Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi buck

I ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -***** - SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ II ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -***** - SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: TNU 108625270033 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Cương Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ III ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc Thuyết minh LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Học viên : SONEXAY PHANTHAVONG Lớp : Cao học - K13 KTĐT Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Ngƣời HD khoa học : TS Nguyễn Duy Cƣơng Ngày giao đề tài : 02 tháng 01 năm 2012 Ngày hoàn thành : 30 tháng 11 năm 2012 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC VIÊN HỌC SONEXAY PHANTHAVONG TS Nguyễn Duy Cƣơng BAN GIÁM HIỆU Số hóa trung tâm học liệu KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc.tnu.edu.vn/ IV LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài nghiên cứu riêng Ngoài tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn, số liệu tính toán thiết kế kết mô luận văn trung thực, không trùng lặp chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu khác Thái Nguyên, ngày 11 tháng 03 năm 2013 Tác giả luận văn SONEXAY PHANTHAVONG Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ V MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X LỜI NÓI ĐẦU XI MỞ ĐẦU .13 CHƢƠNG I GIỚI THIỆU 15 1.1 Giới thiệu 15 1.2 Kỹ thuật chuyển mạch .16 1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC 18 1.3.1 Giới thiệu 18 1.3.2 Bộ nguồn SMPS 19 1.3.3 Phân loại chuyển đổi DC 20 1.3.4 Lý sử dụng chuyển đổi Buck 21 CHƢƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21 2.1 Nguyên lý chuyển đổi Buck .22 2.1.1 Sự phát triển mạch chuyển đổi Buck 22 2.1.2 Mục đích thành phần khác chuyển đổi Buck 25 2.1.3 Các trạng thái hoạt động 29 2.1.4 Mạch chuyển đổi Buck đồng 31 2.2 Tính toán thiết kế chuyển đổi Buck thực tế 34 2.2.1 Tính toán tần số chuyển mạch 34 2.2.3 Tính toán cho Tụ 38 2.2.4 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung 40 2.2.6 Tuyến tính hóa mô hình trạng thái 44 2.2.7 Tiêu chuẩn ổn định 51 2.2.8 Mạch bù 53 2.2.9 Điều khiển truyền thẳng 59 2.2.10 Điều khiển chế độ điện áp/dòng điện 59 CHƢƠNG III THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 62 3.1 Thông số ban đầu 63 3.2 Tham số đầu vào 63 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VI 3.3 Sơ đồ chuyển đổi Buck 63 3.4 Tính toán tham số 64 3.5 Đánh giá 68 3.5.1 Tải lớn 68 3.5.2 Tải thay đổi 69 3.5.3 Hiệu suất 69 3.5.4 Tiết diện linh kiện bán dẫn 69 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BJT Bipolar Junction Transistor CCM Continuous Conduction Mode CMC Current Mode Control CMOS Complementary MOS DC Direct Current DCM Discontinuous Conduction Mode DCR Direct Current Resistance ESL Equivalent Series Inductance ESR Equivalent Series Resistance MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor NFET Negative Channel Field Effect Transistor PDA Personal Digital Assistants PFM Pulse Frequency Modulation PWM Pulse Width Modulation SMPS Switch Mode Power Supplies SRBC Synchronous Rectifier Buck Converter VLSI Very Large Scale Integration VMC Voltage Mode Control Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Stt Trang Hinh 1.1 Mối liên hệ điện tử, công suất, điều khiển Hình 1.2 Lƣu đồ hệ thống nguồn chiều Hình 1.3 Bộ nguồn tuyến tính 4 Hình 1.4 Bộ nguồn chuyển mạch 5 Hình 1.5 Sơ đồ khối nguồn chuyển mạch Hình 1.6 Vị trí chuyển đổi Buck hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát nguồn chuyển mạch 10 Hình 2.2 Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực tiếp điểm với tải điện trở 11 Hình 2.3 Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm 11 10 Hình 2.4 Mạch điện lắp mạch lọc LC 12 11 Hình 2.5 Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở 12 12 Hình 2.6 Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp 12 13 Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát chuyển đổi BUCK 17 14 Hình 2.8 Trạng thái ON 18 15 Hình 2.9 Trạng thái OFF 18 16 Hình 2.10 Chế độ liên tục không liên tục 19 17 Hình 2.11 Chuyển mạch bù 20 18 Hình 2.12 Trạng thái ON/OFF chuyển mạch 23 19 Hình 2.13 Dòng điện qua cuộn cảm 25 20 Hình 2.14 Nguồn dòng 26 21 Hình 2.15 Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng 26 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ IX 22 Hình 2.16 Độ gợn sóng điện áp chuyển đổi bƣớc 27 23 Hình 2.17 Tín hiệu PWM 29 24 Hình 2.18 Bộ so sánh sử dụng điện áp chuẩn 29 25 Hình 2.19 Tín hiệu so sánh điều chế độ rộng xung 30 26 Hình 2.20 Hệ thống điều khiển phản hồi 31 27 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa 32 28 Hình 2.22 Mạch chuyển đổi Buck 35 29 Hình 2.23 Chuyển đổi Buck (a) on; (b) off 35 30 Hình 2.24 Hệ số khuếch đại vòng hở 38 31 Hình 2.25 Điều chế độ rộng xung 38 32 Hình 2.26 Định nghĩa tần số cắt, biên hệ số khuếch đại, biên hệ số pha 41 33 Hình 2.27 Mạch khuếch đại vi sai có bù 41 34 Hình 2.28 Mạch bù loại I 43 35 Hình 2.29 Mạch bù loại II 43 36 Hình 2.30 Đặc điểm mạng bù loại II 44 37 Hình 2.31 Mạch bù loại III 46 38 Hình 2.32 Đặc điểm mạng bù loại III 46 39 Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp 48 40 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện 49 41 Hình 3.1 Sơ đồ chuyển đổi Buck 52 42 Hình 3.2 Đồ thị Bode chuyển đổi Buck 53 43 Hình 3.3 Đồ thị Bode cho mạch bù loại III 54 44 Hình 3.4 Đồ thị Bode cho chuyển đổi Buck mạch vòng hở 54 45 Hình 3.5 Chuyển tải từ 5Ω lên 19Ω 57 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Tên bảng biểu Stt Trang ng 1.1 So sánh nguồn tuyến tính nguồn chuyển mạch 2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp chế độ điều khiển dòng điện 50 3.1: Thông số kỹ thuật chuyển đổi Buck thiết kế 51 Bảng 3.2: Thông số đƣợc tính toán 53 Bảng 3.3: Kết 55 Bảng 3.4: Kết với RL= 5Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩ 55 Bảng 3.5: Kết với RL= 19Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩV 56 Bảng 3.6: Kết với ESR = 30E-3, DCR = 1, R1= 60 kΩC 56 Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn 57 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ XI LỜI NÓI ĐẦU Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi thiết bị điện tử Trong thiết bị điện tử có nhiều mức nguồn cấp khác Để chuyển đổi thành điện áp chiều này, chuyển đổi Buck đƣợc sử dụng Luận văn nghiên cứu mối liên quan đặc biệt SMPS với chuyển đổi chỉnh lƣu đồng Buck (SRBC Synchronous Rectifier Buck Converter), đồng thời tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế chuyển đổi Buck cho ứng dụng khác Đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Duy Cƣơng thầy cô giáo giảng dạy môn học khác, hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học “Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi Buck” với nội dung nhƣ sau: Chương 1: Giới thiệu – Tìm hiểu sơ lƣợc nguồn chiều sử dụng kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật chuyển mạch chuyển đổi nguồn DC-DC Chương 2: Nguyên lý hoạt động chuyển đổi Buck – Tìm hiểu chuyển đổi Buck Phân tích đặc điểm chuyển đổi Buck, tìm hiểu phƣơng thức tính toán thiết kế thông số nhƣ đánh giá độ ổn định chuyển đổi Chương 3: Thiết kế chuyển đổi Buck – Thực thiết kế chuyển đổi Buck thực tế, mô họat động với điều kiện cụ thể, đánh giá độ ổn định thiết kế Do đề tài đƣợc hòan thành với thời gian ngắn, điều kiện để tiếp cận nhƣ lực thân hạn chế nên luận văn tránh khỏi thiết sót Rất mong thầy cô giáo bạn đọc góp ý để đề tài đƣợc hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn Thái Nguyên, ngày 15 tháng năm 2013 Người thực Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... thuật chuyển mạch, các kỹ thuật chuyển mạch và bộ chuyển đổi nguồn DC-DC Chương 2: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi Buck – Tìm hiểu về bộ chuyển đổi Buck Phân tích các đặc điểm của bộ chuyển đổi Buck, tìm hiểu phƣơng thức tính toán thiết kế các thông số cũng nhƣ đánh giá độ ổn định của bộ chuyển đổi Chương 3: Thiết kế bộ chuyển đổi Buck – Thực hiện thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế, mô phỏng họat... Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị điện tử Trong một thiết bị điện tử có thể có nhiều mức nguồn cấp khác nhau Để chuyển đổi thành các điện áp một chiều này, bộ chuyển đổi Buck đƣợc sử dụng Luận văn này nghiên cứu mối liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lƣu đồng bộ Buck (SRBC Synchronous Rectifier Buck. .. trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ chuyển đổi Buck cho các ứng dụng khác nhau Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cƣơng cùng các thầy cô giáo giảng dạy các môn học khác, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck với các nội dung chính nhƣ sau: Chương 1: Giới thiệu – Tìm hiểu sơ lƣợc về bộ nguồn một chiều sử dụng kỹ thuật chuyển. .. thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế, mô phỏng họat động với các điều kiện cụ thể, đánh giá độ ổn định của thiết kế Do đề tài đƣợc hòan thành với thời gian ngắn, điều kiện để tiếp cận cũng nhƣ năng lực của bản thân còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi các thiết sót Rất mong các thầy cô giáo và bạn đọc góp ý để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn Thái Nguyên, ngày 15 tháng 3 năm