BÀI GIẢI bài tập CHƯƠNG 3 p1 p2 điện tử công suất

BÀI TẬP CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Phần 1: Bộ biến đổi DC-DC Lưu ý: (a): Bộ biến đổi tải (b): Mạch tương đương với Vo, Io Hình Cho biến đổi với tải hình 1a, mạch tương đương với trị trung bình điện áp ngõ Vo dịng trung bình ngõ Io hình 1b Mạch tương đương áp dụng cho biến đổi DC-DC khác nhau, chế độ dòng liên tục gián đoạn Từ mạch tương đương hình 1b, ta có: Vo  RI o  E Lưu ý trường hợp mạch chế độ dịng liên tục, điện áp trung bình ngõ Vo hàm phụ thuộc vào điện áp ngõ vào Vd tỉ số điều chế D: Vo  f (Vd , D ) Bài 3.1: a Tính tỉ số điều chế D dịng tải trung bình Io để Vo = 150V Do mạch hoạt động chế độ dòng liên tục nên điện áp trung bình ngõ tính theo cơng thức: Vo  DVd , suy tỉ số điều chế cần thiết là: Vo  DVd  D  150 200  0.75 Từ biểu thức: Vo  RI o  E , suy dịng tải trung bình Io là: Io  Vo  E 150  100   50 A R 1 b Tính tỉ số điều chế D để Io = 40A Để Io = 40A, điện áp ngõ cần thiết biến đổi là: Vo  RI o  E   40  100  140V Suy ra: D  140 200  0.7 Sinh viên tham khảo slides giảng để vẽ dạng sóng áp tải dòng tải với trị số D Bài 3.2: Vẽ dạng dòng tải io áp tải vo (a): Mạch giảm áp tải R+E (b): Dạng sóng áp dịng ngõ mạch Hình Sinh viên tự tìm hiểu dạng sóng vo io có dạng hình 2b Dạng sóng có khác với dạng sóng 3.1 không? Lý khác biệt (nếu có)? Trị trung bình Io Vo Tính trị trung bình điện áp ngõ raVo: T 1 Vo   vo dt  TV d  (T  T1 ) E   DVd  (1  D ) E T T Trong đó: D  T1 / T Tính trị trung bình dịng ngõ Io: Io  Vo  E DVd  (1  D ) E  R R Thay giá trị cho vào biểu thức trên, ta được: Vo  DVd  (1  D ) E  0.75  200  (1  0.75)100  175V Io  Vo  E 175  100   37.5 A R Bài 3.3: Mạch tương đương tăng áp với trị trung bình điện áp ngõ Vo dịng trung bình ngõ Io hình (lưu ý chiều quy ước io hình 3(a) mạch tăng áp) (a): Bộ tăng áp tải (b): Mạch tương đương với Vo, Io Hình Từ suy ra: Vo  E  RI o  100   10  90V Từ giả thiết dịng tải liên tục, ta có: Vo  (1  D )Vd Từ hai đẳng thức liệu bài, tính ra: D   Vo 90  1  0.55 Vd 200 Chiều truyền công suất: tải  nguồn (s/v tự tìm hiểu lý do) Bài 3.4: a Tính tỉ số điều chế D để dịng tải trung bình 20A Mạch tương đương biến đổi với Vo Io có dạng hình 1a, tương ứng: Vo  E  RI o  100   20  140V Với biến đổi kiểu đảo dòng: Vo  DVd  D  Vo 140   0.7 Vd 200 Công suất nguồn sức điện động E: PE  E  I o  100  20  2000W  Do PE  E phía tải nên nguồn E nhận cơng suất b Tính tỉ số điều chế D để dịng tải trung bình -20A Tính tốn tương tự câu a, ta có: Vo  E  RI o  100   ( 20)  60V Suy ra: D  Vo 60   0.3 Vd 200 Công suất nguồn sức điện động E: PE  E  I o  100  ( 20)   2000W  Do PE  E phía tải nên nguồn E phát cơng suất Bài 3.5: a Vẽ dạng điện áp tải vo Dạng điện áp vo hình Kích T1, T2 T T1 t Kích T3, T4 t vo vd t -vd Hình 4 b Quan hệ trị trung bình áp tải Vo tỉ số điều chế D Từ hình suy ra: T Vo  1 vo dt  TV d  (T  T1 )( Vd )   (2 D  1)Vd  T T c Tính giá trị tỉ số điều chế D cần thiết để dịng tải trung bình Io = 20A Để Io = 20A, ta cần có: Vo  E  RI o  100   (20)  140V   140  V  1  0.85 D   o  1    Vd 200    Phần 2: BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU KIỂU ĐÓNG NGẮT Bộ nguồn kiểu giảm áp (Buck converter) Bài 3.6: a Tỉ số điều chế D cần thiết Với thông số cho bài, tính dịng tải ngõ là: I o  Po 125W   5A Vo 25V Nếu thiết kế mạch thỏa điều kiện I L  0.25 A đề chứng minh (SV tự làm) mạch chế độ dịng liên tục Do đó, quan hệ điện áp ngõ vào ngõ lúc là: Vo  DVd Suy ra: D  Vo 20V   0.4 Vd 50V b Giá trị cần thiết điện cảm L Ta có: iL  Vo (1  D )Ts L Để đảm bảo I L  0.25 A , cần chọn L thỏa điều kiện: L  Lmin  Vo 25 (1  D )  (1  0.4)   103 H  6mH 0.25 A f s 0.25 10  103 c Giá trị cần thiết tụ điện C để Vo Vo  0.5% Ta có: Vo (1  D )  Vo 8LCf s2 Chọn L = 6mH, để thỏa điều kiện Vo Vo  0.5% ta cần chọn C sau: Vo (1  D ) (1  D )   0.5%  C  Cmin   25.106 F  25 F Vo 8LCf s 0.5% 8Lf s2 (Có thể chọn L với giá trị khác miễn thỏa điều kiện L  5mH , có giá trị Cmin khác) d Điện áp đặt lên transistor diode mạch hoạt động dịng trung bình qua linh kiện Khi mạch chế độ dịng liên tục (SV tự tìm hiểu chứng minh quan hệ sau): Điện áp đặt lên transistor tắt (khi diode dẫn) là: VCE = Vd = 50V Dịng trung bình qua transistor = dịng trung bình Id nguồn = DIo = 0.5x5A = 2.5A, Điện áp đặt lên diode tắt (khi transistor dẫn) là: VAK = -Vd = -50V Dịng trung bình qua diode (ID): I D  I o  I d  A  2.5 A  2.5 A Bài 3.7: Giả thiết chọn L đủ lớn để mạch ln hoạt động chế độ dịng liên tục Ta có: Vo  DVd Suy điện áp ngõ vào biến thiên khoảng 50V đến 60V, để giữ cho ngõ Vo = 20V, tỉ số điều chế D cần biến thiên khoảng: Dmin  0.333( Vd  60V )  Dmax  0.4 ( Vd  50V ) Ngồi ra, cơng suất ngõ tính cơng thức: Po V02 R (R điện trở tải) Vậy Po biến thiên khoảng 250W đến 75W ứng với R biến thiên khoảng: Rmin  1.6  Rmax  5.33 Điều kiện L để mạch hoạt động chế độ dòng liên tục: Lf s  (1  D ) R  L (1  D ) R fs Như vậy, để đảm bảo mạch hoạt động chế độ dòng liên tục Vd Po biến thiên dải trên, cần chọn L thỏa điều kiện (SV tự suy ra): L (1  Dmin ) Rmax (1  0.333)5.33   89  106 H  89  H fs  20  10 Bộ nguồn kiểu tăng áp (Boost converter) Bài 3.8: a Điện áp ngõ Vo Với thông số cho tập, sinh viên kiểm tra lại điều kiện để mạch hoạt động chế độ dịng liên tục theo cơng thức: D(1  D ) R ( Lf s )  Điều kiện thỏa, thay giá trị cho đề vào biểu thức trên, ta có: 0.6(1  0.6) 212.5 2.6  0.6  (65  106  40  103 )   Do mạch hoạt động chế độ dòng liên tục, ta tính được: Vo  Vd 20   50V  D  0.6 b Giá trị IL, ILmax ILmin Dòng ngõ ra: I o  Vo 50V   4A R 12.5  Dòng trung bình qua cuộn L = dịng trung bình ngõ vào Id nên: I L  Id  Io   10 A  D  0.6 Dợn sóng dịng: iL  Vd D 20  0.6   4.6 A Lf s 65  106  40  103 Từ tính được: I L max  I L  I L 4.6 A  10 A   12.3 A 2 I L  I L  I L 4.6 A  10 A   7.7 A 2 c Dợn sóng điện áp ngõ Ta có: Vo D D 0.6   Vo Vo  50  0.3V Vo RCf s RCf s 12.5  200  106  40  103 d Điện áp đặt lên transistor diode mạch hoạt động dịng trung bình qua linh kiện Khi mạch chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu chứng minh quan hệ sau): Điện áp đặt lên transistor tắt (khi diode dẫn) là: VCE = Vo = 50V Dịng trung bình qua transistor = dịng trung bình Id nguồn – dòng tải Io = 10A-4A = 6A Điện áp đặt lên diode tắt (khi transistor dẫn) là: VAK = -Vo= -50V Dịng trung bình qua diode (ID): I D  I o  A Bài 3.9: Theo đề I L  50% I L  I L   Mạch chế độ dòng liên tục Suy giá trị tỉ số điều chế tương ứng với thông số mạch cho là: D   Dòng ngõ ra: I o  Vd    0.67 Vo 15 Po 20W   1.33 A Vo 15V Dịng ngõ vào trung bình: I d  Pd Po 20W   4A Vd Vd 5V Giá trị cần thiết tỉ số điều chế D Ta có: I L  I L  I L Theo điều kiện đề bài: I L  50% I L , suy ra: I L  I L  I L  0.5I L  I L  I L Mà: iL  Vd D và: I L  I d  A , nên ta tính giá trị cần thiết L để thỏa điều kiện yêu Lf s cầu sau: iL  Vd D VD  0.67  I L  L  Lmin  d   0.028  103 H  28 H Lf s I L f s  30  10 Giá trị cần thiết tụ C để Vo Vo  1% Ta có: Vo D D 0.67   1%  C  Cmin    198  106 F  198 F 0.01  Rf s 0.01  11.25  30  10 Vo RCf s Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp (Buck-Boost converter) Bài 3.10: Kiểm tra điều kiện để mạch hoạt động chế độ dòng liên tục: ( Lf s )  (1  D ) R với thông số cho bài: ( Lf s  50  106  40  103  ) > ( (1  D ) R (1  0.6) 210   0.8 ) 2 Như vậy, mạch cho hoạt động chế độ dòng liên tục a Điện áp ngõ mạch Vo  Vd D 0.6  12  18V 1 D  0.6 b Dịng trung bình, cực đại cực tiểu qua điện cảm (IL, ILmax ILmin) IL  Vo R 18 10   4.5 A  D  0.6 I L  Vd D 12  0.6   3.6 A Lf s 50  106  40  103 I L max  I L  I L  6.3 A I L  I L  I L  2.7 A c Dợn sóng điện áp ngõ Vo Vo Vo D 0.6    7.5  103  0.75% Vo RCf s 10  200  106  40  103 Bài 3.11: a Giá trị cần thiết L để I L  40% I L Với L thiết kế thỏa điều kiện I L  nên mạch chế độ dịng liên tục Từ tính được: Vo D   D  0.6 Vd  D Ta có: I L  I L  I L Theo điều kiện đề bài: I L  40% I L , suy ra: I L  I L  I L  0.4 I L  I L  1.2 I L Với: I L  L  Lmin  Vd D V R 36 10 , I L  o   A , suy giá trị cần thiết L là:  D  0.6 Lf s Vd D 24  0.6   0.022  103 H  22  H 1.2 I L fs 1.2   60  103 b Giá trị tụ C để dợn sóng điện áp ngõ Vo Vo  0.5% Vo D D 0.6   0.5%  C  Cmin    0.2  103 F  200 F 0.005  Rf s 0.005  10  60  10 Vo RCf s c Điện áp đặt lên transistor diode mạch hoạt động dòng trung bình qua linh kiện Khi mạch chế độ dịng liên tục (SV tự tìm hiểu chứng minh quan hệ sau): Điện áp đặt lên transistor tắt (khi diode dẫn) là: VCE =Vd +Vo = 60V Dịng trung bình qua transistor = dịng trung bình Id nguồn (SV tự tính dịng này) Điện áp đặt lên diode tắt (khi transistor dẫn) là: VAK = -(Vo+Vd) = -60V Dịng trung bình qua diode (ID): I D  I o (SV tự tính dòng này) 10 ... Vo 60   0 .3 Vd 200 Công suất nguồn sức điện động E: PE  E  I o  100  ( 20)   2000W  Do PE  E phía tải nên nguồn E phát cơng suất Bài 3. 5: a Vẽ dạng điện áp tải vo Dạng điện áp vo hình... ra): L (1  Dmin ) Rmax (1  0 .33 3)5 .33   89  106 H  89  H fs  20  10 Bộ nguồn kiểu tăng áp (Boost converter) Bài 3. 8: a Điện áp ngõ Vo Với thông số cho tập, sinh viên kiểm tra lại điều...  106  40  1 03 I L max  I L  I L  6 .3 A I L  I L  I L  2.7 A c Dợn sóng điện áp ngõ Vo Vo Vo D 0.6    7.5  10? ?3  0.75% Vo RCf s 10  200  106  40  1 03 Bài 3. 11: a Giá trị