Thiết kế mạch giảm áp buck – converter

Thiết kế mạch giảm áp buck – converter

BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI :

THIẾT KẾ MẠCH GIẢM ÁP BUCK – CONVERTER

GVHD : TS Hàn Huy Dũng

Hà Nội 6/2015

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thế kỷ 21,thế kỷ của cách mạng khoa học và công nghệ Điện, điện tử phát triển ngày càng mạnh mẽ và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự phát triển kinh tế trên toàn thế giới Điện tử công suất là công nghệ biết đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Trong các máy móc thiết bị công nghiệp,cũng như đời sống hằng ngày đều phải sử dụng điện năng, có nhưng thiết bị hoạt động trong dải điện áp lớn, cũng có thiết bị hoạt động trong dải điện áp nhỏ Để cho các thiết bị hoạt động trong dải điện áp thấp chúng ta cần rất nhiều bộ chuyển đổi khác nhau để đáp ứng dải điện áp cho các thiết bị đó Trong bài tập lớn lần này, chúng em lựa chọn một bộ

chuyển đổi có chức năng đó là ”Mạch giảm áp Buck Converter”.

Bảng phân công công việc

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Tổng quan về ổn áp Buck

Buck Converter là bộ biến đổi mà điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào hay còn được gọi là bộ biến đổi giảm áp

Mạch Buck là mạch có chức năng giảm điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi xuống điện áp thấp hơn và ổn định hơn

Ứng dụng :

+ Trong các động cơ mô tô 1 chiều …

+ Cho các thiết bị hoạt động trong dải tần thấp

+ Mạch đơn giản

+ Cung cấp điện một chiều và điều khiển tốc độ động cơ một chiều …

2 Chế độ hoạt động

- Dòng IL không đổi

- Dòng IL không liên tục với VD là hằng số

- Dòng IL không liên tục với VO là hằng số

2.1 Chế độ dẫn liên tục

Là chế độ : dòng dẫn liên tục và IL bằng 0 tại hai đầu mút

220V - AC Giảm điện áp

xoay chiều Chỉnh lưu

Làm phẳng điện áp 1 chiều

Buck converter

2.2 Chế độ dẫn không liên tục

Là chế độ : trong một chu kỳ IL = 0 trong khoảng ∆2.TS

II PHÂN TÍCH MẠCH

1 Sơ đồ tổng quan các khối

2 Mạch Buck lý tưởng

Cấu tạo mạch:

- Diode : bảo vệ khóa T trong giữa khoảng thời gian Ton và Toff tránh có dòng dò chảy ngược lại đánh thủng khóa T

- Khóa T : điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi chu kỳ đóng ngắt

- Bộ lọc thông thấp : gồm cuộn cảm và một tụ điện có chức năng ổn định điện áp đầu ra

- Vd : điện áp đầu vào của mạch

3 Nguyên lý hoạt động của mạch

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch, t1(ton) là thời gian đóng mạch (on-time) và t2(toff) là thời gian mở mạch (off-time)

- Trong khi on-time thì điện áp đầu vào được đưa vào mạch Vin=V1, Diode sẽ bị phân cự ngược và bị khóa lại, khi đó dòng điện sẽ qua cuộn cảm và cuộn cảm L1 sẽ nạp năng lượng Chiều dòng điện như hình vẽ:

- Trong khi van off-time thì cuộn cảm L phóng điện chống lại sự giảm đột ngột dòng điện trong mạch và tiếp tục dẫn dòng điện đi qua tải, đi qua R và Diode,kết quả điện áp V1=0 Trong thời gian van off-time thì điện áp V1=0 nhưng dòng điện L I

vẫn không giảm về 0 Đây được gọi là chế độ Continuous mode Chiều dòng điện

như hình vẽ:

III TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ VỀ MẠCH BUCK

1 Chu kỳ chuyển mạch

Trong đó :

- t1 là thời gian van đóng mạch (on – time )

- t2 là thời gian van mở mạch (off – time)

2 Chu kỳ nhiệm vụ ( Độ rộng xung )

3 Tính toán giá trị điện áp ra ( Uout )

3.1 Khi van mở :

Thời gian : 0≤

t<t1

Khi t = t1:

min Uin Uout .t1 max

L

+

Vậy:

max min in out (1)1

L

L

+

3.2 Khi van khóa ta có :

. L

out

di

dt = −

Thời gian: t1≤

t<T

( ) max out 1

L

U

L

Khi ở chế độ xác lập:

( 0) ( )

I t = = I t T =

L

Vậy :

max min Uout . 1 (2)

L

Từ (1) và (2) ta có :

1 U

t U

T

=

4 Tính toán giá trị cuộn cảm

Từ công thức (1) , ta có :

.t

in out

L

L

−

=

∆ Với :

(5 10%) out

∆ = ÷

IV THIẾT KẾ BỘ TẠO XUNG VỚI TẦN SỐ 10KHZ DÙNG

IC 555

1 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung

2 Tính toán giá trị của tần số

Với tần số là 10kHz,chọn tụ C3=1nF và R1=R2:

Công thức tính :

1 2 3

Ta có:

4 3

1 1

10 (s) 10.10

T

f

−

3

48 0.693* C *3

T

V TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ ĐỂ TIẾN HÀNH MÔ

PHỎNG VÀ LÀM MẠCH

1 Tính toán các giá trị trong mạch Buck

Với đầu vào của mạch Buck là 12V,đầu ra của mạch là 6V,dòng điện

3(Am)

out

I =

,tần số là f=10kHz.

1.1 Chu kỳ chuyển mạch T:

4 3

10 ( ) 10.10

f

−

1.2 Thời gian van đóng t1:

1 .

t

T

=

4

5

6 *10

1 U Tout 5 10 ( )

−

−

1.3 Độ rộng xung D

5 1

4

5 10

0.5 10

t D

T

−

−

×

1.4 Giá trị cuộn cảm L:

5 1

12 6 t 5 10 0.001( )

0.3

in out

L

−

∆

2 Mô phỏng

2.1 Sơ đồ mô phỏng trên Psim

- Điện áp đầu vào mạch:12V

- Khóa T:sử dụng Mosfet

- Diode:bảo vệ khóa T giữa các chu kỳ đóng mở

- Cuộn cảm L

- Tụ điện C

- Điện trở R

2.2 Kết quả mô phỏng

Từ biểu đồ ta thấy:

Điện áp đầu ra và dòng điện qua cuộn cảm phụ thuộc vào thời gian đóng mở của khóa T

Nhìn thấy được thời gian đóng và mở của khóa T,thông qua giá trị dòng điện khi đi qua cuộn cảm

Khi ta thay cuộn cảm L=50uH, ta có dạng đồ thị như sau:

Từ biểu đồ thị ta thấy:

Điện áp ra và dòng qua cuộn cảm đều tăng nhưng dạng sóng chưa ổn định

Dẫn tới, ta cần thay đổi thông số cuộn cảm L vì do ở chu kỳ khóa T ngắt cuộn cảm xả cho tải R không đủ lớn,dẫn đến ta cần tăng giá trị cuộn cảm L

Khi ta tăng cuộn cảm L=500uH, ta có dạng đồ thị như sau:

Từ biểu đồ thị ta thấy:

Dạng sóng cảu điện áp ra và dòng điện qua cuộn cảm đã ổn định hơn, nhưng vẫn có gợn sóng

Do vây, muốn dạng sóng ra ổn định hơn ta cần phải tăng giá trị cảu cuộn cảm L và giảm giá trị tụ C vì tụ C có chức năng sạc xả cho tải R trong các chu kỳ khóa T đóng mở tương ứng

Khi ta tăng cuộn cảm L=1000uH(Theo cách tính lý thuyết) và giảm tụ C=200uF, ta có dạng đồ thị sau:

Ta thấy dạng sóng ra đã ổn định hơn,với điện áp đầu ra đạt 6V

2.3 Đồ thị dạng xung điều khiển tạo ra bằng IC555

Xung tại đầu ra của IC555

3 Tiến hành làm mạch

3.1 Sơ đồ nguyên lý :

3.2 Sơ đồ mạch in

Bộ ổn áp Buck

Bộ tạo xung

3.3 Mạch thực tế

Kết quả thu được: Với điện áp vào ra 9V DC , đo được ở đầu ra là 5V DC Kết quả mô phỏng : Với điện áp vào là 9V DC, đầu ra thu đc là 5.12V DC

VI NHẬN XÉT

1 Ưu điểm:

- Điện áp và dòng ổn định.

- Mạch hoạt động đúng chức năng

2 Nhược điểm:

- Mạch chỉ hoạt động với tải thuần trở R và không hoạt động với tải RL

KẾT LUẬN

Sau một thời gian, tìm hiểu và sự nỗ lực của các thành viên, chúng em đã hoàn thành bài tài lớn đúng theo kế hoạch Mạch đã được hoàn thiện như theo các yêu cầu của thầy Các kết quả thu được gần đúng như mô phỏng theo lý thuyết Tuy nhiên do trình độ còn hạn chế, nên vẫn còn vài thiếu sót, mong thầy và các bạn bỏ qua

Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp nhiệt tình của các bạn để bài tập lớn được hoàn thiện hơn nữa!

Cuối cùng, chúng em cảm ơn thầy TS Hàn Huy Dũng đã hướng dẫn tận tình

và tạo mọi điều kiện để bài tập lớn được hoàn thành

Chúng em xin chân thành cảm ơn!