Bài giảng giảng điện tử công suất -ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC THEO CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN (CURRENT MODE – CM)

11/2015 1 HỌC PHẦN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC THEO CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN (CURRENT MODE – CM) TS Trần Trọng Minh, TS Vũ Hoàng Phương BM Tự động hóa C[.]

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC THEO CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN (CURRENT MODE – CM) TS Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hồng Phương BM Tự động hóa CN – Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 11/2015 NỘI DUNG Cấu trúc điều khiển Phương pháp thiết kế cho cấu trúc điều khiển dịng điện đỉnh Ví dụ cho biến đổi Buck Ví dụ cho biến đổi Boost Kết luận 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN uo* iL* uo* iL* S Q R Q Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển gián tiếp (indirect mode) cho biến đổi DC/DC, a) điều khiển nguyên lý dịng điện trung bình (average current), b) điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh (peak current) 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN Trong thực tế, điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh sử dụng rộng rãi cho biến đổi DC/DC, điều khiển theo nguyên lý dịng điện trung bình sử dụng cho biến đổi PFC uˆo  s  Gvi  s   * iˆL  s  uˆin  s   uˆo  s   iˆL  s  uˆin  s   uˆo  s   dˆ  s  uˆin  s   dˆ  s   iˆL  s  uˆin  s   Nếu sử dụng cấu trúc dòng điện đỉnh, ta cần phải tổng hợp cấu trúc điều khiển điện áp D0,5 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH Ta xét dạng dòng điện qua cuộn cảm iL có biến động nhỏ dịng xác lập đầu chu kỳ: iL    I L  i L   iL  dTs   ic  iL    m1dTs Trong khoảng < t < DTs dòng qua cuộn cảm i  i 0 có độ tăng m1, khoảng DTs < t < Ts dòng d c L m1Ts có độ giảm m2 Trong giai đoạn đầu, dịng điện tăng tuyến tính đến đạt đến giá trị iL(dTs) = ic, Do đó, giai đoạn dịng giảm tuyến tính: iL Ts   iL  dTs   m2 d 'Ts  iL    m1dTs  m2 d 'Ts iL Ts  I L    iL   d T s 11/2015  D  d T s CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH Trong chế độ xác lập, iL(0) = iL(Ts), d = D, m1 = M1, m2 = M2 Vì ta có: M DTs  M D 'Ts   M2 D  M1 D ' Biến động nhỏ đầu chu kỳ (0) cuối chu kỳ (Ts) xảy khoảng biến động  , đó: nhỏ dT s i L T   i L     m1   i L     D    s  m  D '     Vậy đến chu kỳ tiếp theo, ta có: i L  2T   i L T    D   i L     D     s s   D'  D' i L T   i L     m1   i L     D    s  m  D '     2 Như sau n chu kỳ ta có: i L  nT   i L   n  1 T    D   i L     D     s s   D'  D' 11/2015 n  D   i L  nTs   D' D < 0,5 điều kiện để điều khiển theo dịng điện ổn định CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DỊNG ĐIỆN ĐỈNH Ví dụ ba loại DC-DC m1, m2 có giá trị sau: vg  vo v buck converter: m1  m2   o L L vg v g  vo boost converter: m1   m2  L L vg v buck-boost converter: m1  m2   o L L Cách tính đại lượng cần bù mc  m1 dT s  m c dT s  m dT s i iL  k  ' L iL  k 1 Sai lệch dòng điện thời điểm thứ k iL'  k   iL  k   iL  k   m1dTs  mc dTs Sai lệch dòng điện thời điểm thứ (k+1) iL'  k  1  iL  k  1  iL  k  1  m2 dTs  mc dTs 11/2015 d T s i Minh họa tính tốn bù độ nghiêng lượng đặt dòng điện Tỷ số sai lệch dòng điện xác định: iL  k  1 iL  k   m2  mc 1 m1  mc m2  m1 mc  CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH Ví dụ ba loại DC-DC m1, m2 có giá trị sau: Với buck converter: G s  p  vo  s  ic  s  v  Km R g 1 0 p vo  s  ic  s  v p  RC Q R Q RC Với boost converter: G s  ic s S  Km 1  D  R g 0  RHZ  11/2015 1 s  RHZ 1 s p 1  D 2 R L CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH Với buck-boost converter: vo  s  G s  ic  s  v p  g 1  D  RC 0 s 1  D R    RHZ  Km 1  D   s  RHZ ic S Q R Q p 1  D 2 R  D L Trong trường hợp xét đến ảnh hưởng điện trở nối tiếp với tụ điện (ESR – effective series resistor) hàm truyền có dạng tổng quát sau:  s  Gesr  s   G  s    1   ERZ   ERZ  rc C 11/2015 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Yêu cầu thiết kế: Thiết kế điều khiển cho biến đổi kiểu Buck có thơng số sau: điện áp nguồn 28V, điện áp 15V cho dòng tải 5A (R = 3Ω), L =50µH, C= 500µF, tần số phát xung 100kHz ic S Q R Q Mạch vòng dòng điện chế độ điều khiển dòng điện đỉnh 11/2015 10 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Hàm truyền điện áp dòng điện: vo  s  Gvc  s   ic  s   KmR 1 vg  Hàm truyền điện áp dịng điện có dạng khâu qn tính bậc 1, trường hợp ta sử dụng điều chỉnh PI cho mạch vòng điện áp s p Km   p  RC Cấu trúc điều chỉnh PI Chọn ωL= ωp để khử số thời gian đối tượng (đặt điểm zero điều chỉnh trùng với điểm cực đối tượng)    G  s   K 1   s   L PI c Do đó, hầm truyền kín mạch vòng điều chỉnh điện áp xác định: v  s  G s  v  s  o k * o G  sG  s   1 G  sG  s    K R vc vg  vc PI c 11/2015 K  PI p   s 1  c C T qd Tqd – số thời gian người thiết kế lựa chọn 11 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK vO(V) 25 20 15 10 iL-ref(A) 10 iL(A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 t(s) 11/2015 12 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST Yêu cầu: Thiết kế bù cho biến đổi kiểu Boost chế độ điều khiển dịng điện có thơng số sau: điện áp nguồn 5V, điện áp 18V, tải R = 6Ω (dịng tải 3A), L =20µH, C= 480µF, rC =8e-3Ω tần số phát xung 200kHz ic S Q R Q Mạch vòng dòng điện chế độ điều khiển dịng điện đỉnh 11/2015 13 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST Bode Diagram 20 Hàm truyền điện áp dòng điện: p  RC vo  s  ic  s  v  Km 1  D  R g 0 s  RHZ 1 s f RHZ  2 L -10 -30 360 p 315 1  D  R -20  3, 6841kHz Phase (deg) Gvc  s   1 Magnitude (dB) 10 270 System: Gui Phase Margin (deg): 104 Delay Margin (sec): 0.000855 At frequency (kHz): 0.338 Closed loop stable? Yes 225 180 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 Frequency (kHz) Hình 8.5 Đồ thị bode hàm truyền đạt biến đổi kiểu Boost 11/2015 14 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST Chúng ta đưa bước thiết kế cho mạch vòng điện áp sử dụng bù loại II cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh theo bước sau: Bước 1: Một điểm cực đặt gốc mặt phằng phức (mạch vịng có chứa thành phần tích phân) Bước 2: Tần số điểm không đặt 1/5 tần số cắt lựa chọn f  f z c Bước 3: Tần số điểm cực đặt trùng với tần số điểm không thành phần ESR tần số điểm không thành phần RHP gây ra, tùy thuộc vào tần số thấp f  f p RHP  3.6841kHz Bước 4: Tần số cắt lựa chọn bé 1/10 tần số phát xung Bước 5: Tần số cắt lựa chọn bé 1/5 tần số điểm không thành phần RHP gây Trong trường hợp tần số cắt fc lựa chọn 1kHz tần số điểm không fz bước 2: f  1kHz c 11/2015 15 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gui,2*pi*1000) ta có biên độ pha đối tượng G(s) tần số 1000Hz  G  j   0,3571      arcG  j  ui  c ui  c  c  266,11 Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gc1,2*pi*1000) ta có biên độ pha hàm truyền Gc1(s) (hàm truyền bù có điểm không, điểm cực điểm cực gốc tọa độ) tần số 1kHz là:  G  j   2, 2176e       arcG  j   54,8490 c1  c c1  c  c Biên độ bù xác đinh: G  co G vd 11/2015  j  G   c c1  j    c  1, 2628e  0,3571.2, 2176e  16 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST //Chương trình Matlab (m-file) tính tốn tham số bù loại II clear all clc %% % Tham so bo bien doi boost rC=80e-3; %esr rL=0; C = 480e-6; %tu dien L = 20e-6; %cuon cam R = 6; %Tai thuan tro Vo=18; %gia tri xac lap dien ap tren tu Vg=5; %gia tri xac lap dien ap dau vao D = 1-Vg/Vo; %He so dieu che IL=Vo/((1-D)*R);%gia tri xac lap dong qua cuon cam %ham truyen giua dien ap dau va he so dieu che w_esr=1/(rC*C); w_RHP=R*(1-D)*(1-D)/L; Gvio=(1-D)*R/2; wp=2/(R*C); num=Gvio*[-1/w_RHP 1]; den=[1/wp 1]; Gvi=tf(num,den); 11/2015 %ham truyen bo bu fc=600; %tan so cat 600Hz wzb=2*pi*fc; %chon bang tan so fc wpb=w_RHP; numc=[1/wzb 1]; denc=[1/wpb 1]; Gc1=tf(numc,denc)*tf(1,[1 0]);%ham truyen bo bu voi kc=1 [mag1,phase1]=bode(Gvi,2*pi*fc); [mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc); kc=1/(mag1*mag2); Gc=kc*Gc1; 17 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST iL(A) 15 10 iL-ref(A) 15 10 vO(V) 20 15 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 t(s) 11/2015 18