Thiết kế bộ biến đổi công suất một chiều Boost DC – DC Converter

Thiết kế mạch Boost Converter. Công việc được chia làm 3 khâu chính. Khâu 1: nghiên cứu nguyên lý mạch, tìm ra sơ đồ mạch và thông số các linh kiện. Khâu 2: Dùng phần mềm mô phỏng mạch với các thông số linh kiện đã chọn và tinh chỉnh. Khâu 3: Với sơ đồ mạch mô phỏng, thiết kệ mạch thực tế, đo kết quả và chỉnh sửa nếu có. Mạch với thiết kế nhỏgọn, đáp ứng được điện áp ra trong dải điện áp đã đặt. Thông qua đồ án này đã giúp tôi biếtcách tìm tài liệu để đọc và nghiên cứu, kĩ năng làm việc nhóm, cách sử dụng một số phầnmềm như PSIM, ALTIUM, PROTEUS, và đặc giúp tôi liên kết, ứng dụng lý thuyết đãđược học để áp dụng vào thực tế.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN I Bộ biến đổi công suất chiều Ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Bộ mơn: Viện: Tự động hóa cơng nghiệp Viện Điện Chữ ký GVHD ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN I Sử dụng Tl494, thiết kế biến đổi công suất chiều boost DC – DC converter Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Để hoàn thành đồ án I này, xin cảm ơn bố mẹ, người vất vả nuôi nấng bên bên cạnh để vượt qua khó khăn cuộn đời Đồng thời khuyên nhủ, động viên mắc sai lầm Cảm ơn tất tình cảm mà bố mẹ dành cho Em xin chân thành cảm ơn tất thầy Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung Viện Điện nói riêng cơng lao giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu suốt thời gian học trường Những kiến thức hành trang quan trọng công việc sống em sau Trong trình làm đồ án I, em gặp nhiều khó khăn việc tiếp cận kiến thức thực tế Em xin cảm ơn thầy Hồng Đức Chính hướng dẫn, nghiêm khắc tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án I cách tốt Mình xin cảm ơn bạn nhóm giúp đỡ, trao đổi chia sẻ kiến thức học tập suốt trình học tập trường Đại học Bách Khoa Cảm ơn người bạn thân bên cạnh dù lúc vui hay lúc buồn Luôn an ủi động viên tôi gặp khó khăn bế tắc sống Chính bạn nguồn động lực to lớn để hồn thành luận văn Với thời gian thực đồ án I ngắn chưa có nhiều kinh nghiệm đúc kết từ kiến thức thực tế, báo cáo đồ án chắn có nhiều thiếu sót Rất mong góp ý từ thầy bạn để đề tài trở nên hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Tóm tắt nội dung đồ án Thiết kế mạch Boost Converter Công việc chia làm khâu Khâu 1: nghiên cứu nguyên lý mạch, tìm sơ đồ mạch thơng số linh kiện Khâu 2: Dùng phần mềm mô mạch với thông số linh kiện chọn tinh chỉnh Khâu 3: Với sơ đồ mạch mô phỏng, thiết kệ mạch thực tế, đo kết chỉnh sửa có Mạch với thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng điện áp dải điện áp đặt Thông qua đồ án giúp biết cách tìm tài liệu để đọc nghiên cứu, kĩ làm việc nhóm, cách sử dụng số phần mềm PSIM, ALTIUM, PROTEUS, đặc giúp liên kết, ứng dụng lý thuyết học để áp dụng vào thực tế Sinh viên MỤC LỤC Nội dung Lời cảm ơn Chương 1: Giới thiệu 1.1 Khái niệm , phân loại ứng dụng 1.2 Chọn đề tài Ứng dụng thực tế 1.2.1 Chọn đề tài 1.2.2 Ứng dụng thực tế Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch 10 2.1 Yêu cầu đặt 10 2.2 Tính tốn 10 2.3 Sơ đồ mạch Boost Converter 14 Chương : Tìm hiểu chọn linh kiện thực tế 15 3.1 IC TL494 15 3.1.1 Giới thiệu TL494 15 3.1.2 Nguyên lý 15 3.1.3 Nhiệm vụ chân 16 3.2 Mosfet IRF9540 16 3.3 Cuộn cảm EE25 17 3.4 Tụ không phân cực 18 3.5 Diode 1N4007 18 3.6 Điện trở 19 Chương :Kết thực nghiệm đánh giá 20 4.1 Kết đồ thị mô 20 4.2 Sơ đồ thiết kế mạch in 22 4.3 Mô hình mạch 3D 23 Chương 5: Tổng kết phát triển đề tài 24 5.1 Đánh giá kết đạt 24 5.2 Những hạn chế 25 5.3 Phương hướng phát triển đề tài 25 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Sơ đồ mơ Psim…………………………………………… 12 Hình 2.3 Mạch tạo xung Tl494…………………………………………… 13 Hình 2.4 Sơ đồ mạch Boost converter……………………………………………Error! Bookmark not defined Hình 4.1 Sơ đồ mạch mơ Psim…………………………………… 20 Hình 4.2 Kết đo thơng số đầu Psim………………………………… 20 Hình 4.3 Kết mơ Proteus…… ………………………………….21 Hình 4.4 Sơ đồ mạch in……………………………………………………………22 Hình 4.5 Mô 3D……………………………………………………………23 Chương 1: Giới thiệu 1.1 Khái niệm, phân loại ứng dụng +) Nhu cầu: -nguồn điện có tầm quan trọng mạch điện, hệ thống điện -mạch điện hay hệ thống điện đòi hỏi nhiều nguồn đầu từ nguồn đầu vào cố định vào khác - Nguồn DC sử dụng rộng rãi mạch điện, hệ thống điện - Vì biến đổi DC-DC đời +) Khái Niệm: Bộ chuyển đổi DC-DC mạch điện tử thiết bị điện chuyển đổi nguồn dòng điện trực tiếp từ cấp điện áp sang cấp điện áp khác +) Phân loại: *) Nhóm nguồn khơng cách ly ( có nghĩa có điểm chung điện áp vào – điện áp ): +) Boost +) Buck +) Buck – Boost *) Nhóm nguồn không cách ly: +)flyback +)Forward +)Push-pull +)Half-Bridge + *) Mỗi loại có ưu nhược điểm khác nên tùy theo yêu cầu thực tế mà ta chọn biến đổi cho hợp lí: + Cách ly: (Ưu) Trong nhiêu trường hợp cách ly bắt buộc lý yêu cầu an toàn (Nhược) Mạch cách ly phức tạp, khó lắp đặt + Khơng cách ly: (Ưu) Đơn giản, nhỏ gọn, dễ lắp đặt (Nhược) Áp dụng số trường hợp phạm vi nhỏ VD: Điều chế có chênh lệch áp in-out lớn -> D D -> khó điều chế xung *) Nguyên lý bản: dùng khóa điển tử nối tải vào nguồn khoảng thời gian định t(s) lặp theo chu kì T Điện áp đầu thay đổi nhờ thay đổi t(s) từ đến T 1.2 Chọn đề tài Ứng dụng thực tế 1.2.1 Chọn đề tài Với điều nêu mục I đề tài nhóm lựa chọn là: Thiết kế mạch Boost Converter 1.2.2 Ứng dụng thực tế -) Boost Converter mạch đáp ứng yêu cầu thực tiễn chất lượng cao kích thước nhỏ gọn nên sử dụng nhiều thiết bị điển tử -) Một số ứng dụng hay gặp: +) Làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy, +) Cấp nguồn cho thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vơn nguồn cấp có điện áp thấp cỡ 1.5V hay 3.7V +) Nâng áp mạnh nguồn xung TV, LED Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch 2.1 u cầu đặt Thiết kế biến đổi công suất chiều với điện áp ngõ vào 12V, điện áp ngõ 60V Dòng điện qua cuộn cảm liên tục với độ nhấp nhô điện áp không 1% Tần số đóng cắt 20KHz Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý 2.2 Tính tốn Khi van mở: L 𝑑𝑖 = Vin 𝑑𝑡 𝑑𝑖 Khi van đóng: L 𝑑𝑡 =Vin - Vout Giả thiết Vout= const, Imin, Imax giá trị nhỏ nhất, lớn dòng qua cuộn cảm ≤ t < tx : iL = Imin + tx ≤ t < T: iL = Imax - 𝑉𝑖𝑛 𝐿 t 𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐿 (t-tx) 10 𝐸 Tại t = tx : Imin + tx = Imax 𝐿  ∆I = Imax – Imin = 𝑉𝑖𝑛 𝐿 tx (1) Chế độ xác lập: iL(t=0) = iL(t=T), : Imin = Imax - 𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐿 (T-tx) (2) Từ (1) (2), suy ra: 𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐿 Đặt D= 𝑇𝑥 𝑇 (T-tx) = 𝑉𝑖𝑛 𝐿 tx => Vout = tỷ số đóng dòng, Vout = 𝑇 𝑇−𝑡𝑥 1−𝐷 Vin Vin Với Vout = 60V, Vin= 12V, f = 20KHz + T = 5*10-5 + D = 0.8, tx = 4*10-5 + Chọn ∆I =0.5 => L = 𝑉𝑖𝑛 ∆I tx = 12 0.5 0.0004 = 0.96 mH + Tụ có điện dung C = 100µ𝐹 ∆𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝐷 𝑅𝐶𝑓 = 0.8 50∗0.0001∗20000 = 0.8% ( thỏa mãn yêu cầu tốn) 11 Mơ mạch: Hình 2.2 Sơ đồ mơ PSIM Mạch tạo xung PWM TL494: 12 Hình Mạch tạo xung PWM TL494 Do tần số f = 20KHz, chọn: • Tụ C1 = 1nF, • Điện trở R4 = 50KΩ Chọn giá trị R để điện áp 60(V): • Mạch phân áp R1=R2=10KΩ, phân điện áp chuẩn Vref chân 2, với V1IN- = 2.5V • Để đầu 60 (V) áp vào V1IN+= 2.5V Suy ra: R8=57.5KΩ R9=2.5KΩ 5V 13 2.3 Sơ đồ mạch Boost Converter Hình 2.4 Sơ đồ mạch boost converter 14 Chương : Tìm hiểu chọn linh kiện thực tế 3.1 IC TL494 3.1.1 Giới thiệu TL494 • • IC TL494 IC sử dụng nhiều mạch nguồn IC TL494 loại IC tạo xung dao động Switching có Phase ( đảo pha pha nhau) qua Transistor xuất dao động 3.1.2 Nguyên lý Nhiệm vụ quan trọng TL494 nhận tín hiệu phản hổi từ điện áp đầu đưa chân 1, tín hiệu chân so sánh với tín hiệu chuẩn chân qua khuếch đại thuật toán Dựa sai lệch hai tín hiệu để điều biên độ trọng xung để đóng cắt Mosfet IRF9540 15 3.1.3 Nhiệm vụ chân o Chân 1: Nhận điện áp hồi tiếp từ đầu thông qua mạch phân áp để tự động điều khiển điện áp o Chân 2: Hồi tiếp với ngõ mạch khuếch đại chân 3, đồng thơi tham chiếu với điện áp chuẩn Vref chân 14 o Chân 3: Đầu khuếch đại lỗi đồng thời đầu vào điều khiển độ rộng xung, so sánh với tín hiệu xung cưa o Chân 4: Điều khiển thời gian chết, tránh trùng dẫn đầu o Chân 5: Tạo dao động phối hợp chân 6(Rt) ghép nối với tụ Ct xuống âm nguồn o Chân 6: Phối hợp chân tạo dao động thông qua điện trở Rt tạo tần số dao động Giá trị tần số: f = 𝑅𝑡∗𝐶𝑡 o o o o o o o Chân 7: Âm nguồn TL494 Chân 8: Cực collector C1 transistor xuất dao động Chân 9: Cực Emmitor E1 transistor xuất dao động Chân 10: Cực Emmitor E2 transistor xuất dao động Chân 11: Cực collector C2 transistor xuất dao động Chân 12: Nguồn cung cấp cho IC TL494 Chân 13: Chân điều khiển đầu Nếu nối với chân 14 đầu pha (2 transistor đồng pha), nối đất đầu đảo pha o Chân 14: Tạo điện áp chuẩn Vref để tham chiếu với điện áp so sánh phản hồi o Chân 15: Phối hợp chân 16 để so sánh tải dòng điện tải o Chân 16: Phối hớp chân 15 để tạo thành mạch so sánh tải 3.2 Mosfet IRF9540 Thông số kỹ thuật: Điện áp đánh thủng: 100V Điện áp VGS = +/-20V Dòng chịu đựng trung bình: 19A Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 175oC Cơng suất: 150W Mosfet IRF9540 mosfet kênh P hay mosfet thuận Mosfet IRF9540 Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Transistor đặc biệt có cấu tạo hoạt động khác với Transistor thông thường Mosfet thường có cơng suất lớn nhiều so với BJT, Mosfet IRF9540 có cơng suất 150W Đối với tín hiệu chiều coi khóa 16 G: Gate gọi cực cổng D: Drain gọi cực máng S: Source gọi cực nguồn Mosfet Ì9540 có ngun tắc hoạt động dựa hiệu ưungs từ trường để tạo dòng điện, linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại nguồn tín hiệu yếu Mosfet IRF9540 thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang DC Giá tiền mosfet IRF9540 thị trường có giá rơi vào khoảng 16000 đồng(VNĐ) 3.3 Cuộn cảm EE25 Cuộn cảm gồm số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn đc sơn cách điện, lõi cuộn dây khơng khí, vật liệu dẫn từ Ferrite hặc lõi thép kĩ thuật Gông dẫn từ làm lỗi ferit, hình chữ E Cuộn cảm EE25 có chức ơn định dịng điện q tải 17 3.4 Tụ không phân cực Các loại tụ nhỏ thường không phân cực Các loại tụ thường chịu điện áp cao mà thông thường khoảng 50V hay 250V Các loại tụ khơng phân cực có nhiệu loại có nhiều hệ thống đọc chuẩn giá trị khác Trong sơ đồ mạch Boost ta dùng tụ khơng phân cực có giá trị số 102 107 Cách đọc Tụ kí hiệu 102: C= 10 * 102 pF= 1000pF=1nF Tụ kí hiệu 107: C= 10 * 107 pF= 108 pF=100uF 3.5 Diode 1N4007 Thơng số kỹ thuật: Dịng điện thuật: 15V Điện áp thuận: 200V Đặc điểm: Điện áp rơi thấp 18 Dòng diện rơi thấp Hàn với nhiệt độ tối đa 275 độ C Được dùng ứng dụng chỉnh lưu, cung cấp điện năng, chuyển đổi điện áp, biến tần 3.6 Điện trở - Điện trở phần từ có chức ngăn cản dịng điện trọng mạch Mức độ ngăn cản dòng điện đặc trưng trị số điện trở R Đơn vị đo: m Ω, Ω, k Ω, M Ω Cách đọc giá trị điện trở: dựa thẻo bảng sau: 19 Chương :Kết thực nghiệm đánh giá 4.1 Kết đồ thị mô Hình 4.1 Sơ đồ mạch mơ PSIM Hình Kết đo thông số đầu PSIM 20 Hình 4.3 Kết mơ sơ đồ mạch Proteus 21 4.2 Sơ đồ thiết kế mạch in Hình 4.4 Sơ đồ mạch in 22 4.3 Mơ hình mạch 3D Hình 4.5 Mơ hình 3D 23 Nhận xét, đánh giá: kết mơ tính toán lý thuyết, phù với yêu cầu toán đặt Mở rộng vấn đề Khi thay đổi số linh kiện ảnh hưởng đến đầu nào?): +) Tần số f(Hz): Tần số từ vài KHz đến vài trăm KHz kích thước cuộn cảm (L), Tụ điện (C) thỉ lệ nghịch với tần số Tần số lớn u cầu đóng cắt van điều khiển phải lớn (VD: MOSFET) Vì giá tiền mua van tang theo (Vấn đề kinh tế) Tần số cao đóng cắt nhiều -> dẫn đến tổn hao đóng cắt lớn => Từ yếu tố thơng thường nên chọn tần số từ 20(KHz) trở lên (20 Khz tần số mà người không nghe thấy được) Dựa vào tần số ta thường chọn Van MOSFET IGBT để thiết kế mạch Boost Converter +) Tụ điện C: Lọc (là phẳng) điện áp tải (nhưng xác vài chu kì đầu tổn hao đóng cắt) Trong mạch Boost Converter Tụ cịn có tác dụng phân cực Diode (đặt điện áp ngược) lúc Van mở +) Độ đập mạch dịng điện ∆ IL: • Nếu chọn ∆ IL L lớn -> ảnh hưởng đến kích thước biến đổi • Nếu chọn ∆ IL lớn mạch rơi vào chế độ gián đoạn (khơng mong muốn) Vì thơng thường chọn IL = 10% - 30% IL + Tải: Độ đập mạch dòng điện điện áp không phụ thuộc vào tải Nếu tải RLE (động điện chiều) ảnh hưởng đến giá trị tức thời dòng điện làm giảm lượng Thường chọn 𝐸(𝑡) 𝑅(𝑡) so với tải RL U (tải) = 0.1% - 1% U(tải) Chương 5: Tổng kết phát triển đề tài 5.1 Đánh giá kết đạt Trong trình thực đề tài “Thiết kế mạch Boost converter”, thực điều sau: − Tìm hiểu cơng dụng nguyên lý hoạt động mạch Boost Converter 24 − Tính tốn lựa chọn thơng số linh kiện dựa vào yêu cầu đặt thực tế − Thiết kế mạch điện − Hiểu IC TL494 điều chế xung PWM từ IC − Tính tốn lựa chọn linh kiện, thiết bị phù hợp với thị trường − Thiết kế mô mạch qua phần mềm PSIM, PROTEUS, ALTIUM 5.2 Những hạn chế Trong trình thực luận văn này, kiến thức cịn hạn hẹp thời gian khơng cho phép nên dẫn đến số hạn chế sau: − Chỉ thực phần tính tốn thiết kế lý thuyết mơ phỏng, chưa có mơ hình thực tế để kiểm chứng hoạt động máy − Chưa tối ưu toán điều khiển để nâng cao khả tự động hóa 5.3 Phương hướng phát triển đề tài − Tối ưu phương án điều chế xung − Sử dụng tản nhiệt cho mạch bớt nóng − Tối ưu giá tiền linh kiện kích thước mạch − Thiết kế mạch thực tế đưa vào ứng dụng 25 ...ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN I Sử dụng Tl494, thiết kế biến đổi công suất chiều boost DC – DC converter Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Để hoàn thành... vào cố định vào khác - Nguồn DC sử dụng rộng rãi mạch điện, hệ thống điện - Vì biến đổi DC- DC đời +) Khái Niệm: Bộ chuyển đổi DC- DC mạch điện tử thiết bị điện chuyển đổi nguồn dịng điện trực tiếp... 1.5V hay 3.7V +) Nâng áp mạnh nguồn xung TV, LED Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch 2.1 u cầu đặt Thiết kế biến đổi công suất chiều với điện áp ngõ vào 12V, điện áp ngõ 60V Dòng điện qua cuộn cảm