Thiết kế bộ biến đổi DC/DC nâng áp theo nguyên lý băm xung Uout=24V, Imax=5A

Đề tài: Thiết kế biến đổi DC/DC nâng áp theo nguyên lý băm xung Uout=24V, Imax=5A MỤC LỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………… …….1 1.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter)……………… ………………1 1.2 Cấu trúc Boost Converter…… ………………………………………………1 1.3 Mosfest ………………………………………………………… ………………3 1.4 IC555………………………………………………… …………………………4 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MƠ PHỎNG……… 2.1 Tính tốn mạch lực Boost Converter……… …………………………………5 2.1.1 Tính tốn chọn linh kiện……………………………………………… ………5 2.1.2.Tính tốn chọn Mosfet……………………………………………… …………7 2.1.3.IC555…………………………………………………………………… ………8 2.2 Mơ hệ thống Psim…………………………………………… ………9 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM………… ………………………11 3.1 Chế tạo…………………………………………………………… ……………11 3.2 Kết thực nghiệm…………………………………………… …………… 17 3.3.Nhận xét, đánh giá…………………………………………… …………… .22 3.4.Kết luận…………………………………………… ……………………………23 Tài liệu tham khảo………………………………………………… ………………23 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) -Bộ biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Trong số trường hợp, điện áp chiều tao cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục Bộ biến đổi DC - DC thường sử dụng yêu cầu điều chỉnh cơng suất nguồn chiều, ví dụ máy tính, thiết bị đo lường, thơng tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy Ngoài biến đổi DC - DC sử dụng để điều khiển động chiều Bộ biến đổi DC - DC biến đổi cơng suất bán dẫn, có hai thực kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch dùng điện cảm chuyển mạch Dùng tụ điện chuyển mạch chúng phải tạo nguồn dòng tiến hiệu vào, dùng điện cảm chuyển mạch đầu vào nguồn áp Dễ dàng nhận thấy, sử dụng điện cảm chuyển mạch đơn giản hơn, tạo nguồn áp dễ tạo nguồn dịng, cịn sử dụng mạch có cơng suất lớn Bộ biến đổi DC - DC tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với cuộn cảm lớn có vai trị nguồn dịng Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dịng đóng mở theo chu kỳ Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm nguồn làm cho điện áp đầu tawg lên Nó thường dùng để sử dụng điều chỉnh điện áp nguồn cup cấp hãm tái sinh động DC Vấn đề điều khiển biến đổi tăng áp vấn đề phức tạp có tính phi tuyến dễ bị ảnh hưởng tác động bên 1.2 Cấu trúc Boost Converter -Sơ đồ cấu trúc Boost Converter: Hình -Bộ biến đổi tăng áp DC-DC gồm nguồn điện E, cuộn cảm L, khóa bán dẫn transistor Q, diode D, tụ điện C phụ tải R -Khi transistor trạng thái khóa: Hình -Khi transistor trạng thái mở: Đanh số hình Hình -Nguyên lý hoạt động: Khi  Mosfet dẫn lúc điện áp trở L1 = Vin (giả thiết van lý tưởng tức thơng dịng trở CE ) lúc diode D1 ngắt bị phân cực ngược cắt mạch tải khỏi nguồn E đồng thời dòng cuộn dây L xuất tăng dần từ giá trị ban đầu Imin đó, lúc dịng qua tải trì nhờ tụ C đóng vai trị nguồn ( Tụ C phóng )  đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc cuộn dây L1 xuất điện áp tự cảm chống lại giảm dòng IL Điện áp tự cảm cộng với nguồn Vin có chiều + đặt vầo chân Anot diode làm diode dẫn lập tực nạp bổ xung cho tụ C Quá trình lặp lặp có điện áp cấp cho tải 1.3.Mosfest -Mosfet chia làm loại Depleption Enhancement.Trong Depleption Mosfet sử dụng công tắc thường đóng Enhancement Mosfet hoạt động biến trở -Trong mạch tăng áp, người ta thường sử dụng Enhancement Mosfet, cụ thể Mosfet kênh N Hình -Khi đặt điện áp chân Gate(G) chân Source(S), dòng điện phép chạy từ chân Drain(D) sang chân S Mosfet kênh N giống biến trở điều khiển điện áp Khi điện áp chân G thấp, điện trở chân D S cao, tương đương với công tắc mở Khi tăng điện áp chân G vượt qua điện áp ngưỡng, điện trở chân D S giảm xuống nhanh 1.4 IC555 Hình *Ý nghĩa chân: – GND: chân cấp mát – Trigger: xung, khiển xung, xung kích – Output: đầu ra, xung – Reset: Cài lại, khởi động lại, đặt lại – Control Voltage: điều khiển điện áp 6 – Threshold: So sánh ngưỡng điện áp – Discharge: Xả tụ – Vcc: Dương nguồn CHƯƠNG TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1 Tính tốn mạch lực Boost Converter *Thơng số yêu cầu mạch cần thiết kế: -Điện áp vào chọn nguồn 12V DC để tính tốn thơng số mạch lực -Điện áp 24V DC -Tần số hoạt động mạch: f= 30000 Hz – 290000 Hz -Chọn f= 290000 Hz -T = 1/f = 3,45 (µs) Vin 12 -Duty cycle: 1− Vout =1− 24 =0,5 -ton= T D= 1,73 (µs) 2.1.1 Tính tốn chọn linh kiện *Cuộn cảm: -Dịng trung bình qua cuộn cảm: V o I o , max 24.5 IL = V = 12 = 10 (A) i ,min Chọn ∆IL = 10%IL = (A) L= V i ,min t on 12.1,73u = = 20,76 (µH) ∆IL IL max = IL + 0,5 t on V i ,min L 1,73u 12 = 10 + 0,5 20,76 u = 10,5 (A) ⇒ Chọn cuộn cảm 47 µH, 12A Hình *Tụ lọc: Chọn ∆ UC = ∆ Vo = 5.2% = 0,1V I o t on C = ∆U = C 5.1,73u = 86,5 µ 0,1 ⇒Chọn tụ hóa 100µF 50V *Diode: ID = IL.(1-D) = 10.(1-0,5) = (A) ID max = IL + 0,5 t on V i ,min 1,73u 12 = 10 + 0,5 20,76 u = 10,5 (A) L ⇒Chọn Diode Her602 Datasheet Her602 Hình 2.1.2.Tính tốn chọn Mosfet IV = IL.D = 10.0,5 = A IV max = IL + 0,5 t on V i ,min 1,73u 12 = 10 + 0,5 20,76 u = 10,5 (A) L -Điện áp chịu đựng qua van lớn Vout = 24V ⇒ Chọn MOSFET kênh N: IRFZ44N Hình 2.1.3.IC555 Hình *Cơng thức tính tần số: 1,45 f = [ Ra+2 Rb ] C Chọn Ra = R1 = 1kΩ Chọn C= 470pF Chọn R2=4,7kΩ Để tần số điều chỉnh f= 30000 Hz – 290000 Hz khơng có giá trị điện trở đáp ứng nên ta sử dụng thêm biến trở Khi đó: Rb = R2 + Rt = 4,7kΩ + Rt Trong đó: Rt điện trở biến trở Rt=47kΩ =>Tần số hoạt động mạch: f= 30000 Hz – 290000 Hz =>Để thay đổi điện áp ta điều chỉnh biến trở làm thay đổi tần số 2.2.Mô Psim *Sơ đồ mơ phỏng: Hình 10 *Đồ thị điện áp đầu ra: -Điện áp đỉnh: Hình 11 -Điện áp đầu ra: Hình 12 *Đồ thị dịng điện qua tải: -Dịng điện đỉnh: Hình 13 -Dịng điện qua tải: Hình 14 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Chế tạo Do điều kiện thực tế không cho phép, số thông số linh kiện thay Cụ thể sau: Linh kiện thay Linh kiện thay Diode Her602 (dòng 6A) Diode Her302 (dòng 3A) Rtải=4,7 (Ω) =>Iout=5,1(A) Rtải=55 (Ω), 40W=>Iout=0,44(A) Tụ 100µF 50V Tụ 1000µF 50V *Sơ đồ mơ phỏng: Hình 15 *Đồ thị điện áp đầu ra: -Điện áp đỉnh: Hình 16 -Điện áp đầu ra: Hình 17 *Đồ thị dịng điện qua tải: -Dịng điện đỉnh: Hình 18 -Dịng điện qua tải: Hình 19 *Sơ đồ đấu nối mạch tăng áp: Hình 20 *Sơ đồ đấu nối thiết bị đo dòng, đo áp: Hình 21 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm Mạch tăng áp: Hình 22 Mặt trước sản phẩm: Hình 23 Mặt sau sản phẩm: Hình 24 3.2 Kết thực nghiệm Hình 25 Hình 26 ... CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 .Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) -Bộ biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Trong số trường hợp, điện áp chiều tao... điện áp biến thiên liên tục Bộ biến đổi DC - DC thường sử dụng u cầu điều chỉnh cơng suất nguồn chiều, ví dụ máy tính, thiết bị đo lường, thơng tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy Ngoài biến đổi. .. nguồn áp Dễ dàng nhận thấy, sử dụng điện cảm chuyển mạch đơn giản hơn, tạo nguồn áp dễ tạo nguồn dòng, cịn sử dụng mạch có cơng suất lớn Bộ biến đổi DC - DC tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp