Bài giảng môn học Điện tử công suất và ứng dụng: Chương 4 - ĐH Bách khoa TP. Hồ Chí Minh

Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 4: Bộ biến đổi áp một chiều cung cấp cho người học các kiến thức: Bộ biến đổi áp một chiều dạng forward tải RLE, khảo sát biển đổi áp một chiều dạng Flyback, sơ đồ điều khiển bộ biến đổi áp một chiều,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi

4.1 BBĐ áp một chiều dạng forward tải RLE:

4.1.1 Khảo sát sơ đồ làm việc 1 phần tư mặt phẳng tải

4.1.2 Khảo sát sơ đồ làm việc 2 và 4 phần tư mặt phẳng tải

4.1.3 Mạch phát xung và lái BBĐ

4.1.4 Mạch lọc ngỏ ra

4.2 Khảo sát BBĐ áp một chiều dạng Flyback

4.3 Sơ đồ điều khiển BBĐ áp một chiều

4.3.3 PWM loại dòng điện

4.4 Mạch cải thiện HSCS của bộ chỉnh lưu diod

4.5 Ứng dụng

Đọc thêm 6 tiết, bài tập 2

2 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi

Bộ biến đổi (BBĐ) áp một chiều

Còn được gọi là bộ băm điện áp (hacheur hay chopper)

Dạng áp ra bao gồm: T: chu kỳ

U on

T

t

BBĐ Áp Một chiều

Nguyên lý hoạt động BBĐA1C

Các nguyên lý điều khiển:

- Điều chế độ rộng xung (PWM : Pulse – Width – Modulation):

T không đổi, thời gian đóng điện ton thay đổi

α = ton/T gọi là độ rộng xung tương đối

- Điều chế tần số khi ton không đổi, chu kỳ T thay đổi

- Điều khiển hổn hợp, khi cả T và ton đều thay đổi

Trang 2

IV.1 BBĐ ÁP MỘT CHIỀU DẠNG FORWARD TẢI RLE:

1 Khái niệm về mặt phẳng tải:

là tập hợp các điểm làm việc của BBĐ,

hai trục tọa độ là (I o , U o ),

gồm 4 phần tư như ở hình IV.1.1 phần tư

thứ 4

Io >0; Uo<0

phần tư thứ II

Uo >0, Io <0

phần tư thứ I

Uo, Io, >0 phần tư

thứ III

Uo, Io <0

U

I

Ví dụ: Bộ chỉnh lưu diod chỉ có thể làm việc ở phần tư thứ I hay III

U

R

o

D

i

S

L +

E _

U

_ D2

+

D1

o i

S1

u i

S1 +

S4

S3

U

S2 _

o

D3

D4

D1

D2

o

(a) (b) (c )

Hình IV1.2: Sơ đồ các bộ biến đổi (a) một phần tư; (b) hai phần tư; (c) bốn phần tư

2 Khảo sát bộ biến đổi làm việc một phần tư mặt phẳng tải:

U

R

o

D

i

S

L +

E _

Xét chu kỳ tựa xác lập:

+ Tại t = 0, S1 đóng Phương trình vi phân mô tả hệ thống:

0 với điều kiện đầu min

o

di

dt

Giải ra : ( ) 1 ( 1 ) t với 1

τ : thời hằng điện từ, Ixl1 : dòng qua mạch khi xác lập ( t Ỉ ∞ )

+ Khi t > t on, S1 ngắt Dòng tải khép mạch qua diod phóng điện D2, suy ra: Trung bình áp ra: on ,với on

o

I R

−

Trang 3

U

R

o

D

i

S

L +

E _

Phương trình vi phân mô tả hệ thống khi chọn lại gốc thời gian:

max

) (

E L

2 xl /

t max 2

xl 2 x

i = − − − τvới = − <IV.1.5>

Và ( ) ( ) (T t )/ min

max 2 xl 2 xl on

i − = − − − − on τ = <IV.1.6>

<IV.1.3> và <IV.1.6> => Imax, Imin

−

Tính gần đúng: Khi T << τ , thay các đại lượng tức thời giá trị trung bình:

o

di

dt = − + = − = −α Từ đó tích phân để có:

cho i O thay đổi theo đường thẳng, ta có:

trị trung bình dòng

2

max min o

I

R

α

= = <IV.1.9>

và nhấp nhô dòng I I max I min UT(1 )

Δ = − = − <IV.1.10>

giá trị này cực đại khi 1

2 , lúc đó I UT 4

L

α = Δ = <IV.1.11>

Từ các giá trị của I max , I min chính xác, có thể tính lại nhấp nhô dòng gần đúng khi lưu ý: e−x = 1 − x + x22!

1

T

τ

−

Trang 4

TRƯỜNG HỢP DÒNG GIÁN ĐOẠN:

I min = Io – ΔI/2 > 0: Io < ΔI/2

dòng điện sẽ gián đoạn

Kết quả: i O = 0, u O = E => Uo tăng:

1

= ⎣ + − ⎦ <IV.1.12>

với t x: khoảng thời gian có dòng

Hình IV.1.4: Dạng sóng với chu kỳ giả định t X

tính t x : áp dụng <4.7> đến <4.10> cho chu kỳ giả định bằng t x và I min = 0:

1

I

+ và

on

t t

+

=

+ <IV.1.13>

Điều kiện để dòng gián đoạn: chu kỳ T ≥ t x

Ví dụ 4.1: a Tính các thông số và vẽ dạng dòng áp trên tải của BBĐ áp làm việc1/4 mp tải U = 100 V, T = 100 microgiây, tON = 30 microgiây, R = 5 ohm,L = 0.01 henry, E = 20V

Giả sử dòng liên tục: α = 30/100 = 0.3, suy ra:

ΔI = (100*30*10-6*(1-0.3))/(1*10-3)= 0.21A

Uo = 100.(30/100)= 30 volt; Io = (30 – 20)/5 = 2 A

Imax = Io + ΔI/2 = 2.105 A

Imin = Io – ΔI/2 = 1.895 A > 0 , giả thuyết dòng liên tục là đúng

- Kiểm tra lại bằng công thức chính xác

- Kiểm tra các thời hằng: T = 100 E-6 << τ = 0.002 giây phù hơp với giả thuyết

b Tính giá trị E để dòng trở nên gián đoạn

xảy ra khi Imin = 0 và Io = ΔI/2 = 0.105 A

<IV.1.9> cho ta : E = αU – R.Io = 30 – 5*0.105 = 29.475 volt

Kiểm tra lại, thế giá trị E này vào <IV.1.13>, t x = 100 micro giây = T Vậy khi E > 29.475 volt thì t x < 100 micro giây và dòng bắt đầu gián đoạn

Trang 5

3 Khảo sát bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II:

U

_ D2

+

D1

o i

S1

Khi i o đão chiều được, không có chế

độ dòng gián đoạn

Các công thức như cũ:

Hình IV.1.6: Các trường hợp dòng điện của BBĐ làm việc nhiều hơn ¼ mặt phẳng tải

on o

t U

⋅

o

I R

−

i o >> 0 : S1, D2 dẫn điện

i o << 0 : S2, D1 dẫn điện

i o quanh zero: cả 4 ngắt điện đều làm việc

Ví dụ 4.2: Khảo sát BBĐ áp một chiều hình IV.1.2 (b) vói nguồn U = 100 volt, sức

điện động tải E = 40 volt, R = 5 ohm, L = 1 mH, T = 100 micro giây Vẽ dạng dòng ra trong các trường hợp độ rộng xung tương đối α lần lượt là 0.5; 0.3; 0.2

Ví dụ 4.2: Sơ đồ BBĐ bao gồm D1 và S2 (hình IV.1.7 dùng để chuyển năng lượng từ tải E về nguồn một chiều U có điện áp cao hơn nó còn gọi là BBĐ tăng áp (trường hợp (c ) của hình II.1.6)

4 Khảo sát bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải:

Hình IV.1.7: BBĐ tăng áp

u i

S1 +

S4

S3

U

S2 _

o

D3

D4

D1

D2

o

Trang 6

11 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

sơ đồ cầu (cầu H) sơ đồ hai nguồn

BẢNG TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CẦU (hình IV.3.1c)

STT Cách điều khiển Phần tư làm

việc

Đặc điểm

1 Điều rộng xung 1S =S4 =S3 =S2 4 phần tư, thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp

nhô dòng cao ; lưu ý trùng dẫn

2 Điều rộng xung S1, S4 cho áp ra > 0,

Điều rộng xung S2, S3 cho áp ra < 0

I , hay III

Điều khiển đơn giản; ít tổn hao;

không thể trùng dẫn; không đảo chiều dòng tải được

3 Điều rộng xung 1S =S2 cho điều

khiển áp,

S =S để chọn chiều áp

I, II hay III, IV

đảo chiều áp ra cần thay đổi luật điều khiển; ít tổn hao; lưu ý trùng dẫn

4 Điều rộng xung 1S =S S2, 4 =S3

Và 1S =S wt4( −π)

4 phần tư, thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp

nhô dòng thấp; lưu ý trùng dẫn;

điều khiển phức tạp

Chia làm hai nhóm:

- Điều khiển hoàn toàn: 1, 4

- Điều khiển không hoàn toàn: 2, 3

Ví dụ: điều khiển S 1 = S 4 = S 2 = S 3

2 1

L <IV.1.14>

với α = t ON /T; t ON là thời gian ON của S1, S4:

O O

I R

−

,

Trang 7

Ví dụ: Đóng ngắt S1, S4:

Chỉ làm việc ở phần tư thứ I:

i o > 0 ; Uo = α.U

D3

_

+ S1

D2

S4

i Uo

(b1)

Hình IV.1.10 (a) Mạch tương đương

Bài tập: Khảo sát hoạt động của BBĐ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải, điều khiển

theo thuật toán thứ 4 trong bảng phương pháp điều khiển

5 Khảo sát sóng hài áp dòng trên tải RLE:

a Sóng hài điện áp:

Khai triển Fourier cho áp ra v O hình IV.1.3.b (trường hợp dòng liên tục):

1

2 1

1

n

U

n

π

cos

U on

T

t

b Sóng hài dòng điện tải RLE:

Sóng hài dòng điện tải RLE được tính khi áp dụng nguyên lý xếp chồng, dòng hiệu dụng của thành phần bậc n :

( )2 2

n n

U I

= +

BT: Tính mạch lọc LC ngỏ ra BBĐ khi tải R để có nhấp nhô áp cho trước: Tính bằng số: U = 24 V, f = 10 kHz, a = 0.6, R = 10 ohm và Δ U ngỏ ra yêu cầu bằng 20 mV

Trang 8

HD: chỉ tính với thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1)

IV.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK:

D

u

_

i

L

C

S2

U U

D

Io

L

i

D

n:1

i

(a)

C

i

C

(b)

u

D

L2 i

(c)

S1

L C

i

(d)

_

L

i i

C

+ S1

U

s

L2 L

C

u

+

i

u

S1

uL1

D

s

L1

Io

S1

C

C L1

+

U

i i

+

u

_

i

_

C

Hai pha hoạt động:

Ngắt điện đóng (ON): Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn Ngắt điện ngắt (OFF): Cuộn dây phóng năng lượng qua tải và nạp năng lượng vào tụ

1 Khảo sát sơ đồ căn bản:

Các giả thiết: điện áp, dòng điện đều biến thiên tuyến tính, điều kiện:

- Chu kỳ đóng ngắt T << chu kỳ cộng hưởng 2 π LC

- Tải nguồn dòng Io

Io

i

_

is

C U

+

L

u L

C

L i

u

C

Khảo sát chế độ tựa xác lập:

- Khi 0 < t < t ON : S1 đóng L nạp năng lượng từ nguồn:

Trang 9

C phóng điện qua tải:

Io

i

_

is

C U

+

L

u L

C

L

i

u

C

- Khi t > t ON : S1 ngắt, dòng qua cuộn dây phóng điện qua C và tải:

;

Gọi là trị trung bình dòng qua L, I L U C trị trung bình áp trên tải

Lấy trung bình hai vế : C ; L

1

Thế các giá trị , vào, để ý , ta nhận được:

on

α α

Trường hợp dòng gián đoạn:

t

T T

I

on

Δ

=

ta có trường hợp dòng qua L gián đoạn (hình IV.2.3):

Gọi t x là thời gian có dòng qua L:

Thời gian L nạp năng lượng vẫn như cũ:

on

U

L

Thờigian tải C xả bằng (T – t x + t on ):

o

x on

I

C

trong thời gian L phóng năng lượng

Trang 10

Δt = (t x – t on ) :

;

Hình IV.2.3: Dạng áp, dòng BBĐ hình 4.8.a dùng để tính toán hoạt động khi dòng gián đoạn

hay = Δ Δ

ΔL với

I

t như cũ và Δ = − t t tx on

Suy ra:

1

2

;

o

L I

Δ

−

<IV.2.4>

khi Io Ỉ 0 (mạch không tải) áp trên tải tăng đến vô cùng

tiếp cận trường hợp dòng gián đoạn:

Nguyên lý bảo toàn năng lượng: năng lượng cung cấp bằng tiêu thụ,

2 max

1

2

o o

L I U

I T

=> =

u

c on I

(a) u

t

I

Δ

T

c

t o

u

Δ

max

u

c1

Δ

c2

S đóng S ngắt tx

hay

2 2

2

on o

o

U t U

L I T

= <IV.2.4a> vì Imax U ton

L

Trang 11

Mô phỏng BBĐ flyback để kiểm

tra:

i

u

C

Io

i is

D

_

S1

U

C u

+

L

C

L

Mạch điện hình IV.2.1a với các

thông số: U = 20V, L = 30 uH,

C = 50 uF, T = 50 us, α = 0.3

và Io lần lượt bằng 1.2A, 2A,

3.5A, 6A ta có được các kết quả

hình IV.2.3c

Hình IV.2.3c dạng áp dòng mô phỏng dùng PSIM BBĐ flyback

Dạng áp trên tụ giống hình IV.2.3b hơn hình IV.2.3a Tụ chỉ được nạp điện khi i L > Io

Ta có chế độ biên gián đoạn ở Io = 3.5A bằng 8.57V

Khi dòng không liên tục, áp ra tăng (lần lượt bằng 25V, 15V)

2 Các sơ đồ khác: Sơ đồ ghép BA:

1 1

U

L

I

C

1 2

1

C

on on L

on

t di

L

−

C L1

L1

U

C

i

u n:1

S1

i

_

C

L2

D

u

- Ghép BA nhiều thứ cấp:

i

I

C

L

Δ =

Trung bình áp ra mỗi cuộn dây thứ cấp:

i on Ci

on

n T t

−

⎝ ⎠ <IV.2.8>

- Trung bình dòng điện của cuộn sơ cấp: L 1 i i

i on

T

n T t

= ⎜ − ⎟

⎝ ⎠∑ <IV.2.9>

L2

L1

I2 _

U

+

+ D1

_

L

+

L i

D3

+

u

D2

I1

U2

S

C1

C3

U1

C2

L3

L

Trang 12

Bài tậpï IV.2.1:

a Cho sơ đồ hình IV.2.5.(c), áp nguồn U = 260 volt, tần số đóng ngắt f = 20 KHz,

tải định mức Uo = 5 volt, Io = 5 ampe Tính các thông số mạch để nhấp nhô áp ra ΔU =

20 mV, nhấp nhô dòng qua ngắt điện ΔI bằng 50 % trị trung bình

chọn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giây

C = Io*tON/ ΔU = 5*30 E -6 / 20 E -3 = 7.5 E –3 = 7500 uF

n =(U * tON)/ [(T - tON )* Vo] = 78

IL = (Io * T)/ [(T - tON )* n] = ( 5 * 50) / [(50 – 30)*78] = 0.16 ampe

ΔI = 0.16 * 0.5 = 0.08 ampe

<IV.2.2> => L = (260 * 30 E –6) / 0.08 = 0.0975 H

Dòng cực đại qua ngắt điện S: Imax = IL + ΔI / 2 = 0.20 ampe

IV.3 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN BBĐ ÁP MỘT CHIỀU :

1 PWM (Điều rộng xung) và dùng bộ so sánh có trễ:

a Nguyên lý điều rộng xung:

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) là phương pháp biểu diễn thông

tin U đk bằng độ rộng xung α, dùng cho truyền tin hay khuếch đại

U đk > Điều rộng xung > α > BBĐ áp MC > lấy trung bình > U O

Trang 13

Nguyên lý thực hiện:

Uđk

uc Dao động tam giác

Hai tam giác Obd và Oca đồng dạng:

max

c

Trung bình áp ra: O đk

CMax

U

α

t

U

cmax

U c

on

b

t

a

U đk

d

o U 0

b Điều khiển dùng bộ so sánh có trễ:

Bộ so sánh so sánh ngỏ ra Phản hồi và tín hiệu Đặt:

Đặt > (Phản hồi + Δ) :

HT tác động ngắt điện S (đóng) để tăng ngỏ ra

Đặt < (Phản hồi – Δ) :

HT tác động ngắt điện S (ngắt) để giảm ngỏ ra.

Δ: vùng trễ, xác định thời gian đóng – ngắt + Đặt

S1

C

uo

o

D1

U

Phản hồi

L

_

[Bộ so sánh có trễ]

Bộ so sánh có trễ kết hợp mạch thay đổi độ rộng α và việc điều khiển hệ thống

Nguyên lý này còn có các tên:

- điều khiển dùng rơ le có trễ

- điều khiển theo áp (dòng) ngỏ ra

Trang 14

2 Mạch điều rộng xung loại dòng điện:

Cho phép cùng lúc thay đổi độ rộng xung α và hạn chế dòng qua ngắt điện

set set

phản hồi dòng reset

Đặt dòng reset

Dao động

lái MosFET

RS FF :

- SET: đóng ngắt điện S

- RESET: khóa ngắt điện S trong 2

trường hợp:

- độ rộng xung tối đa

- dòng phản hồi = dòng đặt

Nguyên lý thực hiện:

Dao động

Set Reset

Đặt dòng

Phản hồi dòng

Điều khiển áp

R-S F F

Q

S

Shunt

Bộ điều khiển áp cho ra tín hiệu đặt dòng để điều khiển áp ra

3 Mạch lái nửa cầu transistor:

- Là thành phần quan trọng của ĐTCS hiện đại,

- lái 2 transistor nối nguồn làm việc ngược pha

+

-V

+

-Vn

Khuếch đại

Q2 mosFET N

Khuếch đại

OPTO2

Q1 mosFET N

V

OPTO1

V1

OUT

V2

Mạch lái nửa cầu điều khiển độc lập

Q1

(c) Q2

Q1 Q2 Q1

thời gian chết

Q2

Q1 (b)

Hình IV.3.6 Tín hiệu điều khiển nửa cầu có chống trùng dẫn

(a) tín hiệu điều khiển lý thuyến (b), (c) tín hiệu điều khiển thực tế ngắt điện với thời gian chết từ 1 đến vài chục micro giây

- hiện tượng trùng dẫn: Q1 và Q2 cùng lúc dẫn điện khi ra lệnh đóng ngắt điện khi ngắt điện đang dẫn chưa tắt

Nguyên nhân: điều khiển đão pha và t off > t on Xử lý: có thời gian chết (dead time) xen kẻ giữa hai tín hiệu điều khiển đóng hai

Trang 15

Ví dụ mạch dùng BJT:

- Nhiệm vụ chống trùng dẫn do R5

phụ trách

- R4, R3 có trị số rất bé làm cho

Q1 (Q2) tắt nhanh khi Q3 (Q4) bảo hòa

- R5 có trị số khá lớn (hàng chục

kohm) làm cho các mosFET mở chậm

Mạch lái dùng vi mạch: họ vi

mạch IR21xx (International Rectifier)

R1

R4

R11

Q2

mosFET N Q5

R5 Q1 mosFET P

R9

R6

R8 R10

Q4 Q3

R2

OUT

R7

Vn

R3

IN

Mạch lái nủa cầu dùng IR2184, tự cấp điện V B

Mạch lái nửa cầu dùng IR2184

IN: ngỏ vào (logic 3 đến 5V) Deadtime 0.5 micro giây

SD (shut down) là tín hiệu cấm Dòng xung cực đại +1.8A/ – 1.4A khối bảo vệ áp nguồn thấp (UV detect) UV: under voltage

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	342,95 KB