Thiết bị chuyển mạch là một công tắc điện tử đơn giản, thường bao gồm ba cực, trong đó điện áp hoặc dòng điện tại một cực cho phép dòng điện chảy giữa hai cực còn lại, đưa thiết bị vào trạng thái dẫn hoặc chặn và kết thúc quá trình. Thời gian chuyển mạch cần thiết rất ngắn, nhưng không tức thời. Thời gian này dẫn đến tổn thất điện năng được gọi là "tổn thất chuyển mạch", là nguyên nhân gây ra hầu hết các tổn thất trong mạch chuyển đổi tín hiệu. Tổn thất này xảy ra tại điểm giao nhau giữa tín hiệu điện áp và dòng điện. Chúng ta hãy xem xét các loại chuyển mạch khác nhau.

Chuyển đổi cứng

Loại chuyển mạch này liên quan đến việc chuyển mạch đơn giản các linh kiện hoạt động (transistor, MOSFET, hoặc các linh kiện khác) bằng cách cho điện áp hoặc dòng điện chạy qua một cực thứ ba để mở và đóng công tắc, đây là chuyển mạch liên tục. Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng tạo ra nhiễu điện từ. Phương pháp này được coi là phương pháp chuyển mạch linh kiện điện tử tải nặng vì việc chuyển mạch liên tục tạo ra tải trọng lên các công tắc điện tử. Thật không may, hầu hết các bộ chuyển đổi điện năng hiện đại đều sử dụng phương pháp này, có lẽ vì lý do kinh tế. Hơn nữa, tuổi thọ trung bình của bộ chuyển đổi điện năng bị giảm đáng kể. Hình 1 cho thấy sơ đồ đấu dây điển hình trong đó cực cổng của MOSFET IRF530 được điều khiển bởi xung sóng vuông 10 volt ở tần số 100 kHz.

Hình 2 thể hiện đồ thị dao động của điểm tới hạn của mạch. Đồ thị bên dưới cho thấy đường cong màu xanh lam biểu thị điện áp cực máng và đường cong màu đỏ biểu thị dòng điện cực máng. Quá trình chuyển mạch không diễn ra tức thời, do đó có một lượng tổn thất công suất đáng kể gần điểm giao nhau của hai tín hiệu. Mức tiêu thụ điện năng được thể hiện bằng đồ thị phía trên (màu xanh lá cây), biểu thị công suất bị mất bởi MOSFET. Điểm này biểu thị tổn thất công suất do quá trình chuyển mạch. Về mặt lý thuyết, tần số chuyển mạch có thể được giảm xuống, nhưng độ méo hài sẽ tăng lên quá nhiều.

Hiệu suất của mạch vừa được thử nghiệm được thể hiện trong công thức ở Hình 3 và bằng 95,910%.

Chuyển đổi mượt mà

Có nhiều cách để thực hiện chuyển mạch mềm trong bộ chuyển đổi. Khái niệm này liên quan đến việc sử dụng tín hiệu LC thoáng qua và tạo ra lực dao động. Do đó, chuyển mạch mềm sử dụng mạch cộng hưởng LC để đóng mở các công tắc điện tử. Thời gian chuyển mạch được điều khiển để giảm thiểu điểm giao nhau giữa hai dạng sóng điện áp và dòng điện. Giảm tổn thất điện năng là rất quan trọng để tối đa hóa hiệu suất. Nó cũng giảm thiểu tổn thất trong cuộn cảm, máy biến áp và điốt. Phương pháp này liên quan đến chuyển mạch ZVS và ZCS. Về cơ bản, công tắc điện tử mở và đóng trong điều kiện ZVS hoặc ZCS bằng cách sử dụng hiện tượng cộng hưởng. Loại chuyển mạch này giảm thiểu nhiễu và tổn thất chuyển mạch vì các transistor mở và đóng ở điện áp hoặc dòng điện bằng không (hoặc gần bằng không). Các kỹ thuật chuyển mạch mềm yêu cầu các mạch điều khiển phức tạp hơn vì các dạng sóng khác nhau cần được phối hợp chính xác. Đối với mô hình này, ngoài các biến Vgs, Vds và Id, dòng điện của tụ điện giảm xung và tốc độ thay đổi cũng phải được xem xét. Các loại bộ chuyển đổi này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một hoặc nhiều công tắc điện tử. Các bộ chuyển đổi một công tắc sẽ chịu nhiều áp lực hơn lên các bóng bán dẫn, trong khi các bộ chuyển đổi bán cầu, và đặc biệt là bộ chuyển đổi toàn cầu, phù hợp với mức công suất cao hơn. Các bộ chuyển đổi này được gọi là "cộng hưởng" nếu xảy ra hiện tượng cộng hưởng cụ thể trong quá trình chuyển mạch. Điều này được gọi là bộ chuyển đổi "bán cộng hưởng", như được thể hiện trong sơ đồ chính ở Hình 4. Kỹ thuật này có ưu điểm và nhược điểm. Ưu điểm, như đã đề cập, là giảm tổn thất và nhiễu tần số cao. Mặt khác, số lượng linh kiện điện tử tăng lên và mạch trở nên phức tạp hơn.

Hệ thống chuyển mạch mềm tránh sự chồng chéo dạng sóng trong quá trình chuyển mạch transistor. Do tổn thất điện năng tối thiểu trong quá trình chuyển mạch, nhiễu điện từ cũng rất thấp.

MOSFET được điều khiển bởi sóng vuông 10V. Hình 5: Đồ thị thể hiện điện áp, dòng điện và công suất của MOSFET trong mạch chuyển mạch mềm.

Hiệu suất của loại mạch này có thể dễ dàng vượt quá 98%.

Bản tóm tắt

Các vấn đề liên quan đến tổn thất trong mạch điện là một chủ đề rất rộng, và công nghệ hiện đại đang thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu nhằm phát triển và cải thiện chúng. Mạch chuyển mạch mềm sử dụng hệ thống cộng hưởng LC để đóng mở các công tắc điện tử. Do đó, chúng phức tạp và đắt tiền hơn. Kích thước của các linh kiện phản kháng cũng khá phức tạp. Chuyển mạch dần dần làm giảm nhiễu và tổn thất chuyển mạch vì các transistor bật và tắt ở điện áp hoặc dòng điện bằng không hoặc gần bằng không. Hiện nay, kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng trong bếp từ và lò vi sóng. Chuyển mạch mềm có ưu điểm hơn chuyển mạch cứng về vùng hoạt động an toàn. Một số mạch thậm chí còn được điều khiển bằng vi điều khiển, có thể điều khiển chính xác thời gian chuyển mạch của các transistor. Tuy nhiên, ngay cả với các kỹ thuật điện tử tiên tiến và phức tạp, chúng ta chỉ có thể giảm tổn thất chuyển mạch một cách hiệu quả khi transistor có giá trị Rds (bật) rất thấp, gần bằng không.