Bài tập lớn môn Điện tử công suất trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đề tài là Thiết kế bộ biến đổi nguồn DCDC với các yêu cầu sau: Sử dụng sơ đồ Boost Converter Điện áp vào (18 ÷ 24) V Điện áp ra 72V Dòng tải 5A
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã: 13350 Học kỳ: – Năm học: 2022 – 2023 Đề tài: Thiết kế hệ thống chỉnh lưu SINH VIÊN A B MSV 12345 67891 Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Khoa: LỚP TĐH61ĐH TĐH61ĐH NHIỆM VỤ Nhóm trưởng Thành viên TS Đặng Hồng Hải Điện tự động công nghiệp Điện – Điện tử HẢI PHÒNG - 5/2023 ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN Thiết kế biến đổi nguồn DC/DC với yêu cầu sau: Sử dụng sơ đồ Boost Converter Điện áp vào (18 ÷ 24) V Điện áp 72V Dòng tải 5A Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG BĂM XUNG MỘT CHIỀU .1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Nguyên lý chung băm xung chiều 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý chung 1.1.3 Phân loại 1.1.4 Ứng dụng Các van bán dẫn công suất băm xung chiều 1.2.1 Các tham số Transistor .4 1.2.2 Các bước tính tồn lựa chọn .5 1.2.3 Bipolar Transistor (BT) 1.2.4 MOSFET (Metal-Oxide Semicondutor Field-Effect Transistor) 1.2.5 IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) Băm xung chiều song song .7 1.3.1 Đặc điểm 1.3.2 Tính tốn Băm xung chiều nói tiếp 1.4.1 Đặc điểm 1.4.2 Tính tốn 11 1.4.3 Tính tốn trị số điện cảm điện dung .11 Băm xung chiều kiểu nối tiếp – song song .13 1.5.1 Đặc điểm 13 1.5.2 Tính tốn 14 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN PHẦN TỬ DC-DC BOOST CONVERTER 15 2.1 2.2 Mô tả mạch 15 2.1.1 Yêu cầu thiết kế 15 2.1.2 Thơng số mạch .15 Tính tốn mạch lực [1] 15 2.2.1 Tính chọn cuộn cảm L 16 2.2.2 Tính chọn tụ đầu 16 2.2.3 Tính chọn van MOSFET 16 2.2.4 Tính chọn diode 18 CHƯƠNG MÔ PHỎNG .20 3.1 Mô Matlab 20 3.2 Kết mô 20 3.2.1 Bộ phận hiển thị .20 3.2.2 Đồ thị 21 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 TÓM TẮT BÀI TẬP LỚN .25 DANH MỤC HÌN Hình 1 : Ngun lý băm xung chiều (BXMC) Hình : Cấu trúc chung băm xung chiều Hình : Các loại van điều khiển hoàn toàn tham số ứng dụng Hình : Sơ đồ nguyên lý băm xung chiều song song Hình : Các sơ đồ băm xung chiều không đảo chiều Hình : Băm xung chiều nối tiếp tải RL 10 Hình : Sơ đồ xác định điện cảm L 11 Hình : Băm xung chiều nối tiếp - song song .14 YHình : Mạch boost converter .15 YHình : Sơ đồ mạch hiển thị Simulink/Matlab .20 Hình : Khối thị mạch mô 20 Hình 3 : Đồ thị dịng điện chạy qua tải 21 Hình : Đồ thị dòng điện chạy qua van 21 Hình : Đồ thị điện áp đầu tải 21 Hình : So sánh đồ thị điện áp đầu vào đầu 22 Hình : Đồ thị điện áp van MOSFET 22 MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực kỹ thuật 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 trính 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 học học phần Điện tử công suất Việc đưa kiến thức vào thực tiễn khơng cịn q xa lạ sinh viên theo học trường đại học đặc biệt trường kỹ thuật Trong q trình học tập mơn “Điện tử cơng suất” trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đạo nhà trường, khoa Điện - Điện tử đặc biệt thầy Đặng Hồng Hải hướng dẫn làm đề tài “ Thiết kế biến đổi nguồn DC/DC” Em xin trân thành cám ơn thầy Đặng Hồng Hải tận tình hướng dẫn em trình làm tập lớn Do cịn việc hạn chế trình độ ngoại ngữ, chuyên môn thiếu kinh nghiệm làm nên tập em cịn nhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khun hữu ích từ thầy thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện tạo tiền đề cho em sau CHƯƠNG BĂM XUNG MỘT CHIỀU 1.1 Nguyên lý chung băm xung chiều 1.1.1 Khái niệm Băm xung chiều (BXMC) thiết bị dùng để thay đổi điện áp chiều tải từ nguồn điện áp chiều cố định BXMC ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động điện chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng,v.v 1.1.2 Nguyên lý chung Nguyên lý băm xung chiều mô tả hình 1.1 Giữa nguồn chiều E tải Rt van Tr làm việc khóa điện tử, hoạt động BXMC cho van đóng cắt theo chu kì với qui luật: Trong khoảng thời gian - t cho van dẫn (khóa Tr đóng mạch), điện áp tải U t có giá trị điện áp nguồn U t = E; Từ t 0đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn nên U t = Hình 1 : Nguyên lý băm xung chiều (BXMC) Như giá trị trung bình điện áp tải nhận : 10 t Ut = E dt= E=γ E ∫ T T Trong đó: t – thời gian van Tr dẫn γ – tham số điều chỉnh T – chu kỳ đóng cắt van Biểu thức (1) cho thấy điều chỉnh điện áp tải cách tham số γ.Việc điều chỉnh điện áp cách “băm” điện áp chiều E thành “xung” điện áp đầu nên thiết bị có tên gọi “Băm xung chiều – BXMC” Có hai phương pháp cho phép thay đổi tham số γ là: Thay đổi thời gian t 0còn giữ chu kỳ T không đổi, ta dùng cách thay đổi độ rộng xung điện áp tải trình điều chỉnh, nên cách gọi phương pháp điều chế độ rộng xung: PWM (Pulse Width Modulation) Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian t không đổi Cách ngược lại với phương pháp trên, độ rộng xung điện áp tải giữ nguyên, mà thay đổi tần số lặp lại xung này, gọi phương pháp xung – tần Phương pháp không thuận lợi phải điều chỉnh điện áp dải rộng, tần số biến thiên nhiều làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng mạch có chứa điện cảm tụ điện nên khó tính tốn thiết kế, hệ thống điều chỉnh kín lúc mạch thc hệ có tham só biến đổi Ta thấy khóa điện tử Tr làm việc van bán dẫn, BXMC có nhiều ưu điểm như: Hiệu suất cao tổn hao cơng suất biến đổi không đáng kể so với biến đổi liên tục tổn hao van bán dẫn nhỏ Độ xác cao chịu ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường yếu tố điều chỉnh điều chỉnh liên tục kinh điển Kích thước gọn nhẹ Tuy nhiên BXMC có nhược điểm là: Cần có lọc đầu ra, làm tăng qn tính điều chỉnh Tần số đóng cắt lớn gây nhiễu cho thiết bị xung quanh Các BXMC phân thành BXMC khơng đảo chiều BXMC có đảo chiều dòng tải Cấu trúc thực tế thường gặp BXMC dạng hình 1.2 gồm khâu chủ yếu sau: Hình : Cấu trúc chung băm xung chiều 1.1.3 Phân loại Băm xung chiều nối tiếp: loại băm xung mà phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải Có thể điều chỉnh điện áp trung bình tải cách thay đổi độ rộng xung phần tử đóng cắt Băm xung chiều song song: loại băm xung mà phần tử đóng cắt mắc song song với tải Có thể điều chỉnh dịng điện trung bình tải cách thay đổi độ rộng xung phần tử đóng cắt Băm xung chiều kiểu đảo chiều: Phần tử đóng cắt có khả đảo chiều điện áp dịng điện tải Có thể điều chỉnh hướng quay động điện chiều hướng dòng chuyển đổi nguồn Băm xung chiều kiểu tăng áp: Phần tử đóng cắt kết hợp với linh kiện tụ, cuộn cảm để tạo điện áp tải lớn điện áp nguồn Có thể ứng dụng thiết bị yêu cầu điện áp cao đèn LED, nạp pin, v.v 1.1.4 Ứng dụng Băm xung chiều có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác Một số ví dụ cụ thể sau: Trong điều khiển động điện chiều, băm xung chiều giúp điều chỉnh tốc độ hướng quay động cách thay đổi điện áp dịng điện trung bình tải Băm xung chiều giúp giảm nhiễu tăng độ bền động Trong chuyển đổi nguồn điện, băm xung chiều giúp chuyển đổi điện áp chiều từ nguồn cấp sang điện áp khác phù hợp với thiết bị sử dụng Băm xung chiều giúp tăng hiệu suất ổn định nguồn điện Trong biến đổi điện áp cho thiết bị điện tử công suất, băm xung chiều giúp tăng giảm điện áp chiều theo yêu cầu thiết bị đèn LED, nạp pin, biến tần, v.v Băm xung chiều giúp tiết kiệm lượng giảm kích thước linh kiện Ngồi băm xung chiều cịn giúp tiết kiệm lượng, tăng hiệu suất độ tin cậy hệ thống 1.2 Các van bán dẫn công suất băm xung chiều Theo nguyên lý hoạt động mục 1.1 ta thấy van bán dẫn thích hợp cho BXMC phải van cho phép điều khiển mở khóa, tức van điều khiển hồn tồn, loại transistor GTO (hình 1.3) Loại van bán điều khiển thyristor không phù hợp van phải làm việc với điện áp chiều chiều thuận, khơng cịn giai đoạn điện áp âm nguồn điện để khoá thyristor mạch chỉnh lưu hay điều áp xoay chiều Muốn sử dụng thyristor, buộc phải thiết kế mạch thực chức khố nó, gọi mạch khoá cưỡng bức, mạch thường phức tạp khơng thật tin cậy Tuy nhiên trước công nghệ chưa chế tạo van điều khiển hồn tồn với cơng suất lớn, nên phải dùng thyristor Ngày transitor đủ sức thay van thyristor dải công suất lớn Trong hai loại van dùng MOSFET IGBT với ưu điểm vượt trội khả đóng cắt tốt, mạch điều khiển đơn giản công suất điều khiển lại nhỏ đến mức IC hố phần điều khiển; cơng nghệ chế tạo chúng khơng q phức tạp Chính vậy, lĩnh vực điện tử công suất, loại van BT vốn ứng dụng rộng rãi thời gian trước đây, đến thời điểm bị thay IGBT, BT dùng chủ yếu mạch điều khiển Khả làm việc hai loại van thể thị quan hệ áp - dịng ứng dụng hình 1.4, qua ta thấy MOSFET thua nhiều khả mang dòng chịu điện áp, nhiên MOSFET làm việc với tần số đến mêga Hz, IGBT thưởng 100 kHz Hình : Các loại van điều khiển hồn toàn tham số ứng dụng 1.2.1 Các tham số Transistor Các hãng chế tạo đưa thị trường loại van bán dẫn kèm theo đầy đủ tham số loại van dạng bảng đồ thị Tuy nhiên số có nhiều số liệu không thật cần thiết cho người sử dụng mà phục vụ cho việc kiểm tra sản phẩm chế tạo van Vì người sử dụng phải phân biệt tham số phục vụ cho mục đích thực tế mình, thường chia thành nhóm sau: Điện áp mà van phải chịu đựng trạng thái khóa, sụt áp van dẫn Dòng điện cho phép qua van dẫn bao gồm giá trị trung bình giá trị xung; đơi cần biết trị số dòng điện rò van khóa Các tham số điều khiển van Tham số khả khuếch đại công suất Thời gian khóa mở van nhằm giúp cho việc xác định chế độ độ van chuyển mạch Các tham số khả chịu tốc độ tăng áp dòng, thường kèm theo tham số liên quan trị số tụ điện ký sinh điện cảm ký sinh van