Tiểu luận điện tử công suất nâng cao

1. BOOST CONVERTER Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DCDC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai 1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 1: Nguyên lý bộ boost converter Hình 2: Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái switch S Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương. Khi switch mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D. Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải. Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện. Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter trình bày trong hình 2: Dương

Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Hình 1: Nguyên lý bộ boost converter

Hình 2: Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái switch S

Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương

Khi switch mở, dòng điện bị giảm Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm) Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D

Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở Khi khóa

mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện

• Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm

• Trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R Kết quả chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ

1.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC

Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (IL) không bao giờ bằng 0 Điện áp đầu ra có thể tính như bên dưới trong trường hợp bộ chuyển đổi

lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định

Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào VS đặt lên cuộn dây, tạo ra thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây trong một chu kỳ bởi công thức:

Kết thúc trạng quá On Dòng IL tăng như sau:

D là chu kỳ năng suất Nó trình bày trong phân số của chu kỳ T khi khóa ở chế độ On Vì vậy D nằm giữa 0 và 1 (S không bao giờ mở và S luôn mở)

Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải Nếu điện áp zero rơi vào diode, và điện tích trên tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng IL tiến triển như sau:

Vì vậy, sự biến đổi của IL trong chu kỳ Off là:

chu kỳ Ngoại trừ năng lượng lưu trong cuộn dây được cung cấp bởi:

Dòng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch Nghĩa là sự thay đổi toàn diện trong dòng về zero:

Thay đổi và bởi biểu thức:

Viết lại:

Công thức trên nói lên điện áp đầu ra luôn cao hơn điện áp đầu vào (chu kỳ năng lượng

từ 0 đến 1), và nó tăng với D, về lý thuyết xác định D lên 1 Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi đôi khi coi như bộ chuyển đổi tăng cấp

1.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC

Nếu biên độ sóng của dòng quá lớn, cuộn dây xả năng lượng hết trước khi kết thúc chu

kỳ chuyển mạch Trong trường hợp này, dòng trong cuộn dây giảm xuống 0 trong 1 phần của chu kỳ Nó có thể được tính như sau:

Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng 0, giá trị lớn nhất là (t = DT):

Trong suốt chu kỳ off, IL giảm xuống 0 sau :

Sử dụng 2 công thức trước, δ bằng:

Dòng tải I0 bằng dòng trung bình qua diode ID dòng diode bằng dòng cuộn dây trong trạng thái off Tuy nhiên dòng đầu ra có thể viết:

Thay thể ILmax và δ bởi công thức tương ứng:

Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết:

So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này phức tạp hơn Hơn nữa, trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch

mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và dòng đầu ra

2 BUCK CONVERTER

Bộ chuyển đổi Buck là bộ chuyển đổi bước xuống một chiều Nó được thiết kế như bộ chuyển đổi step up, và giống bộ boost converter khi năng lượng khóa mạch sử dụng 2 khóa chuyển (1 transistor và 1 diode), 1 cuộn dây và 1 tụ

Cách đơn giản để giảm điện áp DC nguồn là sử dụng điều chỉnh tuyến tính (như 7805), nhưng điều chỉnh tuyến tính tiêu tón năng lượng khi hoạt động bởi năng lượng phát nhiệt Bộ buck converter có thể tiết kiệm đáng kể (95% hoặc cao hơn đối với mạch tích hợp), được sử dụng như bộ chuyển đổi điện áp máy tính (12V với máy bàn, 12-24V với máy tính xách tay) xuống 0.8-1.8V bởi bộ xử lý

Hình 1

Hình 2

Nguyên lý bộ buck converter khá đơn giản, với một cuộn dây, và 2 khóa (sử dụng 1 transistor và một diode) để điều khiển bộ biến đổi cuộn dây Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả thành phần được tính toán hoàn chỉnh Đặc biệt khóa và diode có giá trị điện áp

0 giảm xuống và dòng zero khi tắt và cuộn dây ngắn mạch điện trở nối tiếp Tuy nhiên, điện áp đầu vào và đầu ra không thay đổi suốt chu kỳ

2.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC

Một bộ chuyển đổi buck hoạt động trong chế độ liên tục có dòng điện chạy qua cuộn dây IL không bao giờ giảm về không trong suốt chu kì chuyển mạch Trong chế độ này, nguyên lý hoạt động mô tả trong hình 4:

Hình 3

Hình 4

• Khi khóa ở trên đóng (chế độ On, phía trên hình 2), điện áp trên cuộn dây là

Dòng chạy trong cuộn dây tắng tuyến tính Khi diode có điện áp ngược bởi nguồn V, không có dòng qua nó

• Khi khóa mở (chế độ off, phía dưới hình 2), diode bị phân cực ngược Điện áp cuộn dây là Dòng IL giảm

Năng lượng tích trữ trong cuộn dây L là

Tuy nhiên, coi như năng lượng tích lũy trong L tăng suốt thời gian On ( IL tăng) và giảm khi trạng thái Off L được sử dụng để chuyển năng lượng từ đầu vào đến đầu ra

Tỉ lệ thay đổi IL có thể tính toán từ:

Với VL bằng trong suốt trạng thái On và bằng trong trạng thái Off Vì vậy, dòng điện tăng trong suốt quá trình này được tính bởi:

Tương tự, việc giảm dòng điện trong suốt trạng thái Off được tính là:

Nếu chúng ta xem hoạt động bộ chuyển đổi trong chế độ ổn định năng lượng tích trữ trong mỗi thành phần kết thúc chu kỳ T bằng lúc bằng đầu chu kỳ Có nghĩa là dòng IL bằng nhau lúc t = 0 và lúc t = T

Vì vậy chúng ta có thể viết lại biểu thức trên:

Trong hình 4, và D là giá trị vô hướng của chu kỳ chuyển mạch giữa 0 và 1

Từ công thức này, ta thấy đầu ra điện áp của bộ chuyển đổi biến thiên liên tục theo điện

áp đầu vào Chu kỳ D gọi là tần số giữa ton và chu kỳ T, nó không thể lớn hơn 1 Vì vậy

Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi được gọi là step-down converter.

Xét ví dụ, chuyển từng bước 12V xuống 3V (điện áp đầu ra bằng một phần bốn điện áp đầu vào) yêu cầu chu kỳ 25% trong mạch lý tưởng

2.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC

Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng yêu cầu bởi tải quá nhỏ Trong trường hợp này dòng chạy qua cuộn dây giảm xuống không

Hình 5: Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ biến đổi

buck lý tưởng trong chế độ không liên tục

Chúng ta xét sự hoạt động bộ biến đổi trong chế độ ổn định Vì vậy, năng lượng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ (trong trường hợp không liên tục, nó bằng không) Điều này có nghĩa giá trị trung bình của điện áp cuộn dây (VL) bằng không

Giá trị của δ

Dòng điện đầu ra nhận từ tải (I0) không đổi, chúng ta coi như tụ điện đầu ra rất lớn để ổn định điện áp đặt lên chu kỳ chuyển mạch Dẫn đến dòng qua tụ điện bằng giá trị không

Vì vậy ta có:

Khi là giá trị trung bình của dòng cuộn dây Như hình 5, giá trị trung bình của IL có thể viết:

The inductor current is zero at the beginning and rises during ton up to ILmax That means that ILmax is equal to:

Dòng điện chạy qua cuộn dây bằng không lúc bắt đầu và tăng từ thời điểm ton đến giá trị

ILmax Và ILmax được tính:

Thay thế giá trị ILmax trong công thức trước:

Và thay thế δ bởi biểu thức trên:

Biểu thức viết lại:

Đây được xem như điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi buck trong chế độ không liên tục phức tạp hơn trong chế độ liên tục Hơn nữa, điện áp đầu ra bây giờ là hàm không chỉ của điện áp đầu vào Vi và chu kỳ chuyển mạch D, mà còn có giá trị điện cảm L, chu kỳ chuyển mạch T và dòng điện đầu ra I0

Bộ chuyển đổi buck-boost là một loại của bộ chuyển đổi DC-DC có biên độ điện áp đầu

ra không chỉ lớn hơn mà còn nhỏ hơn đầu vào

3.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Hình 1: Nguyên lý bộ chuyển đổi buck-boost

Hình 2: Hai trạng thái hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost

Khi khóa D đóng, điện áp đầu vào nguồn cung cấp cho cuộn dây, và dòng cung cấp cho tụ đến điện trở Khi khó mở, dòng cung cấp cuộn dây đến tải qua diode D

Hình 3: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong

chế độ liên tục

Nếu dòng điện chạy qua cuộn L không bao giờ xuống không trong chu kỳ chuyển mạch, thì bộ chuyển đổi này được gọi đang hoạt động ở chế độ liên tục

Từ đến , bộ chuyển đổi hoạt động trong trạng thái On, khóa S đóng Tần số thay đổi dòng cuộn dây IL được tính:

D là chu kỳ chuyển mạch D nằm giữa giá trị 0 và 1 (S không mở và luôn mở)

Trong suốt trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải Nếu coi điện áp không đặt lên diode và điện dung đủ lớn để điện áp không đổi thì IL được tính:

Xem xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện ổn định, phần lớn năng lượng tích trữ trong thành phần mạch giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch Năng lượng trong cuộn dây:

Thay thế và bởi biểu thức:

Viết lại:

Từ biểu thức trên có thể xem chiều điện áp đầu ra luôn âm Theo từng phần của chiều, bộ chuyển đổi có cả bược tăng và bước giảm Đó là lý do tại sao gọi là bộ chuyển đổi buck-boost

3.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC

Hình 4: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong

chế độ không liên tục

Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng tải yêu cầu nhỏ hơn lúc chuyển đổi trong suốt chu kỳ chuyển mạch Trong trường hợp này, dòng chạy qua cuộn dây giảm về không trong suốt chu kỳ

Dòng chạy qua cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng không và giá trị lớn nhất là (với

) :

Suốt chu kỳ off, IL giảm về không sau δ.T

Sử dụng hai công thức trước, δ bằng:

Dòng tải I0 tính bằng giá trị trung bình ID Dòng đầu ra được viết:

Thay và δ bởi công thức tương ứng:

Vì vậy điện áp đầu ra có thể được viết:

So sánh với biểu thức điện áp đầu ra trong chế độ liên tục, biểu thức này phức tạp hơn Hơn nữa trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra

hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn biên độ điện áp đầu vào.

Hình 1: Nguyên lý bộ biến đổi Cuk không riêng biệt

Hình 2: Hai trạng thái hoạt động độc lập của bộ biến đổi Cuk không riêng biệt

Hình 3: Hai trạng thái hoạt động của bộ biến đổi Cuk không riêng biệt

Diode và khóa cho phép thay thế nhau bởi ngắn mạch khi chúng mở hoặc hở mạch khi chúng tắt Giống như trong trạng thái Off, tụ điện C nạp điện bởi nguồn đầu vào thông qua cuộn dây L1 Khi trong trạng thái On, tụ điện C chuyển năng lượng đến tụ đầu

ra thông qua điện cảm L2

Trong trạng thái ổn định, năng lượng tích trữ trong cuộn dây còn lại giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch Năng lượng trong cuộn dây được cho bởi:

Dòng qua cuộn dây sinh ra điện áp:

Nó được xem như giá trị trung bình của điện áp cuộn dây trong một chu kỳ chuyển mạch

và bằng không khi đến trạng thái ổn định

Nếu chúng ta coi tụ C và C0 đủ lớn để xung điện áp đặt lên nó không đáng kể, điện áp tụ điện được tính:

• trong trạng thái off, cuộn L1 nối nối tiếp với Vi và C Vì vậy L2 nói đến điện áp đầu ra Và

• trong trạng thái on, cuộn L1 nối với nguồn đầu vào Vì vậy Cuộn L2 nối nối tiếp với C và tụ đầu ra, và

Bộ biến đổi hoạt động trong trạng thái on từ t = 0 đến t = D.T (D là chu kỳ chuyển mạch),

và trạng thái off từ D.T đến T Giá trị trung bình của VL1 và VL2 được tính:

Cả hai điện áp trung bình này đều bằng không khi có điều kiện ổn định chúng ta viết lại:

Giá trị trung bình điện áp đặt lên L1:

Được viết lại:

Nó được xem như liên quan gần giống như bộ biến đổi Buck-boost

4.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC

liên tục Nếu cuộn dây này có giá trị quá nhỏ, dòng sẻ không liên tục.

Giá trị nhỏ nhất của điện cảm như sau:

Với là tần số chuyển mạch