I (A) U,E (V) t (h)n
2.3.2.Nguyờn lý chuyển đổi điện ỏp DC/DC (boot converter)
Bộ biến đổi điện ỏp DC/DC tăng ỏp(boost) hoạt động theo nguyờn tắc khi khúa (van) đúng, điện ỏp cửa vào đặt lờn điện cảm L, làm dũng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khúa (van) ngắt, điện cảm cú xu hướng duy trỡ dũng điện qua nú sẽ tạo điện ỏp cảm ứng đủ để Diode phõn cực thuận. Ở điều kiện làm việc bỡnh thường, điện ỏp cửa ra cú giỏ trị lớn hơn điện ỏp cửa vào, do đú điện ỏp đặt vào điện cảm L lỳc này ngược dấu với khi khúa (van) đúng, và cú độ lớn bằng chờnh lệch giữa điện ỏp cửa ra và điện ỏp cửa vào, cộng với điện ỏp rơi trờn Diode. Dũng điện qua điện cảm lỳc này giảm dần theo thời gian. Tụ điện cửa ra cú giỏ trị đủ lớn để dao động điện ỏp tại cửa ra nằm trong giới hạn cho phộp.
Hỡnh 2.18 Sơ đồ nguyờn lý mạch biến đổi DC-DC tăng ỏp
Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi giảm ỏp (buck), dũng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn và điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu dũng điện qua điện cảm là liờn tục (nghĩa là dũng điện tải cú giỏ trị đủ lớn).
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đúng khúa (van), và T2 là thời gian ngắt khúa (van). Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện ỏp rơi trờn Diode, và dao động điện ỏp cửa ra là khỏ nhỏ so với giỏ trị của điện ỏp cửa vào và cửa ra. Khi đú, điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm khi đúng khúa (van) là (T1/T)ìVin, cũn điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm khi ngắt khúa (van) là (T2/T)ì(Vin − Vout).
Điều kiện điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm bằng 0 cú thể được biểu diễn là: (T1/T)ìVin + (T2/T)ì(Vin − Vout) = 0
Hay (T1/T + T2/T)ìVin − ( T2/T)ìVout = 0 ⇔ Vin = (T2/T)ìVout
Với cỏch định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ: D = T1/T, T2/T = 1 − D, ta cú Vin = (1 − D)ìVout, hay Vout = Vin/(1 − D). D thay đổi từ 0 đến 1 (khụng bao gồm cỏc giỏ trị 0 và 1), do đú 0 < Vin < Vout.
Tương tự như với bộ biến đổi giảm ỏp(buck), một trong những bài toỏn thường gặp như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện ỏp cửa vào Vin, giỏ trị điện ỏp cửa ra Vout, độ dao động điện ỏp cửa ra cho phộp, dũng điện tải tối thiểu Iout,min, xỏc định giỏ trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ để đảm bảo ổn định được điện ỏp cửa ra.
Phạm vi thay đổi của điện ỏp cửa vào và giỏ trị điện ỏp cửa ra xỏc định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = 1 − Vin,max/Vout, và Dmax = 1 − Vin,min/Vout.
Tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dũng điện cho phộp sẽ bằng 2 lần dũng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của
điện ỏp trung bỡnh đặt vào điện cảm khi khúa (van) ngắt đạt giỏ trị lớn nhất, tức là hàm số Vin/Voutì(Vin − Vout) đạt giỏ trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ Dmin đến Dmax (chỳ ý là hàm số này cú giỏ trị õm trong khoảng thay đổi của D). Gọi giỏ trị của D và Vin tương ứng với giỏ trị nhỏ nhất đú là Dth và Vin,th (giỏ trị tới hạn), đẳng thức sau (chỉ xột về độ lớn) được dựng để chọn giỏ trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện cảm:
(1 − Dth)ìTì(Vout − Vin,th) = Lminì2ìIout,min
Việc lựa chọn giỏ trị cho tụ điện cửa ra hoàn toàn giống như đối với trường hợp bộ biến đổi giảm ỏp. Nguồn tăng ỏp hoạt động theo 2 chế độ:
- Chế độ khụng liờn tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quỏ nhỏ, thỡ trong một chu kỳ đúng cắt, dũng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảm dần, phúng năng lượng từ điện cảm sang tải. Vỡ điện cảm nhỏ nờn năng lượng trong điện cảm cũng nhỏ, nờn hết một chu kỳ, thỡ năng lượng trong điện cảm cũng giảm đến 0. Tức là trong một chu kỳ dũng điện sẽ tăng từ 0 đến max rồi giảm về 0.
- Chế độ liờn tục: Nếu điện cảm rất lớn, thỡ dũng điện trong 1 chu kỳ điện cảm sẽ khụng thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giỏ trị trung bỡnh. Chế độ liờn tục cú hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ khụng liờn tục, nhưng đũi hỏi cuộn cảm cú giỏ trị lớn hơn nhiều lần.