CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
3.3 Bộ biến đổi Buck-Boost
Khảo sát ảnh hưởng của tần số đóng cắt của sơ đồ Buck Boost (hình 3.14) - bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng PSIM với các thông số của mạch như sau:
Điện áp Uin=100V
Điện trở của cuộn kháng RL=0,1 Ω Tải thuần trở R=10Ω
Khoá chuyển mạch: Sử dụng Mosfet Xét trường hợp D=Ton/T=0,5
67
Hình 143. : Mạch mô phỏng sơ đồ Buck-Boost bằng PSIM 3.2.1 Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu ra Mụ phỏng với L=10àH; C=30àF, dạng điện ỏp đầu ra như hỡnh 3.15
Hình 3.15: Dạng điện áp đầu ra Uo a) Khi f=50kHz; b) Khi f=130kHz
Tính toán theo lý thuyết: U V
D
UO D in .100 100
5 , 0 1
5 , . 0
) 1
( =−
− −
− =
−
=
Hỡnh 3.15a, mụ phỏng với f=50kHz và L=10àH; C=30àF thỡ điện ỏp đầu ra Uo=-147V < -100V so với lý thuyết. Do bộ nguồn khi đó làm việc ở chế độ không liên tục. Tức là dòng điện trên cuộn kháng không liên tục, có thời điểm IL=0 (hình 3.16).
Khi MOS đóng, UL=Uin=100V, tạo ra dòng điện trong cuộn kháng tăng tuyến tính. Đồng thời tụ C phóng điện qua tải với dòng IC=Io ổn định trong suốt thời gian van bán dẫn đóng. Điện áp ngược UD đặt lên điốt D làm cho D khóa trong suốt thời gian đó.
68
Khi MOS cắt, điện áp trên cuộn kháng đảo chiều UL=UO-UD, dòng IL
giảm dần về ; tụ C đang phóng điện sẽ ngay lập tức đảo chiều dòng điện để 0 nạp vào tụ. Khi L phóng hết (IL=0; UL=0), tụ C tiếp tục phóng điện qua tải tạo ra dòng điện IO=IC,giá trị này phụ thuộc vào thời gian nạp tụ và dung lượng của tụ C, trong thời gian đó UO=-IO.R=-IC.R=-14,7.10= 147V Khi đó U- . D=- Uo=147V.
Ở chu kỳ tiếp theo, tại thời điểm đóng MOS, điện áp UO đang có giá trị là (-147 V, U) L=Uin=100V; do đó UD=Uin-UO=100 147)=247V.-(-
Tại thời điểm cắt MOS, điốt D dẫn nên UL=UO-UD=-147 0= 147V.- - Như vậy, trong cả chu kỳ đóng cắt, điện áp đầu ra UO=-147V.
Hình 3.15b, điện áp đầu ra UO=-96V (>-100V) là do sụt áp trên cuộn kháng (mô phỏng với RL=0,1Ω). Ở tần số chuyển mạch f=130kHz thì sơ đồ hoạt động ở chế độ liên tục (dòng IL không bị ngắt quãng). Tức là cuộn kháng L đủ năng lượng để phóng trong suốt thời gian MOS cắt, khi IL<Io thì tụ C bắt đầu phóng điện qua tải R. Tuy nhiên, IL > 0 trong suốt thời gian Mos cắt vì vậy mà điện áp UD=0. Kết quả là điện áp Uo đạt giá trị theo như lý thuyết, giải thích theo như hình 3.17.
Để bộ nguồn hoạt động ở chế độ liên tục, cần tính toán các thông số giới hạn như sau:
f R Lgh D
. 2
. ) 1 ( − 2
=
Với D=0,5; R=10Ωvà =10àHL ⇒ fgh 125kHz 10
. 10 . 2
10 . ) 5 , 0 1 (
6 2
− =
= − ;
Với D=0,5; R=10Ωvà L=50àH ⇒ fgh 25kHz 10
. 50 . 2
10 . ) 5 , 0 1 (
6 2
− =
= −
69
Hỡnh 3 6.1 : Đồ thị dạng súng với 5f= 0kHz; L=10àH; C=30àF
Hỡnh 3 7.1 : Đồ thị dạng súng với f= 0kHz; L=1013 àH; C=30àF
70
Hình 3.18: Ảnh hưởng của tần số tới:
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Như vậy, cỏc kết quả mụ phỏng ở hỡnh 3.18 (với C=30àF) hoàn toàn phự hợp theo như tính toán lý thuyết. Khi f quá nhỏ (hình 3.18a), năng lượng nạp vào tụ C không đủ để phóng ra trong suốt thời gian kể từ khi IL < Io đến khi van bán dẫn mở trở lại, làm cho điện áp Uo giảm.
Hình 3.18b cho thấy, f càng lớn thì mức độ gợn sóng của Uo càng giảm, chất lượng điện áp đầu ra càng tăng.
3.2.2 Ảnh hưởng của L tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với C = 30àF, thay đổi L thu được kết quả ở hỡnh 3.19
Hình 3.19: Ảnh hưởng của L tới
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Theo tính toán: f=50kHz ⇒ H
f R
Lgh D 25à
50000 . 2
10 . ) 5 , 0 1 ( .
2 . ) 1
( 2 − 2 =
− =
=
f=30kHz ⇒ H
f R
Lgh D 41,67à
30000 . 2
10 . ) 5 , 0 1 ( .
2 . ) 1
( 2 2
− =
− =
=
71
Kết quả tính toán này phù hợp với kết quả mô phỏng (hình 3.19a). Khi L<Lgh, bộ nguồn hoạt động ở chế độ không liên tục, điện áp Uo nhỏ hơn giá trị lý thuyết (-100V) và được lý giải như hình 3.16.
Hình 3.19b cho thấy, khi L và f đã đảm bảo để bộ nguồn hoạt động ở chế độ liên tục thì mức độ gợn sóng (∆Uo) sẽ không còn phụ thuộc vào L nữa.
3.2.3 Ảnh hưởng của C tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với L 5= 0àH, thay đổi C thu được kết quả ở hỡnh 3.20
Hình 203. : Ảnh hưởng của C tới
b) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Hỡnh 3.20a, mụ phỏng với L= 50àH, f=30kHz và 50kHz, bộ nguồn đều làm việc ở chế độ liờn tục. Với C đủ lớn (C > 15àF), khi C thay đổi sẽ khụng làm thay đổi điện ỏp Uo. Với C nhỏ (C<15àF), do dung lượng của tụ C khụng đủ để duy trì dòng điện ổn định trên tải trong suốt thời gian kể từ khi IL<Io đến khi van bán dẫn cắt, nên đã làm cho điện áp Uo không đạt được giá trị tính toán.
Hình 3.20b cho thấy, khi C càng tăng thì ∆Uo càng giảm đồng nghĩa với chất lượng điện áp Uo càng tăng.