phần mạch<br /> đóng khung nét đứt. Hình 6 là mô hình nguyên lý chung của mạch bù điện áp.<br /> Vref Vref<br /> +28.5V +28.5V R27 220R 30<br /> <br /> <br /> E2<br /> R26<br /> 100R R28<br /> C6 3K3<br /> 2,2uF/16V VCC_494<br /> R10 68K<br /> <br /> R11 68K<br /> <br /> R12 164K<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> R18<br /> 330R<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 14<br /> 13<br /> <br /> <br /> <br /> 16<br /> C11 122<br /> R23<br /> 47K 5 12<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> IN2+<br /> OC<br /> VREF<br /> C7 22uF/16V 6 CT VCC<br /> Q3 RT 11<br /> R30 7K5 C2<br /> 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> U3 Dual Diode 10<br /> HCPL0500 4 U4 E2<br /> KA<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> DTC 19<br /> A<br /> <br /> K<br /> 470R<br /> R17<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2 8 TL494I 8<br /> C10 R31 15 C1 9<br /> R21 470K<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> COMP<br /> C4 C5 7 22K IN2- E1<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> GND<br /> IN1+<br /> R24 3K9<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 104 R13 27R 221 6 221 2 R32 220R E1<br /> 3 Vref IN1-<br /> 5 R33<br /> 1 3 3K3<br /> <br /> <br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> 7<br /> R29 33K<br /> 8 U2 C8<br /> TL431 2.2uF/16V R25 27R<br /> DAC R20 3K9<br /> 2K7<br /> 75K<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2,3,6,7 C9<br /> R16 R22 472<br /> 5K 3K3<br /> R14<br /> <br /> R15<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh điện áp 28,5V - 40A bằng phần mềm.<br /> <br /> Điện áp chuẩn<br /> (Uref)<br /> R1 R2<br /> DA +<br /> R3 -<br /> <br /> <br /> Hình 6. Mạch bù điện áp.<br /> Như vậy, sơ đồ khối hệ thống nguồn mắc song song có xử lý cân bằng dòng<br /> được thể hiện như sau:<br /> Sensor dòng Khối<br /> ADC1 Cách ly FPGA DAC1<br /> khối nguồn 1 nguồn 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Sensor dòng Khối<br /> khối nguồn n ADCn Cách ly DACn<br /> nguồn n<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ khối hệ thống xử lý cân bằng.<br /> Lựa chọn bước thay đổi điện áp phù hợp với đặc tuyến VA của diode cách ly<br /> trong nguồn switching mắc song song.<br /> <br /> <br /> 172 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> Như bài báo đã đặt ra, sai số về dòng cho hai nguồn mắc song song không vượt<br /> quá ΔΙ, như vậy bước hiệu chỉnh điện áp đầu ra của nguồn PS phải nằm trong giới<br /> hạn sao cho mỗi khi thay đổi một bước (do hiệu chỉnh số) dòng đầu ra của nguồn được<br /> hiệu chỉnh nhỏ hơn ΔΙ.<br /> Xét đặc tuyến VA của hai loại diode công suất thông dụng được sử dụng cho<br /> mục đích này, chọn hai loại diode có dòng làm việc lớn hơn 50A, một là loại silic<br /> ký hiệu STTH60L06TV, một loại germany ký hiệu DSS2x121-0045B là hai loại tổ<br /> đề tài sử dụng cho nguồn công công suất mắc song song.<br /> Đặc tuyến VA của hai loại thể hiện trên hai hình 8, hình 9.<br /> Với diode Ge, đoạn dốc nhất của đặc tuyến (đoạn có sự thay đổi dòng nhiều<br /> nhất khi thay đổi 1mV điện áp trên diode) là 5mV/A. Tương tự như vậy đoạn dốc<br /> nhất của đặc tuyến với diode silic là 7.2mV/A. Độ lệch dòng phụ thuộc đặc tính –<br /> xem phụ lục kết quả đo thực tế. Với cùng điện áp, cùng chủng loại diode do đặc<br /> tính diode khác nhau mà dòng khác nhau (Bảng 1 – 6 trong phụ lục).<br /> Như vậy, để hệ thống làm việc bình thường với cả hai loại diode hiện có chúng<br /> ta lựa chọn bước thay đổi điện áp tương ứng với loại diode có sự thay đổi đặc<br /> tuyến cao hơn, tức là loại Ge, mỗi khi thay đổi dòng 1A, điện áp trên diode thay<br /> đổi 5mV. Như vậy, 5mV cũng là bước thay đổi điện áp trong mỗi chu kỳ phần<br /> mềm khi phát hiện có sự thay sai lệch dòng lớn hơn 2A giữa hai nguồn PS mắc<br /> song song.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Đặc tuyến VA của diode STTH60L06TV Hình 9. Đặc tuyến VA của<br /> (đại diện cho loại Si). diode DSS2x121-0045B (đại<br /> diện cho loại Ge).<br /> <br /> 3. TÍNH TOÁN, VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN<br /> ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TRÊN FPGA<br /> Ứng dụng điều khiển cân bằng nguồn switching mắc song song trong thực tế,<br /> Viện VLKT đã thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân sự gồm 2 nguồn<br /> 28.5V x 40A mắc song song, phần mềm được đặt tham số sao cho dòng lệch không<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 173<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> quá 5% Imax = 2A, như sơ đồ trên hình 10.<br /> Với nguồn Switching, tần số làm việc trong khoảng 50kHz – 60kHz, thời gian<br /> giữa các lần hiệu chỉnh (thay đổi điện áp) được lấy lớn hơn thời gian quá độ của<br /> nguồn, 10ms là thời gian được nhóm tác giả lựa chọn vào thực tế. Tần số của<br /> nguồn do nhóm thực hiện là 50kHz, do đó, tốc độ lấy mẫu được chọn là 100kSps<br /> để lấy kết quả dòng trung bình không phụ thuộc vào sóng vân.<br /> Thuật toán điều khiển cân bằng 2 khối được thực hiện như trên hình 10. Như<br /> miêu tả trên hình 10, tín hiệu đưa tới từ bộ cảm biến hai khối nguồn được đưa đến<br /> bộ biến đổi ADC, bộ biến đổi ADC, và các mẫu được lấy liên tục cộng trung bình<br /> trong thời gian 10ms, như vậy, số mẫu cần lưu và lấy trung bình cho mỗi kênh<br /> khoảng 1000 mẫu. Tuy nhiên, do cấu trúc của FPGA nên số mẫu để lấy trung bình<br /> tương ứng cho mỗi kênh là 1024 mẫu. Sau khi lấy mẫu sẽ được thực hiện cộng<br /> trung bình thành mẫu dữ liệu trung bình đầu ra của mỗi kênh.<br /> <br /> Bắt đầu<br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Lấy mẫu từ hai kênh Tính toán lượng điều<br /> ADC khiển cho hai kênh<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tính toán trung bình Tính toán lượng điều<br /> các mẫu dữ liệu khiển DAC<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> So sánh mức trung Điều khiển DAC đến<br /> bình dữ liệu từng khối<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> 2 Vượt ngưỡng?<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. Lưu đồ thuật toán.<br /> Hai mẫu trung bình đầu ra từ bộ lấy trung bình được so sánh với nhau theo chu<br /> kỳ 10ms, nếu có sự sai khác giữa hai kênh tương ứng với sai số dòng ≥ 2A sẽ tiến<br /> hành điều chỉnh, mức điều chỉnh sai số hai kênh được bù theo chiều ưu tiên cho<br /> việc tăng dòng cho khối có dòng bé hơn, mỗi lần điều chỉnh tương ứng với 1A. Bộ<br /> biến đổi DAC thực hiện biến đổi tương ứng với mức điều chỉnh 1A cho mỗi lần<br /> điều chỉnh với chu kỳ 10ms, quá trình điều chỉnh được thực hiện cho đến khi hai<br /> <br /> <br /> 174 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> khối nguồn cân bằng.<br /> 4. ÁP DỤNG KẾT QUẢ<br /> Viện VLKT đã thiết kế chế tạo bộ nguồn công công suất gồm 2 nguồn<br /> 28,5Vx40A mắc song song, bộ nguồn đã được thử nghiệm tại đơn vị thay thế cho<br /> bộ nguồn đặc chủng trong một thiết bị quân sự có trong trang bị. Thử nghiệm cho<br /> thấy nguồn làm việc tin cậy, đúng như các tham số đã công bố trong bài báo.<br /> Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bộ nguồn này đặt điện áp ban đầu cả hai bộ nguồn<br /> nội tại là 29V, với bước thay đổi một trong hai bộ nguồn là 10mV với một số loại<br /> tải khác nhau đề tài thử nghiệm với ba loại diode công suất: loại Ge, loại Silic và<br /> một loại đặc chủng của Nga, có đặc tuyến nằm giữa Si và Ge thông thường.<br /> Hình 11 chỉ ra đồ thị phân dòng cho một thử nghiệm bộ nguồn sử dụng phương<br /> pháp cộng dòng sử dụng diode của Nga khi có độ lệch điện áp giữa các bộ nguồn.<br /> <br /> 20<br /> Cường độ dòng điện I (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 18<br /> <br /> <br /> 16<br /> <br /> <br /> I1 (Dòng điện kênh 1)<br /> 14<br /> I2 (Dòng điện kênh 2)<br /> I Dòng điện trung bình<br /> 12<br /> 0 10 20 30 40 50<br /> Độ lệch điện áp 2 kênh ∆U (mV)<br /> Hình 11. Đồ thị phân dòng khi cộng dòng của hai khối nguồn.<br /> Chúng ta thấy rằng, với các diode khác nhau (kể cả diode kếp cùng chung một<br /> vỏ) ở các điểm làm việc khác nhau (dòng tải khác nhau) mặc dù điện áp đầu vào<br /> như nhau (29V) tải có thể cho dòng qua mỗi diode khác nhau, thậm chí khác nhau<br /> rất nhiều. Đây chính là lý do các bộ cộng công suất (2 module, 3 module) hay hỏng<br /> hóc. Việc thực hiện cân bằng dòng cho nguồn switching là việc làm cần thiết, đảm<br /> bảo cho nguồn làm việc an toàn, ổn định, lâu dài. Bộ điều khiển cân bằng dòng<br /> ngoài việc đảm bảo dòng các nhánh hội tụ theo dòng trung bình còn có tác dụng vô<br /> cùng quan trọng đó là ổn định và giảm đáng kể các trạng thái quá độ tại thời điểm<br /> cấp nguồn cho các tải làm giảm đáng kể tốc độ của toàn hệ thống.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Việc thiết kế chế tạo khối nguồn switching mắc song song để cân bằng dòng là<br /> nhu cầu thực tế, với phần trình bày ở trên, cả lý thuyết và thực tế chứng minh là có<br /> thể làm được và có nhiều ứng dụng trong thực tế.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 175<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Bộ điều chỉnh cân bằng thực hiện việc kiểm tra sai số dòng điện giữa hai khối<br /> theo chu kỳ 10ms, đảm bảo điều chỉnh để độ lệch dòng trong hai khối nguồn không<br /> vượt quá 2A.<br /> Việc thực hiện cân bằng dòng cho nguồn switching là việc làm cần thiết, đảm<br /> bảo cho nguồn làm việc an toàn, ổn định, lâu dài. Bộ điều khiển cân bằng dòng<br /> ngoài việc đảm bảo dòng các nhánh hội tụ theo dòng trung bình còn có tác dụng vô<br /> cùng quan trọng đó là ổn định và giảm đáng kể các trạng thái quá độ tại thời điểm<br /> cấp nguồn cho các tải làm giảm đáng kể tốc độ của toàn hệ thống.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1]. Ali, A., Z. Kai and K. Heikki “Modeling and control design of paralleled DC-<br /> DC switching converters”, Proceeding of the ICCCP’09, Feb, 2009.<br /> [2]. A. Testa, Fellow Member IEEE. R. Langella, Senior Member IEEE.<br /> “Switching Power Supplies: Analysis of Waveform Distortion”, Power &<br /> Enrgy Society, 2015.<br /> [3]. Bin Zhang, Hong Li, Xia Lei, “The Design of the Parallel Switching Power<br /> Supply System”, Research Juornal of Applied Sciences, October 10, 2013.<br /> [4]. Reason, John, “Solid-State Transfer Switch”: Electrical World, August, 1996<br /> [5]. Yuxuan Sun, Xi Feng, “The Design and Implementation of Switching Power of<br /> High Power Factor in Communication Equipment”, Wuhan, China, Jan, 2015.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> A METHOD TO REGULATE SWITCHING POWER SUPPLIES<br /> OPERATING IN PARALLEL<br /> <br /> One of the critical problems in regulating switching power supplies<br /> operating in parallel is to guarantee the stability and the reasonable<br /> similarity of output currents produced by the elementary power supply<br /> modules. The paper represents a method to regulate this type of switching<br /> power supply adopting digital FPGA-based technology for two module 28.5V<br /> – 40A.<br /> Keywords: Switching, Parallel, FPGA.<br /> <br /> Nhận bài ngày 01 tháng 06 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 26 tháng 09 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Vật lý Kỹ thuật, Viện KH&CNQS;<br /> *<br /> Email: cxquang2004@yahoo.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 176 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”<br />