Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC hiệu suất cao chỉnh lưu đồng bộ bằng mosfet

uân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC  đồng bộ bằng MOSFET.” 62 
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc nắn và ổn định điện áp đầu vào. 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 15V. 
Sơ đồ nguyên lý mạch lọc nắn đầu vào và ổn định điện áp sử dụng được thể hiện trên 
hình 2. Mạch lọc sử dụng các cuộn chặn và tụ tạo thành các mạch lọc LC nhằm lọc nhiễu 
cao tần. Dòng điện xoay chiều được nắn thành một chiều bởi diode chỉnh lưu cầu. Điện trở 
nhiệt RT1 có tác dụng tự ngắt mạch khi nhiệt độ của nguồn tăng cao. Mạch ổn định điện 
áp được thiết kế trên cơ sở nguồn boots, sử dụng IC PFSF7328H để điều khiển đóng/mở 
bóng MOSFET tích hợp sẵn trong IC. 
3.2. Thiết kế khối nguồn nội bộ 12V 
Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn nội bộ đầu ra 12V được thể hiện như trên hình 3, 
đây cũng là một nguồn switching dạng Flyback. Trái tim của khối nguồn này là một IC 
chuyển mạch tần số cao AP3103 hoạt động ở tần số 100kHz. Đầu vào của khối nguồn là 
điện áp một chiều được lấy từ ổn định điện áp đầu vào. Đầu ra sau biến áp được nắn bởi 
điốt xung (diode switching) và tụ lọc, sau đó được ổn áp bằng cách lấy tín hiệu phản hồi 
đưa về IC điều khiển. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 63
3.3. Thiết kế mạch nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC 
Nguyên lý bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu LLC 
Mạch của bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC trong nghiên cứu này được trình bày trong 
hình 4a, nó bao gồm các giai đoạn chuyển đổi năng lượng như sau : 
a) b) 
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. 
- Bộ chuyển đổi cộng hưởng nửa cầu LLC, được cấu tạo bởi các bóng bán dẫn Mosfet 
Q1và Q2, biến đổi điện đầu một chiều áp vào thành các xung điện áp vuông; 
- Mạch cộng hưởng LLC, được tạo thành bởi cuộn cảm nối tiếp Lr, cuộn cảm song 
song lm và tụ điện cộng hưởng Cr. Khi xuất hiện xung điện áp vuông ở tần số cộng hưởng, 
nó sẽ lọc các hài bậc cao và tạo ra một điện áp hoặc hoặc dòng gần sin; 
- Bộ chỉnh lưu, bao gồm trong các điốt D1 và D2, chuyển đổi dòng điện sin thành dòng 
điện môt chiều; 
- Bộ lọc đầu ra là tụ điện Co, để đảm bảo điện áp đầu ra duy trì ổn định. 
Hình 4b thể hiện đặc tính của bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC 
Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC có hai tần số cộng hưởng, tần số thấp hơn, fp, được 
quyết định bởi tổng điện cảm nối tiếp Lr, Lm và tụ Cr; tần số cao hơn, fr1 được quyết định 
bởi Lr và Cr . Vùng hoạt động của bộ chuyển đổi nằm ở bên phải tần số cộng hưởng fp, đây 
là vùng đạt điều kiện ZVS, còn nếu tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng bộ chuyển đổi sẽ 
làm việc ở vùng ZCS, đây là vùng khi thiết kế chúng ta nên tránh, không để bộ chuyển đổi 
làm việc ở vùng này. 
Thiết kế mạch nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC 
Hình 5. Sơ đồ thiết kế nguyên lý mạch cộng hưởng nửa cầu LLC. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC  đồng bộ bằng MOSFET.” 64 
Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC được thiết kế như hình 5. Trái 
tim của mạch nguồn này là IC LCS708. Đây là IC điều khiển tích hợp các chức năng 
chuyển đổi công suất của nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. Nó điều khiển các cực Gate 
của các Mosfet và đồng thời tích hợp sẵn các Mosfet công suất theo cấu hình mạch nguồn 
nửa cầu. Tần số điểu khiển tối đa lên đến 1MHz. 
Với điện áp đầu vào mạch cộng hưởng nửa cầu LLC, tương ứng với đầu ra của mạch 
boost PFC, là 370V - 400V; tần số cộng hưởng fo = fr1  100kHz; chúng tôi tính toán 
được thông số của phần mạch cộng hưởng LLC: Cr  22nF, Lm  118mH, Lp  630 mH. 
Thiết kế biến áp 
Các thông số của nguồn để tính toán biến áp: 
Công suất nguồn: 300W Vout: 24V 
Vin: 370V-400V Iout: 12.5A 
Mạch cộng hưởng LLC: Cr  22nF, Lm  118mH, Lp  630 mH. 
Để tính toán được kích thước biến áp ta phải xác định được mật độ từ thông lớn nhất 
của lõi (Bmax) dựa trên dữ liệu các thông số vật liệu của lõi tại tần số hoạt động. Nếu 
không có các dữ liệu thông số của lõi thì thông thường ta chọn Bmax ~0.3 Tesla [7]. Lựa 
chọn Bmax phải nhỏ hơn từ trường bị bão hòa (Bsat) và lưu ý Bmax càng nhỏ thì tổn hao 
năng lượng càng thấp. Đối với hầu hết các loại ferrite tổn hao năng lượng tăng theo cấp 
mũ 2.7 khi tăng Bmax và tăng theo cấp mũ 1.7 khi tăng tần số switching. Với tần số fo = 
100kHz thì mật độ từ thông B tương ứng là 0.11 Tesla[7], do đó mật độ từ thông từ đỉnh 
đến đỉnh sẽ là B= 0.20 Tesla. 
 Xác định kích thước lõi 
Kích thước lõi được xác định sơ bộ dựa trên công thức sau [7]: 
= 1.07 cm4 
Trong đó: Ac là diện tích mặt cắt của lõi tại phần cuốn dây, cm2 
Aw là diện tích cửa sổ của lõi, cm2 
Po là công suất đầu ra 
BMax : Mật độ từ thông đỉnh, Gauss (với nguồn half-bridge Bmax = 1000) 
Dcma : Mật độ dòng (số vòng* ligiác/Ampe), Dcma thường được chọn là 500 
K = 0.0014 đối với kiểu nguồn dạng half-bridge 
Với Ap=1.07 cm4 ta chọn lõi biến áp loại EER3542 hoặc tương đương. 
Ta có thể tính toán và lựa chon được số vòng phù hợp trên cuộn dây thứ cấp là 36 
vòng và sơ cấp là 4 vòng. Để tạo mạch cộng hưởng LLC với điện cảm nối tiếp Lm  118 
mH và điện cảm chính trên cuộn sơ cấp Lp  630 mH ta sử dụng khung biến áp (Bobbin) 
có vách ngăn ở giữa 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Điện cảm nối tiếp Lm chính là điện cảm rò 
giữa 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp; điện cảm này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi khoảng 
cách giữa hai cuộn dây này. Giá trị điện cảm nối tiếp Lm và điện cảm chính trên cuộn sơ 
cấp Lp của biến áp xung được kiểm tra bằng thiết bị đo LCR200 tương ứng với giá trị điện 
cảm của cuộn sơ cấp khi ngắn mạch và hở mạch. 
Để tăng hiệu suất của khối nguồn, phương pháp chỉnh lưu đồng bộ bằng Mosfet đã 
được sử dụng trong thiết kế. Dòng điện được chỉnh lưu bằng cách điều khiển đóng mở 
Mosfet Q1 và Q2 bởi IC điều khiển đồng bộ SRK1000. Mosfet được sử dụng trong mạch 
fKB
DP
AwAcAp
Max
cma0* 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 65
chỉnh lưu là STP80NF70 có điện trở nội rất nhỏ nên giảm được đáng kể tổn hao so với 
chỉnh lưu bằng diode thông thường. 
Hình 6. Hình ảnh khối nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC. 
0 20 40 60 80 100
70
75
80
85
90
95
E
ff
ic
ie
n
cy
 (
%
)
Load (%)
 220 Vac
 110 Vac
20
22
24
26
28
30
O
u
tp
u
t v
o
lt
a
ge
 (
V
)
Hình 7. Hiệu suất và điện áp ra của khối nguồn thay đổi theo tải. 
Sau khi thiết kế, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm chế tạo khối nguồn. Trên hình 6 
thể hiện hình ảnh khối nguồn cộng hưởng nửa cầu LLC đã được thiết kế và chế tạo với các 
thông số như ban đầu đã đặt ra. Khối nguồn có kích thước tương đối nhỏ gọn, 145mm x 
70mm x 35mm. Hiệu suất và điện áp ra của khối nguồn thay đổi theo tải được mô tả như 
hình 7. Điện áp ra có xu hướng giảm và gần như không thay đổi khi tải tăng lên. Khi thay 
đổi điện áp đầu vào từ 90-240 Vac thì điện áp đầu ra đo được luôn ổn định ở 24Vdc, và 
điện áp ripple ≤ 120 mV. 
4. KẾT LUẬN 
Với xu hương thu nhỏ thiết bị và tiết kiệm năng lượng thì các bộ chuyển đổi nguồn 
ngày càng có yêu cầu hiệu suất và mật độ linh kiện cao hơn. Trong bài báo này, chúng tôi 
đã thực hiện thành công việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn cộng hưởng nửa cầu 
LLC có kích thước rất nhỏ gọn hiệu suất cao nhằm mục đích ứng dụng cho các thiết bị 
điều khiển với các thông số kỹ thuật như sau: điện áp đầu vào dải rộng từ 90 đến 240V 
xoay chiều, đầu ra là điện áp một chiều ổn định 24V, công suất 300W, hiệu suất lên đến 
gần 95% ở chế độ đủ tải. Đây là một kết quả tương đối tốt, có thể ứng dụng rộng rãi trong 
rất nhiều lĩnh vực nhằm thu thiết bị cũng như giải pháp tiết kiệm năng lượng 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Lê Xuân Thành, “Thiết kế, chế tạo nguồn cộng hưởng LLC  đồng bộ bằng MOSFET.” 66 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Hu ZY et al, "An interleaved LLC resonant converter operating at constant switching 
frequency," IEEE, Vol. 29, (2014), pp. 2931-2944. 
[2]. Acar Vural Revna et al, “Design and optimization of a power supply unit for low 
profile LCD/LED TVs," IJOCTA, Vol.7, No.2 (2017), pp.158-166. 
[3]. [3] Lee JB et al, "A high-efficiency PFM half-bridge converter utilizing a half-bridge 
LLC converter under light load conditions," IEEE Transactions on Power Electronics, 
Vol.30 (2015), pp. 4931-4943. 
[4]. R. Beiranvand et al, "A design procedure for optimizing the LLC resonant 
[5]. converter as a wide output range voltage source," IEEE Transactions on Power 
Electronics, Vol. 27 (2012), pp. 3749-3764. 
[6]. Yu RY et al, "Computer-aided design and optimization of high-effciency LLC series 
resonant converter," IEEE, Vol. 27 (2012), pp. 3243-3257. 
[7]. Z. Hu et al, "An Interleaved LLC Resonant Converter Operating at Constant 
Switching Frequency," IEEE, vol. 29, No.6 (2014), pp. 2931-2943. 
[8]. Colonel Wm T. Mclyman, "Magnetic Core Selection for Transformers and 
Inductors" Marcel Dekker, 270 Madison Ave., New York, NY (1992) 
ABSTRACT 
DESIGN OF A HIGH EFFICIENCY LLC RESONANT HALF-BRIDGE 
CONVERTER WITH SECONDARY SYNCHRONOUS RECTIFICATION 
Nowday, higher efficiency, higher power density of the power-supply is gaining 
considering and become trends in the future. LLC resonant converter, particular, 
LLC resonant Half-Bridge converter has been attracting much attention because of 
its ability to achieve higher frequencies and low switching losses in their zero 
voltage switching, ZVS. In this paper, a high power density and efficiency, the 
resonant LLC half-Bridge converter topology with small dimension has been 
analyzed and practically designed with specification: 90- 240VAC wide range input, 
24 V stable output voltage, 300W output power and 95% efficiency at full load. 
Keywords: Switching power; LLC resonant converter; Half-Bridge converter; Synchronous rectification. 
Nhận bài ngày 13 tháng 11 năm 2018 
Hoàn thiện ngày 03 tháng 12 năm 2018 
Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 
Địa chỉ: Bộ môn Lý thuyết mạch, Khoa Kỹ thuật điện tử 1, Học viện Bưu chính viễn thông. 
* Email: thanhqn80@gmail.com.