Cuộn cảm được sử dụng trong boost converter có tính đặc thù này để chống lại bất kỳ thay đổi hiện nay trong nó và phục vụ như là nguyên tắc chính mà các thiết bị của một công cụ chuyển đổi tăng tín hiệu. Điện dẫn hoạt động như một tải trọng (như điện trở) khi đang được sạc và hoạt động như một nguồn năng lượng (như pin) khi nó được thải. Tỷ lệ thay đổi hiện nay quyết định điện áp được xây dựng lên trong bộ biến đổi trong khi nó đang được xuất ra khỏi boost converter. Các điện áp thêm vào ban đầu không có trách nhiệm khi đã có tín hiệu ở đầu ra và do đó nó cho phép đầu vào và đầu ra điện áp khác nhau.
A. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Hình 2.8. Nguyên lý bộ boost converter
Bộ chuyển đổi Boost có hai trạng thái khác nhau (Hình 2.9):
Chế độ on: Trong đó việc chuyển đổi S trong hình 2.8 được đóng lại, và sau đó có một sự gia tăng liên tục trong bộ biến đổi hiện hành.
Chế độ off: Trong đó việc chuyển đổi S được thực hiện mở và bộ biến đổi sẽ có tín hiệu chảy qua diode D, R tải và tụ điện C. Trong trạng thái này, năng lượng đã được tích lũy trong bộ biến đổi được chuyển giao cho các tụ điện.
Các đầu vào hiện tại và đầu ra hiện tại là như nhau. Do đó người ta có thể thấy rõ rằng hiện tại trong một công cụ chuyển đổi tăng (như bộ biến đổi tăng áp) là loại liên tục và do đó việc thiết kế các bộ lọc đầu vào được thoải mái đôi chút hoặc nó có giá trị thấp hơn.
Hình 2.9. Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái khóa S
Khi khóa đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương.
Khi khóa mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.
Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải. Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện.
Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter trình bày trong hình 2.9: Trạng thái on, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm.
Trạng thái off, khóa S mở dòng điện chạy qua diode D, tụ C, tải R Kết quả, chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái on vào tụ.
B. NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC
Hình 2.10. Trạng thái bật và tắt của bộ chỉnh lưu
Các đầu vào của bộ điều khiển là (t) được điều khiển bằng cách thay đổi trạng thái dẫn của transistor. Bằng cách chuyển các bóng bán dẫn với chuỗi xung bắn thích hợp, dạng sóng của đầu vào hiện tại có thể được kiểm soát để theo một tham chiếu hình sin, như có thể được quan sát thấy trong nửa sóng dương trong hình 2.11a và b. Con số này cho thấy các tài liệu tham khảo, dòng điện hiện iL, và cổng tín hiệu x cho transistor. Transistor là ON khi x = 1 và nó là OFF khi x = 0. ON và OFF của các bóng bán dẫn được điều chỉnh tăng và giảm trong idòng điện hiện iL.
Hình 2.11. Hình biểu thị của tín hiệu và dạng sóng dòng qua bộ biến đổi (a) Dạng sóng
(b) tín hiệu Transistor T ổ cổng x
Các tính chất của hệ số công suất của một bộ chỉnh lưu có thể được tính từ các biểu đồ hiển thị chung đưa ra:
Hình 2.13. Dạng sóng thu được từ bộ chỉnh lưu boost converter
Như có thể thấy rõ ràng, khi sử dụng một bộ chuyển đổi tăng hệ số công suất dạng sóng thu được có dòng giảm đáng kể.
C.CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC
Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (IL) không bao giờ bằng 0. Điện áp đầu ra có thể tính như bên dưới trong trường hợp bộ chuyển đổi lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định.
Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào VS đặt lên cuộn dây, tạo ra thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây trong một chu kỳ bởi công thức:
i L V I t L ∆ = ∆ (2.2)
Kết thúc trạng quá On. Dòng IL tăng như sau:
0 1 . DT Lon i i DT I V dt V L L ∆ = ∫ = (2.3)
D là độ rộng xung. Nó trình bày trong phân số của chu kỳ T khi khóa ở chế độ On. Vì vậy D nằm giữa 0 và 1 (S không bao giờ mở và S luôn mở).
Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải. Nếu điện áp zero rơi vào diode, và điện tích trên tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng IL được tính như sau: 0 L i dI V V L dt − = (2.4)
Vì vậy, sự biến đổi của IL trong chu kỳ Off là:
0 0 Loff ( ) ( )(1 ). DT i i T V V dt V V D T I L L − − − ∆ = ∫ = (2.5)
Khi chúng ta xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện trạng thái ổn định, phần lớn năng lượng được lưu trữ trong mỗi thành phần của nó giống như lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ. Ngoại trừ năng lượng lưu trong cuộn dây được cung cấp bởi: 2 1 . 2 L E = L I (2.6) Dòng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Nghĩa là sự thay đổi toàn diện trong dòng về zero:
Loff 0
Lon
I I
∆ + ∆ = (2.7)
Thay đổi ∆ILon và ∆ILoff bằng biểu thức:
0 Loff . . ( )(1 ). 0 i i Lon V D T V V D T I I L L − − ∆ + ∆ = + = (2.8) Viết lại: 0 1 1 i V V = D − (2.9)
0
1 Vi
D
V
= − (2.10) Công thức trên nói lên điện áp đầu ra luôn cao hơn điện áp đầu vào (chu kỳ năng lượng từ 0 đến 1), và nó tăng với D, về lý thuyết xác định D lên 1. Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi đôi khi coi như bộ chuyển đổi tăng cấp.
D. CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Nếu biên độ sóng của dòng quá lớn, cuộn dây xả năng lượng hết trước khi kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng trong cuộn dây giảm xuống 0 trong 1 phần của chu kỳ. Nó có thể được tính như sau:
Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng 0, giá trị lớn nhất là ILMax(t = DT): max . . i L V D T I L = (2.11) Trong suốt chu kỳ off, IL giảm xuống 0 sau :
0 max ( ). . 0 i L V V T I L δ − + = (2.12)
Sử dụng 2 công thức trước, δ bằng: 0 . i i V D V V δ = − (2.13)
Dòng tải I0 bằng dòng trung bình qua diode ID . dòng diode bằng dòng cuộn dây trong trạng thái off. Tuy nhiên dòng đầu ra có thể viết:
max 0 . 2 L D I I I δ − = = (2.14) Thay thể ILmax và δ bởi công thức tương ứng:
2 2 0 0 0 . . ( . ) . . . 2 2 ( ) i i i i i V D T V D V D T I L V V L V V = = − − (2.15)
Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết: 2 0 0 . . 1 2. . i i V V D T V = + L I (2.16) So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này phức tạp hơn. Hơn nữa, trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và dòng đầu ra.
2.3.Dual Boost và nguyên lí hoạt động 2.3.1.Cấu trúc của dual boost
T1 C D T2 iL2 i R E v + - + -
Hình 2.14. Bộ biến đổi dual boost đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn
Bộ biến đổi dual boost thực chất là bộ ghép nối song song giữa hai bộ boost conveter. Việc tăng thêm một cuộn cảm và một thyristo thực chất là
tăng khả năng chuyển mạch cho phép giảm khá nhiều các tổn thất công suất trên các linh kiện công suất, tăng khả năng ứng dụng trên những thiết bị công suất lớn hơn (hình 2.14).
Bộ biến đổi Dual boost thực chất còn có tác dụng nâng hệ số cosφ lên cao hơn có thể dật đến hệ số 0,9. Hệ số 0,9 là hiệu quả hơn nhiều so với hệ số công suất 0,6 của lưới. Lợi ích của việc điều chỉnh hệ số công suất là việc loại bỏ các chi phí liên quan đến việc tiêu thụ nguồn- phản ứng. Cải thiện hệ số công suất loại bỏ việc sụt giảm hệ số công suất, trong đó có thể được áp dụng cho người sử dụng với hệ số công suất kém. Việc sụt giảm như vậy có thể dẫn đến tiền điện cho người sử dụng đang được tăng lên bởi bất cứ điều gì lên đến 20%, tùy thuộc vào các công ty điện lực của cá nhân. Hệ số công suất cao làm giảm tổn thất công suất. Kết quả này làm giảm nhiệt trong các loại cáp, thiết bị đóng cắt, máy biến áp và đầu phát điện mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị đó. Sử dụng cùng một cáp để cung cấp một động cơ lớn hơn và cải thiện sự khởi đầu của động cơ ( khởi động), ở phần cuối của cáp dài chạy bằng cách giảm điện áp truyền trong cáp. Một khoản đầu tư cho hiệu chỉnh hệ số công suất thường là từ 12 đến 24 tháng. Vì vậy, cần nâng cao hệ số công suất.
Hiệu chỉnh hệ số công suất tích cực và hiểu chỉnh hệ số công suất thụ động là hai phương pháp. Hiện tại có thể được kiểm soát một cách đơn giản bằng cách sử dụng một bộ lọc điều khiển tần số dòng. Sóng hài đang bị giữ các giá trị và các thiết bị phi tuyến tính trông giống như một tải tuyến tính. Hệ số công suất có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các thiết bị thụ động. Tụ điện và cuộn cảm của bộ lọc với các thiết bị thụ động như vậy được gọi là bộ lọc thụ động. Điều chỉnh hệ số công suất với giá trị lớn trong sự thụ động hiện nay đang làm sẽ gây ra sự tốn kém và cồng kềnh. Một cách tiếp cận tích cực là cách hiệu quả nhất để sửa hệ số công suất của nguồn cung cấp điện tử. Ở đây, bộ chuyển đổi tăng được thiết kế giữa cầu chỉnh lưu và tụ điện đầu vào chính. Bộ chuyển đổi cố gắng duy trì một điện áp một chiều bus đầu ra không đổi và rút ra một điện áp hiện tại mà trong giai đoạn biến đổi đầu ra cùng một tần số như các dòng
điện áp. Những lợi thế tổng thể của đề xuất hoạt động hiệu chỉnh hệ số công suất là tạo ra sóng đầu vào hiện tại ổn định, tần số cao chuyển lọc, cảm biến thông tin phản hồi của nguồn hiện tại để kiểm soát và điều chỉnh dạng sóng điện áp đầu ra với điều khiển phản hồi. Đề xuất chuyển đổi thúc đẩy song song với mạch hoạt động giảm sóc (hình 2.15). Thông thường, bộ chuyển đổi được sử dụng như hiệu chuẩn tăng hệ số công suất hoạt động. Tuy nhiên, một phương pháp mới gần đây cho PFC là sử dụng kép tức là chuyển đổi tăng kép, hai bộ chuyển đổi tăng kết nối song song. Bằng cách sử dụng một chương trình song song, nơi dòng điện Lf1 và công tắc S1 là dành cho PFC chính trong khi LF2 và S2 là để lọc tích cực. Các mạch lọc phục vụ hai mục đích tức là, cải thiện chất lượng của dòng hiện tại và làm giảm PFC mất trong quá trình chuyển mạch. Việc giảm điện năng thất thoát xảy ra do giá trị khác nhau của chuyển đổi tần số và biên độ hiện tại cho hai thiết bị chuyển mạch. Các kết nối song song của chế độ chuyển đổi chuyển đổi là một chiến lược khá nổi tiếng. Nó liên quan đến giai đoạn chuyển dịch của hai hay nhiều bộ chuyển đổi tăng kết nối song song và hoạt động ở cùng tần số chuyển mạch (Parillo, 2012). Những lợi thế tổng thể của việc sử dụng phương pháp này là để nâng cao hiệu quả, giảm chi phí phát triển, độ tin cậy cao, giảm gợn sóng hiện tại, giảm tổn thất dẫn và giảm kích thước của các thành phần hoạt động và thụ động như tăng dòng điện.
Hình 2.15. Sơ đồ mạch cho đơn chuyển đổi thúc đẩy giai đoạn với hoạt động giảm sóc
Mục đích của Dual Boost Converter là để tránh quá trình tăng hệ số hai lần trong chương trình hai giai đoạn. Hai bộ chuyển đổi có thể được kết nối song song để tạo thành các chương trình PFC song song. Ở đây, biến đổi chính là để tải chảy qua hai con đường song song. Các con đường chính là một bộ chỉnh lưu, trong đó quá trình được xử lý hai lần cho biến đổi hệ số công suất, trong khi các con đường khác xử lý năng lượng đầu vào hai lần cho mục đích biến đổi hệ số công suất. Để đạt được cả hai yếu tố sức mạnh đoàn kết chặt chẽ và điều chỉnh điện áp đầu ra, chỉ có sự khác biệt giữa công suất đầu vào và sản lượng điện cần phải được xử lý hai lần. Vì vậy, hiệu quả cao có thể thu được bằng phương pháp này. Thông thường, bộ chuyển đổi tăng được sử dụng như hiệu chuẩn hệ số công suất hoạt động. Tuy nhiên, một phương pháp mới gần đây cho PFC là sử dụng song song tức là chuyển đổi tăng, hai bộ chuyển đổi tăng kết nối song song. Sơ đồ mạch điện của bộ chuyển đổi tăng song song cho PFC được hiển thị trong hình 2.15. Bằng cách sử dụng các mạch giảm sóc, nó làm giảm hoặc loại bỏ điện áp hoặc giá tri dòng điện hiện nay, giới hạn của dI / dt hoặc dV / dt, hình thành dòng tải để giữ nó trong Khu vực điều hành an toàn (SOA), chuyển giao thành việc tản từ việc chuyển đổi một điện trở hoặc tải hữu ích, do chuyển đổi làm giảm tổng số thiệt hại, giảm xóc điện áp và dòng điện để giảm tổn thất. Những lợi thế của công cụ chuyển đổi tăng song song với mạch sgiảm sóc hoạt động là để nâng cao hiệu quả tổng thể, độ tin cậy cao, giảm chi phí phát triển do thiết kế kiểu mô-đun, sóng hài thấp và mất dẫn.
Hình 2.16 cho thấy các thành phần của đề xuất chuyển đổi thúc đẩy. Nó là sự kết hợp của các mạch giảm sóc mới hoạt động với chuyển đổi thúc đẩy song song. Ba thiết bị chuyển mạch được sử dụng công tắc S1 và S2 là nơi hoạt động như công tắc chính và S3 hoạt động như một công tắc phụ trợ. S1 và S2 được điều khiển bởi ZvT(zero vontage transition) và ZCT(zero current transition) tương ứng cũng S3 được điều khiển bởi ZCS(zero current switching). Mạch này
hoạt động ở 200V / 50Hz xoay chiều cung cấp. Sơ đồ khối chuyển đổi được đề xuất là trong hình. 2.16.
Hình 2.16. Các thành phần của giai đoạn duy nhất tăng song song với chuyển đổi hoạt động giảm sóc
2.3.2.Nguyên lý hoạt động
Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động của bộ Dual Boost converter
Ở đây, ta sử dụng một chương trình song song, nơi scuộn cảm LB1 và công tắc TB1 là dành cho PFC chính trong khi LB2 và TB2 là để lọc tích cực. Các mạch lọc phục vụ hai mục đích tức là cải thiện chất lượng dòng hiện tại và làm giảm PFC mất đi trong quá trình chuyển mạch. Việc giảm điện năng thất thoát xảy ra do giá trị khác nhau của chuyển đổi tần số và biên độ hiện tại cho hai thiết bị chuyển mạch.
Các kết nối song song của chế độ chuyển đổi là một sự kết hợp kép. Nếu có sự liên quan đến giai đoạn chuyển dịch của hai hay nhiều bộ chuyển đổi tăng kết nối song song và hoạt động ở cùng tần số chuyển mạch
Tương tự với boost conveter, dual boost conveter có nguyên lý hoạt động