ĐỒ án BUCK CONVERTER

Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 MỤC LỤC Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa giúp con người tiết kiệm thời gian và sức lao động. Đồng thời tạo điều kiện tốt để nước ta thúc đẩy quá trình hội nhập nền kinh tế thế giới, bắt kịp sự phát triển về khoa học kỹ thuật ở các nước phát triển để ứng dụng vào sản xuất. Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đang theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật, Là sinh viên ngành tự động hóa, em cảm thất rất tự hào khi được học tập và nghiên cứu các môn học trong ngành tự động hóa. Trong phạm vi chương trình, học kỳ này chúng em làm đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC-DC”. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh (bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành môn học. 2 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 ĐỒ ÁN 1 YÊU CẦU THIẾT KẾ BUCK CONVETER Thông số: Điện áp đầu vào : 48 Vdc Điện áp đầu ra: 12 Vdc Ira =0 10 A, fsw = 50 kHz. Dựa vào việc phân tích thiết kế, chúng em xây dựng các bước thực hiện với nội dung sau: 1. Giới thiệu nguyên lý, sơ đồ cấu trúc Buck conveter. 2. Tính toán và mô hình hóa - Tính toán các thông số của các phần tử được giao, tính toán ,chọn điện cảm bằng phương pháp Kg để thiết kế - Mô hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển(voltage mode control), dùng phương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ để mô hình hóa. - Khảo sát đối tượng 3. Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp độ dự trữ ổn định dựa trên đồ thị Bode. 4. .Mô phỏng hệ thống dùng PSim. 3 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 I. Nguyên lý mạch Buck converter Hình 1.1. (a) Cấu trúc mạch buck cơ bản , (b) khóa ở vị trí 1, (c) khóa ở vị trí 2, (d) đồ thị điện áp trên cuộn cảm theo thời gian, (e) đồ thị dòng điện qua cuộn cảm theo thời gian. - Trong khoảng thời gian 0< t <DT, Van S ở trạng thái ON còn D1 ở trạng thái Off. Sơ đồ mạch trong giai đoạn này được biểu diễn như hình a. Khi S ở trạng thái ON điện áp ngược trên 2 đầu D1 bằng -Vin do đó D1 bị khóa. Điện áp giữa hai đầu công tắc S và dòng qua Diode bằng 0. - Trong khoảng thời gian DT< t <T, van S ở trạng thái Off, D1 ở trạng thái ON như hình b. Do tại thời điểm van S khóa, dòng qua cuộn cảm có giá trị khác 0 và được biểu diễn dưới 1 hàm liên tục trên miền thời gian do đó chúng ta có thể xem cuộn cảm hoạt động như 1 nguồn dòng và chính nó đã làm cho D1 dẫn. Khi đó dòng điện qua van S và điện áp trên đầu D1 coi như bằng 0. - Quá trình lặp lại như trên đối với những chu kì tiếp theo. 4 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 II. Tính toán các thông số cơ bản và Mô hình hóa Cấu trúc vòng điều khiển điện áp của mạch có dạng chung như sau: Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc với mạch vòng phản hồi điện áp. II.1. Tính toán thông số cơ bản II.1.1. Tính toán cuộn cảm L Khi switch ở trạng thái đóng thì điện áp cuộn cảm bằng: (t) v = V - v(t) g L (2.1) hay gần đúng sẽ là: (t) v = V - V g L Trong đó tính theo công thức: L L di (t) v = L dt (2.2) Từ đó ta được: g L L V -V di (t) v (t) = dt L L ≈ (2.3) 5 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 Hình 2.2. Đồ thị điện áp trên cuộn cảm. Khi van ở trạng thái mở thì điện áp cuộn cảm bằng: L v (t) = -v(t) (2.4) Với thì: L v (t) = -V (2.5) suy ra: L di (t) V = - dt L (2.6) Hình 2.3. Đồ thị dòng điện qua cuộn cảm. Dòng điện cuộn cảm được miêu tả như hình 2.3, ta có thể thấy dòng trong đó là độ gợn của dòng điện. Nên độ gợn peak-to-peak sẽ là và bằng: g L s V -V 2Δi = ( )(DT ) L (2.7) Suy ra: g s L V -V L = ( ) DT 2Δi (2.8) Với giá trị thường được chọn khoảng từ 10% - 20% . Ta chọn . Thay các thông số từ đề bài ta tính được giá trị của cuộn cảm : 6 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 g s L V -V L = ( ) DT 2Δi = 48-12 2x1x4x5 = 0000 90μH 7 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 II.1.2. Tính toán tụ C đầu ra Hình 2.4. Điện áp và dòng điện ra của tụ. Lượng điện tích trong tụ được tính theo công thức (2.9) Hình 2.4 mô tả hình dạng dòng điện và điện áp trên tụ, từ đó ta có: (2.10) hay s L T 1 q = VΔi 2 2 (2.11) thế 2 phương trình với nhau ta được: L s i T 8C ∆ (2.12) Suy ra: L s i T 8C ∆ (2.13) Chọn C = 2200Uf. 8 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 9 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 Tính toán điện trở : Sau khi tính toán được tụ C,dựa vào datasheet ta có thể xác định được Hình 2.5. Đồ thị thể hiện mối liên hệ điện trở và tần số Từ đồ thị trên datasheet có thể xác định được tỉ số giữa và khoảng 0.77 với là điện trở đo tại nhiệt độ ở tần số 100Hz. Tra bảng datasheet ta có . II.1.3. Thiết kế cuộn cảm dùng Kg method [1] Với L= 9. H như đã tính toán trên : Tính toán đến hệ số Kg : 2 2 8 5 max g 2 max u ρ.L I K .10 (cm ) B R.K ≥ (2.14) Giả sử: R=1Ω. 10 [...]... điều chỉnh nhỏ (hình 4.2) Thời gian đáp ứng nhanh 23 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 KẾT LUẬN Kết thúc đồ án 1 nhóm đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu đề ra, một số kiến thức thu được : - Thiết kế được cuộn kháng theo phương pháp Kg Mô hình hóa được đối tượng Tính toán được bộ bù theo bù 2 Đã mô phỏng mô hình được bằng Psim Nhóm đã trau dồi thêm kinh nghiệm về thiết kế mạch... nhóm ,hoàn thành các công việc được giao.Mỗi thành viên đều nắm được cơ bản về mạch điều chỉnh điện áp Dc-Dc buck converter. Trong suốt quá trình làm việc không thể thiếu được các ý kiến hướng dẫn của thầy Nguyễn Duy Đỉnh.Chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy trong suốt quá trình làm đồ án Trong suốt quá trình thực hiện mặc dù cố gắng hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, chúng em còn nhiều thiếu... Rf1 = 2 −1,98e − 008 s + 0,0039 s + 12 5.346e − 012 s 3 +1.079e − 006 s 2 + 0.001968 s + 4.8 1− = II.2.6 Khảo sát đối tượng Sử đụng MAtlab để vễ đồ thị bode của đổi tượng ta được như hình 2.7: 15 (2.35) Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 Hình 2.7 Đồ thị bode của đối tượng Nhận xét: - Tại tần số cắt 2,4kHz đối tượng điều khiển có độ dự trữ pha: 770 khi đó hệ thống có thời gian quá độ lâu - Độ... 3 giai đoạn không tải, tải định mức và quá tải như sau: Điện áp đầu vào : 48 Vdc Điện áp đầu ra: 12 Vdc fsw = 50 kHz P = 120 W 20 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 Hình 4.1 Mạch lực của mạch Buck converter với mộ số chế độ của tải 21 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 Hình 4.2: Mô phỏng kết quả điện áp ra và dòng điện ra với các đặc tính động Hình 4.3 Dòng điện qua cuộn cảm Nhận xét: Kết... (s) sCc1.R c1 +1 ˆ v(s) Rf1.Cc2 s(sC12 R c1 +1) (3.1) Trong đó: C12 = Cc1.Cc2 Cc1 +CC2 17 (3.2) Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 s +1) ωz G c (s) = K c s s.( +1) ωp ( Và ta đưa về dạng: (3.3) Đồ thị biên pha của bộ điều khiển kiểu bù loại 2: Chọn tần số cắt nằm trong khoảng: (3.4) Chọn Để thỏa mãn tiêu chí thiết kế, bộ điều khiển kiểu bù loại 2 cần thỏa mãn hệ phương trình sau:  G c (jωc )... thông số các linh kiện R, C của bộ điều khiển theo công thức: (chọn trước) 3.11) (3.12) (3.13) (3.14) Thay tham số cụ thể, ta tính được các giá trị điện trở, tụ điện của bộ điều khiển Kết quả khảo sát đồ thị Bode của vòng hở trên Matlab như sau: 19 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 Nhận xét: Bộ điều khiển thỏa mãn tiêu chí thiết kế với: - Tại tần số f=10KHZ độ dự trữ pha 450 Độ dự trữ biên =... Điện trở cuộn cảm : n.MLT = 0,9Ω AW (2.15) (2.16) II.2 Mô hình hóa II.2.1 Mô tình tín hiệu lớn Giả sử ở trạng thái làm việc ổn định, các thông số của mạch như V g, V, I, tỷ số Duty D thay đổi không đáng kể, n là tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của biến áp xung Theo định luật Kirrkoff, ta lập được các phương trình mạch sau: - Trong khoảng thời gian 0< t . nội dung sau: 1. Giới thiệu nguyên lý, sơ đồ cấu trúc Buck conveter. 2. Tính toán và mô hình hóa - Tính toán các thông số của các phần tử được giao, tính toán ,chọn điện cảm bằng phương pháp Kg. trong ngành tự động hóa. Trong phạm vi chương trình, học kỳ này chúng em làm đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC-DC”. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh. ổn định dựa trên đồ thị Bode. 4. .Mô phỏng hệ thống dùng PSim. 3 Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213 I. Nguyên lý mạch Buck converter Hình 1.1. (a) Cấu trúc mạch buck cơ bản , (b)