báo cáo bộ biến đổi tĩnh
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH Nhóm GV: Phan Quốc Dũng Sinh viên TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2018 MỤC LỤC Đề : Thiết kế nguồn DC/DC synchronous Buck với điện áp ngõ vào Vs từ 25->50V, điện áp ngõ Vo=15V, dòng ngõ Io=3A, tần số đóng cắt fsw=60kHz Hiệu suất yêu cầu lớn 90% với tải cực đại phạm vi thay đổi phạm vi áp nguồn Vs_min->Vs_max Vin 25-50V I Vo 15V Io 3A fsw 60KHz h 90% THIẾT KẾ: Giả sử điện áp rơi Switch 0V ( trường hợp lý tưởng) Gọi chu kỳ làm việc Trường hợp xấu thiết kế cuộn cảm Buck Ta có: r= ∆I L IL Ở đây, ta sử dụng giá trị ban đầu cho r ước lượng , chuẩn cho , tương ứng với giá trị: =0.4 Chọn giá trị Tại , ta có: 1) Chọn FET: Xét FET hoạt động 100°C Ta chọn FET : Hình 1.1 Control FET, Synchronous FET: SI7308DN hãng Vishay Channel VDS RDS (1000C) IMAX (1000C) N 60V 0.087 6A Hình 1.2 Đường đặc tuyến Dựa đường đặc tuyến, ta có : RDS=0.058, hệ số 1000C 1.5 Hình 1.3 Đồ thị dòng Dựa theo đồ thị, ta thấy : Tại 1000C, I=6A 2) Tổn hao dẫn FETs: Đối với FET điều khiển(FET 1): Tổn hao dẫn FET 1: Với trường hợp : Đối với FET đồng (FET 2): Tổn hao dẫn FET ứng với Vinmin: Tổn hao dẫn FET ứng với Vinmax: Tổng tổn hao FET: 3) FET Switching loss: Ta bỏ qua tổn hao FET Switching losses nhỏ nhiều so với FET conduction losses, pSIM khơng có tổn hao Switching 4) Tổn hao cuộn cảm: Chọn cuộn cảm 1415440C hãng Murata, có thơng số sau: Hình 4.1 Thơng số cuộn cảm Do tổn hao lõi sắt bé so với tổn hao đồng cuộn cảm nên: Bỏ qua tổn hao lõi, tính tổn hao đồng cuộn cảm I L_RMS = I L_DC = I O = 3A Giả thuyết dòng tải liên tục, ta xem PL = PCu = I O × DCR=9 × 0.069=0.621W 5) Chọn tụ tổn hao tụ: Cho độ nhấp nhô điện áp ngõ 1% ∆V = 15 × 0.01 = 0.15V CMIN = rMAX × I O 0.389 ì = = 16.21à F × f × ∆V × 60 × 103 × 0.15 C = 22 µ F Chọn ESRC MAX = Chọn ∆V 0.15 = = 0.129Ω I O × rMAX × 0.389 ESR = 0.1Ω rMIN 0.222 = 3× = 0.192 A 12 12 r 0.389 = I O × MAX = × = 0.337 A 12 12 I C_RMS_VINMIN = I O × I C_RMS_VINMAX PC_VINMIN = I C2 _ RMS _ VINMIN × ESR = 0.004W PC_VINMAX = I C2 _ RMS _ VINMAX × ESR = 0.011W 6) Tính tổng tổn hao hiệu suất: Tổng tổn hao ứng với Vin_min Vin_max : PLOSS_MIN = PFET_VINMIN + PL + PC_VINMIN = 0.786 + 0.621 + 0.004 = 1.411W PLOSS_MAX = PFET_VINMAX + PL + PC_VINMAX = 0.793 + 0.621 + 0.011 = 1.425W Hiệu suất : hVINMIN = PO 15 × = = 96.96% PO + PLOSS _ MIN 15 × + 1.411 hVINMAX = PO 15 × = = 96.93% PO + PLOSS _ MAX 15 × + 1.425 DVINMIN = VO 15 = = 0.619 VINMIN × hVINMIN 25 × 0.9696 DVINMAX = VO 15 = = 0.31 VINMAX × hVINMAX 50 × 0.9693 II MƠ PHỎNG TRÊN PSIM : Sơ đồ mơ phỏng: Hình 2.1.1 Sơ đồ mô PSIM Sau chạy mô phỏng, ta có kết sau: - TH1: Vi=25 Ngõ Điện áp ngõ Vo, dòng ngõ Io Vo Trị trung bình Max Min Độ nhấp nhơ điện áp Độ nhấp nhơ dòng 15.111 15.156 15.077 0.5% Io 3.022 3.031 3.015 0.5% Thỏa yêu cầu thiết kế áp dòng Sai lệch kết làm tròn bước tính tốn Dòng qua FETs Dòng qua Control FET Synchronous FET IctrlFET Trị trung bình Trị hiệu dụng Max 1.814 2.346 3.326 IsyncFET 1.208 1.915 3.345 FET chịu dòng Max Cơng suất tổn hao: 0.798W Dòng qua cuộn cảm Dòng qua cuộn cảm IL IL Trị trung bình Trị hiệu dụng Max Min Độ nhấp nhơ dòng r 3.022 3.028 3.345 2.698 21.4% Công suất tổn hao cuộn dây: 0.63W 10 Dòng qua tụ điện Dòng qua tụ Ic Ic Trị trung bình Trị hiệu dụng 0.184 Công suất tổn hao tụ: 0.003W h= Hiệu suất PO 15.111 × 3.022 = = 96.96% PO + Ploss 15.111 × 3.022 + 0.798 + 0.63 + 0.003 Đúng với tính tốn thiết kế 11 - TH1: Vi=50 Ngõ Điện áp ngõ Vo, dòng ngõ Io Vo Trị trung bình Max Min Độ nhấp nhô điện áp Độ nhấp nhô dòng 15.119 15.179 15.031 1% Io 3.024 3.036 3.006 1% Thỏa yêu cầu thiết kế áp dòng Sai lệch kết làm tròn tính tốn 12 Dòng qua FETs Dòng qua Control FET Synchronous FET IctrlFET Trị trung bình Trị hiệu dụng Max 0.913 1.677 3.578 IsyncFET 2.106 2.534 3.59 FET chịu dòng Max Cơng suất tổn hao: 0.803W 13 Dòng qua cuộn cảm Dòng qua cuộn cảm IL IL Trị trung bình Trị hiệu dụng Max Min Độ nhấp nhơ dòng r 3.019 3.038 3.59 2.43 38.7% Cơng suất tổn hao cuộn dây: 0.637W 14 Dòng qua tụ điện Dòng qua tụ Ic Ic Trị trung bình Trị hiệu dụng 0.334 Công suất tổn hao tụ: 0.011W h= Hiệu suất PO 15.119 × 3.024 = = 96.92% PO + Ploss 15.119 × 3.024 + 0.803 + 0.637 + 0.011 Đúng với tính tốn thiết kế III MÔ PHỎNG TRÊN ESIM : IV KẾT LUẬN : Từ sơ đồ mô phỏng, ta thấy thiết kế thỏa mãn yêu cầu đặt nguồn DC/DC synchronous Buck hiệu suất lớn 90% với tải cực đại phạm vi Vin_max-> Vin_min Cả trường hợp Vin_max Vin_min cho hiệu suất tương đối cao (96%) nói lên tính hợp lý việc loại bỏ tổn hao nhỏ FET Switching losses tổn hao lõi sắt cuộn cảm Việc sử dụng FET thay cho Diode DC/DC synchronous Buck giảm loại bỏ hiệu Diode gây 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Switching Power Supplies A-Z, Sanjaya Manitala 16 ... dòng ngõ Io=3A, tần số đóng cắt fsw=60kHz Hiệu suất yêu cầu lớn 90% với tải cực đại phạm vi thay đổi phạm vi áp nguồn Vs_min->Vs_max Vin 25-50V I Vo 15V Io 3A fsw 60KHz h 90% THIẾT KẾ: Giả sử điện