Trong bối cảnh nhu cầu về bộ biến đổi DC-DC có mật độ công suất cao và hiệu suất lớn ngày càng tăng, bộ biến đổi cộng hưởng LLC được xem là một cấu trúc đầy hứa hẹn cho các ứng dụng như hệ thống quang điện, phân phối điện DC và sạc xe điện. Điểm then chốt trong hiệu quả của bộ biến đổi này chính là máy biến áp, bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ công suất, chi phí sản xuất và hiệu suất tổng thể. Máy biến áp phẳng (planar transformer) ngày càng được ưa chuộng nhờ ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, khả năng tản nhiệt tốt, dễ chế tạo và mật độ công suất cao hơn so với máy biến áp quấn dây truyền thống. Tuy nhiên, việc sử dụng các thành phần từ rời rạc (máy biến áp và cuộn cảm cộng hưởng riêng biệt) lại làm tăng kích thước, trọng lượng, tổn hao và chi phí.

Một hướng tiếp cận hiệu quả là tích hợp từ trường, tận dụng cảm ứng rò của máy biến áp để thay thế cuộn cảm cộng hưởng rời rạc. Dù vậy, các phương pháp tích hợp hiện có thường gặp hạn chế: cảm ứng rò không đủ lớn, tổn hao lõi cao hoặc cấu trúc lõi phức tạp khó sản xuất. Để khắc phục, nhóm tác giả đề xuất một thiết kế máy biến áp phẳng tích hợp với cuộn cảm rò tách biệt. Thiết kế này sử dụng chiến lược phân tách từ thông (split-flux integration), cho phép kết hợp đồng thời cuộn cảm cộng hưởng và cuộn cảm từ hóa trong cùng một lõi nhưng vẫn duy trì sự độc lập về đường đi từ thông. Nhờ đó, cảm ứng rò và cảm ứng từ hóa có thể điều chỉnh riêng biệt thông qua số vòng dây và khe hở không khí trên các trụ lõi.

Phân tích mô hình từ trở cho thấy sự phân tách rõ ràng giữa từ thông của cuộn cảm cộng hưởng và từ thông của máy biến áp, đảm bảo không có sự ghép từ không mong muốn. Các phương trình thiết kế được xây dựng để xác định giá trị cảm ứng rò (Llk) và cảm ứng từ hóa (Lm) theo số vòng dây và khe hở không khí. Mô phỏng bằng ANSYS Maxwell 2D-transient xác nhận phân bố từ thông đều, mật độ từ thông đạt khoảng 0.44 T, không vượt quá ngưỡng bão hòa lõi.

Quy trình thiết kế được trình bày chi tiết, bao gồm: xác định thông số hệ thống, chọn lõi PQ32/20, thiết kế cấu trúc cuộn dây PCB bốn lớp, bố trí cuộn dây xen kẽ để giảm tổn hao AC, và quấn dây Litz quanh trụ ngoài để tạo cảm ứng rò. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy giá trị Llk và Lm của máy biến áp tích hợp gần như trùng khớp với thiết kế lý thuyết, chứng minh tính chính xác của mô hình.

Thử nghiệm thực tế ở tần số cộng hưởng 250 kHz và công suất đầu ra 180 W cho thấy:

• Kích thước giảm 26.68% so với cấu trúc rời rạc.
• Tổn hao giảm khoảng 10%.
• Hiệu suất đạt đỉnh 93%.

Dạng sóng dòng cộng hưởng của máy biến áp tích hợp tương đồng với máy biến áp rời rạc, đảm bảo hoạt động ổn định.

So sánh với cấu trúc truyền thống (máy biến áp + cuộn cảm riêng biệt), thiết kế mới mang lại hiệu quả vượt trội về mật độ công suất, tổn hao và hiệu suất. Điều này chứng minh rằng việc tích hợp cuộn cảm rò tách biệt trong máy biến áp phẳng là một giải pháp khả thi, đơn giản hóa thiết kế, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC.

Nghiên cứu do nhóm tác giả Đức Quách, Huy Nguyễn, Duy Lê và Định Nguyên thuộc trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội thực hiện.

Tạp chí Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa 2025, 29(4): 32-39 (ctngoc)