Thông số:Điện áp đầu vào: 16 ÷ 21VĐiện áp đầu ra: 12V ± 0.1%Dòng điện ra: 20ACác bước thực hiện:1.Giới thiệu về bộ biến đổi.2.Mô hình hóa3.Tính toán mạch lực và thiết kế cuộn kháng.4.Thiết kế bộ điều khiển.5.Mô phỏng trên PSIM.
Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 1 Lời Mở Đầu 2 Yêu Cầu Thiết Kế 3 Chương 1: Tổng Quan 4 1.1. Phương pháp điều khiển 4 1.2. Bộ biến đổi buck 4 Chương 2: Mô hình hóa 8 Chương 3: Tính toán mạch lực 11 3.1. Van đóng mở (Mosfet) 11 3.2. Diode . 12 3.3. Cuộn cảm 12 3.3.1. Tính toán giá trị của cuộn cảm . 13 3.3.2. Thiết kế cuộn cảm [4] . 14 3.4. Tụ điện 16 Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển . 18 4.1. Mô hình tín hiệu nhỏ 18 4.2. Khảo sát trên miền tần số 20 4.3. Tính toán bù II . 21 4.3.1. Bộ bù loại 2. . 21 4.3.2. Thiết kế bộ bù 2. 22 Chương 5: Mô phỏng với PSIM . 24 5.1. Định mức . 24 5.2. Hở mạch 25 5.3. Quá tải 50% . 27 5.4. Đặc tính động 27 Kết Luận . 31 Tài liệu tham khảo 32 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 2 Lời Mở Đầu Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Cấu trúc mạch của các bộ biến đổi DC-DC vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đang theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật. Trong học phần đồ án này, chúng em thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC- DC”. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh (bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành môn học. Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 3 Yêu Cầu Thiết Kế Thông số: Điện áp đầu vào: 16 ÷ 21V Điện áp đầu ra: 12V ± 0.1% Dòng điện ra: 20A Các bước thực hiện: 1. Giới thiệu về bộ biến đổi. 2. Mô hình hóa 3. Tính toán mạch lực và thiết kế cuộn kháng. 4. Thiết kế bộ điều khiển. 5. Mô phỏng trên PSIM. Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 4 Chương 1: Tổng Quan 1.1. Phương pháp điều khiển Sử dụng phương pháp PWM (pusle width modulation): là phương pháp thay đổi độ rộng xung vuông, tức là thay đổi độ rộng sườn dương hay âm của xung mà không thay đổi tần số xung. Dùng PWM để điểu khiển việc đóng, ngắt các khóa (van) trong bộ biến đổi. Việc thay đổi độ rộng sườn dương (âm) của xung điều khiển dẫn đên thay đổi thời gian đóng (ngắt) của các van. Do đó làm thay đổi điện áp đầu ra của bộ biến đổi. 1.2. Bộ biến đổi buck Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Bộ biến đổi DC-DC thường được sửa dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều. Hình 1.1: bộ biến đổi buck cơ bản [1] Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào. Việc điều khiển các khóa chuyển mạch bằng cách đóng và mở các khóa theo chu kỳ, kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào. Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường, nó còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) Q 1 đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào (V g ) và ngõ ra (V) đặt trên cuộn cảm, làm dòng điện trong cuộn cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) Q 1 ngắt, cuộn cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp trên cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) Q 1 đóng và có điện áp bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode D 1 , khiến cho dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra C có giá trị Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 5 đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua cuộn cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua cuộn cảm là liên tục. Vì cuộn cảm không tiêu thụ năng lượng (cuộn cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên cuộn cảm bằng 0, và dòng điện trung bình trên cuộn cảm là khác 0, và điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm phải là 0. Gọi T s là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), tỷ lệ thời gian đóng khóa (van) trong 1 chu kỳ chuyển mạch T s là D (0 < D < 1). Như vậy thời gian khóa (van) đóng là DT s và thời gian khóa (van) ngắt là (1 – D)T s . Giả sử điện áp rơi trên diode và dao động điện áp ngõ ra là rất nhỏ so với điện ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, để điện áp rơi trên cuộn cảm bằng 0 thì: D.T s (V g – V) – (1 – D)T s .V = 0 => D.T s (V g – V) = (1 – D)T s .V => V = D.V g (1.1) Giá trị D được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Do D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1) nên 0 < V < V g . Hình 1.2. Dạng sóng của bộ biến đổi buck trong chế độ dòng liên tục [1] Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 6 Với các bộ biến đổi buck, vấn đề được đặt ra là: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V g , giá trị điện áp ngõ ra V, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I min , xác định giá trị của cuộn cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ (D), để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra. Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) D: D min = V/V gmax , và D max = V/V gmin . Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ hoạt động gián đoạn. Chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn 0 do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn. Còn ở chế độ gián đoạn, dòng điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng 0. Trong đồ án chỉ xét bộ biến đổi buck trong chế độ dòng liên tục. Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = D min (vì thời gian giảm dòng điện là (1 – D)T s , với điện áp rơi không thay đổi là V). Một cách cụ thể chúng ta có đẳng thức sau: (1 – D min )T s V = 2L min I min (1.2) Hai thông số cần lựa chọn ở đây là L min và T s . Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T s lớn (f s = 1/T s là tần số chuyển mạch), thì L min cũng cần phải lớn. Thành phần xoay chiều của dòng điện qua cuộn cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra. Với dòng điện qua cuộn cảm có dạng xung tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa thức bậc 2 nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Khi khóa (van) Q 1 ngắt, năng lượng trên cuộn kháng L chuyển thành năng lượng nạp vào tụ C và năng lượng tiêu thụ trên tải R cho đến khi i L (t) = I. Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng ta có phương trình: (1.3) Trong đó: I Lmax = I L + ΔI L U C = V U Cmax = U C + ΔU C = V + ΔV Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 7 ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T s đã được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp. Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 8 Chương 2: Mô hình hóa Trong thực tế, các thành phần của bộ biến đổi không phải là lý tưởng. Tụ điện được thay thế bằng một tụ điện lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở R c . Điện trở R c được gọi là điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ điện, dùng để chỉ ra tổn thất năng lượng trên tụ điện. Cuộn cảm được thay thế bằng một cuộn cảm lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở R L . Hình 2.1: Bộ biến đổi buck [1] Trong thời gian Q 1 đóng (0 < t < DT s ) ta có sơ đồ mạch tương đương như hình 2.2. Từ hình 2.2 ta có được các phương trình Kirchoff sau: (2.1) (2.2) (2.3) Hình 2.2: Mạch buck trong thời gian Q 1 đóng. [1] Trong thời gian Q 1 ngắt (DT s < t < T s ) ta có sơ đồ mạch tương đương như hình 2.3. Từ hình 2.3 ta có các phương trình Kirchoff sau: Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 9 (2.4) (2.5) (2.6) Hình 2.3: Mạch buck trong thời gian Q 1 ngắt [1] Xét trong 1 chu kỳ chuyển mạch (0 < t < T s ), từ các phương trình (2.1) – (2.6) ta có các giá trị trung bình: (2.7) (2.8) (2.9) Ở trạng thái xác lập bộ biến đổi hoạt động với chu kỳ nhiệm vụ D với các giá trị tương ứng V, V g , … cho chu kỳ nhiệm vụ thay đổi một giá trị ( ), khi đó các giá trị v, v g , … cũng thay đổi một giá trị nhỏ ,… Trong đó các giá trị in hoa mô tả giá trị ổn định và các biểu tượng (^) mô tả các giá trị thay đổi. Thay vào (2.7) – (2.9), rút gọn các thành phần ổn định và bỏ qua ta có: (2.10) (2.11) (2.12) Laplace 2 vế các phương trình (2.10) – (2.12) ta có: (2.13) (2.14) Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 10 (2.15) Suy ra hàm truyền đạt của bộ biến đổi buck: (2.16) (2.17) [...]... 24 Thiết kế mạch buck converter DC-DC 5.2 Hở mạch Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 25 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 26 Thiết kế mạch buck converter DC-DC 5.3 Quá tải 50% 5.4 Đặc tính động a Thay đổi nguồn từ 16V lên 21V Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 27 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 28 Thiết kế mạch buck converter. .. buck converter DC-DC b Tải thay đổi Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 29 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 30 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Kết Luận Kết thúc đồ án 2 nhóm đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu đề ra, một số kiến thức thu được : - Thiết kế được cuộn kháng theo phương pháp Ap Mô hình hóa được đối tượng - Tính toán được bộ bù theo.. .Thiết kế mạch buck converter DC-DC Chương 3: Tính toán mạch lực Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck Converter[ 1] Tính toán các thành phần của mạch lực theo thông số của nguồn như công suất, điện áp vào ra dòng tải… Các thông số của mạch như sau: - Vg = 16 -> 21V V = 12V ± 0,1% Imax = 20A Chọn tần số làm việc của mạch là 100kHz Mạch lực sử dụng các thành phần sau:... dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 22 Thiết kế mạch buck converter DC-DC ωp = 81.368 krad/s KC = 55884 Thay vào các phương trình 4.12 - 4.15 ta chọn được thông số bộ bù: C1 = 3.3 nF C2 = 100 nF R3 = 3.6 kΩ Khảo sát vòng hở trên matlab với hàm bù đã thiết kế Hình 4.6 Đồ thị bode vòng hở Bộ bù thỏa mãn điều kiện thiết kế đặt ra Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 23 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Chương 5: Mô phỏng... Đỉnh 18 Thiết kế mạch buck converter DC-DC ( ) (4.5) VM = 1; Vc = D Hàm truyền khâu đo (khâu phân áp) là : ( ) (4.6) Với R1 = 200Ω; R2 = 100Ω; Hình 4.1: Điều khiển phản hồi điện áp[1] Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 19 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Hình 4 .2: Sơ đồ tín hiệu nhỏ[1] Hàm truyền của đối tượng là: ⁄ ⁄ ( ( ) ) (4.7) ( ) Thay số liệu tính toán vào ta được: Thay số liệu tính toán vào... vẽ đồ thị bode của đối tượng: Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 20 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Hình 4.3 Đồ thị bode của Gdt Nhận xét: - Tại tần số cắt 430Hz đối tượng điều khiển có độ dự trữ pha 63.1o Bản thân hệ có khả năng ổn định 4.3 Tính toán bù II 4.3.1 Bộ bù loại 2 Hàm truyền: ( ) ( ( ) )( ) (4.8) Hình 4.4 Bộ bù loại 2.[5] Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 21 Thiết kế mạch buck converter. .. Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 13 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Dòng điện cuộn cảm được miêu tả như hình 3.3, ta có thể thấy dòng trong đó là độ gợn của dòng điện Nên độ gợn peak-to-peak sẽ là và bằng: - (3.7) Suy ra: (3.8) Ta chọn =0.5% => ( ) Thay các thông số từ đề bài ta tính được giá trị của cuộn cảm : ( ) Chọn L=30 3.3.2 Thiết kế cuộn cảm[4] Thiết kế cuộn cảm sử dụng nhân Ap - Chọn L=30... có, Điện dung tương đương: Điện trở RESR tương đương Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 17 Thiết kế mạch buck converter DC-DC Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển 4.1 Mô hình tín hiệu nhỏ Theo chương 1 ta có hàm truyền hệ hở: ̂( ) | ̂( ) ̂ ( ( ̂( ) | ̂ ( ) ̂ ) ) ( ) ( ( ) ) ( ) Nếu bỏ qua điện trở của cuộn kháng: ̂( ) | ̂( ) ̂ ( ( ̂( ) | ̂ ( ) ̂ ) ) ( ( ( ) (4.1) ) ) ( ) (4.2) Đặt: √ √ ( ) ( ) Phương... tính toán cuộn cảm cho buck converter theo các thông số như sau: + Điện áp đầu vào nhỏ nhất Vg (min) 16 V + Điện áp đầu vào lớn nhất Vg (max) 21 V + Điện áp đầu ra V 12 V + + + + + Dòng điện lớn nhất Imax Tần số đóng cắt fs Độ gợn dòng điện cuộn cảm Hệ số lấp đầy Ku Mật độ thông lượng hoạt động Bm Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh 20 A 100 kHz 5%.Ipk 0.4 0.2 T 12 Thiết kế mạch buck converter DC-DC. .. Vậy chọn lõi khung EE ferrite, với dây quấn đồng tiết diện 0,0016 cm2 chập 12, số vòng quấn 13 vòng 3.4 Tụ điện ( ) ( ( ( ) ) ( ( ) ( Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Đỉnh ) ( ) ( ) ) ) 16 Thiết kế mạch buck converter DC-DC ( ( ) ( ) ) ( ) Chọn 2200 F Chọn tụ 15222E3 của nhà sản xuất của Vishay[5] Hình 3.4 Đồ thị thể hiện mối liên hệ điện trở và tần số.[5] Từ đồ thị trên datasheet được thể hiện trên hình . (2. 10) (2. 11) (2. 12) Laplace 2 vế các phương trình (2. 10) – (2. 12) ta có: . (2. 1) (2. 2) (2. 3) Hình 2. 2: Mạch buck trong thời gian Q 1 đóng. [1] Trong thời gian Q 1 ngắt (DT s < t < T s ) ta có sơ đồ mạch tương