Cần hiểu được tầm quan trọng của các BBĐ xung áp một chiều. Nắm rõ các phạm vi ứng dụng của các loại BBĐ. Đặc điểm quan trọng nhất của các BBĐ xung áp là làm việc với tần số cao. Phân biệt bộ băm xung và các bộ biến đổi nguồn DC-DC. Thiết kế các BBĐ DC-DC 9/21/2020 2
7.1 Các bộ biến đổi xung áp một chiều Khái niệm chung Các bộ biến đổi xung áp một chiều có vai trò đặc biệt quan trọng vì phạm vi ứng dụng ngày càng to lớn. Nếu điện áp xoay chiều có thể dùng MBA để biến đổi điện áp thì điện áp một chiều bắt buộc phải dùng BBĐ xung áp. Các BBĐ xung áp dần loại trừ các loại biến áp tần số thấp trong các bộ nguồn, dẫn đến kích thước các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn. Hai loại bộ biến đổi xung áp một chiều: 1. Các bộ băm xung áp (Chopper). 2. Các bộ biến đổi nguồn DC-DC. 9/21/2020 3
7.1 Các bộ biến đổi xung áp một chiều Khái niệm chung Ưu điểm cơ bản: 1. Sử dụng các phần tử MOSFET, IGBT, đặc biệt là MOSFET, với tần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz. Trong tương lai đến 1Mhz. 2. Nhờ tần số đóng cắt cao giảm được độ đập mạch của dòng điện, điện áp một chiều, tiến tới lý tưởng. 3. Kích thước các phần tử phản kháng như điện cảm, tụ điện giảm đáng kể, giảm kích thước BBĐ nói chung đến mức rất nhỏ. 4. Không dùng biến áp nguồn tần số thấp nữa. Giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép. Nhược điểm: Phát sinh nhiều vấn đề cần nghiên cứu!!! 9/21/2020 4
7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) một chiều nối tiếp Khái niệm chung Phần tử cơ bản là khoá điện Sơ đồ bộ băm xung áp. tử V, là một van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, MOSFET, BJT), được mắc nối tiếp giữa tải và nguồn. Điôt D0 có vai trò quan trọng trong sự hoạt động của sơ đồ, gọi là điôt không. Điôt này sẽ dẫn dòng tải khi Trạng thái 1: từ 0 đến t , V V khoá. x thông, nối tải vào nguồn, Sơ đồ có 2 trạng thái van: Ut = E; Khi V thông: di Trạng thái 2: từ t đến T, V iR L E dt x khoá lại, tải bị cắt khỏi Khi V khóa: di nguồn. Nếu tải có tính cảm, iR L 0 dòng tải phải tiếp tục duy trì dt qua điôt D0, Ut = 0. 9/21/2020 5
7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) một chiều nối tiếp Khái niệm chung Ứng dụng: Sơ đồ bộ băm xung áp. 1. Điều khiển dòng điện một chiều, những chỗ nào trước đây dùng chỉnh lưu thyristor thì nay có thể dùng băm xung. Ví dụ các bộ điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ, cho máy điện một chiều. Từ 0 đến t : V thông, nối tải x 2. Đặc biệt thích hợp cho vào nguồn, U = E; t điều khiển các máy điện Từ t đến T: V khoá lại, tải một chiều công suất nhỏ. x bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải Xét hai loại tải: có tính cảm, dòng tải phải 1. Trở cảm (cuộn cảm). tiếp tục duy trì qua điôt D0, 2. Tải có s.p.đ.đ (máy điện). Ut = 0. 9/21/2020 6
7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) một chiều nối tiếp 7.2.1 Tải trở cảm (Vd: cuộn kích từ của máy điện) 1. Chế độ dòng liên tục: dòng qua Đồ thị dạng dòng điện, điện áp. van, qua điôt và độ đập mạch dòng điện. T tx tx t tt E E e Q 1 E 1e Q x i e Q ; i e Q . V R R T D R T 1e Q 1e Q T tx t E e Q 1 x I I e Q 1 R T 1e Q 2. Chế độ dòng gián đoạn: E t E tx ttx i 1e Q ; i 1e Q e Q . V R D R (a) Liên tục; (b) Gián đoạn. 9/21/2020 7
7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) một chiều nối tiếp 7.2.2 Tải có s.p.đ.đ. (Vd: phần ứng ĐCMC) Trạng thái 1: Khi V thông, Sơ đồ bộ băm xung khi tải có di s.p.đ.đ. iR L E E dt d Trạng thái 2: Khi V không thông, di iR L E dt d 1. Chế độ dòng liên tục: Ttx t Độ đập mạch dòng tải không E E E e Q 1 i d e Q ; V R R T phụ thuộc vào Ed: 1e Q T tx t t E e Q 1 x x I e Q 1 E E 1e Q ttx R T i e Q . D E R T 1e Q d 1e Q 9/21/2020 8
7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) một chiều nối tiếp 7.2.2 Tải có s.p.đ.đ. 2. Chế độ dòng gián đoạn: 3. Chế độ tới hạn: Dòng sẽ gián đoạn với mọi tx nhỏ hơn E E t hoặc bằng t . i d 1e Q ; x,th V R T E E E E tx ttx E E e Q 1 i d d e Q e Q . d D R R R t Qln x th, E (a) Dòng liên tục. (b) Dòng gián I đoạn. 9/21/2020 9
Cần hiểu được vai trò quan trọng của các BBĐ nguồn DC-DC. Nắm được 3 sơ đồ DC-DC cơ bản: 1. Buck Converter; 2. Boost Converter; 3. Buck-Boost Converter. Thiết kế các BBĐ DC-DC Các bộ biến đổi DC-DC cách ly. Các bộ biến đổi cộng hưởng. 9/21/2020 10
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC Đặc điểm chung Dựa trên nguyên lý băm xung áp. Đầu ra phải có tụ đủ lớn để san bằng điện áp trên tải. Nếu bộ băm xung áp dùng để điều chỉnh dòng điện một chiều ra tải (nguồn dòng) thì bộ biến đổi nguồn DC-DC dùng để điều chỉnh điện áp ra tải (nguồn áp). Có thể coi trong một khoảng thời gian đủ nhỏ, vài chu kỳ cắt mẫu, điện áp ra là không đổi. Giả thiết này cho phép đơn giản hóa tối đa quá trình phân tích các sơ đồ DC-DC. Các sơ đồ thực tế còn nhiều vấn đề cần xem xét. 9/21/2020 11
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC Đặc điểm chung Các sơ đồ không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost Converter. Trong ba sơ đồ cơ bản mạch van đều chỉ gồm 2 phần tử, van MOSFET và điôt, chỉ có 2 trạng thái đóng cắt ứng với khi van MOSFET mở và khi van khóa. Có thể làm việc ở chế độ dòng liên tục và chế độ dòng gián đoạn. Các sơ đồ cách ly: Flyback, Forward, Half-Bridge, Full Bridge. Sử dụng khi hệ số biến đổi lớn và yêu cầu cách ly. Sơ đồ cộng hưởng: nối tiếp, song song, LCC, LLC. Cho hiệu suất cao. 9/21/2020 12
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 7.3.1 BBD DC-DC giảm áp (Buck Converter) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp Buck Converter. Sơ đồ nguyên lý UGS,V ON (a) OFF t 0 tx Ts uL Ug-Uo UL+ t (b) 0 U Hai trạng thái đóng cắt của van L- -Uo iL 0 < t < tx : Van V thông ILmax I IL L di I I u L L U U Lmin L L dt g o (c) t 0 tx < t < Ts: van V khóa, điôt D thông uo=uC 2U o di UC i I u L L U (d) C C+ t L dt o 0 IC- Bỏ qua độ đập mạch của điện áp trên tụ C suy ra dòng điện trên cuộn cảm iL thay đổi tuyến tính. 9/21/2020 13
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 7.3.1 BBD DC-DC giảm áp (Buck Converter) Trong chế độ xác lập dòng qua Dòng điện qua cuộn cảm thay đổi cuộn cảm ở đầu chu kỳ và cuối tuyến tính nên: chu kỳ Ts phải bằng nhau. Điều U U này nghĩa là giá trị trung bình của I g o t I min L x max điện áp trên cuộn cảm phải bằng 0. Đây là một quy luật chung. Độ đập mạch của dòng điện: Theo đồ thị dạng điện áp trên cuộn U U cảm: I I I g o t max min L x 1 T 1 t T Biểu diễn các mối quan hệ qua D=tx/Ts s x s UL u dtL Ug Uo dt U dto (0 < D < 1), gọi là hệ số lấp đầy xung T T s 0 s 0 t (Duty Ratio) hay hệ số điều chế: x 1 U U t U T t 0 U DU , T g o x o s x s o g Từ đó suy ra: U U I g o DT t L s U x U o T g s Với Buck Converter U < U . o g 9/21/2020 14
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 7.3.2 BBD DC-DC tăng áp (Boost Converter) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp Boost Converter. Sơ đồ nguyên lý UGS,V ON (a) t OFF 0 tx Ts uL Ug UL+ (b) t Hai trạng thái đóng cắt của van 0 UL- U -U 0 < t < tx : Van V thông g o iL di ILmax u L L U I I L L dt g L I I L Lmin t tx < t < Ts: van V khóa, điôt D thông (c) 0 di uo =uC 2 U u L L U U o U L dt g o C (d) i Bỏ qua độ đập mạch của điện áp trên C I I C+ o tụ C suy ra dòng điện trên cuộn cảm iL IC- t thay đổi tuyến tính. 0 9/21/2020 15
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 7.3.2 BBD DC-DC tăng áp (Boost Converter) Trong chế độ xác lập giá trị trung Dòng điện qua cuộn cảm thay đổi bình của điện áp trên cuộn cảm tuyến tính nên: phải bằng 0. Phần diện tích bôi U đen trên đồ thị dạng điện áp trên I g t I min L x max cuộn cảm phần dương phải bằng phần âm. Độ đập mạch của dòng điện: Theo đồ thị dạng điện áp trên cuộn U cảm: I I I g t max min L x 1 Ts 1 tx Ts Biểu diễn các mối quan hệ qua D=t /T U u dt U dt U U dt x s L T L T g g o (0 < D < 1), gọi là hệ số lấp đầy xung s 0 s 0 t x (Duty Ratio) hay hệ số điều chế: 1 U t U U T t 0 1 T g x g o s x s U U , o 1 D g Từ đó suy ra: U U T I g DT o 1 D DT U s U L s L s o T t g s x Với Boost Converter U > U . o g 9/21/2020 16
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 7.3.3 BBD DC-DC tăng-giảm áp (Buck-Boost ) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp Buck-Boost Converter. Sơ đồ nguyên lý UGS ON (a) t OFF 0 tx Ts uL Ug UL+ (b) t 0 UL- Hai trạng thái đóng cắt của van Uo 0 < t < tx : Van V thông iL ILmax I I L di L u L L U I I L L dt g Lmin (c) t tx < t < Ts: van V khóa, điôt D thông 0 di uo =uC 2 U u L L U o L dt o UC Bỏ qua độ đập mạch của điện áp trên (d) i tụ C suy ra dòng điện trên cuộn cảm i C I L I C+ o thay đổi tuyến tính. IC- t 0 9/21/2020 17
7.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 7.3.3 BBD DC-DC tăng-giảm áp (Buck-Boost) Trong chế độ xác lập giá trị trung Dòng điện qua cuộn cảm thay đổi bình của điện áp trên cuộn cảm tuyến tính nên: phải bằng 0. Phần diện tích bôi U đen trên đồ thị dạng điện áp trên I g t I min L x max cuộn cảm phần dương phải bằng phần âm. Lưu ý điện áp đầu ta có Độ đập mạch của dòng điện: cực tính âm so với Ug. U Theo đồ thị dạng điện áp trên cuộn I I I g t max min L x cảm: Biểu diễn các mối quan hệ qua D=t /T x s 1 Ts 1 tx Ts (0 < D < 1), gọi là hệ số lấp đầy xung UL u dtL U dtg U dto (Duty Ratio) hay hệ số điều chế: T T s 0 s 0 t x D 1 U U , U t U T t 0 o 1 D g T g x o s x s U t g U Từ đó suy ra: U x U I DT o 1 D T L s L s o T t g s x Với Buck-Boost Converter Uo >< Ug. 9/21/2020 18
7.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC 7.4.1 Thiết kế Buck Converter Hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio) Thông thường ΔiL=(10 – 30)%IL. t Nhiệm vụ thiết kế: D x T Xác định các tham số của mạch, s Tần số làm việc f =1/T. Thông giá trị điện cảm L, tụ C. s s thường f cỡ vài chục đến vài trăm Xác định dòng đỉnh (Ipeak) qua s van, điôt. kHz. Ts cũng gọi là tần số trích mẫu. Xác định dòng trung bình qua van và điôt để tính toán chế độ nhiệt. Thiết kế theo các yêu cầu cho Tính toán hiệu suất của BBĐ. trước: Tính toán giá thành sản phẩm. Điện áp đầu vào, đầu ra: Uin, Uo. Thiết kế các mạch vòng điều chỉnh Dòng đầu ra định mức: Io . dòng điện, điện áp. Độ đập mạch điện áp đầu ra: Δuo. Mô hình hóa BBĐ. Thông thường Δu =(0,1 – 1)%U . o o Mô hình tín hiệu lớn. Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm. Mô hình tín hiệu nhỏ. Tổng hợp các mạch vòng. 9/21/2020 19
7.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC 7.4.1 Thiết kế Buck Converter Hệ số điều chế: t t Đồ thị để tính toán gần đúng độ D x on ; T t t đập mạch dòng điện và điện áp. s on off t DT ;t 1 D T on s off s t Điện áp đầu ra: U x U DU o T in in Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm: t i on U U L L in o DT U U s in o L Trong Buck Converter dòng trung bình qua cuộn cảm chính bằng dòng tải yêu cầu I =I Khi dòng i >I tụ được nạp. Khi L o L L iL<IL tụ phóng điện ra tải. Dòng trung bình nạp cho tụ làm điện áp tụ tăng lên Δuo trong thời gian ½(ton+toff) chính là 1/4ΔiL. 9/21/2020 20
Showing the first 20 pages. Download the document to see it all.
No comments yet. Be the first!
Comments (0)
No comments yet. Be the first!