Thiết kế bộ biến đổi tăng áp DCDC(Bản đầy đủ đã qua sửa chữa)

Chương 1 1 1 Đề tài Thiết kế mạch DC – DC boost converter với yêu cầu kỹ thuật ▪ Vin = 5V ▪ Vout = 12 36V ▪ Iout, max = 3A 1 2 Mục đích nghiên cứu Học phần Điện tử công suất định hướng sinh viên làm m.

Chương 1.1 Đề tài Thiết kế mạch DC – DC boost converter với yêu cầu kỹ thuật: ▪ Vin = 5V ▪ Vout = 12-36V ▪ Iout, max = 3A 1.2 Mục đích nghiên cứu Học phần Điện tử công suất định hướng sinh viên làm mạch điện tử công suất để giúp sinh viên nắm vững kiến thức biết cách áp dụng vào thực tiễn Làm quen với thiết kế làm mạch thật Thiết kế mạch boost converter không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu 1.3 Phạm vi nghiên cứu • Nghiên cứu dựa kiến thức học học phần điện tử cơng suất • Tìm hiểu thêm kiến thức internet thầy giáo, bạn bè 1.4 Phạm vi ứng dụng Trong lĩnh vực kỹ thuật điện đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC - DC với mạch biến đổi phổ biến buck converter, boost converter, flyback converter… Bộ biến đổi chiều DC - DC sử dụng thiết bị điện tử cầm tay điện thoại di động máy tính xách tay, cung cấp lượng chủ yếu từ pin Các thiết bị điện tử thường chứa số mạch phụ, mạch có yêu cầu mức điện áp riêng khác với mức điện áp cung cấp pin nguồn cung cấp bên ngồi (đơi cao thấp điện áp cung cấp) Ngoài ra, điện áp pin giảm lượng dự trữ bị cạn kiệt Bộ biến đổi điện áp chiều DC-DC cung cấp phương pháp để tăng điện áp từ điện áp pin giảm phần, tiết kiệm khơng gian thay sử dụng nhiều pin để thực việc Bên cạnh cịn làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy, cấp nguồn cho thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vơn nguồn cấp có điện áp thấp; nâng áp mạnh nguồn xung TV, LED 1.5 Nội dung nghiên cứu - Giới thiệu cơng nghệ - Tính mạch cơng suất - Mơ mạch công suất - Sinh viên nắm vững kiến thức cần thiết biết cách áp dụng vào thực thiết kế - Nghiên cứu dựa kiến thức học học phần điện tử công suất tìm hiểu thêm kiến thức internet thầy giáo, bạn bè - Mạch thiết kế đảm bảo tiêu chí: +, Đơn giản, nhỏ gọn, phù hợp thực tiễn, dễ tích hợp vào nhiều loại thiết bị +, Hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định Chương 2.1 Giới thiệu mạch công suất biết (3 mạch) a, Boost converter - Bộ chuyển đổi boost nâng điện áp lên, tạo điện áp cao điện áp đầu vào (cùng dấu) Bộ chuyển đổi boost sử dụng để điều khiển chuỗi đèn LED từ pin lithium cung cấp đầu USB 5V từ pin lithium Nguyên lý hoạt động Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost-Converter Hình 2.2 Hai chế độ Boost-Converter phụ thuộc vào trạng thái khóa S Khi khóa đóng, dịng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ cuộn dây tích trữ lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương Khi khóa mở, dịng điện bị giảm Tuy nhiên dịng điện sụt giảm chống lại cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm) Kết ta có hai nguồn điện nạp lượng cho tụ thông qua diode D Nếu khóa hồn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ khơng tích điện đầy trạng thái tích điện tải sẻ có điện áp lớn đầu vào khóa mở Khi khóa mở, tụ nối song song tải tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa đóng phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp lượng cho tải Trong trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải mở đủ để chống lại tụ xả điện Nguyên lý Boost converter: - Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dịng điện cảm - Trạng thái Off, khóa mở dịng điện cảm chạy qua diode D, tụ C tải R Kết chuyển lượng tích lũy trạng thái On vào tụ Chế độ liên tục Hình 2.3 Dịng, áp, trạng thái chuyển mạch chế độ liên tục Khi Boost converter hoạt động chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (IL) không Điện áp đầu tính bên trường hợp chuyển đổi lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào VS đặt lên cuộn dây, tạo thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây chu kỳ công thức: ∆𝐼𝐿 𝑉𝑖 = ∆𝑡 𝐿 Kết thúc trạng On Dòng IL tăng sau: 𝐷𝑇 ∆𝐼𝐿𝑜𝑛 𝐷𝑇 = ∫ 𝑉𝑖 𝑑𝑡 = 𝑉 𝐿 𝐿 𝑖 D chu kỳ suất D nằm (S không mở S mở) Trong trạng thái Off, khóa S mở, dịng cuộn dây chạy qua tải Nếu điện áp zero rơi vào diode, điện tích tụ đủ lớn cho giá trị khơng đổi, dịng IL tính sau: 𝑉𝑖 − 𝑉0 = 𝐿 𝑑𝐼𝐿 𝑑𝑡 Vì vậy, biến đổi IL chu kỳ Off là: 𝑇 ∆𝐼𝐿𝑜𝑓𝑓 = ∫ 𝐷𝑇 (𝑉𝑖 − 𝑉0 )𝑑𝑡 (𝑉𝑖 − 𝑉0 )(1 − 𝐷)𝑇 = 𝐿 𝐿 Khi xét hoạt động chuyển đổi điều kiện trạng thái ổn định, phần lớn lượng lưu trữ thành phần giống lúc bắt đầu kết thúc chu kỳ Ngoại trừ lượng lưu cuộn dây cung cấp bởi: 𝐸 = 𝐿 ∗ 𝐼𝐿 2 Dòng cuộn dây giống lúc bắt đầu kết thúc chu kỳ chuyển mạch Nghĩa thay đổi tồn diện dịng zero: ∆𝐼𝐿𝑜𝑛 + ∆𝐼𝐿𝑜𝑓𝑓 = Thay đổi ∆𝐼𝐿𝑜𝑛 ∆𝐼𝐿𝑜𝑓𝑓 biểu thức: ∆𝐼𝐿𝑜𝑛 + ∆𝐼𝐿𝑜𝑓𝑓 = 𝑉𝑖 ∗ 𝐷 ∗ 𝑇 (𝑉𝑖 − 𝑉0 )(1 − 𝐷 )𝑇 + =0 𝐿 𝐿 Viết lại: 𝑉0 = 𝑉𝑖 − 𝐷 𝐷 =1− 𝑉𝑖 𝑉0 Cơng thức nói lên điện áp đầu cao điện áp đầu vào (chu kỳ lượng từ đến 1), tăng với D, lý thuyết xác định D lên Đó lý chuyển đổi coi chuyển đổi tăng cấp Chế độ không liên tục Hình 2.4 Dịng, áp, trạng thái chuyển mạch chế độ khơng liên tục Nếu biên độ sóng dòng lớn, cuộn dây xả lượng hết trước kết thúc chu kỳ chuyển mạch Trong trường hợp này, dòng cuộn dây giảm xuống phần chu kỳ Nó tính sau: Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ 0, giá trị lớn 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 (𝑡 = 𝐷𝑇): 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑖 ∗ 𝐷 ∗ 𝑇 𝐿 Trong suốt chu kỳ off, IL giảm xuống sau 𝛿𝑇: 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 + (𝑉𝑖 − 𝑉0 ) ∗ 𝛿 ∗ 𝑇 =0 𝐿 Sử dụng công thức trước, δ bằng: 𝛿= 𝑉𝑖 ∗ 𝐷 𝑉0 − 𝑉𝑖 Dòng tải I0 dịng trung bình qua diode ID.Dịng diode dịng cuộn dây trạng thái off Tuy nhiên dòng đầu viết: 𝐼0 = 𝐼̅𝐷 = 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 𝛿 Thay thể ILmax δ công thức tương ứng: 𝑉𝑖 ∗ 𝐷 ∗ 𝑇 𝑉𝑖 𝐷 𝑉 ∗ 𝐷2 ∗ 𝑇 𝐼0 = ∗ = 2𝐿 𝑉0 − 𝑉𝑖 2𝐿(𝑉0 − 𝑉𝑖 ) Tuy nhiên điện áp đầu viết: 𝑉0 𝑉𝑖 ∗ 𝐷2 ∗ 𝑇 =1+ 𝑉𝑖 2𝐿 ∗ 𝐼0 So sánh công thức điện áp đầu chế độ liên tục, công thức phức tạp Hơn nữa, chế độ không liên tục, điện áp đầu không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch dịng đầu b,Flyback - Nguồn xung có ứng dụng đa dạng cho phép người sử dụng tùy chỉnh tạo nhiều đầu có mức điện áp cực theo mong muốn Chính mà mạch nguồn flyback sử dụng nhiều hệ thống cung cấp cấp lượng pin mặt trời, điện gió,… Nguyên lý hoạt động Khi dòng điện chạy qua cuộn cảm bị cắt, lượng tích trữ từ trường giải phóng đổi chiều đột ngột điện áp cực Nếu diode đặt vị trí để dẫn lượng tích trữ đến nơi hữu ích, diode gọi diode flyback Điều yêu cầu cuộn dây cuộn cảm, cuộn cảm gọi biến áp flyback Sự xếp có đặc tính thú vị truyền lượng sang phía thứ cấp nguồn điện công tắc sơ cấp tắt Mạch flyback sử dụng số lượng linh kiện tương đối nhỏ Thiết bị chuyển mạch cắt điện áp DC đầu vào lượng cuộn sơ cấp chuyển sang thứ cấp thông qua máy biến áp chuyển mạch Một diode cuộn thứ cấp chỉnh lưu điện áp tụ điện làm mịn điện áp chỉnh lưu Trong mạch thực tế, mạch phản hồi sử dụng để giám sát điện áp đầu Trong ứng dụng điển hình, thiết bị chuyển mạch transistor bật tắt thường tín hiệu điều chế độ rộng xung Cực máy biến áp thường đảo ngược để transistor bật, dòng điện chạy cuộn sơ cấp, nhiên, diode thứ cấp phân cực ngược dịng điện khơng chạy cuộn dây Năng lượng lưu trữ máy biến áp tắt MOSFET Năng lượng lưu trữ tạo dòng điện phân cực thuận diode chỉnh lưu để tạo đầu DC c, Buck-Boost - Là kết hợp chuyển đổi buck nguồn tăng áp boost tạo điện áp đầu ngược (âm) lớn nhỏ điện áp đầu vào dựa chu kỳ làm việc Bộ chuyển đổi buck-boost biến thể mạch nguồn tăng áp boost, chuyển đổi đảo cung cấp lượng lưu trữ cuộn cảm, L1, vào tải Nguyên lý hoạt động Khi công tắc bóng bán dẫn TR1, bật hồn tồn (đóng), điện áp cuộn cảm điện áp cung cấp nên cuộn cảm tích trữ lượng từ nguồn cung cấp đầu vào Khơng có dịng điện đưa đến tải kết nối đầu diode, D1, bị phân cực ngược Khi cơng tắc bóng bán dẫn tắt hoàn toàn (mở), diode trở nên phân cực thuận lượng trước lưu trữ cuộn cảm chuyển sang tải Nói cách khác, công tắc chế độ “BẬT”, lượng cung cấp vào cuộn cảm nguồn điện chiều (thông qua cơng tắc) khơng có lượng đến đầu công tắc “TẮT”, điện áp cuộn cảm đảo ngược cuộn cảm trở thành nguồn lượng lượng lưu trữ trước cuộn cảm chuyển sang đầu (thơng qua diode), khơng có lượng đến trực tiếp từ nguồn DC đầu vào Vì vậy, điện áp giảm tải bóng bán dẫn chuyển mạch “TẮT” điện áp cuộn cảm Kết độ lớn điện áp đầu đảo ngược lớn nhỏ (hoặc bằng) độ lớn điện áp đầu vào dựa chu kỳ làm việc Ví dụ, chuyển đổi buck-boost dương sang âm chuyển đổi volt thành 12 volt (tăng áp) 12 volt thành volt (giảm áp) Bộ điều chỉnh chuyển mạch buck-boost điện áp đầu trạng thái ổn định, V OUT đưa là: Sau đó, điều chỉnh tăng cường buck đặt tên từ việc tạo điện áp đầu cao (như mức cơng suất tăng) thấp (như mức công suất buck) cường độ so với điện áp đầu vào Tuy nhiên, điện áp đầu ngược cực với điện áp đầu vào 2.2 Phân tích ưu nhược điểm mạch công suất a, Ưu điểm - Boost converter +, Là loại chuyển đổi công tắc chế độ đơn giản +, Nhỏ gọn nhẹ, dễ tích hợp vào nhiều loại thiết bị, giá thành rẻ +, Hiệu cao - số mạch chí đạt đến 99% - Flyback +, Cuộn sơ cấp cách ly với đầu +, Có khả cung cấp nhiều điện áp đầu ra, tất cách ly với nguồn +, Khả điều chỉnh nhiều điện áp đầu với điều khiển +, Có thể hoạt động nhiều loại điện áp đầu vào +, Mạch flyback sử dụng linh kiện so với loại SMPS khác - Buck-Boost +, Kết nối với nguồn tạo loại nguồn linh hoạt tất loại nguồn xung thông dụng +,Điện áp đầu cao +,Chu kỳ hoạt động ống dẫn thấp +,Điện áp thấp MOSFET b, Nhược điểm Nhược điểm chung: +,Số lượng linh kiện mạch nguồn lớn Điều gây phản ứng dây chuyền Một linh kiện gặp vấn đề kéo theo nhiều linh kiện khác gặp vấn đề theo +,Có nhiều mạch điện với cấu tạo khác bảng mạch lớn Điều gây nhiều vấn đề trình sửa chữa nguồn xung gặp vấn đề +, Nhiều linh kiện Các linh kiện Mosfet, IC nguồn biến áp xung tương đối thị trường giá thành không rẻ Điều khiến việc thay linh kiện gặp vấn đề trở nên vơ khó khăn +, Biến áp xung phát nhiễu cao tần gây nhiều vấn đề gián đoạn +, Thiết kế phức tạp khiến nguồn xung tương đối khó chế tạo sửa chữa 2.3 Chọn mạch công suất phù hợp Xét theo yêu cầu đề thiết kế điều chỉnh điện áp chiều nâng áp với thông số Uvào = 5V Imax = 3A Ura = 12-36V Dựa thơng số đề đề ta xác định mạch cần xây dựng mạch tăng áp có điều chỉnh đầu Mạch phù hợp để thiết kế mạch Boost converter có sử dụng cuộn cảm 2.4 Tính chọn van bán dẫn cho sơ đồ mạch - Thông số yêu cầu: Vvào = 5V Imax = 3A Vra = 12-36V Chọn f = 20kHz để hoạt động => 𝑇𝑠 = 20.103 = 10−5 (s) Hiệu suất : n=85% • Cơng suất đầu : 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 36 = 108( 𝑊 ) • Cơng suất đầu vào : 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 ƞ = 108 0.85 = 127( 𝑊 ) Tính tốn mạch lực L iL Uin + - 𝑉 D V u0 rC C D = -𝑉 𝑖 = - 36 = 0,86 𝑜 2.4.1 Tính chọn cuộn cảm L Load uC Dòng qua cảm: 1 𝐼𝑜 = = 21,4(𝐴) 1−𝐷 − 0,86 Chọn ∆IL = 10%IL = 10%.21,4=2,14 (A) 𝐼𝐿 = Δ𝐼𝐿 = 𝐷𝑇𝑆 𝑈𝑖𝑛 𝐿 𝐷𝑇𝑆 𝑈𝑖𝑛 0,86 5.10−5 𝐿= = = 100 (uH) Δ𝐼𝐿 2,14 Ta chọn sử dụng L=100 (uH) 4A 2.4.2 Vấn đề quấn cuộn cảm Xét đến độ đập mạch dịng dịng điện lớn qua van 16A, dòng độ lên tới 35A Với mật độ dẫn điện đồng trung bình ( A / mm2 ), ta chọn dây dẫn với tiết diện S  ( mm2 ) Chọn lõi ferrit loại: Xám (Gray) với dải tần số hoạt động 5kHz tới 500 kHz Hệ số tự cảm cuộn dây xác định qua công thức L= 4..r n S.10−7 l Trong đó: n số vịng dây quấn S tiết diện lõi(m2) l chiều dài dây quấn (m)  r hệ số từ thẩm(H/m) Ta cần lừa chọn thơng số số vịng n, tiết diện lõi S chiều dài dây l Tại hệ số từ thẩm lõi nằm dải rộng 2.10−5 → 8.10−4 ( H / m ) nên khó xác định xác tham số, ta ước lượng quấn Kết sử dụng máy để đo 2.4.3 Tính chọn tụ đầu Độ đập mạch áp đầu chọn 2%𝑉𝑜 = 0,02.36 = 0,72(𝑉) Tụ đầu 𝐷𝐼𝑜 𝑐= 𝑓𝛥𝑉 = 0,86.3 = 179(𝜇𝐹) 20𝐾 0,72 Chọn tụ với thông số 200μF, 16V Độ đập mạch phụ thuộc vào giá trị nội trở tụ, ta có cơng thức : 𝛥𝑉 = 𝐸𝑆𝑅 ( => 𝐸𝑆𝑅 = 𝛥𝑉 𝐼 𝛥𝐼 ( 𝑜 + ) 1−𝐷 = 0,72 2.14 + 1−0.86 𝐼𝑜 𝛥𝐼 + ) 1−𝐷 = 0,032(Ω) Để giảm độ đập mạch điện áp ta cần giảm giá trị nội trở tụ thỏa mãn bé 0,032Ω 2.4.4 Tính chọn van MOSFET Điện áp ngược đặt lên van 36V Dịng trung bình qua van 𝐈𝐕 = 𝐃 𝐈𝐋 = 𝟎, 𝟖𝟔 𝟐𝟏, 𝟒 = 𝟏𝟖 𝟒𝟎𝟒(𝐀) Dòng đỉnh qua van mosfet 𝑰𝒗𝒎𝒂𝒙 = 𝑰𝑳 + 𝜟𝑰𝑳 𝟐 = 𝟐𝟐, 𝟒𝟕(𝑨) Dự kiến sử dụng mosfet IRF540 Dịng trung bình chịu 28 A Điện áp chịu lớn 100 V Xung dịng chịu 100 A Có thể phải sử dụng van với dịng trung bình lớn thời gian độ dòng qua van lớn, phải kèm tản nhiệt lớn cho van để tránh tình trạng bị nóng 2.4.5 Tính chọn diode Dịng trung bình qua diode 𝑰𝑫 = (𝟏 − 𝑫) 𝑰𝑳 = 𝟑(𝑨) Dòng đỉnh qua van mosfet 𝑰𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝑰𝑳 + 𝜟𝑰𝑳 𝟐 = 𝟐𝟐, 𝟒𝟕(𝑨) Điện áp ngược đặt lên diode với hệ số dự trữ chọn 1.3 𝑽𝑫 = 𝟏, 𝟑 𝟑𝟔 = 𝟒𝟔 𝟖(𝑽) Chọn loại diode MBR 1060 Dịng trung bình chịu 20A Điện áp ngược lớn 80V 2.4.6 Tính chọn mạch snubber cho mosfet diode Sử dụng mạch RC mạch hỗ trợ đóng cắt Chọn tụ C=10(nF) Công suất tiêu tán điện trở 𝑷𝑹 = 𝟏 𝑪 𝑽𝟐 𝒐𝒖𝒕 𝒇 = 𝟎, 𝟏𝟐𝟗𝟔(𝑾) 𝟐 Chọn điện trở 22  /2W 2.5 Bảo vệ nhiệt Khi làm việc, dịng chạy qua van có sụt áp, có tổn hao cơng suất P, sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van làm việc nhiệt độ cho phép Tcp Nếu vượt nhiệt độ cho phép van bị phá hỏng Vậy để van làm việc an toàn ta phải thiết kế chọn hệ thống toả nhiệt hợp lý - Dòng điện làm việc van chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van: 𝐼𝑑 18.5 𝐼𝑙𝑣 = = = 10.7 (𝐴) √3 √3 -Tổn thất công suất MOSFET: PT = UT x Ilv =1.5 x 10.7=16.05 (W) - Diện tích bề mặt cánh toả nhiệt: Sm = 𝛥𝑃 𝑘𝑚 𝑥 𝜏 = 16.05 16 𝑥 60 = 0,017 (m2) Trong đó: P: tổn thất van lớn : Độ chênh nhiệt độ so với môi trường Tmt = 400C, Nhiệt độ làm việc cho phép van là: TcpD = 1500C, nên chọn nhiệt độ cánh toả nhiệt Tlv = 1000C   = 1000 - 400C = 600C km: Hệ số toả nhiệt đối lưu xạ, chọn km = 16 (w/m2.0C) Vậy ta chọn loại cánh toả nhiệt có 15 cánh, kích thước cánh: a x b = 0.06 x 0.06 (m2) Tổng diện tích cánh toả nhiệt: S = 15 x x 0.06 x 0.06 = 0.108 (m2) Chương 3: Mô Mô Psim Kết mơ phỏng: Hình 3.1 Kết mô PSIM Đại lượng (0.02-0.03s) Uout (V) IL (A) ID (A) IV (A) Giá trị trung bình Giá trị lớn Giá trị nhỏ 35.6 21.7 18.4 18.4 36 22.8 22.5 22.5 35.4 20.8 Bảng 3.1 Kết mơ PSIM Nhận xét: Vì tính tốn phép sai lệch kết không 10% nên kết tính tốn khơng sai khác nhiều với kết mô  ...mức điện áp riêng khác với mức điện áp cung cấp pin nguồn cung cấp bên (đôi cao thấp điện áp cung cấp) Ngoài ra, điện áp pin giảm lượng dự trữ bị cạn kiệt Bộ biến đổi điện áp chiều DC-DC... loại thiết bị +, Hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định Chương 2.1 Giới thiệu mạch công suất biết (3 mạch) a, Boost converter - Bộ chuyển đổi boost nâng điện áp lên, tạo điện áp cao điện áp đầu... lưu trữ máy biến áp tắt MOSFET Năng lượng lưu trữ tạo dòng điện phân cực thuận diode chỉnh lưu để tạo đầu DC c, Buck-Boost - Là kết hợp chuyển đổi buck nguồn tăng áp boost tạo điện áp đầu ngược