báo cáo môn điện tử công suất đề tài thiết kế bộ nguồn biến đổi dc dc

Ngày nay, các bộ biến đổi sử dụng trong các hệ thống rất thông dụng bởi hiệu suất va chất lượng điện áp.. Các bộ biến đổi điện áp một chiều là một... trong những bộ biến đổi được sử dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

****************

BÁO CÁO MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI : Thiết kế bộ nguồn biến đổi DC -DC

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Việt Phương

Nhóm 5:

Họ và tên: Nguyễn Hà Quang MSSV: 20210723

MỤC LỤC

Chương I: Tổng quan về mô hình bộ biến đổi DC – DC

3

1.1 Tổng quan 3

1.2 Phân loại 3

a Nhóm nguồn không cách ly 4

b Nhóm nguồn cách ly 4

Chương II: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp(Biến đổi Buck) 4

Chương III: Thiết kế bộ điều khiển 5

3.1 Yêu cầu kĩ thuật 5

3.2 Tính toán tham số 5

a Xác định Diod 6

b Xác định MOSFET 6

c Xác định cuộn cảm 7

d Xác định tụ điện 8

Chương IV: Mô phỏng 11

4.1 Mô phỏng lần 1 11

4.2 Kết quả mô phỏng 11

Kết luận 12

Chương I: Tổng quan về mô hình bộ biến đổi nguồn DC-DC

1.1 Tổng quan

Bộ biến đổi DC-DC (bộ biến đổi điện áp một chiều DC-DC) là mạch điện tử hoặc thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi nguồn dòng điện một chiều (DC) từ mức điện áp này sang mức điện áp khác Thiết bị này hoạt động với cơ chế lưu trữ tạm thời năng lượng đầu vào và sau đó giải phóng năng lượng đó cho đầu ra ở một điện áp khác Mức công suất của bộ biến đổi DC-DC từ rất thấp (pin nhỏ) đến rất cao (truyền tải điện cao áp)

Ngày nay, các bộ biến đổi sử dụng trong các hệ thống rất thông dụng bởi hiệu suất va chất lượng điện áp Các bộ biến đổi điện áp một chiều là một

trong những bộ biến đổi được sử dụng nhiều nhất Trong đó, bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter) sẽ cho điện áp đầu ra giảm đi so với điện áp đầu vào Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị hay hệ thống khác nhau như: cấp nguồn cho máy tính và laptop, các bộ sạc điện thoại, nạp pin từ năng lượng mặt trời…

1.2 Phân loại

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể đƣợc chia thành 2 nhóm:

a Nhóm nguồn không cách ly :

Điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ đồ Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi Buck (giảm áp)

- Sơ đồ biến đổi Boost ( tăng áp)

- Sơ đồ biến đổi Buck – Boost (đảo dấu điện áp)

Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly có ưu điểm là mạch đơn giản,

và giá thành thấp, thường được ứng dụng trong các bộ DC-DC công suất nhỏ, không cần chất lượng cao

b Nhóm nguồn cách ly :

Điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung, sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mong muốn Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi FlyBlack

- Sơ đồ biến đổi Push-Pull

- Sơ đồ biến đổi Half-Bridge

- Sơ đồ biến đổi Full-Bridge

Chương II: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (biến đổi Buck)

Bộ biến đổi Buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng

đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép

Chương III: Thiết kế bộ điều khiển

3.1 Yêu cầu kĩ thuật:

- Điện áp nguồn một chiều: Vin = 8 ÷ 24 V

- Điện áp đầu ra: Vout = 5 V

- Dòng tải: Iload = 0 ÷ 25 A

- (Đặt) Tần số chuyển mạch: f = 100 kHz

- (Đặt) Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm: ∆ I L= 20% I load = 5 A

- (Đặt) Độ đập mạch điện áp đầu ra trên tụ: ∆ V c= 0,5% V out= 0.025 V

- (Đặt) Hệ số dự trữ k v=1.5,k i=1.5

3.2 Tính toán tham số

- Xác định hệ số điều chế D:

𝐷min = V out

V¿, max = 245 = 0.21

Dmax = V out

V¿, m∈¿¿ = 58 = 0.625

- Xác định tải Rload = V out

I load = 255 = 0.2 Ω

a Xác định Diod

I D(peak)=I load+ 1

2× ∆ I=25+0.5 ×5=27.5 A

Điện áp ngược: V rev=V¿=24 V

V rev (max)=1.5 ×24=36 V

Chọn diod APT2X31S20J

b Xác định MOSFET

Vmf = Vin = 24 V

Imf(peak) = ID(peak) = 27.5 A

Imf(peak),max = ki.Imf(peak) = 41.25 A

Vmf,max = kv.Vmf = 36 V

Chọn MOSFET AOD4184A

c Xác ịnh cuộn cảmđịnh cuộn cảm

Iload,rms = Iload - ∆ I L

2 + ∆ I L

√ 3 = 25.4 A Khi van ở trạng thái ON thì điện áp trên đầu cuộn cảm bằng:

Vload = Vin – v(t) hay gần đúng Vload = Vin – V

Vload = LdI load(t )

dt

Đồ thị dòng điện qua cuộn cảm theo thời gian

Độ đập mạch peak-to-peak sẽ là 2∆ I L và bằng :

2∆ I L= (V¿¿ ¿−V out)

L ¿×D×Ts

Lmax = (V¿¿ ¿−V out)D

2 ∆ I L × f ¿ = (24−5)× 0 625

2 ×5 ×100000 = 11.875 𝜇H

Chọn cuộn cảm PQ2614BHA-100K

d Xác định tụ điện

Dòng điện và điện áp trên tụ

Ta có: q = C(2∆vc) hay q = 0.5Vin× ∆ I L ×0.5Ts

C = ∆ I L

8 ∆ v c × f = 250 𝜇F

Vc = Vout = 5 V

Vc,max = kvVc = 1.5 × 5 = 7.5 V Chọn tụ Vishay 75-30D257G012DF5A

Chương IV: Mô phỏng

4.1 Mô phỏng lần 1

L = 10 𝜇H, C = 250 𝜇F, D=Dmin = 0.21

Thu được kết quả :

Iout = 19.67 = 127% Ithông số

Vout = 3.934 = 78.68%Vthông số

Kết luận : sai số lớn hơn 20% do tính hệ số điều chế D chưa chuẩn xác

4.2 Mô phỏng lần 2

D= V out+V D+I load R L

V¿(max)−I load R DS+V D=0.26

RL = 0.00162 Ω

RDS = 0.09 Ω

VD = 0.85 V

Kết quả :

Iout = 24.74 =98.96%Ithông số , sai số <20%

Vout = 4.949 = 98.98%Vthông số , sai số <20%

Kết luận : sai số ạt tiêu chuẩn định cuộn cảm

Kết luận chung

Sau khi hoàn thành mô phỏng, kết quả đạt được là chấp nhận được với sai lệch rất nhỏ so với yêu cầu đề ra Mặc dù vậy nhưng vẫn có một số

sự thiếu chính xác nhất định trong việc tính toán và làm tròn (ví dụ như việc chọn cuộn cảm có độ tự cảm sai số gần 20%)