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

Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC cung cấp cho người học các kiến thức: Các bộ biến đổi dòng liên tục, mạch biến đổi giảm áp, mạch biến đổi tăng áp, mạch biến đổi tăng giảm áp. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC GIỚI THIỆU o GIỚI THIỆU • Dòng liên tục dòng cuộn cảm lúc o CÁC BỘ BIẾN ðỔI DÒNG LIÊN TỤC có trị dương tồn chu kỳ • Để có điện áp DC lớn người ta thường Mạch biến ñổi giảm áp (Buck Converter) ghép nhiều nối tiếp Mạch biến đổi tăng áp (Boost Converter) • Mạch boost converter tăng điện áp Mạch biến ñổi tăng giảm áp 11:53 AM thay viên pin 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC GIỚI THIỆU Mạch biến đổi giảm áp • Sơ đồ ngun lý L • Với hai viên pin ta dùng mạch S Boost converter tăng điện áp lên để sử + D + dụng cho xe điện hệ thống đèn C Vidc trang trí Vo R Diode Schottky - • Để có điện áp DC lớn người ta thường • Chức linh kiện: S, L, C, D1, R ghép nhiều nối tiếp • Các giả thiết phân giải: 11:53 AM 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi giảm áp • Chế độ ON Mạch biến đổi giảm áp • Chế ñộ OFF Khi bật hở, diode trở nên phân cực thuận nên dẫn, cho dịng điện cuộn cảm chạy qua hình Điện qua cuộn cảm bật hở: Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, ta có dịng điện chạy qua cuộn cảm Điện cuộn cảm bằng: Vi = VL + V0 ⇒ V L = Vi − V0 = L L S di L dt L S di L Vi − V0 = dt L + C D1 Vidc R - VL = −V0 = L di L di − V0 ⇒ L = dt dt L + C di L ∆i L ∆i L Vi − V0 = = = ∆t dt DT L V  i − V0  ⇒ (∆i L )(swon ) =   DT  L  D1 Vidc R  V  ⇒ ∆i L ( swoff ) =  − (1 − D )T  L - (1) 11:53 AM − V0 ∆i L ∆i L = = ∆t (1 − D )T L (2) 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON TOFF TON S TOFF S t vL DT t T vL Vi Vi-Vo t t -Vo -Vo iL ILmax ∆iL IL=IO iL ∆iL IL=IO ILmin ILmin t t iC iC t 11:53 AM T Vi Vi-Vo ILmax DT ∆iC t 11:53 AM ∆iC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp TON TOFF TON S TOFF S t vL DT t T vL Vi DT T Vi Vi-Vo Vi-Vo t t -Vo ILmax -Vo iL iL ILmax ∆iL IL=IO ∆iL IL=IO ILmin ILmin t t iC iC t ∆iC t 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi giảm áp • Dạng sóng TON Mạch biến đổi giảm áp Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm cuối chu kỳ giao hoán với trị số lúc bắt đầu nghĩa thay đổi tổng cộng dòng cuộn cảm chu kỳ không: TOFF t Do thay đổi tổng cộng dịng điện chạy qua cuộn cảm S đóng S hở không: ∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = DT T Vi Vi-Vo t -Vo ILmax iL (∆i L )swon + (∆i L )swoff ∆iL IL=IO =0 V   V − V0  (1) + ( 2) ⇒  i  DT −  (1 − D )T = L  L  ILmin t iC t 11:53 AM 10 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC S vL ∆iC V0 = DVi = ∆iC t on Vi ⇔ V0 < Vi T (∆i L )( swon ) =  Vi − V0  DT =  (V0 11  11:53 AM L   D ) − V0  V  DT = (1 − D )T L L  12 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi tăng áp • Sơ đồ ngun lý D1 Mạch biến đổi giảm áp • Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: IL = IR = L V0 R Diode Schottky • Dịng điện max qua cuộn cảm:  t off   (1 − D ) I max = V0  + = V0  +  Lf  R  R 2L  + +  t off   (1 − D ) I = V0  − = V0  −  Lf  R  R 2L  S Vidc C Vo R - • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: Lmin = - (1 − D ) R = (1 − D )T R 2f • Chức linh kiện: S, L, C, D1, R • Độ dợn sóng ngõ ra: ∆V0 1− D = V0 8LCf • Các giả thiết phân giải: 13 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi tăng áp • Chế độ ON Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện VL cho bởi: VL = Vi = L VL=Vi D1 Mạch biến đổi tăng áp • Chế ñộ OFF Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện cuộn cảm VL: VL = Vi − V0 = L di L di V ⇒ L = i dt dt L VL=Vi-Vo ∆i L ∆i L Vi = = ∆t DT L C S C Vidc (∆iL )swon V DT = i L ∆i L ∆i L V − V0 = = i (1 − D )T ∆t L + R - 11:53 AM diL di V − V0 ⇒ L = i dt dt L D1 + Vidc 14 11:53 AM S R - (3) 15 11:53 AM (∆iL )swoff = (Vi − V0 )(1 − D )T L (4) 16 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp TON TON TOFF S TOFF S t vL DT t T vL Vi DT T Vi t t Vi-Vo Vi-Vo iL ILmax ∆iL IL ILmin iD t iD Imax Imin ∆iL IL ILmin t Imax iL ILmax Imin t 17 11:53 AM t 18 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp TON TON TOFF S TOFF S t vL DT t T vL Vi DT T Vi t t Vi-Vo Vi-Vo iL ILmax ∆iL IL ILmin Imax Imin 11:53 AM iL ILmax ∆iL IL ILmin t iD Imax Imin t 19 11:53 AM t iD t 20 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi tăng áp • Dạng sóng TON CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến ñổi tăng áp TOFF Ở hoạt động thường trực, thay đổi tổng cộng dòng cuộn cảm phải không, theo (3) (4) ta được: S t Do thay đổi tổng cộng dịng điện chạy qua cuộn cảm S đóng S hở không: ∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = vL DT T Vi t (∆iL )swon + (∆iL )swoff Vi-Vo ILmax ∆iL IL ILmin V0 = t Imax iD t 21 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC (Vi − V0 )(1 − D )T L V   Vi − i (1 − D )T V DT 1− D  = i = L L 22 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Sơ ñồ nguyên lý Mạch biến ñổi tăng áp • Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: IL = Vi 1− D ∆i Lswoff = Imin 11:53 AM =0 V DT (Vi − V0 )(1 − D )T (3) + ( 4) ⇒ i + =0 L L iL S Vi D1 (1 − D )2 R • Dòng điện max qua cuộn cảm: Vi V DT  ∆i  = + i I max = I L +  L  2L   swon (1 − D ) R Diode Schottky + + Vi V DT  ∆i  = − i I = I L −  L  2L   swoff (1 − D ) R Vidc L C Vo R - • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: (Lf )min • Độ dợn sóng ngõ ra: 11:53 AM • Chức linh kiện: S, L, C, D1, R D(1 − D ) R D(1 − D ) R ⇒ Lmin = 2f = - ∆V0 D = V0 RCf • Các giả thiết phân giải: 23 11:53 AM 24 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Chế độ ON Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện VL cho bởi: VL = Vi = L S D1 VL = V0 = L S + ∆i L ∆i L Vi = = ∆t DT L C Vidc diL di V ⇒ L = i dt dt L Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Chế độ OFF Khi S hở, dịng cuộn cảm khơng thay đổi tức thời, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua tụ tải tạo nên điện cuộn cảm VL: di di V D1 + L R - R (∆iL )swon = Vi DT (5) - (∆iL )swoff L 25 11:53 AM = L = V0 (1 − D )T (6 ) L 26 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC 3.Dạng sóng biến đổi tăng-giảm áp 3.Dạng sóng biến đổi tăng-giảm áp TOFF TON S TOFF S t vL DT t vL T Vi DT T Vi t t Vo ILmax L dt 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC TON ⇒ ∆i L ∆i L V = = (1 − D )T L ∆t C Vidc L L dt Vo iL ILmax ∆iL IL ILmin 11:53 AM iL ∆iL IL ILmin t 27 11:53 AM t 28 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC 3.Dạng sóng biến đổi tăng-giảm áp TON 3.Dạng sóng biến đổi tăng-giảm áp TOFF TON S TOFF S t vL DT t vL T Vi DT T Vi t t Vo ILmax Vo iL ILmax ∆iL IL ILmin 29 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC TON t DT (∆i L )swon + (∆i L )swoff = V DT V0 (1 − D )T ⇒ i + =0 t Vo iL L ∆iL IL ILmin 11:53 AM 30 11:53 AM Mạch biến ñổi tăng-giảm áp Ở hoạt động thường trực, thay đổi tổng cộng dòng cuộn cảm phải không, theo (5) (6) ta được: TOFF Vi ILmax t CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC S vL ∆iL IL ILmin t Mạch biến ñổi tăng-giảm áp • Dạng sóng Tùy theo bật S đóng T hay mở cung cấp điện làm diode ngưng hay dẫn cấp dịng cho tải Do cách mắc diode nên điện V0 có trị âm Ta có mạch ∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = tương đương hình iL t 31 L Vi D  D  = −Vi   1− D 1− D  V0 (1 − D )T ∆iLswoff = L  Vi D   (1 − D )T V DT 1− D  = = i L L V0 = − 11:53 AM • Nếu D > 0,5: điện lớn điện vào • Nếu D < 0,5: điện nhỏ điện vào 32 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Bộ chuyển đổi C’uk • Sơ đồ ngun lý Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: C1 L1  Vi D    V Vi D 1− D  IL = = = Vi RD Vi RD R (1 − D) L2 + + • Dịng điện max qua cuộn cảm: I max Vi D V DT  ∆i  = IL +  L  = + i 2L   swon (1 − D ) R I Vidc Vi D V DT  ∆i  = IL −  L  = − i 2L   swoff (1 − D ) R (Lf )min = (1 − D ) R D1 R C2 - (1 − D ) ⇒ Lmin = Vo S - • Chức linh kiện: S, L1, L2, C1, • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: Diode Schottky R C2, D1, R 2f • Độ dợn sóng ngõ ra: V DT V0 D ∆V0 = = RC RCf • Các giả thiết phân giải: 33 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 34 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Bộ chuyển ñổi C’uk • Chế ñộ ON Bộ chuyển ñổi C’uk • Chế độ OFF Ta có mạch tương đương S đóng hình Ta có mạch tương đương S đóng hình Điện trung bình tụ C1 tính theo định Điện trung bình tụ C1 tính theo định luật Kirchhoff điện luật Kirchhoff điện Trị số điện trung bình qua cuộn cảm khơng Trị số điện trung bình qua cuộn cảm không chế độ thường trực chế độ thường trực Vc1 = Vi − V0 (ic1 )swon = − I L 11:53 AM L1 iC1=-iL2 L2 Vc1 = Vi − V0 + C2 Vs D1 (ic1 )swoff S R 35 11:53 AM L2 + C2 Vs = I L1 iC1=iL1 L1 S D1 R 36 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Bộ chuyển đổi C’uk Bộ chuyển đổi C’uk • Lưu ý linh kiện L2, C2 R có cấu chuyển đổi hạ dòng qua cuộn cảm có dạng với chuyển đổi hạ Do đó, độ dợn sóng thay đổi điện với chuyển đổi hạ : Công suất hấp thụ tải với công suất cấp điện: [(i ) ]DT + [(i ) c1 swon c1 swoff ](1 − D)T = − I L DT + I L1 (1 − D )T = ⇒ Pi = P0 ⇒ Vi I L1 = −V0 I L • Nếu D > 0,5: điện I L1 D = I L2 − D I − V0 ⇒ L1 = I L2 Vi lớn điện vào ∆V0 1− D = V0 L2 C f • Nếu D < 0,5: điện • Độ dợn sóng ngõ C1: nhỏ điện vào ∆vc1 ≈  D  V0 = −Vi   1− D  37 11:53 AM VD Vi  D  T I   HAY ∆v c1 ≈ I L1dt = L1 (1 − D )T = C1 ∫DT C1 RC1 f  − D  RC1 f 38 11:53 AM CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC Bộ chuyển ñổi C’uk: Mạch băm xung áp dùng SCR: • Sự tăng giảm dịng qua cuộn cảm tính cách xem điện cuộn cảm bật S đóng: v L1 = Vi = L1 T C + • Dịng điện iL2 là: - D Gn E Dr TAI R Dr L - di L dt ∆i L = Tn E • Điện qua L2 bật S đóng: v L = V0 + (Vi − V0 ) = Vi = L2 S + V DT Vi D ∆i L1 Vi = ⇒ ∆i L1 = i = DT L1 L1 L1 f di L1 dt G Vi DT Vi D = L2 L2 f Trạng thái ban đầu : T Tn bị khoá, tụ điện C nạp điện, cực dương phía bên ghi Hình • Với dòng liên tục cuộn cảm, dòng trung bình phải lớn 1/2 thay đổi dịng Ta có trị số cực tiểu cuộn cảm: L = (1 − D ) R L = (1 − D)R 1, 11:53 AM Df , 2f 39 11:53 AM 40 10 ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC Mạch băm xung áp dùng SCR: T T C + Tn E - Gn Dr D Mạch băm xung áp dùng SCR: G TAI L Cho xung điều khiển kích mở T SCR mở cho dòng điện chạy qua, tức S đóng kín mạch C + Tn E - Dòng điện từ nguồn E chạy qua T, qua tải trở nguồn Đồng thời tụ điện C phóng điện theo mạch C-T-L-D-C nạp ngược lại Điện áp tải Vo = E D Gn Dr L TAI Nếu cho xung kích mở Tn, SCR mở, đặt điện áp hai cực tụ điện C lên T khiến T bị khoá lại S hở mạch, Vo=0 Gọi T chu kỳ băm : T = T1 + T2 T1 =DT :là thời gian S đóng mạch T2 = T – T1 : thời gian S mở mạch D = T1/ T : tỉ số chu kỳ 41 11:53 AM G 42 11:53 AM ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC Mạch băm xung áp dùng SCR: Mạch băm xung áp dùng SCR: Thơng thường mạch tải có chứa điện cảm L Điện Vo io I I1 E io I2 cảm tích tụ lượng điện từ W= Lio dịng io tăng thường dùng diode hồn lượng t Vo = T DT ∫ Edt = DE T1 T2 Dr, đấu song song ngược với mạch tải để tạo T đường phóng điện cho khối lượng điện từ nói Như vậy, cách làm biến đổi tỉ số chu kỳ D (trong giữ cho chu kỳ băm T = const ) điều chỉnh trị trung bình điện áp đặt tải trên, dòng io suy giảm Lúc đầu, dòng tải io= Dòng io xác lập dần Qua vài chu kỳ, dòng io biến động hai giá trị biên I1 I2 11:53 AM 43 11:53 AM 44 11 BIẾN ðỔI DC DỊNG KHƠNG LIÊN TỤC 11:53 AM 45 12 ... 0,5: điện lớn điện vào • Nếu D < 0,5: điện nhỏ điện vào 32 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Bộ chuyển đổi C’uk • Sơ đồ ngun lý Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Dịng điện. .. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DỊNG LIÊN TỤC Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp TON TON TOFF S TOFF S t vL DT t T vL Vi DT T Vi t t Vi-Vo Vi-Vo iL... CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp TON TON TOFF S TOFF S t vL DT t T vL Vi DT T Vi t t Vi-Vo Vi-Vo iL