Nghiên cứu bộ nguồn một chiều đóng cắt

Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN TÀI NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU ĐÓNG CẮT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: CA110014 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Tiến sĩ: Trần Văn Thịnh Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Hà Nội – 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học trước Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn tơi có nguồn gốc Tác giả Nguyễn Tiến Tài Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tơi hồn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt” Tôi xin chân thành cám ơn thầy cô Bộ môn TBĐ - ĐT, Viện sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt TS Trần Văn Thịnh - người hướng dẫn khoa học trực tiếp cho luận văn tốt nghiệp TS Trần Văn Thịnh khơng gợi ý đề tài mà cịn đưa nhiều ý kiến quý báu để tác giả giải vấn đề khó khăn nảy sinh q trình thực luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu lãnh đạo Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Tây Bắc nơi công tác tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Tôi xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình động viên khích lệ để hồn thành luận văn Hồ Bình , ngày tháng năm 2012 Tác giả Nguyễn Tiến Tài Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………… CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU ……………… 1.1 Giới thiệu chung………………………………………………………… 1.1.1Vị trí tầm quan trọng nguồn hệ thống………………… 1.1.2 Các loại nguồn sử dụng thiết bị điện tử………………… 10 1.2 Đánh giá phương án thiết kế nguồn ổn định…………………………… 11 1.2.1 Bộ nguồn tuyến tính…………………………………………………… 11 1.2.1.1 Phần tử hiệu chỉnh mắc song song với tải…………………… 12 1.2.1.2 Phần tử hiệu chỉnh mắc nối tiếp với tải……………………… 13 1.2.1.3 Phần tử hiệu chỉnh vi mạch tích hợp……………………………… 15 1.2.2 Bộ nguồn đóng cắt…………………………………………………… 17 1.3 Các yêu cầu nguồn đóng cắt…………………………………… 19 1.3.1 Khối lọc nhiễu đầu vào………………………………………………… 19 1.3.2 Khối chỉnh lưu lọc sơ cấp………………………………………… 20 1.3.3 Khối chuyển mạch tần số cao, chỉnh lưu lọc thứ cấp……………… 21 1.3.4 Khối điều khiển……………………………………………………… 21 1.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động biến đổi điện áp DC/DC sở 22 1.5 Phân loại nguồn đóng cắt sở………………………………… 23 CHƯƠNG - CÁC BỘ NGUỒN ĐĨNG CẮT KHƠNG CĨ BIẾN ÁP CÁCH LY ………………………………………………………………… 27 2.1 Sơ đồ biến đổi giảm áp……………………………………… 27 2.2 Sơ đồ biến đổi tăng áp……………………………………………… 31 2.3 Sơ đồ biến đổi tăng , giảm áp………………………………… 33 2.4 Sơ đồ biến đổi hỗn hợp(Cuk)………………………………………… 36 2.5 So sánh tỷ số biến đổi điện áp sơ đồ khơng có biến áp cách ly 38 CHƯƠNG - CÁC BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT CÓ BIẾN ÁP CÁCH LY … 41 3.1 Khái quát nguồn đống cắt có biến áp cách ly…………………… 41 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt 3.2 Sơ đồ biến đổi Push – Pull………………………………… 42 3.3 Bộ biến đổi Forward…………………………………………………… 45 3.4 Bộ biến đổi nửa cầu……………………………………………… 51 3.5 Bộ biến đổi cầu………………………………………………………… 55 3.6 Sơ đồ biến đổi Fly- Back…………………………………… 57 CHƯƠNG – CÁC BỘ NGUỒN ĐÓNG CẮT CÓ BIẾN ÁP CÁCH LY 61 4.1 Bộ biến đổi Buck………………………………………………………… 61 4.1.1 Ảnh hưởng tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu ra…… 62 4.1.2 Ảnh hưởng lọc LC tới chất lượng đầu ra……………………… 68 4.2 Bộ biến đổi Bosst 70 4.2.1 Ảnh hưởng tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu 71 4.2.2 Ảnh hưởng lọc LC tới chất lượng đầu ra……………………… 76 4.3 Bộ biến đổi Buch- Bosst ………………………………………………… 78 4.3.1 Ảnh hưởng tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu 78 4.3.2 Ảnh hưởng lọc L tới chất lượng đầu ra………………………… 83 4.3.3 Ảnh hưởng lọc C tới chất lượng đầu ra………………… 84 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI …… 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 87 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản nguồn…………………………… 10 Hình 1.2 Sơ đồ mạch chỉnh lưu lọc nguồn 11 Hình 1.3 Sơ đồ ổn định 12 Hình 1.4 Sơ đồ khối ổn định có hồi tiếp 13 Hình 1.5 Bộ nguồn tuyến tính có hồi tiếp 14 Hình 1.6 Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC ổn áp 16 Hình 1.7 Sơ đồ khối nguồn chuyển mạch 17 Hình Khối lọc nhiễu đầu vào…………………………………………… 19 Hình Bộ biến đổi điện DC/DC sở…………………………………… 22 Hình 2.1 Bộ biến đổi giảm áp (Buck)……………………………………… 27 Hình 2.2 Dạng sóng dịng điện điện áp……………………………… 28 Hình 2.3 Quan hệ MV D sơ đồ Buck…………………………… 29 Hình 2.4 Sơ đồ biến đổi tăng áp (Boost)…………………………………… 31 Hình 2.5 Dạng sóng biến đổi Boost………………………………… 31 Hình 2.6 Quan hệ Mv D sơ đồ Boost…………………………… 32 Hình 2.7 Sơ đồ biến đổi Buck-Boost……………………………… 33 Hình 2.8 Dạng sóng biến đổi Buck – Boost………………………… 34 Hình Quan hệ Mv D sơ đồ Buck-Boost 35 Hình 2.10 Sơ đồ mạch biến đổi Cuk…………………………………… 36 Hình 2.11 Dạng sóng biến đổi Cuk………………………………… 37 Hình 2.12 Quan hệ Mv D sơ đồ Cuk…………………………… 38 Hình 2.13 Quan hệ Mv D…………………………………………… 39 Hình 3.1 Sơ đồ mạch biến đổi Push-pull………………………………… 42 Hình 3.2 Dạng sóng đặc trưng biến đổi Push-pull………………… 43 Hình 3.3 Bộ biến đổi Forward……………………………………………………… 45 Hình 3.4 Bộ biến đổi Forward……………………………………………………… 46 Hình 3.5 Đồ thị dạng sóng chế độ liên tục……………………………… 47 Hình 3.6 Bộ biến đổi Forward hai tanzitor………………………………………… 51 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Hình 3.7 Bộ biến đổi nửa cầu ……………………………………………… 53 Hình 3.8 Bộ biến đổi cầu dạng sóng đầu ra……………………………… 57 Hình 3.9 Sơ đồ biến đổi Fly – back……………………………………… 58 Hình 3.10 Sơ đồ dạng sóng biến đổi Fly-back……………………… 59 Hình 4.1 mạch điện mơ sơ đồ Buck PSIM…………………… 61 Hình 4.2 Dạng điện áp đầu Uo f = 50kHz…………………………… 62 Hình 4.3 Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 50kHz………… 63 Hình 4.4 Dạng điện áp đầu Uo f = 100kHz………………………… 64 Hình 4.5 Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 100kHz………… 65 Hình 4.6 Ảnh hưởng cuộn kháng tần số tới…………………………… 66 Hình 4.7 Ảnh hưởng cuộn kháng L tới………………………………… 68 Hình 4.8 Ảnh hưởng tụ C tới…………………………………………… 69 Hình 4.9 mạch điện mơ sơ đồ Boost PSIM…………………… 70 Hình 4.10 Dạng điện áp đầu Uo f = 50kHz………………………… 71 Hình 4.11 Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 50kHz………… 72 Hình 4.12 Dạng điện áp đầu Uo f = 100kHz………………………… 73 Hình 4.13 Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 100kHz……… 74 Hình 4.14 Ảnh hưởng tần số chuyển mạch tới điện áp đầu Uo, mức độ gợn sóng ∆Uo…………………………………………………………… Hình 4.15 Ảnh hưởng cuộn kháng L tới điện áp đầu Uo, mức độ gợn sóng ∆Uo……………………………………………………………… Hình 4.16 Ảnh hưởng tụ C tới điện áp đầu Uo, mức độ gợn sóng 75 ∆Uo………….……………………………………………………………… 77 Hình 4.17 Mạch mô sơ đồ Buck – Boost PSIM……………… 78 Hình 4.18 Dạng điện áp đầu Uo f = 50kHz………………………… 78 Hình 4.19 Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 50kHz………… 79 Hình 4.20 Dạng điện áp đầu Uo f = 130kHz………………………… 80 Hình 4.21 Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 130kHz……… 81 76 Hình 4.22 Ảnh hưởng tần số tới điện áp đầu Uo, mức độ gợn sóng ∆Uo 82 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Hình 4.23 Ảnh hưởng L tới tới điện áp đầu Uo, mức độ gợn sóng ∆Uo Hình 4.24 Ảnh hưởng C tới điện áp đầu Uo, mức độ gợn sóng ∆Uo 83 84 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Các thiết bị điện tử ngày có cơng suất lớn đến nhiều Kw, ví dụ tổng đài viễn thơng, máy tính cơng nghiệp Cơng suất nguồn cấp cho thiết bị tương ứng lớn nguồn kinh điển thực công suất lớn hiệu suất thấp phát nhiệt lớn, nguồn đóng cắt giải pháp tối ưu cho thiết bị điện tử cơng suất lớn này[4,5,6,9] Do tính ưu việt nguồn chiều mà hầu hết thiết bị điện tử sử dụng nguồn chiều Bộ nguồn đóng cắt phát triển khơng ngừng kể từ đời lý thuyết sâu chúng cịn chưa cơng bố rộng rãi mà hầu hết dạng báo đưa sơ đồ mạch cụ thể mà nhà nghiên cứu tìm để đáp ứng yêu cầu ứng dụng định Trước thực tế đó, tác giả luận văn mạnh dạn sâu nghiên cứu ảnh hưởng thông số sơ đồ (xét phần động lực) đến chất lượng biến đổi DC/DC, sở giúp cho quan tâm, thiết kế hay sửa chữa biến đổi DC/DC (bộ nguồn đóng cắt) có hướng điều chỉnh thơng số cho phù hợp nhanh chóng Để làm điều đó, luận văn xây dựng chủ yếu dựa phần mô PSIM [12] cho loại nguồn đóng cắt Sau hồn thành, luận văn góp phần làm rõ lý thuyết cho biết số hướng điều chỉnh thực tế việc thiết kế nguồn đóng cắt dùng thiết bị điện tử Các nghiên cứu liên quan đến đề tài Vấn đề nghiên cứu nguồn đóng cắt vấn đề khơng nói khó chúng thay đổi nhanh nhằm đáp ứng đòi hỏi ngày phức tạp thực tế Mặc dù mang tính thực tiễn ứng dụng cao nghiên cứu đóng cắt mạch cịn thiếu nhiều Mặt khác, tính cạnh tranh thương mại mà nhà sản xuất đưa sản phẩm không công bố lý thuyết kèm theo Vì vậy, người dùng cần sửa chữa muốn tự thiết kế theo yêu cầu riêng khó khăn Các đề tài nghiên cứu nước khơng có, tất Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt nhiên khơng kể tới tài liệu nói điện tử cơng suất Các tài liệu công bố dạng báo đăng tạp chí IEEE kỹ thuật liên quan tới nguồn đóng cắt kỹ thuật DC/DC, sơ đồ mang tính giới thiệu hãng sản xuất (nếu lắp ráp phần lớn mạch không hoạt động khơng có sở để lựa chọn linh kiện hay thay đổi cấu hình) Tuy vậy, có tài liệu nói tới việc thiết kế lại theo kinh nghiệm chủ yếu Hoặc đưa số liệu nguồn cụ thể mà không cho biết thơng số ảnh hưởng đến Mục đích, nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu luận văn Mục đích: Luận văn có mục đích nghiên cứu đánh giá loại nguồn cấp cho mạch điện tử đưa đề xuất lựa chọn tối ưu Nhiệm vụ: Đánh giá tổng quan loại nguồn chiều đóng cắt Nghiên cứu sâu số nguồn thơng dụng để tìm thông số ảnh hưởng đến chất lượng nguồn Phạm vi nghiên cứu: Các thông số tần số chuyển mạch, giá trị lọc L,C Luận văn nghiên cứu kỹ thuật liên quan tới nguồn đóng cắt Mơ nguồn đóng cắt cho số giá trị cụ thể, tiêu biểu Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu luận văn Luận văn nghiên cứu sở lý thuyết kỹ thuật mạch điện tử, điện tử cơng suất, hệ thống điều khiển có phản hồi Các báo, tài liệu khoa học Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô PSIM Phương pháp nghiên cứu: Chủ yếu phương pháp tổng hợp phân tích lý thuyết kết hợp với mơ phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Hình 4.10 Mơ với f = 50 kHz < 62,5 kHz nên nguồn làm việc chế độ khơng liên tục mà điện áp đầu Uo > 48V lớn diện áp mà ta tính tốn phần lý thuyết Điều giải thích giống sơ đồ Buck ( Giải thích dựa hình 4.11) chế độ khơng liên tục có khoảng thời gian dòng điện chạy cuộn kháng không khoảng thời gian dài hay ngắn phụ thuộc vào tần số f cuộn kháng L (nếu R D khơng đổi) làm thay đổi điện áp Uo khác so với sơ đồ Buck dòng điện Iin dòng điện đầu vào dịng điện cuộn kháng L Ic phóng điện để trì dịng điện qua tải R suốt thời gian van bán dẫn đóng b Mơ với L = 10 μH, C = 48μF với tần số f = 100kHz Ta có dạng điện áp đầu sau Hình 4.12: Dạng điện áp đầu Uo f = 100kHz 73 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Hình 4.13: Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 100kHz Như với f = 100 kHz (hình 4.12) nguồn làm việc chế độ liên tục ta thấy điện áp đầu Uo = 47,9V ˂ 48V sụt áp cuộn kháng mô với RL = 0.1Ω 74 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Ở tần số chuyển mạch f = 100kHz sơ đồ mạch điện hoạt động chế độ liên tục (dịng điện IL khơng bị ngắt quãng) nghĩa cuộn kháng đủ lượng để phóng suốt thời gian MOS cắt mà điện áp Uo không phụ thuộc vào C đạt giá trị Uo ≈ 48V (theo lý thuyết) Khi C = 48μF đồ thị quan hệ gữa điện áp đầu tần số chuyển mạch thay đổi tần số chuyển mạch f hình 4.14; Uo (V) 120 ∆Uo (V) 120 L=5µH 100 100 80 80 L=10µH 60 60 40 40 L=30µH 20 L= 50µH 10 20 30 40 50 20 60 70 80 90 100 f(kHz) 20 L=50µH L=10µH L=5µH L=30µH 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 f(kHz 20 ) I(A) 120 100 80 Io 60 40 20 Iin 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 f(kHz 20 ) Hình 4.14 Ảnh hưởng tần số chuyển mạch tới a: điện áp đầu Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo; c) dịng điện; Như phần lý thuyết ta nghiên cứu với L = 30μH, L = 50μH để nguồn làm việc liên tục tần số chuyển mạch cần đáp ứng 75 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt ( − D ) R.D f≥ = (1 − 0,5) 0,5.10 = 21kHz 2.L 2.30.10 −6 (1 − D )2 R.D = (1 − 0,5) 0,5.10 = 12.5kHz f≥ 2.L 2.50.10 −6 Hình 4.14a cho ta thấy với L = 30μH tần số f > 21kHz; L = 50μH tần số f > 12.5kHz với L = 10μH f > 125kHz; L = 10μH f > 62,5kHz điện áp đầu đạt giá trị tính tốn tức nguồn làm việc chế độ liên tục điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết mà ta tính tốn Khi f < fgh nguồn làm việc chế độ khơng liên tục f nhỏ điện áp Uo tăng Tuy nhiên f nhỏ đến giá trị mà lượng tụ C khơng đủ để trì dịng điện tải suốt q trình van bán dẫn đóng giảm điện áp đầu Từ hình 4.14b với tần số chuyển mạch thấp, L cao mức độ gợn sóng ∆Uo điện áp đầu cao Hình 4.14c cho thấy nguồn làm việc chế độ liên tục, dòng điện đầu dòng điện đầu vào thay đổi không tỷ lệ với 4.2.2 Ảnh hưởng lọc LC tới chất lượng đầu a.Với C = 48μH mô với hai trường hợp f = 10kHz f = 50khz thay đổi L mối quan hệ điện áp đầu L thể hình 4.15; ∆Uo(V) 70 Uo(V) 120 60 100 50 80 40 f= 10kHz 30 f= 100kHz 20 f= 10kHz 60 40 20 f= 50kHz 10 20 30 40 50 f= 5kHz 10 60 70 80 90 100 L(kHz 20 f= 50kHz 10 20 30 40 50 Hình 4.15 Ảnh hưởng cuộn kháng L tới a) điện áp đầu Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo 76 60 70 80 90 100 L(kHz 20 ) Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Hình 4.15a, L nhỏ (L< 5µH với f = 10kHz) nguồn làm việc chế độ không liên tục, tự C không đủ lượng để trì dịng điện tải ổn định suốt thời gian van bán dẫn đóng Vì vậy, đồ thị Uo tăng dần từ đến giá trị lớn L = 5µH, sau giảm dần giá trị điện áp lý thuyết Khi L đủ lớn chưa đạt đến giá trị giới hạn, điện áp đầu cao so với giá trị điện áp lý thuyết Điều giải thích nguồn làm việc chế độ không liên tục Hình 4.15b, f L chưa đủ lớn để nguồn làm việc chế độ liên tục mức độ gợn sóng (∆Uo) điện áp đầu lớn Khi nguồn làm Việc chế độ liên tục (∆Uo) = h(L) nằm ngang, có nghĩa cịn phụ thuộc vào giá trị tụ C b Mô với L =10µH, thay đổi C, quan hệ điện áp đầu C biến thiên hình 3.16; Uo(V) 60 50 40 ∆Uo(V) f= 30kHz 15 f= 20kHz f= 50kHz 10 30 20 f= 30kHz 30kHz f= 10 f= 50kHz 10 20 30 40 50 (a) 60 20 70 80 90 100 C(µH ) 10 20 30 40 50 60 20 70 80 (b) 90 100 C(µH ) Hình 4.16: ảnh hưởng tụ C tới a) điện áp đầu Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo Hình 4.16a, f = 30kHz điện áp Uo lớn so với giá trị tính tốn Theo lý thuyết (48V) nguồn làm việc chế độ khơng liên tục Hình 4.16b cho thấy tần số f C lớn mức độ gợn sóng điện đầu giảm Điều phù hợp theo cơng thức tính tốn lý thuyết: ∆Uo = 77 D.Uo C.R f Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Bộ biến đổi Buck - Boost Khảo sát ảnh hưởng tần số đóng cắt sơ đồ Buck-Boost (hình 4.17) cách sử dụng phần mềm mô PSIM với thông số mạch sau: - Uin = 24V - Điện trở cuộn kháng RL = 0,1 Ω - Tải trở R =10 Ω Khoá chuyển mạch: Sử dụng Mosfet - Xét trường hợp D = Ton/T = 0,5 Hình 4.17 mạch mơ sơ đồ Buck – Boost PSIM 4.3.1: Ảnh hưởng tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu a Mô với L = 10µH; C = 30μF, f = 50kHz dạng điện áp đầu hình 4.18; Hình 4.18: Dạng điện áp đầu Uo f = 50kHz 78 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Tính tốn theo lý thuyết : Uo = - D 0.5 U in = 24 = - 24V − 0.5 (1 − D) Hình 4.18, mơ với f = 50kHz L = 10µH; C = 30µF điện áp đầu Uo = |- 35|V > |- 24|V so với lý thuyết Do nguồn làm việc chế độ khơng liên tục Tức dịng điện cuộn kháng khơng liên tục, có thời điểm IL = (hình 4.19) Hình 4.19: Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 50kHz 79 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Khi MOS đóng, UL = Uin = 24V, tạo dòng điện cuộn kháng tăng tuyến tính Đồng thời tụ C phóng điện qua tải với dòng Ic = Io ổn định suốt thời gian van bán dẫn đóng Điện áp ngược UD đặt lên diốt D làm cho D khóa suốt thời gian Khi MOS cắt, điện áp cuộn kháng đảo chiều UL = Uo - UD dòng IL giảm dần 0; tụ C phóng điện đảo chiều dòng điện để nạp vào tụ Khi L phóng hết (IL = 0; UL = 0), tụ C tiếp tục phóng điện qua tải tạo dòng điện Io = Ic giá trị phụ thuộc vào thời gian nạp tụ dung lượng tụ C, thời gian Uo = - Io.R = -Ic.R = - 3.5.10 = - 35V Khi UD = - Uo = 35V Ở Chu kỳ tiếp theo, thời điểm đóng MOS, điện áp Uo có giá trị (- 35)V, UL = Uin = 24V; UD = Uin - Uo = 24 - (- 35) = 59V Tại thời điểm cắt MOS, D dẫn nên UL = Uo - UD = - 35 - = - 35V Như Vây, chu kỳ đóng cắt, điện áp đầu Uo = - 35V b Mơ với L = 10µH; C = 30μF, f = 130kHz dạng điện áp đầu hình 4.20; Hình 3.20: Dạng điện áp đầu Uo f = 130kHz Hình 4.20 điện áp đầu Uo = - 23.1V ( suốt thời gian MOS cắt mà điện áp UD = Kết điện áp Uo đạt giá trị theo lý thuyết, giải thích theo hình 4.21; Hình 4.21: Đồ thị dạng sóng tần số chuyển mạch f = 130kHz 81 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt Để nguồn hoạt động chế độ liên tục, cần tính tốn thông số giới hạn sau : Lgh = (1 − D) R f Với D = 0,5; R = 10Ω L = 10μH => fgh = (1 − 0.5) 10 = 125kHz; 2.10.10 −6 (1 − 0.5) 10 Với D = 0.5; R = 10Ω L = 50μH => fgh = = 25kHz; 2.50.10 −6 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 f(kHz) 20 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 f(kHz) L = 10µH 40 L = 50µH L = 50µH 20 40 60 L = 10µH 60 80 80 100 100 120 120 130 ∆Uo(V) 130 ∆Uo(V) Hình 4.22: ảnh hưởng tần số tới: a) Điện áp đầu Uo; b) Mức độ gợn sóng ∆Uo Như kết mơ hình 4.22 (với C = 30µF) hồn tồn phù hợp theo tính tốn lý thuyết Khi tần số f nhỏ (hình 4.22a), lượng nạp vào tụ C khơng đủ để phóng suốt thời gian kể từ IL < Io đến van bán dẫn mở trở lại, làm cho điện áp Uo giảm Hình 4.22b cho thấy tần số f lớn mức độ gợn sóng Uo giảm, chất lượng điện áp đầu tăng 82 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt 4.3.2 ảnh hưởng L tới chất lượng dầu Mô với C = 30µF, thay đổi L thu kết hình 4.23; 20 40 60 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 L(μH) f =50kHz 10 20 30 40 50 60 f =50kHz 70 80 90 100 L(μH) 10 20 f =30kHz f =30kHz 30 80 40 100 50 120 60 130 Uo(V) 70 ∆Uo(V) Hình 4.23: ảnh hưởng L tới a) điện áp đầu Uo, b) mức độ gợn sóng ∆Uo Theo tính tốn: Với D = 0,5; R = 10Ω f = 50kHz => Lgh = (1 − 0.5) 10 = 25μH; 2.50000 Với D = 0.5; R = 10Ω f = 30kHz => Lgh = (1 − 0.5) 10 = 41.67 μH; 2.30000 Kết tính tốn phù hợp với kết mơ (hình 4.23a) Khi L < Lgh, nguồn hoạt động chế độ không liên tục, điện áp Uo nhỏ giá trị lý thuyết (24V) lý giải hình 4.19 Hình 4.23b cho thấy, L f đảm bảo để nguồn hoạt động chế độ liên tục mức độ gợn sóng ∆Uo) khơng cịn phụ thuộc vào L 83 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt 4.3.3 ảnh hưởng C tới chất lượng đầu Mơ với L = 50µH, thay đổi C thu kết hình 4.24; 10 15 20 25 30 35 40 45 50 C(μF) 5 10 10 15 15 20 20 25 f =50kHz 10 f =50kHz 15 20 25 30 35 40 45 50 C(μF) f =30kHz 25 30 30 35 Uo(V) 35 ∆Uo(V) Hình 4.24: ảnh hưởng C tới a) Điện áp đầu Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo Hình 4.24a, mơ với L = 50μH, f = 30kHz tần số f = 50kHz, nguồn làm việc chế độ liên tục Với C đủ lớn (C > 15µF), C thay đổi không làm thay đổi điện áp Uo Với C nhỏ (C < 15µF), dung lượng tụ C khơng đủ để trì dịng điện ổn định tải suốt thời gian kể từ IL < Io đến van bán dẫn cắt, nên làm cho điện áp Uo khơng đạt giá trị tính tốn Hình 4.24b cho thấy, C tăng Uo giảm đồng nghĩa với chất lượng điện áp Uo tăng 84 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt KẾT LUẬN: Sau mơ sơ đồ nguồn khơng có biến áp cách ly rút số kết luận sau: Các sơ đồ làm việc chế độ là: chế độ liên tục chế độ không liên tục Chế độ liên tục chế độ mà dịng điện chạy qua cuộn kháng khơng có khoảng thời gian 0, tức trình phóng - nạp diễn liên tục Với chế độ liên tục, điện áp đầu đạt giá trị ổn định theo tính tốn lý thuyết (nếu bỏ qua tổn hao) Khi thay đổi f L, giá trị trung bình dịng điện đầu vào đầu không thay đổi Để nguồn làm việc chế độ liên tục, cần lựa chọn thơng số giới hạn (có cơng thức riêng cho nguồn) Từ chọn thơng số cho phù hợp cho nguồn chuyển mạch Với chế độ không liên tục, giá trị điện áp trung bình đầu lớn so với lý thuyết có mức độ gợn sóng ∆Uo điện áp đầu lớn Ở chế độ này, thay đổi f L giá trị trưng bình điện áp đầu thay đổi, dòng điện đầu đầu vào thay đổi theo không tỷ lệ thuận với Vì vậy, để nguồn có chất lượng cao, điện áp đầu phẳng cần thiết kế để nguồn làm việc chế độ liên tục Người ta nói rằng:"tăng tần số chuyển mạch f tăng L, C chất lượng nguồn tăng" qua khảo sát, kết luận rằng: Với D R cố định f, L C đủ lớn để đảm bảo nguồn làm việc chế độ liên tục; Khi dù có tăng tiếp f, L hay C giá trị trung bình điện áp đầu khơng thay đổi Khi thay đổi thời gian đóng cắt và thơng số tải thơng số khác cần thay đổi theo đảm bảo chất lượng điện đầu không đổi 85 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI e Kết luận chung Nguồn cấp tối ưu cho thiết bị điện tử công suất lớn nguồn đóng cắt, nguồn có hiệu suất cao dải ổn áp rộng nguồn tuyến tính Các nguồn đóng cắt sử dụng loại có biến áp hay khơng có biến áp Tuỳ theo tải sử dụng loại hay loại Khi cần nguồn cấp có nhiều đầu băm có biến áp ưu điểm Mặt khác thân băm có biến áp cần ổn áp nhiều đầu cần băm không biến áp để ổn định điện áp thay đổi tải Các thông số tần số băm xung, điện cảm tụ lọc có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện áp ra, lựa chọn số sơ đồ tuỳ thuộc vàocơng suất tính chất tải Khi tăng tần số chuyển mạch f cuộn kháng L, tụ C mức độ gợn sóng điện áp (dịng điện) đầu giảm, chất lượng điện áp dòng điện nguồn Nhưng tăng f, L, C tăng đến giá trị định việc tăng khơng cịn ý nghĩa nữa, mặt khác cịn làm tăng tổn hao làm giảm hiệu suất nguồn Các nguồn thiết kế cho làm việc chế độ dịng điện liên tục, chế độ dịng điện khơng liên tục điện áp thay đổi lớn thay đổi tải Hướng phát triển đề tài: Nguồn chiều cho thiết bị điện tử thường loại có nhiều đầu Khi cần loại nguồn có biến áp Đối với loại nguồn có biến áp việc ổn áp đầu thay đổi nguồn cấp điều khiển độ rộng xung đầu vào biến áp Nguyên lý thay đổi tải khơng ổn áp tính đầu vào mà cần ổn áp phối hợp có khơng ổn áp Do đề tài nghiên cứu phối hợp hai loại nguồn băm xung khơng biến áp có biến áp nhằm ổn áp nhiều đầu ổn áp 86 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Phân tích giải mạch điện tử cơng suất, NXB Khoa học kỹ thuật Trần Văn Thịnh, Thiết kế thiết bị điều khiển, NXB Giáo dục, Hà Nội 2009 Trần Văn Thịnh, Tính tốn cuộn dây biến áp thiết bị điện tử công suất, NXB Giáo dục, Hà Nội 2011 Tiếng Anh Abraham I.Pressman (1998), Switching Power Supply Design, 2nd ed, Mcgraw-Hill Fang Lin Luo, Hong Ye (2005), Essential DC/DC converters, CRC PressLLC Keith H.Billings, C.Eng., M.I.E.E (1989), Switchmode power supply handbook, McGraw-Hill Marty Brown (1990), Practical switching power supply design, Academic Press 10 Muhammad H.Rashid (2001), Power electronics handbook, Academic Press 11 P.R.K Chetty (1987), Switch-mode power supply design, BPB Publications 12 PSIM Version 6.0 (2003), PSIM User Manual, Powersim Inc 13 Sanjaya Maniktala (2006), Switching power supplies A to Z, Elsevier Inc 14 Timothy L.Skvarenina (2002), The power electronics handbook, CRC Press 87 ... điện chiều 25 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt KẾT LUẬN Khối cấp nguồn dùng cho thiết bị điện tử thiết kế theo hai phương án nguồn tuyến tính nguồn đóng cắt Theo phân tích nguồn đóng cắt. .. nghiên cứu sâu phần động lực nguồn đóng cắt sở Nghiên cứu ảnh hưởng thông số đến chất lượng đầu nguồn Các loại nguồn phát triển nhiều xuất phát từ nguồn sở 26 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng. .. làm IC 16 Đề tài: Nghiên cứu nguồn chiều đóng cắt 1.2.2 Bộ nguồn đóng cắt Vào cuối năm 70 kỷ 20, người ta tạo loại nguồn ổn định nguồn ngắt quãng (nguồn xung)[8,11] hay gọi nguồn chuyển mạch