Tìm hiểu bộ phận Biến áp xung (High Frequency Transformer) trong bộ nghịch lưu của UPS
Biến áp xung là một thành phần then chốt trong bộ nghịch lưu (inverter) của UPS. Nó đóng vai trò chuyển đổi điện áp và cách ly mạch. Với khả năng hoạt động ở tần số cao, biến áp xung giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu kích thước hệ thống. Huyndai Việt Thanh sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây.
Cấu tạo kỹ thuật
Lõi từ
Lõi từ là thành phần quyết định hiệu quả truyền năng lượng và đặc tính từ của biến áp. Biến áp xung sử dụng các vật liệu có tổn hao lõi thấp ở tần số cao, bao gồm:
- Ferrite (MnZn, NiZn):
Loại phổ biến nhất, có đặc tính tổn hao lõi thấp. Nó có chi phí hợp lý, phù hợp dải tần 20kHz – 500kHz. - Nanocrystalline (nano-tinh thể):
Có độ từ thẩm cao và tổn hao thấp hơn ferrite. Thường dùng trong các UPS công suất lớn hoặc yêu cầu hiệu suất cực cao. - Amorphous (vô định hình):
Lõi mỏng, tổn hao cực thấp ở tần số trung bình đến cao. Nhưng chi phí cao và khó gia công.
Tối ưu hóa cho tần số cao
- Bề mặt lõi được gia công chính xác để tránh khe hở không khí dư thừa làm tăng từ trở.
- Thiết kế dạng hình xuyến (toroidal) hoặc E-I, EER, PQ, RM. Từ đó giảm rò từ và tối ưu không gian.
- Tránh bão hòa từ thông, nhờ tính toán chính xác mật độ từ và dự phòng vùng hoạt động an toàn.
Cuộn dây (Windings)
Cách bố trí sơ cấp – thứ cấp
- Cuộn sơ cấp và thứ cấp thường được xếp xen kẽ hoặc cuốn lồng vào nhau. Từ đó giảm rò rỉ từ thông và giảm điện áp đột biến khi đóng/ngắt.
- Có thể sử dụng cuộn dây đồng bộ nhiều lớp với kết cấu đối xứng. Điều này sẽ giảm nhiễu xuyên tâm.
Dây dẫn chuyên dụng
- Dây tráng men (enameled copper wire):
Phổ biến cho biến áp công suất nhỏ đến trung bình. - Dây dạng dẹt (Litz wire):
Gồm nhiều sợi đồng nhỏ được cách điện và bện lại. Giúp giảm tổn hao do hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng lân cận (proximity effect). - Litz wire dạng cuộn phẳng hoặc dây PCB in trên bo mạch cũng được ứng dụng để tích hợp biến áp vào thiết kế mạch in.
Xem thêm:
Bo mạch điều khiển trong bộ nghịch lưu của UPS
Các linh kiện IGBT, MOSFET, SCR trong bộ nghịch lưu của UPS
Kết cấu cách điện và chống nhiễu
Khoảng cách cách điện (Creepage & Clearance)
- Đảm bảo an toàn điện theo tiêu chuẩn quốc tế (IEC, UL, EN).
- Sử dụng lớp cách điện đa tầng giữa các cuộn dây. Thường là lớp film polyimide (Kapton), Nomex hoặc Mylar.
- Bố trí các khe hở và khoảng cách phù hợp để tránh đánh thủng điện áp. Đặc biệt ở UPS online công suất lớn (>10kVA).
Lá chắn chống nhiễu từ và điện (Shielding)
- Lá chắn điện tĩnh (Electrostatic Shield):
Một lớp lá đồng mỏng nối đất đặt giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp để giảm nhiễu xuyên suốt. - Lá chắn từ (Magnetic Shield):
Vật liệu từ tính mềm được bố trí xung quanh hoặc bên ngoài lõi. Từ đó kiểm soát phát xạ EMI và bảo vệ các linh kiện xung quanh. - Đối với UPS nhạy với nhiễu EMC/EMI (trong hệ thống y tế, CNTT). Thiết kế này cực kỳ quan trọng.
Nguyên lý hoạt động
- Chuyển đổi DC sang AC tần số cao
Nguồn điện một chiều (DC), thường từ bộ chỉnh lưu hoặc ắc quy. Chúng được đưa vào một mạch nghịch lưu (inverter stage). Tại đây, các linh kiện bán dẫn như MOSFET hoặc IGBT sẽ đóng/cắt liên tục ở tần số cao (20kHz – 200kHz). Tạo ra dòng điện xoay chiều tần số cao (AC HF dạng xung vuông hoặc gần hình sin).
- Chuyển đổi điện áp qua biến áp xung
Dòng AC tần số cao này được đưa vào cuộn sơ cấp của biến áp xung. Nhờ hoạt động ở tần số cao, biến áp có thể thiết kế nhỏ gọn mà vẫn truyền công suất lớn.
Tại cuộn thứ cấp, điện áp được tăng hoặc giảm theo tỷ số vòng dây. Đồng thời đảm bảo cách ly giữa đầu vào và đầu ra.
- Hiệu chỉnh lại thành điện áp AC 50Hz
Sau biến áp xung, dòng AC HF tiếp tục được chỉnh lưu (rectification) và lọc (filtering) thành điện DC. Cuối cùng, một tầng nghịch lưu thứ hai sẽ chuyển đổi DC này trở lại AC 50Hz ổn định – Phù hợp cho tải sử dụng.
Các thông số quan trọng
- Tần số hoạt động
Biến áp xung thường làm việc trong dải 20kHz – 200kHz. Tùy thuộc vào cấu hình UPS và yêu cầu công suất.
Tần số càng cao → kích thước biến áp càng nhỏ. Nhưng tổn hao chuyển mạch, tổn hao lõi và EMI cũng tăng theo.
Cần chọn tần số tối ưu giữa hiệu suất, độ nhiễu và độ bền linh kiện bán dẫn.
- Tỷ số biến áp
Là tỷ lệ giữa số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nó quyết định mức tăng hoặc giảm áp đầu ra.
Tùy thuộc vào điện áp đầu vào DC và điện áp AC mong muốn sau chỉnh lưu.
Cần xét đến sụt áp trong mạch và hiệu suất tổng thể để chọn tỷ số chính xác.
- Công suất định mức và hiệu suất truyền tải
Biến áp xung phải được thiết kế đáp ứng công suất tải tối đa của hệ thống. Thường từ vài trăm VA đến hàng trăm kVA.
Hiệu suất thường đạt từ 90% – 98%. Phụ thuộc vào vật liệu lõi, dây dẫn, cấu trúc cuộn dây và phương pháp tản nhiệt.
- Tổn hao lõi và tổn hao đồng
Tổn hao lõi từ (core loss):
Gồm tổn hao do dòng xoáy (eddy current) và tổn hao do trễ từ. Giảm bằng cách chọn vật liệu từ phù hợp và giới hạn mật độ từ.
Tổn hao đồng (copper loss):
Phát sinh do điện trở cuộn dây. Đặc biệt nghiêm trọng ở tần số cao do hiệu ứng bề mặt (skin effect). Khắc phục bằng cách dùng dây Litz hoặc dây dẹt.
Địa chỉ cung cấp UPS chất lượng
Huyndai Việt Thanh là đơn vị chuyên cung cấp các giải pháp UPS chất lượng cao. Với kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực điện tử công suất và hệ thống điện dự phòng, chúng tôi cam kết mang đến sản phẩm chính hãng, hiệu suất cao, cùng dịch vụ tư vấn – lắp đặt – bảo trì chuyên nghiệp.
Các dòng UPS do chúng tôi phân phối đều tích hợp công nghệ tiên tiến. Sử dụng biến áp xung hiệu suất cao. Tối ưu hóa khả năng cấp nguồn ổn định và bảo vệ tải trước các sự cố điện lưới. Nếu bạn đang tìm kiếm giải pháp nguồn liên tục đáng tin cậy và bền bỉ, hãy liên hệ chúng tôi:
Công Ty Cổ Phần Hyundai Việt Thanh
Địa chỉ: Tòa nhà BMC Building, Số 31, Ngõ 92, Nguyễn Khánh Toàn, Phường Quan Hoa, Quận Cầu Giấy, TP. Hà Nội
Hotline: 0359375112
Phòng Kỹ Thuật: (+84) 0243.99.00.876
