Bộ biến đổi thế hệ thứ nhất

phân chia các bộ biến đổi điện áp DC/DC thế hệ thứ nhất thành 5 nhóm theo trình tự xuất hiện của chúng:

ƒ Bộ biến đổi cơ bản

ƒ Bộ biến đổi kiểu biến áp

ƒ Bộ biến đổi cải tiến

ƒ Bộ biến đổi nhân áp

ƒ Bộ biến đổi siêu nhân áp

2.2.1.1. Bộ biến đổi cơ bản

ến đổi Buck, Boost và Buck – Boost. đó xây dựng các bộ biến đổi DC/DC, về thực

a điện áp đầu ra là rất lớn

Sơ đồ mạch và dạng sóng đầu vào / ra của mạch đ−ợc cho trong hình 2.7 nh−

dòn

Bộ biến đổi này bao gồm các loại: bộ bi Đây là các mạch cơ sở để từ

chất chúng là các mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ đơn với 2 nh−ợc điểm chính là:

ƒ Có sự liên hệ một chiều giữa đầu vào và đầu ra

ƒ Độ gợn củ

Bộ biến đổi Buck

sau:

Hình 2. 7: Sơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng vào / ra của bộ biến đổi Buck

Khoá S và diode D luân phiên làm việc ở chế độ dẫn và ngắt, trong khi g qua cuộn dây chảy liên tục.

0 i1 kT T t 0 kT T t i2 i1 i2 V1 V2 - + - + + C S D L R S dẫn S ngắt

Bộ biến đổi này chính là mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ A, do đó điện áp đầu ra V2 đ−ợc tính theo công thức (2.1) nh− đã nói ở phần 2.1.

V2 = V1 T Ton

= k . V1

Với Ton là thời gian dẫn của khoá S. k đ−ợc gọi là hệ số dẫn k = Ton/T Vì k luôn nhỏ hơn 1 nên bộ biến đổi Buck còn gọi là bộ giảm điện áp.

Nó ào

vớ

ơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng của dòng vào và ra nh− hình 2.8. Khoá S và diode D luân phiên làm việc ở chế độ dẫn và ngắt, trong khi dò

đ−ợc sử dụng khi cần điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp DC đầu v i hệ số k có thể điều chỉnh đ−ợc. Việc phân tích hoạt động và thiết kế cho bộ biến đổi này đ−ợc trình bày cụ thể trong ch−ơng 3.

Bộ biến đổi Boost

S

ng qua cuộn dây chảy liên tục.

Hình 2. 8: Sơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng vào / ra của bộ biến đổi Boost

0 i1 kT T t 0 i1 i2 V1 V2 - + - + + C D S L R S dẫn S ngắt i2 kT T t

Bộ biến đổi Boost chính là mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B. Điện áp

V2 =

đ−ợc tính theo công thức (2.2). Do đó V2 đ−ợc tính nh− sau:

1 1 1 1 T V k V Toff = −

Vì 0 < k < 1 nên V2 > V1. Nh− vậy bộ biến đổi cho phép điện áp đầu ra lớ

ổi Buck – Boost

ạng sóng của dòng vào và ra của bộ biến đổi Bu

vào giá trị k. Điện áp đầu ra đ−ợc tính theo công thức:

n hơn điện áp đầu vào, ng−ời ta gọi bộ biến đổi Boost là bộ biến đổi tăng c−ờng. Mạch này cho phép tạo ra điện áp đầu ra DC lớn hơn điện áp đầu vào DC với hệ số k thay đổi đ−ợc. Việc phân tích hoạt động và thiết kế cho bộ biến đổi này đ−ợc trình bày cụ thể trong ch−ơng 3.

Bộ biến đ

Sơ đồ mạch nguyên lý và d

ck – Boost đ−ợc cho trong hình 2.9. Khoá S và diode D luân phiên làm việc ở chế độ dẫn và ngắt, trong khi dòng qua cuộn dây chảy liên tục.

+ - + - V2 V1 i2 i1 + C D L R S S dẫn S ngắt 0 i1 kT T t 0 i2 kT T t

Hình 2. 9: Sơ đồ mạch nguyên lý và dạng sóng vào / ra của bộ biến đổi Buck-Boost

V2 = 1 1 1 kV k V T T T on on − = − (2. 3) Khi k > 1/2 thì k > (1-k), ta có: V2 > V1 Khi k thì k < (1-k), ta c

Nh− vậy có ợc điện áp có giá trị

tuỳ ý, cao hơn đó bộ biến đổi Buck

– B

Các bộ biến đổi cơ bản đã nói ở phần trên có sự liên hệ về phần một chiều iện áp còn t−ơng đối thấp. Để cải thiện

ward Converter ull Converter

r

B

ộ biến đổi thuận có sơ đồ nh− hình 2.10. Chuyển mạch S và diode D1 hoạt động đóng / mở một cách đồng bộ còn diode D2 luân phiên đóng / mở.

< 1/2 ó: V2 < V1

thể sử dụng bộ biến đổi này để tạo ra đ−

hoặc thấp hơn điện áp đầu vào. Vì lý do oost đ−ợc sử dụng t−ơng đối rộng rãi.

2.2.1.2. Bộ biến đổi kiểu biến áp

từ đầu vào tới đầu ra, hệ số tăng đ

điều này ng−ời ta đ−a ra các bộ biến đổi kiểu biến áp có khả năng cách ly giữa đầu vào và đầu ra, có hệ số truyền đạt điện áp cao (phụ thuộc vào loại biến áp có tỉ số vòng dây là bao nhiêu).

Bộ biến đổi kiểu biến áp có 6 dạng chính:

ƒ Bộ biến đổi thuận - For

ƒ Bộ biến đổi kiểu đẩy kéo - Push P

ƒ Bộ biến đổi hồi tiếp - Fly back Converter

ƒ Bộ biến đổi cầu bán phần - Half bridge Converte

ƒ Bộ biến đổi cầu - Bridge Converter

ƒ Bộ biến đổi ZETA - ZETA Converter

ộ biến đổi thuận

B

Mạch hoạt động ở chế độ không liên tục, vì khoá S nối tiếp với cuộn sơ cấp đầu vào nên dòng đầu vào không liên tục.

+ D1 L V1 V2 + - - R + C D2 S 1:N

Bộ biến đổi thuận thực chất là bộ biến đổi Buck nh−ng có thêm hệ số N của biến áp, do đó còn đ−ợc gọi là bộ biến đổi Buck kiểu biến áp, điện áp đầu ra đ−ợc tính theo công thức:

Vo = k.N.Vi (2. 4)

Mạch này đ−ợc sử dụng rộng rãi khi công suất ngõ ra từ 150 đến 200W với điện áp DC ngõ vào biến đổi trong phạm vi từ 60 đến 250V.

ợng bão hoà lõi thép của biến áp. Sơ đồ mạch cho ở hình d−ới đây.

Bộ biến đổi kiểu đẩy – kéo

Đây chính là bộ biến đổi Boost làm việc ở trạng thái đẩy – kéo, điều này sẽ hạn chế một cách hữu hiệu hiện t−

L + + Vo - - Vi D1 R + C 1:N S1 D2 S2

Hình 2. 11: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi đẩy - kéo

Trong mạch có 2 khoá S làm việc luân phiên, điện áp đầu ra sẽ đ−ợc nhân đôi, nghĩa là tính theo công thức:

Vo = 2.k.N.Vi (2. 5)

Với N là tỉ số vòng dây của biến áp, k là hệ số dẫn k = Ton / T

Mạch này sẽ đ−ợc trình bày chi tiết trong ch−ơng 3.

Bộ biến đổi

Bộ

iode D và chuyển mạch S luân phiên đóng / mở. Dòng đầu vào bị ngắt quãng theo sự đóng mở của chuyển mạch S.

. .

hồi tiếp

biến đổi này có sơ đồ mạch cho ở hình d−ới đây. Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến áp đ−ợc mắc ng−ợc cực. D Vo - + + 1:N D R + C Vi - S

Bộ biến đổi hồi tiếp cho điện áp đầu ra Vo tính theo công thức: 1 1 k NV k − Vo = (2. 6)

Mạch biến đổi hồi tiếp có −u điểm đặc biệt là không sử dụng cuộn cảm ngõ ra bên thứ cấp nh− các mạch khác, do vậy tiết kiệm đ−ợc chi phí một cách đáng kể. Mạch đ−ợc dụng trong các mạch có điện áp ngõ ra lớn

5000V nhờ điều chỉnh k và tỉ số biến áp N) nh−ng công suất thấp

5W). Hoặc c đầu vào DC đủ

lớ

Bộ biến đổi cầu bán phầ

Bộ biến đổi này có cuộn dây thứ cấp đ (≤

(<1 ó thể đạt công suất đầu ra đến 150W nếu

n (≥160V).

n

−ợc giảm thiểu, sơ đồ mạch cho trong hình 2.13: + Vo - + Vi 1:N . . - . D1 R L + C3 S2 D2 + C2 + C1 S1

ầu ra đ−ợc tính theo công thức:

Vo = k.N.Vi (2. 7)

Việc phân tích hoạt động và thiết kế của mạch này đ−ợc phân tích chi tiết trong ch−ơng 3.

Bộ biến đổi cầu toàn phần

Bộ biến đổi cầu toàn phần sử dụng nhiều chuyển mạch và do vậy điện áp đầu ra đ−ợc tăng gấp đôi. Sơ đồ mạch nh− sau:

Hình 2. 13: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi bán phần

+ + 1:N . . - Vi . Vo - C S4 S2 S1 S3 R L + C1 D2 D1

Hình 2. 14: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi cầu toàn phần

Công thức tính điện áp đầu ra là:

Vo = 2.k.N.Vi (2. 8)

Việc phân hân tích chi

tiế

tiến đ−ợc tạo ra để khắc phục một nh−ợc điểm lớn của ộ biến đổi cơ bản là có độ gợn lớn bằng cách sử dụng thêm bộ lọc thông n áp đầu ra đ−ợc cải thiện đáng kể và chỉ còn

ều có công thức tính điện áp đầu ra là:

tích hoạt động và thiết kế của mạch này đ−ợc p t trong ch−ơng 3.

2.2.1.3. Bộ biến đổi cải tiến

Các bộ biến đổi cải b

thấp. Khi này độ gợn của điệ thấp hơn 2%.

Ngoài ra, bộ biến đổi cải tiến còn cho phép tạo ra đ−ợc điện áp đầu ra có độ lớn tuỳ ý, có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với đầu vào. Tất cả các bộ biến đổi này đ

Vo = Vi k k

−

1 (2. 9)

Các bộ biến đổi cải tiến bao gồm các loại chính là: bộ biến đổi Luo và bộ biến đổi Cúk. (LUO và CúK

mạch này)

này có 3 dạng là:

ƒ Bộ biến đổi Luo có đầu ra d−ơng (P/O) o có đầu ra âm (N/O)

u ra d−ơng và âm (D/O)

Cả ổi Buck – Boost. Sơ đồ mạch

của

là tên của hai nhà nghiên cứu đ−a ra các kiểu

Bộ biến đổi Luo

Bộ biến đổi

ƒ Bộ biến đổi Lu

ƒ Bộ biến đổi Luo có 2 đầ

ba dạng trên đều đ−ợc cải tiến từ bộ biến đ chúng nh− sau:

Bộ biến đổi Luo P/O Vi + - Vo - + + C S Lo L D Co R Vo - + Vi - +

Bộ biến đổi Luo N/O

+ C D R Co L Lo S

Bộ biến đổi Luo D/O

- + - + Vi + - Đầu ra Vo+ Đầu ra Vo - Di2 Di1 Co1 D1 L1 Lo1 + C1 Lo2 L2 Co2 D2 + C2 S Ro1 Ro2

Hình 2. 15: Sơ đồ mạch của các bộ biến đổi LUO

Bộ biến đổi Cúk

Bộ biến đổi Cúk h nh− sau:

-

+ đ−ợc cải tiến từ bộ biến đổi Boost. Sơ đồ mạc +

Vi S1 D Co Ro Vo

Lo C

L

Hình 2. 16: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi Cúk

Bộ biến đổi Cu Khi giá trị của L

.2.1.4. Bộ biến đổi nhân áp

háp để nâng cao điện áp đầu ra, nó đ−ợc áp

chục cho tới hàng tră

.2.1.5. Bộ biến đổi siêu nhân áp

n đ−ợc ứng dụng rất nhiều và nó mở ra

ch điển hình cho bộ biến đổi siêu nhân áp là:

a d−ơng

.2.2. Bộ biến đổi thế hệ thứ hai

bộ biến đổi hoạt động ở nhiều chế độ

−ợc xây dựng từ các mạch ngắt quãng hoạt động ở nhiều chế độ và

ƒ áp

k có dòng liên tục ở cả hai ngõ vào và ra.

và Lo chọn đủ lớn thì có thể cải thiện đáng kể biên độ của sóng răng c−a của dòng đầu ra. Thậm chí, nếu quấn L và Lo trên cùng một lõi thì biên độ của sóng này có thể giảm xuống 0 (để đạt đ−ợc hiệu suất ghép 100% thì lõi cuộn cảm phải chọn có chất l−ợng rất cao và th−ờng có giá thành đắt).

2

Kỹ thuật nhân áp là ph−ơng p

dụng rộng rãi trong việc thiết kế mạch điện tử. Trong suốt một thời gian dài, kỹ thuật này ngày càng hoàn thiện và đạt đ−ợc nhiều thành công trong việc tạo ra các bộ DC/DC có nhiều mức điện áp đầu ra.

Các bộ nhân áp cho phép nâng điện áp đầu ra từ hàng

m lần. Các bộ biến đổi loại này bao gồm các loại: nhân đôi, nhân ba, nhân bốn và nhân nhiều tầng.

2

Kỹ thuật nhân áp là kỹ thuật cơ bả

h−ớng thiết kế các bộ biến đổi DC/DC có hệ số khuếch đại áp cao. Bộ biến đổi nhân áp thực hiện dựa trên 3 mạch Luo cơ bản (đã nói ở phần trên). Tuy nhiên, để tăng hệ số khuếch đại áp trong chế độ công suất thấp ng−ời ta xây dựng kỹ thuật siêu nhân áp. Khi đó điện áp đầu ra sẽ tăng theo từng tầng của mạch.

Có 4 loại mạ

ƒ Bộ biến đổi Luo siêu nhân áp đầu ra d−ơng

ƒ Bộ biến đổi Luo siêu nhân áp đầu ra âm

ƒ Bộ biến đổi tăng c−ờng dạng chuỗi đầu r

ƒ Bộ biến đổi tăng c−ờng dạng chuỗi đầu ra âm

2

Các bộ biến đổi thế hệ thứ hai là các

(2 hoặc 4 chế độ) với dải công suất đầu ra ở mức trung bình (hàng trăm Watt hoặc cao hơn). Dạng mạch của chúng có thể chia thành 2 nhánh chính:

ƒ Đ

/ hoặc các bộ biến đổi thế hệ thứ nhất. Đ−ợc xây dựng bằng cách sử dụng biến

Nh− ụng ít nhất 1 khoá chuyển m

ổi Luo đầu ra d−ơng / âm (thế hệ thứ nhất) đ−ợc lấy làm cơ sở để

ó thể thay đổi h−ớng dò

.2.3. Bộ biến đổi thế hệ thứ ba

gọi là các bộ biến đổi chuyển mạch tụ

.2.3.1. Bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện

vì không có cuộn dây nên kích

.2.3.2. Bộ biến đổi Luo chuyển mạch tụ điện hoạt động ở nhiều chế độ

c đã biết, chế độ hoạt động đơn yêu cầu sử d

ạch. Do vậy, bộ biến đổi hoạt động ở 2 chế độ sẽ cần ít nhất 2 khoá, 4 chế độ sẽ cần ít nhất 4 khoá. Những bộ biến đổi loại này đ−ợc tạo ra trên cơ sở các bộ ngắt quãng t−ơng ứng và chúng đ−ợc sử dụng để điều khiển động cơ một chiều.

Bộ biến đ

xây dựng bộ biến đổi Luo nhiều chế độ hoạt động. Bộ biến đổi nhiều chế độ hoạt động kiểu biến áp c

ng điện bằng cách lựa chọn cực của biến áp và diode chỉnh l−u phù hợp. Các loại chính của bộ biến đổi này đ−ợc xây dựng từ bộ biến đổi thuận, bộ biến đổi cầu bán phần và bộ biến đổi cầu.

2

Các bộ biến đổi thế hệ thứ ba đ−ợc

điện (hoặc là cuộn dây). Chúng hoạt động ở 2 hoặc 4 chế độ với dải công suất đầu ra lớn (hàng nghìn Watt). Vì trong mạch chỉ chứa các phần tử chuyển mạch và hoặc là tụ điện, hoặc là cuộn dây nên mạch t−ơng đối nhỏ, trong khi mật độ công suất và hiệu suất cao.

2

Trong bộ biến đổi này chỉ chứa tụ điện,

th−ớc của mạch rất nhỏ. Ngoài ra, các bộ biến đổi này còn có −u điểm v−ợt trội là tiêu hao công suất thấp, nhiễu điện từ nhỏ, và bức xạ điện từ là không đáng kể. Nhờ các −u điểm đó bộ biến đổi DC/DC chuyển mạch tụ điện có thể đ−ợc tích hợp trong vi mạch (IC), nghĩa là kích cỡ đ−ợc giảm thiểu rất nhiều. Tuy nhiên, khi đầu vào và đầu ra khác nhau nhiều thì topo của mạch chính và mạch điều khiển trở nên cực kỳ phức tạp. Các bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện th−ờng làm việc ở chế độ đơn hoặc đẩy kéo.

2

Với các −u điểm nh− đã nói ở trên, bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện đ−ợ ứng dụng rất nhiều trong thiết bị. Nh−ng có nhiều ứng dụng yêu cầu bộ biến đổi hoạt động ở nhiều chế độ, vì vậy bộ biến đổi Luo chuyển mạch tụ điện nhiều chế độ ra đời (thông th−ờng là 2 hoặc 4 chế độ).

2.2.3.3. Bộ biến đổi chuyển mạch tụ điện đẩy kéo nhân áp

Các bộ biến đổi loại này cho phép tạo ra điện áp đầu ra lớn nhờ kỹ thuật nhân áp, mật độ công suất cao, nhiễu EMI nhỏ, kích th−ớc nhỏ nhờ chỉ