CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
4.1 Bộ biến đổi Push Pull
Mô phỏng sơ đồ Push Pull với các thông số như sau:- Điện áp đầu vào Uin=100VDC; tải thuần trở R=10Ω.
Biến áp cách ly, xét với các thông số như sau: Lm=1mH NP1=NP2 =NS1=NS2=100 vòng;
RP1= RP2=Rs1 = Rs2 =0,1Ω LP1= LP2=LS1= LS2=10àH Khoá chuyển mạch: Sử dụng Mosfet
Để đảm bảo cho 2 van bán dẫn không dẫn đồng thời và để chắc chắn lõi thép phục hồi trước chu kỳ tiếp theo, theo kinh nghiệm thì chỉ cho phép bộ nguồn làm việc với Ton1+Ton2 ≤ 0,8T.
82
Trong sơ đồ mô phỏng ở hình 4.1, xét ở giá trị = = 0,4 T
D Ton ; tức là trong một chu kỳ thì mỗi van dẫn trong thời gian 0,4 chu kỳ; Ton1+Ton2=0,8T
Van 1 sẽ mở trong thời gian từ góc 180 đến 1620 của chu kỳ; Van 2 sẽ mở trong thời gian từ góc 1980 đến 3420 của chu kỳ.
Hình 4.1: Mạch mô phỏng sơ đồPush-Pull bằng PSIM 4.1.1 Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu ra
Kết quả mụ phỏng dạng điện ỏp đầu ra của sơ đồ Push-Pull với L=30àH;
C= 30àF như hỡnh 4.2, đồ thị dạng súng hỡnh 4.3:
Hình 4.2: Dạng điện áp đầu ra khi a) f=50khz; b) f=100kHz
83
Hình 4.3: Đồ thị dạng sóng của sơ đồ Push-Pull a) Mụ phỏng với f=50kHz; L=30àH; C= 30àF b) Mụ phỏng với f=100kHz; L=30àH; C= 30àF Xột cuộn khỏng L ở 2 trường hợp: L=10àH và L=30àH;
Tụ điện C= 30àF; Tải R=10Ω.
Thay đổi tần số chuyển mạch f, kết quả mô phỏng như hình 4.4:
Hình 4.4: Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch tới a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
84
Nhận xét: Từ hình 4.4 cho thấy, L có ảnh hưởng không lớn đến đặc tính Uo=h(f) và ∆Uo=h(f), sẽ phân tích kỹ hơn ở mục 4.1.2. Do L trong các sơ đồ có biến áp cách l chỉ đóng vai trò cùng với tụ C làm bộ lọc đầu ra. Vì vậy ở y các sơ đồ tiếp theo, tác giả chỉ mô phỏng với một giá trị của L.
Từ quan hệ Uo=h(f) cho thấy càng tăng tần số chuyển mạch thì điện áp f đầu ra càng giảm. Theo lý thuyết thì khi xét với D=0,8 sẽ có điện áp đầu ra
V n U
UO D in .100 80 1
4 , 0 . . 2
2 = =
= ; (với n=1 là tỷ số biến áp).
Tuy nhiên thực tế mô phỏng cho thấy điện áp Uo giảm khi tăng tần số chuyển mạch f và Uo giảm nhỏ hơn nhiều so với tính toán lý thuyết (hình 4.2 và hình 4.4a). Đó là do khi tăng tần số chuyển mạch thì làm tăng tần số góc ω π=2 f; đồng nghĩa với nó là làm tăng tổn hao Xdo L= L ω tăng. Hình 4.3 cho thấy khi van bán dẫn đóng (UT11=Uin hoặc UT12=Uin), sau một thời gian ∆t thì mới có điện áp đầu ra của biến áp (UT2). Với f lớn thì ∆t/T lớn (∆t/T ở hình 4.3a nhỏ hơn ở hình 4.3b), là do khi f lớn thì XL lớn làm cho thời gian tích lũy năng lượng vào trong cuộn dây lớn. Do đó, f tăng thì điện áp đầu ra giảm. Quan hệ Uo = h(f) gần như tuyến tớnh (hỡnh 4.4a) khi L=10àH và f>40khz hoặc L=30àH và f 20khz. Với L=10àH > và f < 40khz hoặc L=30àH và f < 20khz, khi đó quan hệ Uo=h(f) có dạng phi tuyến là do khi đó năng lượng tích lũy trong cuộn kháng không đủ để phóng điện trong suốt thời gian cả hai van bán dẫn khóa, bộ nguồn làm việc ở chế độ không liên tục.
Có thể chứng minh điều này bằng cách xét với tải R lớn, khi đó dòng điện nhỏ. Khi tăng tần số chuyển mạch, mặc dù XL= .ωL tăng, nhưng dòng điện rất nhỏ thì tổn hao cũng không tăng nhiều. Khi đó đặc tính Uo=h(f) sẽ nằm ngang khi tần số f đủ lớn để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, kết quả mô phỏng minh họa ở hình 4.5a.
85
Vì vậy, khi thiết kế bộ biến đổi DC/DC có biến áp cách ly cần chú ý thiết kế các thông số của biến áp phù hợp với từng tần số chuyển mạch.
Hình 4.4b, cho thấy khi f tăng thì mức độ gợn sóng ∆Uo của điện áp đầu ra càng nhỏ, chất lượng đầu ra càng tốt. Tuy nhiên, không phải cứ tăng mãi tần số chuyển mạch vì khi f đạt tới giá trị nhất định thì việc tăng f cũng không cú ý nghĩa. Vớ dụ với f=70kHz, L=30àH; C= 30àF; R=10Ω thỡ ∆Uo=0,11V.
Hỡnh 4.5: với L=30àH; C=30àF
a) Quan hệ Uo=h(f); b) Quan hệ IO=h(f) và Iin=h(f)
Hình 4.5b, cho thấy khi tăng tần số chuyển mạch thì dòng điện đầu ra và đầu vào đều giảm nhưng không tỷ lệ thuận với nhau. Khi bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, dòng điện IO và Iingiảm tuyến tính.
4.1.2 Ảnh hưởng của L tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với C=30àF; R=10Ω, thay đổi L ở tần số chuyển mạch 10kHz và 50kHz, thu được kết quả trên hình 4.6.
Hình 4.6: Ảnh hưởng của L tới
86
Cũng giống như các sơ đồ khác khi cuộn kháng L chỉ đóng vai trò là bộ lọc đầu ra thì nó không ảnh hưởng nhiều đến giá trị trung bình của điện áp đầu ra Uo, mà nó chỉ có tác động lớn đến mức độ gợn sóng (∆Uo) của điện áp đầu ra. Ảnh hưởng đặc biệt lớn khi tần số chuyển mạch nhỏ (hình 4.6a), khi đó năng lượng tích lũy trong cuộn kháng không đủ để phóng điện liên tục duy trì trong thời gian cả hai van cùng khóa Hình 4.6b cho thấy sơ đồ Push. -Pull có chất lượng đầu ra rất cao, thể hiện ở mức độ gợn sóng (∆Uo) của điện áp đầu ra rất nhỏ, kể cả khi L và f nhỏ.
4.1.3 Ảnh hưởng của C tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với L=30àH; R=10Ω, thay đổi C ở tần số chuyển mạch 10kHz và 50kHz, thu được kết quả trên hình 4.7.
Hình 4.7: Ảnh hưởng của C tới
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Hình 4.7a, cho thấy tụ C không ảnh hưởng đến điện áp trung bình đầu ra (Uo) của bộ nguồn. Khi C tăng, f tăng thì mức độ gợn sóng (∆Uo) của điện áp đầu ra giảm. Nhưng qua kết quả này, cho thấy C, f tăng đến một giá trị nhất định thì việc tăng tiếp sẽ không còn ý nghĩa nữa.