Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC (P3)

Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC (P3) cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu bộ cấp điện DC, các bộ cấp điện DC căn bản, bộ chuyển đổi thuận, bộ chuyển đổi phản hồi, bộ chuyển đổi đẩy kéo,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o GIỚI THIỆU BỘ CẤP ðIỆN DC Các chuyển ñổi DC – DC vừa o CÁC BỘ CẤP ðIỆN DC CƠ BẢN xét có bất lợi khơng có Bộ chuyển đổi thuận: (Forward converter) lập ñiện ngõ ngõ vào Bộ chuyển ñổi phản hồi: (Flyback converter) Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo: (Push-pull converter) Do ñó nguồn cấp ñiện ngõ vào nối Bộ chuyển ñổi cầu bán cầu: (Full-bridge mass, ngõ nối mass ðể converter, half-bridge converter) lập điện thơng thường sử dụng biến Bộ chuyển ñổi cấp dòng: (Current –fed converter) 6:29 PM ghép ngõ ngõ vào 6:29 PM GIỚI THIỆU CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi thuận (Forward converter) • Bộ chuyển đổi thuận van • Sơ ñồ nguyên lý VL Trong cấp ñiện ổn áp giao hốn thường gồm có thành phần sau: • Bộ chỉnh lưu trực tiếp từ mạng điện khu vực • Bộ inverter DC – AC ghép máy biến xung • Bộ chỉnh lưu tần số cao, chuyển ñổi DC – DC 6:29 PM Ii T1 D1 IL Io Vs D2 C R S V2 = 6:29 PM n2 n V1 = Vi = Vi n1 n1 n CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận van • Nguyên tắc hoạt ñộng Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van • Ngun tắc hoạt động Khi S hở Khi S đóng VL VL Lm Ii T1 D1 Lm IL T1 Ii D1 Io Io D2 D2 Vs IL Vs C C R R IL S S 6:29 PM 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận van • Nguyên tắc hoạt ñộng Cách hoạt ñộng mạch tương tự chuyển ñổi hạ với ñiện tác ñộng vào mạch L, C diode D2 với ñiện thế: V2 = n2 n1 Vi Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van • Ngun tắc hoạt động ðể đảm bảo cho dịng iLm khơng giảm zero S hở T2 VL D3 I3 6:29 PM   = Vi D  n D1 n2 Lm n V0 = V2 D = Vi D  n1 n3 ∆V0 1− D = V0 8LCf Ii Vs IL n1 Io D2 C R S 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van • Ngun tắc hoạt động v1 = Vi Khi S đóng D3 VL n3 D1 n2 Lm Ii IL n1 Io D2 Vs D3 n  n  v = v1   = Vi   >  n1   n1   n3  n  v3 = v1   = Vi   n  1  n1  T2 I3 Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van • Ngun tắc hoạt ñộng n  n  v1 = v3   = −Vi   Khi S hở  n3   n3  C T2 VL I3 n3 D1 IL n2 Lm Ii n1 Io D2 Vs C R n  n v = v3   = −Vi  n  3  n3    v3 = −Vi R S V D = −Vi − v3 < S n  di v L = v2 − V0 = Vi   − V0 = L L dt  n1  6:29 PM v L = −V0 = L ∆iL ∆ ∆iL = V0 (1 − D) (1 − D) T = V0 L L f i1 ∆ D4 R3 D7 Nr t Sơ ñồ mạch t iD L3 Ns2 iLm ∆ is Vs2 Vdk t T Tx t0 10 Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van • Bộ chuyển đổi thuận thực tế L  + n3   + n3   < T < T ⇒ D D n  n1       CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van i • Dạng sóng DT n V0 = Vi D  n1 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN iLm − V0 ∆i L di L di ∆i L ⇒ L = = = (1 − D )T ∆t dt dt L C3 Vs1 D3 Np D1 L2 Ns1 D6 C2 R2 Vom Vdc D2 Q1 L1 R3 Nm D5 R4 C1 t R5 Vo DT DT t0 T t T t DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator EA Vref 6:29 PM 11 6:29 PM 12 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận van • Dạng sóng chuyển đổi thuận thực tế vQ1 Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận hai van • Sơ ñồ nguyên lý Áp rỉ 2Vdc D3 A2 Dạng sóng S1 Vdc A1 VDS iLx iQ1 D1 Lm N1 N2 Vs - t ID1 Vo t Lx + ID(Q1) iD1 T1 iLm t D2 C R 2Vdc Vdk Vdc S2 D4 t 13 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận hai van • Nguyên tắc hoạt ñộng Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận hai van • Ngun tắc hoạt động Khi S hở Khi S đóng D3 14 6:29 PM S1 D3 iLx T1 iLm D1 S1 T1 iLm Lx D1 iLx Lx + + Lm N1 Vs - Lm N2 N1 Vs - D2 N2 D2 C C R R S2 D4 6:29 PM D4 15 6:29 PM S2 16 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận hai van • Ngun tắc hoạt động Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận hai van • Ngun tắc hoạt động ðiện giống chuyển ñổi thuận van Nhưng lợi ñiểm chuyển ñổi thuận van ñiện transistor ngưng Vi Vi(1+n1/n3), chuyển ñổi thuận van ðiều quan trọng cho áp dụng cao + Vs1 D3 Vdc Tần số ñóng ngắt L1 Ns1 D5 D1 C1 D2 Vs2 Np D4 f VQ L2 Ns2 D6 Dạng sóng đóng ngắt Q C2 _ Q2 17 6:29 PM VG Q1 Q1,Q2 ON Q1,Q2 ON Q1,Q2 ON t 18 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển đổi thuận ghép đan xen van • Mạch thực tế Bộ chuyển đổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận ghép ñan xen van V • Dạng sóng Tần số đóng ngắt mạch thực tế V f G Vo1 D3A L1 Q1 Ns1 D1 D5A C1A Np Q1 ON Vo2 D4A L2 Ns2 V dc D5B VQ2 C1B t Q2 ON Q1 t D3B Ns1 V D2 Np (Vdc-1)(Ns1/N) Cực K D3A,B t D4B Ns2 V Q2 6:29 PM 19 (Vdc-1)(Ns2/N) Cực K D4A,B t 6:29 PM 20 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt ñộng kiểu liên tục Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Sơ đồ ngun lý • Sơ đồ ngun lý is i1 T1 D1 Vo + Vi V1 Vs - S V2 Lm iLm N1 21 6:29 PM 22 Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt động kiểu liên tục • Ngun lý hoạt động • Nguyên lý hoạt ñộng D1 n v = v1   n1 + 6:29 PM S n v = −V0 ⇒ v1 = v   n2 Khi S hở Khi S ñóng Vs - N2 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục Lm iR R 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN T1 C i2 S C  n  = Vi    n1 T1    D1  n  = −V0    n2    + Lm Vs - R n  v D = −V0 − Vi   <  n1  diLm diLm ∆i Lm ∆i Lm Vi v1 = Vi = Lm = ⇒ = = dt dt DT Lm ∆t S C R  D  n2  V0 = Vi     − D  n1  23 6:29 PM 24 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt động kiểu liên tục • Ngun lý hoạt động n v = −V0 ⇒ v1 = v   n2 Khi S hở D1 T1 • Các cơng thức tính tốn  n  = −V0    n2    I Lm ,max = I Lm + ∆iLm Vi D  n2  Vi DT   + = (1 − D )2 R  n1  2Lm I Lm ,min = I Lm − + Lm Vs - C R S   (Lm )min = (1 − D ) R  n1  2f  D  n2  V0 = Vi     − D  n1  25 26 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt động kiểu liên tục Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt động kiểu khơng liên tục iLm • Các cơng thức tính tốn ∆iLm DT  n2  6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN is ∆V0 D = V0 RCf 6:29 PM • Dạng sóng ∆iLm Vi D  n2  Vi DT   − = (1 − D )2 R  n1  Lm I Lm,max = t T t iD iLm Vi DT Lm Pi = P0 ⇒ Vi I i = V02 R DT ii t T t iC Ii = t vi VS V0 = Vi D t -Vo(N1/N2) 6:29 PM V D 2T  Vi DT  (DT )  = i   Lm  Lm T  27 6:29 PM t R TR = Vi D Lm Lm f 28 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt động kiểu khơng liên tục Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế độ hoạt động kiểu khơng liên tục • Mạch thực tế • Dạng sóng mạch thực tế Vo1 + Ip D1 Ns1 C1 Is Vom Np Vdc D2 Nsm Ro t Ton R1 Co t Q1 R2 Tr _ Tdt Vdc+(Nm/Np) Vdc DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator A2 Vref EA Vdc A1 29 6:29 PM 30 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo (Push-pull converter) Bộ chuyển đổi đẩy kéo • Ngun lý hoạt động • Sơ đồ ngun lý Np:Ns Lx iLx D1 Np:Ns + + Vp2 + Vp1 + D1 Vs2 Vx + - + VLx - + R + Vp2 Vo C + Vp1 - SW2 6:29 PM + + Vs2 Vx + Vs1 + - Vs - - SW1 Vsw - (∆iLx )sw1on - 31 6:29 PM   ns  V   −V  i  np  =   Lx    Vo - - - D2 + R C + Vsw SW1 + VLx iLx D2 - SW2 + Vs - Lx Vs1 + v p1 = Vi Khi SW1 ñóng     DT    n v s1 = Vi  s n  p     n  v s2 = Vi  s  n   p  v p = Vi v sw = 2Vi 32 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo v p = −Vi • Nguyên lý hoạt ñộng v p1 = −Vi Khi SW2 đóng Np:Ns + Vp2 + Vp1 D1 + Vs2 Vx + + VLx + R Vo C - SW1 n v s1 = −Vi  s n  p vs2 + SW2     n = −Vi  s n  p + Vp2 - n = v x − V0 = Vi  s n  p   − V0   Vs2 Vx Vs1 Vs SW1 VLx iLx - Vsw  D     − D T =   ∆V0 − 2D = V0 32 Lx Cf 34 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo Bộ chuyển ñổi đẩy kéo • Dạng sóng • Bộ chuyển đổi ñẩy kéo thực tế S1 D6 Ns2 Vs2 Vdc(Ns2/Np)(2Ton/T) Vs1 Vdc(Ns1/Np)(2Ton/T) L3 ON R3 Ns2 t DT T D5 ON T/2 C3 D4 Np1 Ns1 Vo    ns  V   −V   i  n p   V  DT −  = Lx    Lx     6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN S2 v Lx = v x − V0 = −V0 - - 33 Vo C (∆iLx )sw1, 2,off n V0 = 2Vi  s n  p vx = + R D2 + SW2 + - - v s1 = 2Vi 6:29 PM + + Lx + + + Vp1     Vsw v Lx D1 Np:Ns - D2 Vs - Khi SW1 SW2 đóng iLx - Vs1 + Lx + • Ngun lý hoạt động L2 R2 Np2 T/2+DT Ns1 t C2 D3 D2 Vdc Nm Q1 Vm Vdc(Nm/Np)(2Ton/T) L1 Q2 R4 R1 Nm D1 t iLx DT T/2 C1 R5 T/2+DTT DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator ∆iLx EA Vref t 6:29 PM 35 6:29 PM 36 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo Bộ chuyển ñổi cầu bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển đổi cầu • Sơ đồ ngun lý • Dạng sóng chuyển ñổi ñẩy kéo thực tế S t Q2,3 ON SW1 SW3 t DT Q1,4 Lx T T/2 + T/2+DT T/2 D2 t SW4 SW2 -vdc 37 6:29 PM - Vp Vs - T n V0 = 2Vi  s n  p  D   38 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi cầu bán cầu: • Bộ chuyển đổi cầu • Dạng sóng Bộ chuyển đổi cầu bán cầu: • Bộ chuyển đổi cầu • Mạch thực tế L1 S1,S2 D5 ON Q1 t S3,S4 Vo C - t - T/2+DT R Vx Np Ns DT + D1 Ns ON Vp +vdc iLx + + DT 220Vac C1 T D1 D3 A S1 D3 Vp vs T/2 C3 D1 Ns1 Cb 220Vac ON Np D6 D7 320Vdc T/2+DT Vo1 Ns1 Q3 L2 Vom B t Nsm 120Vac C2 D2 D4 C4 D4 Q4 Q2 D2 Nsm D8 T/2+DT DT T/2 t T -vs vx vs(Ns/Np) t 6:29 PM 39 6:29 PM 40 10 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi cầu bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển đổi bán cầu • Sơ đồ ngun lý Bộ chuyển ñổi cầu bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển đổi bán cầu • Dạng sóng S1 + Vs/2 ON C1 - Lx ON + D1 Ns R Vx Np T/2 Vp Vo - Vp Vs - n V = Vi  s n  p Ns + D2 Vs/2 C1 - SW2 T/2+DT  D   DT t 41 42 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi cầu bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển ñổi bán cầu • Dạng mạch thực tế Bộ chuyển đổi cấp dịng: (Current –fed converter) • Sơ đồ nguyên lý Np:Ns D3 D1 + Vp2 Lx + Ns1 Cb Np D4 D5 B 120Vac C2 Vo1 C1 S1 220Vac + Ns1 Q1 220Vac C1 D3 L2 Vo + - Vs1 + 6:29 PM D2 Vsw SW2 43 iD2 - Vs - Ns2 D6 6:29 PM + R iD1 C + Vp1 - - C2 Q2 Vs2 iLx + D2 D4 VLx Vo2 Ns2 320Vdc ix D1 L1 A t T T/2 v v s/2 x (Vs/2)(Ns/N p) 6:29 PM D2 t T/2+DT v s/2 C - D1 t T iLx + + + DT S2 SW3 SW1 - 44 11 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển ñổi cấp dịng: • Ngun lý hoạt động Bộ chuyển đổi cấp dịng: • Ngun lý hoạt động Khi SW1 ñóng SW2 hở Khi SW1 hở SW2 ñóng + + + Vp2 Lx + VLx Vs2 R iD1 Vo C iLx + + Vp1 - Vs1 + - v p1 D2 SW1    Vsw  np v sw2 = v p1 + v p = 2V0   ns    - + + Vp2 Lx + VLx VLx + Vs2 R + Vs1 + SW2 SW1 Vsw - iD2 Vsw     np v Lx = Vi − V0   ns     np v sw1 = v p1 + v p = 2V0   ns    46 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN   np v Lx = Vi (2 D − 1)T + Vi − V0   ns   ns Vi  2(1 − D )  n p v p1 + v p = t DT S2 T ON v Lx = Vi  np v Lx = Vi − V0   ns D2 V0 = 6:29 PM Vo - - Vs - SW1 ON D1 + -  np v p = V0   ns S1 C -    Bộ chuyển đổi cấp dịng: • Dạng sóng + + D2 - Khi SW1 đóng SW2 đóng + Vp1 Vo - + SW2 Bộ chuyển đổi cấp dịng: • Ngun lý hoạt động + Vp2 R  np i D = I Lx   ns C + + Vp1 - Vs - 45 iLx Vs2 iLx Vs1 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Lx + - 6:29 PM Np:Ns D1 Np:Ns     np = Vi − V0   ns v Lx = Vi − v p1 + Vs -  np = V0   ns    + - SW2  np i D1 = I Lx   ns D1 Np:Ns t iD1    t iD2   2(1 − D )T =      ix t iLx t t 47 (1-D)T 6:29 PM T 48 12 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bộ chuyển đổi cấp dịng đẩy kéo: • Mạch thực tế dạng Bộ chuyển đổi cấp dịng đẩy kéo: • Mạch thực tế dạng D3 D3 D1 D1 Ns Nls Np T2 Ns Co Np T2 Co Nlp Nlp Np Ns Np Ns Q2 D2 Vct V in D2 Vct V in Vo Nls Vo Q2 Q1 Q1 49 6:29 PM 50 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Bảng tóm tắc cấp điện Cấu hình Cð Thuận Cð phi hồi Cð ðẩy kéo Cð cầu bán ðIỀU CHẾ ðỘ Cð cầu ðại lượng V V i ∆V0 V0 Lmin 6:29 PM D 1− D  n2   n1    D RCf n   2 n D s n  p    1− D L x Cf (1 − D )2 R  n1  2f  n D   n1 (1 − D )R      n D   n  s p     n D s n  p RỘNG XUNG     − 2D 32 L x Cf 2f 51 6:29 PM 52 13 ... C + Vp1 - SW2 6:29 PM + + Vs2 Vx + Vs1 + - Vs - - SW1 Vsw - (∆iLx )sw1on - 31 6:29 PM   ns  V   −V  i  np  =   Lx    Vo - - - D2 + R C + Vsw SW1 + VLx iLx D2 - SW2 + Vs - Lx Vs1... Ns2 V dc D5B VQ2 C1B t Q2 ON Q1 t D3B Ns1 V D2 Np (Vdc-1)(Ns1/N) Cực K D3A,B t D4B Ns2 V Q2 6:29 PM 19 (Vdc-1)(Ns2/N) Cực K D4A,B t 6:29 PM 20 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ... Vdc D2 Nsm Ro t Ton R1 Co t Q1 R2 Tr _ Tdt Vdc+(Nm/Np) Vdc DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator A2 Vref EA Vdc A1 29 6:29 PM 30 6:29 PM CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN CÁC BỘ CẤP ĐIỆN