Điện tử công suất - cHƯƠNG 7 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU

28/08/2014 Ts Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, - 2010 8/28/2014 Cần hiểu tầm quan trọng BBĐ xung áp chiều Nắm rõ phạm vi ứng dụng loại BBĐ Đặc điểm quan trọng BBĐ xung áp làm việc với tần số cao Phân biệt băm xung biến đổi nguồn DC-DC Thiết kế BBĐ DC-DC 8/28/2014 28/08/2014 7.1 Các biến đổi xung áp chiều Khái niệm chung  Các biến đổi xung áp chiều có vai trò đặc biệt quan trọng phạm vi ứng dụng ngày to lớn  Nếu điện áp xoay chiều dùng MBA để biến đổi điện áp điện áp chiều bắt buộc phải dùng BBĐ xung áp  Các BBĐ xung áp dần loại trừ loại biến áp tần số thấp nguồn, dẫn đến kích thước thiết bị điện tử ngày nhỏ gọn  Hai loại biến đổi xung áp chiều:  Các băm xung áp (Chopper)  Các biến đổi nguồn DC-DC 8/28/2014 7.1 Các biến đổi xung áp chiều Khái niệm chung  Ưu điểm bản:  Sử dụng phần tử MOSFET, IGBT, đặc biệt MOSFET, với tần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz Trong tương lai đến 1Mhz  Nhờ tần số đóng cắt cao giảm độ đập mạch dòng điện, điện áp chiều, tiến tới lý tưởng  Kích thước phần tử phản kháng điện cảm, tụ điện giảm đáng kể, giảm kích thước BBĐ nói chung đến mức nhỏ  Không dùng biến áp nguồn tần số thấp Giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép  Nhược điểm: Phát sinh nhiều vấn đề cần nghiên cứu!!! 8/28/2014 28/08/2014 7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) chiều nối tiếp Khái niệm chung  Phần tử khoá điện tử V, van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, MOSFET, BJT), mắc nối tiếp tải nguồn  Điôt D0 có vai trò quan trọng hoạt động sơ đồ, gọi điôt không Điôt dẫn dòng tải V khoá  Sơ đồ có trạng thái van: di  Khi V thông: iR  L  E dt  Khi V khóa: iR  L di 0 dt  Sơ đồ băm xung áp  Trạng thái 1: từ đến tx, V thông, nối tải vào nguồn, Ut = E;  Trạng thái 2: từ tx đến T, V khoá lại, tải bị cắt khỏi nguồn Nếu tải có tính cảm, dòng tải phải tiếp tục trì qua điôt D0, Ut = 8/28/2014 7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) chiều nối tiếp Khái niệm chung  Ứng dụng:  Điều khiển dòng điện chiều, chỗ trước dùng chỉnh lưu thyristor dùng băm xung Ví dụ điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ, cho máy điện chiều  Đặc biệt thích hợp cho điều khiển máy điện chiều công suất nhỏ  Xét hai loại tải:  Trở cảm (cuộn cảm)  Tải có s.p.đ.đ (máy điện) 8/28/2014  Sơ đồ băm xung áp  Từ đến tx: V thông, nối tải vào nguồn, Ut = E;  Từ tx đến T: V khoá lại, tải bị cắt khỏi nguồn Nếu tải có tính cảm, dòng tải phải tiếp tục trì qua điôt D0, Ut = 28/08/2014 7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) chiều nối tiếp 7.2.1 Tải trở cảm (Vd: cuộn kích từ máy điện)  Chế độ dòng liên tục: dòng qua  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp van, qua điôt độ đập mạch dòng điện  T t x  t tx E E e Q 1 Q E 1 e Q  iV   e ; iD  e T T   R R R 1 e Q 1 e Q  t t x Q T t x t  E e Q    Qx I  e  1 T     R  1 e Q  I  Chế độ dòng gián đoạn: iV  t t t t    x   x E E Q Q Q 1  e  ; iD  1  e  e R R    (a) Liên tục; (b) Gián đoạn 8/28/2014 7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) chiều nối tiếp 7.2.2 Tải có s.p.đ.đ (Vd: phần ứng ĐCMC)  Trạng thái 1: Khi V thông, di iR  L  E  Ed dt  Trạng thái 2: Khi V không thông, iR  L  Sơ đồ băm xung tải có s.p.đ.đ di   Ed dt Chế độ dòng liên tục:  T t x t E  Ed E e Q   Q iV   e ; T  R R Q 1 e  iD   8/28/2014 tx Q  E E 1 e  e T  Ed R 1 e Q t t x Q  Độ đập mạch dòng tải không phụ thuộc vào Ed:  T tx t  E e Q    Qx I   1 e T     R  1 e Q  28/08/2014 7.2 Bộ băm xung áp (Chopper) chiều nối tiếp 7.2.2 Tải có s.p.đ.đ Chế độ dòng gián đoạn: iV  E  Ed  1  e Qt  ;  R     t t t E  E E  Ed  Qx   Qx iD   d    e e  R  R R  I  Chế độ tới hạn: Dòng gián đoạn với tx nhỏ tx,th t x ,th  T  E  Ed  e Q  1      Q ln E (a) Dòng liên tục (b) Dòng gián đoạn 8/28/2014 Cần hiểu vai trò quan trọng BBĐ nguồn DC-DC Nắm sơ đồ DC-DC bản: Buck Converter; Boost Converter; Buck-Boost Converter Thiết kế BBĐ DC-DC Các biến đổi DC-DC cách ly Các biến đổi cộng hưởng 8/28/2014 10 28/08/2014 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC Đặc điểm chung  Dựa nguyên lý băm xung áp  Đầu phải có tụ đủ lớn để san điện áp tải  Nếu băm xung áp dùng để điều chỉnh dòng điện chiều tải (nguồn dòng) biến đổi nguồn DC-DC dùng để điều chỉnh điện áp tải (nguồn áp)  Có thể coi khoảng thời gian đủ nhỏ, vài chu kỳ cắt mẫu, điện áp không đổi  Giả thiết cho phép đơn giản hóa tối đa trình phân tích sơ đồ DC-DC  Các sơ đồ thực tế nhiều vấn đề cần xem xét 8/28/2014 11 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC Đặc điểm chung  Các sơ đồ không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost Converter  Trong ba sơ đồ mạch van gồm phần tử, van MOSFET điôt, có trạng thái đóng cắt ứng với van MOSFET mở van khóa  Có thể làm việc chế độ dòng liên tục chế độ dòng gián đoạn  Các sơ đồ cách ly: Flyback, Forward, Half-Bridge, Full Bridge  Sử dụng hệ số biến đổi lớn yêu cầu cách ly  Sơ đồ cộng hưởng: nối tiếp, song song, LCC, LLC  Cho hiệu suất cao 8/28/2014 12 28/08/2014 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC 7.3.1 BBD DC-DC giảm áp (Buck Converter)  Buck Converter Sơ đồ nguyên lý  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp UGS,V ON (a) OFF Ug-Uo t uL tx Ts UL+ (b) t -Uo ILmax IL ILmin UL-  Hai trạng thái đóng cắt van  < t < tx : Van V thông iL I L I L uL  L t (c)  tx < t < Ts: van V khóa, điôt D thông 2U o uo=uC UC iC (d) IC+ uL  L t IC- diL  U g Uo dt diL  U o dt  Bỏ qua độ đập mạch điện áp tụ C suy dòng điện cuộn cảm iL thay đổi tuyến tính 8/28/2014 13 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC 7.3.1 BBD DC-DC giảm áp (Buck Converter)  Trong chế độ xác lập dòng qua cuộn cảm đầu chu kỳ cuối chu kỳ Ts phải Điều nghĩa giá trị trung bình điện áp cuộn cảm phải Đây quy luật chung  Theo đồ thị dạng điện áp cuộn cảm: T UL  s uL dt  Ts 0 Ts  Ts  tx    U g  U o  dt   U o dt    tx 1 U g  U o  tx  U o Ts  tx   Ts   Từ suy ra: 8/28/2014 t Uo  x U g Ts  Dòng điện qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính nên: I  U g Uo L t x  I max  Độ đập mạch dòng điện: I  I max  I  U g Uo L tx  Biểu diễn mối quan hệ qua D=tx/Ts (0 < D < 1), gọi hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio) hay hệ số điều chế: U o  DU g , I  U g  Uo L DTs  Với Buck Converter Uo < Ug 14 28/08/2014 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC 7.3.2 BBD DC-DC tăng áp (Boost Converter)  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp  Boost Converter Sơ đồ nguyên lý  Hai trạng thái đóng cắt van  < t < tx : Van V thông I L uL  L I L diL Ug dt  tx < t < Ts: van V khóa, điôt D thông uL  L 2U o diL  U g Uo dt  Bỏ qua độ đập mạch điện áp tụ C suy dòng điện cuộn cảm iL thay đổi tuyến tính 8/28/2014 15 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC 7.3.2 BBD DC-DC tăng áp (Boost Converter)  Trong chế độ xác lập giá trị trung bình điện áp cuộn cảm phải Phần diện tích bôi đen đồ thị dạng điện áp cuộn cảm phần dương phải phần âm  Theo đồ thị dạng điện áp cuộn cảm: UL  Ts 1 u L dt  Ts 0 Ts      U g dt   U g  U o  dt    tx tx 1 U g t x  U g  U o  Ts  t x    Ts   Từ suy ra: Uo  8/28/2014 Ts Ts Ug Ts  t x  Dòng điện qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính nên: I  Ug L t x  I max  Độ đập mạch dòng điện: I  I max  I  Ug L tx  Biểu diễn mối quan hệ qua D=tx/Ts (0 < D < 1), gọi hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio) hay hệ số điều chế: Uo  Ug , 1 D Ug U I  DTs  o 1  D  DTs L L  Với Boost Converter Uo > Ug 16 28/08/2014 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC 7.3.3 BBD DC-DC tăng-giảm áp (Buck-Boost )  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp  Buck-Boost Converter Sơ đồ nguyên lý  Hai trạng thái đóng cắt van  < t < tx : Van V thông I L uL  L I L diL Ug dt  tx < t < Ts: van V khóa, điôt D thông uL  L 2U o diL  U o dt  Bỏ qua độ đập mạch điện áp tụ C suy dòng điện cuộn cảm iL thay đổi tuyến tính 8/28/2014 17 7.3 Các biến đổi nguồn DC-DC 7.3.3 BBD DC-DC tăng-giảm áp (Buck-Boost)  Trong chế độ xác lập giá trị trung bình điện áp cuộn cảm phải Phần diện tích bôi đen đồ thị dạng điện áp cuộn cảm phần dương phải phần âm Lưu ý điện áp đầu ta có cực tính âm so với Ug  Theo đồ thị dạng điện áp cuộn cảm: T t Ts  s x U L   uL dt    U g dt   U o dt  Ts Ts  tx   U g t x  U o Ts  t x    Ts   Từ suy ra: U o  8/28/2014 tx Ug Ts  t x  Dòng điện qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính nên: I  Ug L t x  I max  Độ đập mạch dòng điện: I  I max  I  Ug L tx  Biểu diễn mối quan hệ qua D=tx/Ts (0 < D < 1), gọi hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio) hay hệ số điều chế: D Uo  Ug , 1 D Ug U DTs  o 1  D  Ts I  L L  Với Buck-Boost Converter Uo >< Ug 18 28/08/2014 7.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC 7.4.1 Thiết kế Buck Converter  Hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio)  Thông thường ΔiL=(10 – 30)%IL  Nhiệm vụ thiết kế: t D x Ts  Xác định tham số mạch,  Tần số làm việc fs=1/Ts Thông thường fs cỡ vài chục đến vài trăm kHz Ts gọi tần số trích mẫu  Thiết kế theo yêu cầu cho trước:  Điện áp đầu vào, đầu ra: Uin, Uo  Dòng đầu định mức: Io  Độ đập mạch điện áp đầu ra: Δuo Thông thường Δuo =(0,1 – 1)%Uo  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm giá trị điện cảm L, tụ C  Xác định dòng đỉnh (Ipeak) qua van, điôt  Xác định dòng trung bình qua van điôt để tính toán chế độ nhiệt  Tính toán hiệu suất BBĐ  Tính toán giá thành sản phẩm  Thiết kế mạch vòng điều chỉnh dòng điện, điện áp  Mô hình hóa BBĐ  Mô hình tín hiệu lớn  Mô hình tín hiệu nhỏ  Tổng hợp mạch vòng 8/28/2014 19 7.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC 7.4.1 Thiết kế Buck Converter  Hệ số điều chế: D  tx ton  ; Ts ton  toff ton  DTs ; toff  1  D  Ts  Đồ thị để tính toán gần độ đập mạch dòng điện điện áp t x  Điện áp đầu ra: U o  T U in  DU in  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm: ton U in  U o  L DTs U in  U o   L iL   Trong Buck Converter dòng trung bình qua cuộn cảm dòng tải yêu cầu IL=Io  8/28/2014  Khi dòng iL>IL tụ nạp Khi iL[...]... sóng dòng điện, điện áp  Sơ đồ nguyên lý  Cả phía sơ cấp và thứ cấp biến áp đều có điểm giữa Phù hợp với công suất nhỏ, vài W  Q1, Q2 là MOSFET nên sụt áp trên nó rất nhỏ  Phù hợp với ứng dụng điện áp thấp, dòng lớn 8/28/2014 32 16 28/08/2014 7.6 Các BBD cộng hưởng 7.6.1 Sơ đồ nguyên lý chung  Sơ đồ nguyên lý chung gồm 4      phần: 1 Mạch van đóng cắt, biến điện áp một chiều thành điện áp xoay... D2Ts D1 D3 D3Ts D3 28 14 28/08/2014 7.5 BBD DC-DC cách ly 7.5.3 Full bridge Converter  Các sơ đồ Flayback, Forward là các sơ đồ một nhịp, chỉ dùng cho công suất nhỏ, dưới 150 W  Khi công suất yêu cầu cỡ 1000 – 1500 W phải dùng sơ đồ cầu U  Dải công suất cỡ 150 – 300 có thể dùng sơ đồ nửa cầu  Theo sơ đồ: Sơ đồ nguyên lý D1 G G Q1 D5iD5(t) D3 1:n L i1(t) Q3 i(t) uo C R g  Từ 0 đến tx