Thiết kế bộ biến đổi dc dc buck để nạp acqui từ panel pv (nguyễn cao kỳ)

ĐT-LVTN-02 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK ĐỂ NẠP ACQIU TỪ PANEL PV TÊN ĐỀ TÀI: (Thiết kế biến đổi DC-DC BUCK để nạp acqui từ PANEL PV) Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Họ tên sinh viên: Nguyễn Cao Kỳ Lớp : D10A1 – HN MSSV : 16104100052 Người hướng dẫn : Hà Nội - 2019 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………….… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm 2018 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm 2018 CHƯƠNG Tổng quan biến đổi chiều DC-DC 1) Tổng quan về biến đổi chiều dc-dc Ngày nay, biến đổi sử dụng hệ thống thông dụng hiệu suất va chất lượng điện áp Các biến đổi điện áp chiều biến đổi sử dụng nhiều Trong đó, biến đổi giảm áp (Buck Converter) cho điện áp đầu giảm so với điện áp đầu vào Nó ứng dụng rộng rãi nhiều thiết bị hay hệ thống khác như: cấp nguồn cho máy tính laptop, sạc điện thoại, nạp pin từ lượng mặt trời… Như biết nguồn điện phần quan trọng mạch điện hay hệ thống điện Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động mạch hay hệ thống Đối với mạch điện hay hệ thống cần địi hỏi nguồn đầu vào khác từ nguồn đầu vào cố định hay có sẵn Nguồn DC sử dụng rộng rãi sử dụng hầu hết mạch điện hay hệ thống điện Nhưng để sử dụng nguồn DC vào hệ thống nguồn DC cần phải biến đổi thành nguồn DC khác hay nhiều nguồn DC cung cấp cho hệ thống Ví dụ có nguồn đầu vào 12V mà hệ thống chạy tới 100V lúc phải biến đổi điện áp từ 12V lên 100V để chạy hệ thống Hiện nguồn xung hay nói cách khác nguồn biến đổi DC-DC sử dụng phổ biến hầu hết mạch điện hệ thống điện tự động Với ưu điểm khả cho hiệu suất đầu cao, tổn hao thấp, ổn định điện áp đầu đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu với đầu vào Nguồn xung có nhiều loại khác chia thành nhóm nguồn : Cách ly khơng cách ly * Nhóm nguồn khơng cách ly : + Boot + Buck + Buck - Boot * Nhóm nguồn cách ly : + flyback + Forward + Push-pull + Half Bridge + Mỗi loại nguồn có ưu nhược điểm khác Nên tùy theo yêu cầu nguồn mà ta chọn kiểu nguồn xung Sau nguyên tắc hoạt động nguồn nói nguồn hay dùng thực tế : 1.1 Nguồn xung kiểu : Buck Đây kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu nhỏ so với điện áp đầu vào tức Vinout Xét mạch nguyên lý sau : Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản dùng van đóng cắt nguồn điện phần lọc đầu Điện áp đầu điều biến theo độ rộng xung Khi " Switch On" đóng tức nối nguồn vào mạch lúc dịng điện qua cuộn cảm dòng điện cuộn cảm tăng lên, thời điểm tụ điện nạp đồng thời cung cấp dòng điện qua tải Chiều dịng điện chạy theo hình vẽ Khi " Swith Off" mở tức ngắt nguồn khỏi mạch Khi cuộn cảm tích lũy lượng từ trường tụ điện điện tích lũy trước phóng qua tải Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dịng điện khơng đổi giảm dần Chiều dòng điện thời điểm hình vẽ Q trình đóng cắt liên tục tạo tải điện áp trung bình theo luật băm xung PWM Dòng điện qua tải dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải Tần số đóng cắt cao để đảm bảo triệt nhiễu cơng suất cho mạch Van công suất thường sử dụng van Transitor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT Điện áp đầu đuoẹc tính sau: Vout = Vin * (ton/(ton+toff) = Vin* D ( với D độ rộng xung %) Với ton, toff thời gian mở thời gian khóa van Đối với kiểu nguồn Buck cho cơng suất đầu lớn so với cơng suất đầu vào sử dụng cuộn cảm, tổn hao công suất thấp Do nên nguồn buck sử dụng nhiều mạch giảm áp nguồn DC ví dụ từ điện áp 17V DC mà muốn hạ xuống 12V DC dùng nguồn Buck hợp lý 1.2 Nguồn xung kiểu : Boot Kiểu dạng nguồn xung cho điện áp đầu lớn điện áp đầu vào : Vin < Vout Xét mạch nguyên lý sau : Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản Cũng dùng nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm tụ điện Điện áp đầu phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung giá trị cuộn cảm L Khi “Swich On” đóng lại dịng điện cuộn cảm tăng lên nhanh, dòng điện qua cuộn cảm qua van xuống đất Dịng điện khơng qua diode tụ điện phóng điện cung cấp cho tải Ở thời điểm tải cung cấp tụ điện Chiều dịng điện hình vẽ Khi “Switch Off” mở lúc cuối cuộn dây xuất với điện áp điện áp đầu vào Điện áp đầu vào với điện áp cuộn cảm qua diode cấp cho tải đồng thời nạp cho tụ điện Khi điện áp đầu lớn điện áp đầu vào, dòng qua tải cấp điện áp đầu vào Chiều dịng điện hình vẽ! Điện áp tải phụ thuộc giá trị cuộn cảm tích lũy lượng điều biến độ rộng xung (điều khiển thời gian on/off) Tần số đóng cắt van cao hàng Khz để triệt nhiễu cơng suất tăng cơng suất đầu ra.Dịng qua van đóng cắt nhỏ dịng đầu ra.Van cơng suất thường Transior tốc độ cao, Mosfet hay IGBT… Diode diode xung, cơng suất Cơng thức tính thơng số đầu nguồn Boot sau : Ipk = x Iout,max x (Vout / Vin,min) Tdon = (L x Ipk) / (Vout – Vin) Điện áp đầu tính sau : Vout = ((Ton / Tdon) + 1) x Vin Với : Ton thời gian mở Van Ipk dòng điện đỉnh Trong nguồn Boot điện áp đầu lớn so với điện áp đầu vào cơng suất đầu vào phải lớn so vói cơng suất đầu Cơng suất đầu phụ thuộc vào cuộn cảm L.Hiệu suất nguồn Boot cao nên dùng nhiều mạch nâng áp truyền trực tiếp nên cơng suất lớn Ví dụ mạch biến đổi từ nguồn 12VDC lên 310VDC chả hạn Nguồn Boot có chế độ: – Chế độ khơng liên tục: Nếu điện cảm cuộn cảm nhỏ, chu kỳ đóng cắt, dịng điện tăng dần nạp lượng cho điện cảm giảm dần, phóng lượng từ điện cảm sang tải Vì điện cảm nhỏ nên lượng điện cảm nhỏ, nên hết chu kỳ, lượng điện cảm giảm đến Tức chu kỳ dòng điện tăng từ đễn max giảm – Chế độ liên tục: Nếu điện cảm lớn, dịng điện chu kỳ điện cảm không thay đổi nhiều mà dao động quanh giá trị trung bình.Chế độ liên tục có hiệu suất chất lượng nguồn tốt nhiều chế độ khơng liên tục, địi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn nhiều lần 1.3 NGUỒN XUNG KIỂU FLYBACK Đây kiểu nguồn xung truyền công suất dán tiếp thông qua biến áp Cho điện áp đầu lớn hay nhỏ điện áp đầu vào Từ đầu vào cho nhiều điện áp đầu Sơ đồ nguyên lý sau : Mạch có cấu tạo van đóng cắt biến áp xung Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu Điện áp đầu phụ thuộc vào băm xung PWM tỉ số truyền lõi Như biết có dịng điện biến thiên tạo từ thơng tạo sức điện động cảm ứng cuộn dây biến áp Do điện áp chiều nên dịng điện khơng biến thiên theo thời gian ta phải dùng van đóng cắt liên tục để tạo từ thông biến thiên Khi “Switch on ” đóng dịng điện cuộn dây sơ cấp tăng dần lên Cực tính cuộn dây sơ cấp có chiều hình vẽ bên cuộn dây thứ cấp sinh điện áp có cực tính dương hình vẽ Điện áp sơ cấp phụ thuộc tỷ số cuộn dây sơ cấp thứ cấp Lúc diode chặn nên tải cung cấp tụ C Khi “Switch Off” mở Cuộn dây sơ cấp điện đột ngột lúc bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải đồng thời nạp điện cho tụ Trong mơ hình nguồn xung nguồn Flybach sử dụng nhiều tính linh hoạt nó, cho phép thiết kế nhiều nguồn đầu với nguồn đầu vào kể đảo chiều cực tính Các biến đổi kiểu Flyback sử dụng rộng rãi hệ thống sử dụng nguồn pin acqui, có nguồn điện áp vào để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V) với hiệu suất chuyển đổi cao.Đặc điểm quan trọng biến đổi Flyback pha(cực tính) biến áp xung biểu diễn dấu chấm cuộn sơ cấp thứ cấp (trên hình vẽ) Cơng thức tính tốn cho nguồn dùng Flyback Vout=Vin x (n2/n1) x (Ton x f) x (1/(1-(Ton x f))) với :  n2 = cuộn dây thứ cấp biến áp  n1 = Cuộn dây sơ cấp biến áp  Ton = thời gian mở Q1 chu kì  f tần số băm xung (T=1/f = (Ton + Toff)) Nguồn xung kiểu Flyback hoạt động chế độ : Chế độ liên tục (dòng qua thứ cấp ln > 0) chế độ gián đoạn (dịng qua thức cấp 0) Đây mạch nâng ấp dùng nguồn chuyển đổi flyback Điện áp đầu vào 12V cho đầu tới 180V Sử dụng IC555 có ổn định điện áp đầu 1.4 NGUỒN XUNG KIỂU PUSH-PULL Đây dạng kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho điện áp đầu nhỏ hay lớn so với điện áp đầu vào từ điện áp đầu vào cho nhiều điện áp đầu Nó gọi nguồn đẩy kéo Sơ đồ nguyên lí: Đối với nguồn xung loại Push-Pull dùng tới van để đóng cắt biến áp xung van dẫn nửa chu kì Nguyên tắc gần giống với nguồn flyback Khi A mở B đóng cuộn dây Np phía sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía thứ cấp có điện điện áp sinh có cực tính Dịng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải Như hình vẽ Khi B mở A đóng cuộn dây Np phía sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía thứ cấp có điện điện áp sinh cực tính Như hình vẽ Với việc đóng cắt liên tục hai van ln ln xuất dịng điện liên tục tải Chính ưu điểm mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi cao dùng nhiều nguồn UPS, Inverter… Cơng thức tính cho nguồn Push-pull Vout = (Vin/2) x (n2/n1) x f x (Ton,A + Ton,B) Với :  Vout=Điện áp đầu -V  Vin= Điện áp đầu vào – Volts  n2=0.5 x cuộn dây thứ cấp Tức cuộn dây thứ cấp quấn sau chia 1/2 Đợn vị tính Vịng  n1=Cuộn dây sơ cấp  f = Tần số đóng cắt – Hertz  Ton,A = thời gian mở Van A – Seconds  Ton,B = Thời gian mở Van B – Seconds CHƯƠNG 2: CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC 2) Cấu trúc mạch lực: Cấu trúc vòng điều khiển điện áp mạch có dạng chung sau: 2.1) Tính tốn thơng số bản: Các yêu cầu thiết kế:  Vin = 17 V  Vout = 12V  ILoad = 2A  fsw= 100kHz ( tần số chuyển mạch)  Iripple = 0.3 × IL Trình bày cấu trúc mạch lực nguyên tắc phát xung điều khiển Tính chọn giá trị danh định lựa chọn cụ thể (nhà SX, mã sản phẩm) tất phần tử mạch: Van bán dẫn, tụ điện, điện cảm,… theo thông số kỹ thuật u cầu Xây dựng chương trình mơ biến đổi kiểm chứng thiết kế 2.1.1.Tính tốn cuộn cảm L Khi van trạng thái ON diện áp ahi đầu cuộn cảm [1]: vL(t) = Vg - v(t) Hay gần là: vL(t) = Vg – V (2.2) Trong vL tính theo công thức: vL = L 𝑑𝑖𝐿 (𝑡) 𝑑𝑡 (2.3) Từ ta được: 𝑑𝑖𝐿 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝑣𝐿 (𝑡) 𝐿 ≈ 𝑉𝑔 −𝑉 (2.4) 𝐿 Hình 2.2 Đồ thị điện áp cuộn cảm theo thời gian Khi van trạng thái mở điện áp cuộn cảm bằng: 𝑣𝐿 (𝑡) = −𝑣(𝑡) Với v(t) ≈ V thì: 𝑣𝐿 (𝑡) = −𝑉 Suy : 𝑑𝑖𝐿 (𝑡) 𝑑𝑡 = − (2.5) (2.6) 𝑉 (2.7) 𝐿 Hình 2.3 Đồ thị dịng điện qua cuộn cảm theo thời gian Dòng điện qua cuộn cảm miêu tả Hình 2.3, ta thấy dòng điện 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼 + ∆𝑖𝐿 , ∆𝑖𝐿 độ gợn (độ dao động) dòng điện qua cuộn cảm Nên độ gợn peak-to-peak 2∆𝑖𝐿 : 2∆𝑖𝐿 = Suy ra: 𝑉𝑔 −𝑉 𝐿 D𝑇𝑠 (2.8) L= 𝑉𝑔 −𝑉 2∆𝑖𝐿 𝐷𝑇𝑠 (2.9) Với giá trị ∆𝑖𝐿 thường chọn khoảng 10 ÷ 20%𝐼𝑜𝑢𝑡 Ta chọn: ∆𝑖𝐿 = 10%𝐼𝑜𝑢𝑡 = 0,2A Hệ số đóng cắt van đóng cắt: D= 𝑉 𝑉𝑔 = 12 17 = 0,7 (2.10) Thay thông số từ yêu cầu vào L = giá tri cuộn cảm sau: L= 𝑉𝑔 −𝑉 2∆𝑖𝐿 𝐷𝑇𝑠 = 17−12 2.0,2.100.103 𝑉𝑔 −𝑉 2∆𝑖𝐿 𝐷𝑇𝑠 (2.9), ta tính 0,7 = 87µ𝐹 (2.11) 2.1.2 Tính tốn tụ C đầu Hình 2.4 Dòng điện điện áp tụ [6] a) Tính tốn giá trị điện dung C tụ điện Lượng điện tích tụ tính theo cơng thức [1]: (change in charge) = C (change in voltage) (2.12) Hinh 2.4 mơ tả hình dạng dịng điện điện áp tụ, từ ta có: q = C(2∆𝑣) (2.13) hay: 𝑇𝑠 2 q = 𝑉 ∆𝑖𝐿 (2.14) 𝑇𝑠 2 (2.13) hay: q = 𝑉 ∆𝑖𝐿 Từ q = C(2∆𝑣) ∆𝑣 = (2.14), ta được: ∆𝑖𝐿 𝑇𝑠 (2.15) 8𝐶 Suy : C= ∆𝑖𝐿 𝑇𝑠 (2.16) 8∆𝑣 Chọn độ dao động điện áp: ∆𝑣 = 1%V = 1%.12 = 0,12 V Thay thông số từ yêu cầu vào Suy ra: C = ∆𝑖𝐿 𝑇𝑠 8∆𝑣 (2.16), ta tính giá trị điện dung tụ điện sau : C= ∆𝑖𝐿 𝑇𝑠 8∆𝑣 = 8.0.0,12.100.103 ≈ 10𝑢𝐹 Chọn tụ điện theo catologe nhà sản xuất: C = 4700 µ𝐹 (chọn theo kinh nghiệm) a) Tính tốn điện trở 𝑹𝑬𝑺𝑹 tụ điện Sau tính tốn chọn tụ điện C, dựa vao datasheet ta xác định điện trở 𝑅𝐸𝑆𝑅 tụ điện [2]: Với 𝑓𝑠 = 100 khz 𝑅𝐸𝑆𝑅0 điện trở đo nhiệt độ 200 𝐶 tần số 100 Hz Từ đồ thị datasheet (hình 2.5), ta xác định tỉ số 𝑅𝐸𝑆𝑅 𝑅𝐸𝑆𝑅0 khoảng 0,77 Tra bảng datasheet (bảng 2.1), ta có 𝑅𝐸𝑆𝑅0 = 0,10Ω => 𝑅𝐸𝑆𝑅 ≅ 0,0789Ω Hình 2.5 Đồ thị thể mối liên hệ điện trở tần số tụ điện C [2] CR 100 Hz (µF) 100 220 470 470 680 1000 1500 2200 3300 4700 NOMIAL CASE SIZE ØDxL (mm) 6.5 x 18 10 x 18 10 x 25 12.5 x 30 12.5 x 30 15 x 30 18 x 30 18 x 30 18 x 38 21 x 38 CASE CODE IR 100 Hz 125˚C (mA) IL1 (µA) IL5 (µA) tan  100 Hz ESR 100 Hz (Ω) 01 01 02 03 03 04 05 130 240 380 550 640 830 1100 1190 1550 1700 10 17 32 32 45 64 94 136 202 286 8.4 13 13 18 24 34 48 70 90 0.20 0.18 0.18 0.16 0.20 0.20 0.22 0.26 0.27 0.30 3.50 1.30 0.61 0,54 0,47 0.32 0.23 0.19 0.13 0.10 Bảng 2.1 Bảng tra datasheet tụ điện [2] 2.1.3 Chọn van bán dẫn a) Van đóng cắt chọn van đóng cắt MOSFET tần số cao Dịng IL=Iout=1A nên chọn MOSFET Ì540N chịu đựng dòng tối đa 33A , điện áp tối đa 100V b) Diode Chọn loại diode tần số cao Schottky SB540 chịu dòng 5A điện áp 40V 2.1.4 Thiết kế cuộn cảm dung phương pháp Kg[1] Hình 2.6 Hình dạng lõi thép cuộn kháng Với L = 87µH tính tốn Tính tốn hệ số Kg: Kg  𝐿2 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝐵𝑚𝑎𝑥 108 (𝑐𝑚5 ) Giả sử :R=1Ω Với thông số :  = 1,724.106 (chọn dây đồng) (2.18) Imax =2A Bmax =0,25 T Ku =0,6 Thay vào Kg  𝐾𝑔 ≥ 𝐿2 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝐵𝑚𝑎𝑥 𝑅𝐾𝑢 108 (cm5) (2.18) 1.724.10−6 (56.10−6 )2 22 0.252 1.0,6 ta :Kg≈ 1,39818.10−3 Dựa vào Bảng 2.2 Bảng chọn lõi thép , chọn lại giá trị Kg = 1,39818.10−3 chọn lõi thép EE19 có thong số sau: Diện tích mặt cắt trụ giữa: Ac = 0,19 cm2 Diện tích cửa sổ: WA = 0,19 cm2 Độ dài trung bình vịng dây: MLT =3,4 cm Hệ số từ thẩm: µ0 = 4π.10−7 H/m Bảng 2.2.Bảng chọn lõi thép Core type Geometri cal constant (A) Geometri cal constant Cross- Bobbi section n al area windi ng Ac area (cm2) W Mea n lengt h per turn (mm) Kgfe A MLT cm (cm2) (cm) EE12 0.731.10-3 0.458.10-3 0.14 0.085 2.28 2.7 2.34 EE16 2.02.10-3 0.842.10-3 0.19 0.190 3.40 3.45 3.29 EE19 4.07.10-3 1.3.10-3 0.23 0.284 3.69 3.94 4.83 EE22 8.26.10-3 1.8.10-3 0.41 0.196 3.99 3.96 8.81 EE30 85.7.10-3 6.7.10-3 1.09 0.476 6.60 5.77 32.4 EE40 0.209 11.8.10-3 1.27 1.10 8.50 7.70 50.3 EE50 0.909 28.4.10-3 2.26 1.78 10.0 9.58 116 EE60 1.38 36.4.10-3 2.47 2.89 12.8 11.0 135 EE70/68/ 19 5.06 127.10-3 3.24 6.75 14.0 9.0 280 Kg cm x Magnet Core ic path weig length ht lm (g)