CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
2.1 Bộ nguồn chuyển mạch không có biến áp cách ly
2.1.1 Sơ đồ bộ biến đổi giảm áp (Buck ).
Hình 2.1: Bộ biến đổi giảm áp (Buck)
Một trong những sơ đồ băm áp đầu tiên là bộ băm áp nối tiếp Buck có sơ đồ như hình 2.1.
Nó bao gồm một công tắc đơn cực S (có dạng một tranzito) được mắc nối tiếp với điện áp vào một chiều Uin. Khoá S được đóng mạch trong thời gian Ton với chu kỳ đóng cắt là T. Khi khoá S đóng mạch thì điện áp ở là X UX=Uin
(giả sử trong trường hợp đóng mạch, điện áp rơi trên khoá S là bằng không).
Khi nó cắt mạch, điện áp UX giảm đột ngột về không và để tránh điện áp ngược lớn đặt nên S, người ta sử dụng vòng phóng điện tự do hay điôt xả D.
Giả sử khi cắt mạch, điện áp đặt lên D cũng bằng 0, khi đó điện áp UX có dạng xung vuông có giá trị Uin trong khoảng thời gian Ton. Điện áp ra một
24
chiều trung bình là (Uin.Ton)/T. Một bộ lọc LC được thêm vào nối tiếp giữa Uinvà UO để lọc điện áp nhấp nhô tự do một chiều.
Hình 2.2: Dạng sóng của dòng điện và điện áp
Để phân tích điện áp của mạch điện này ta phải chú ý đến sự thay đổi của dòng điện trong cuộn kháng trong mỗi chu kỳ. T quan hệ:ừ
dt Ldi U
Ux − O = (2 1)-
Ta có dòng điện sẽ thoả mãn:
di=ON∫(Ux −UO)dt+OFF∫(Ux −UO)dt (2 2)-
Để cho trạng thái hoạt động đều đặn của dòng điện ở đầu và cuối của một chu kỳ T sẽ không thay đổi thì phải có quan hệ giữa điện áp chúng ta giả thiết
25
rằng điện áp không bị tổn hao trên khoá S và điôt trong khi đóng và khoá chuyển mạch là lý tưởng. Vì vậy trong thời gian đóng khoá S thì UX=Uin và khi cắt thì UX=0 ta có biểu thức sau:
∫ ∫
+
− +
−
=
=
off on
on
on T T
T O T
O
in U dt U dt
U
di ( ) ( )
0
0
- (2 3)
từ đó ta có: (Uin-UO) Ton-UO Toff = 0 hay
T T U
M U on
in O
V = = =D (2-4)
T
Trong đó: T= on+Toff;
T
D =Ton ; MV là tỷ số biến đổi điện áp.
Như vậy, quan hệ giữa MV và D biến thiên tuyến tính như trên hình 2.3
Hình 2.3: Quan hệ giữa MVvà D của sơ đồ Buck
Khi đó quan hệ điện áp là: UO=D.Uin. Nếu bỏ qua tổn thất thì công suất ở đầu vào và đầu ra phải bằng nhau và giá trị trung bình là UO.IO=Uin.IS từ đó ta sẽ có IS=D.IO. Quan hệ này dựa trên giả thiết dòng điện qua cuộn kháng không đột ngột về không.
Căn cứ vào tính liên tục của dòng điện chạy qua cuộn kháng mà bộ biến đổi Buck có hai chế độ là: Chế độ liên tục và chế độ không liên tục. Chế độ liên tục là chế độ mà dòng điện chạy qua cuộn kháng luôn luôn lớn hơn không, không có thời điểm nào trở về không. Chế độ không liên tục là chế độ mà dòng điện trên cuộn kháng trở về không trong một phần thời gian khoá
26
chuyển mạch cắt. Khi giá trị dòng điện đầu ra thấp hoặc tần số chuyển mạch thấp thì bộ biến đổi có thể ở chế độ không liên tục. Chế độ liên tục sẽ có hiệu suất cao, tốt cho khoá chuyển mạch và các thành phần trong mạch. Chế độ không liên tục có thể được sử dụng cho các ứng dụng có yêu cầu điều khiển đặc biệt.
Để bộ nguồn hoạt động ở chế độ liên tục, cần tính toán các thông số như sau:
Giá trị tới hạn của cuộn kháng là
f R Lgh D
. 2
).
1 ( −
= (2 5)-
Và min 2
. . . 8
).
1 (
f L U
U C D
r
− O
= (2 6)-
U
với r là giá trị giới hạn đỉnh đỉnh của điện áp đầu ra tức là - Ur đặc trưng cho mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra.
Bộ ổn định Buck có điện áp đầu ra UO U= in.(Ton/T), nghĩa là độ lớn của điện áp đầu ra phụ thuộc vào chu kỳ T và thời gian khoá chuyển mạch đóng Ton. Nhưng cần xác định giá trị của T là bao nhiêu thì mạch đạt tối ưu.
Như đã biết để nâng cao chất lượng điện đầu ra thì cần phải nâng cao tần , số chuyển mạch, tăng dung lượng cuộn kháng L và tụ điện C. Nhưng các thông số này tăng đến mức độ nào để đạt chất lượng mong muốn. Để đảm bảo chất lượng điện mà giảm kích thước của mạch lọc L, C cần nâng tần số hoạt động càng cao càng tốt (T càng nhỏ càng tốt). Tuy nhiên, khi ấy tổn hao chuyển mạch cũng sẽ tăng lên ( ổn hao chuyển mạch tỉ lệ nghịch với chu kỳ t T) và cần sử dụng các bộ toả nhiệt thể tích lớn để giữ nhiệt độ của khoá chuyển mạch ổn định theo yêu cầu. ặc dù sử dụng loại điôt phục hồi nhanh M nhưng nếu giảm chu kỳ T thì tổn hao công suất của điôt lúc này sẽ tăng đáng kể mà không thể bỏ qua được.
Trong chương 3 sẽ nghiên cứu rõ hơn về mức độ ảnh hưởng của các thông số: tần số chuyển mạch và các thông số của L, C.
27
2. 2 1. Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp (Boost).
Hình 2.4. Sơ đồ biến đổi tăng áp (Boost)
Sơ đồ bộ biến đổi Boost có điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Nó sử dụng các phần tử giống như sơ đồ Buck nhưng chúng được sắp xếp như hình 2.4 và có sự hoạt động khác so với sơ đồ Buck. Cuộn dây L được mắc nối tiếp với Uin và khoá S. Điểm cuối của cuộn dây L cấp tới tụ điện đầu ra C và điện trở tải thông qua điôt D.
Hình 2.5: Dạng sóng của bộ biến đổi Boost
28
Hoạt động: Khi khoá S đóng trong thời gian Ton thì dòng điện trong cuộn kháng sẽ tăng tuyến tính và điôt D bị khóa do chịu điện áp ngược Đồng thời . tụ C (đã được nạp từ trước) phóng điện qua tải R. Khi khóa S cắt, L được nạp đến giá trị điện áp lớn hơn Vo thì sẽ phóng điện qua điôt D để cung cấp cho tải R và nạp vào tụ C.
Giả thiết dòng điện chạy liên tục qua cuộn kháng (xét chế độ liên tục).
Dạng điện áp đặt lên cuộn kháng như hình 2.5 và giá trị điện áp trung bình trên cuộn kháng L trong một chu kỳ phải bằng không (theo định luật Faraday).
UinTon +(Uin−UO)Toff =0 (2-7) Từ đó ta có tỷ số biến đổi điện áp:
) 1 (
1 D T
T U
M U
off in O
V = = = − (2-8)
Và để cân bằng công suất:
(1 D) I
I
S
O = − (2-9)
Tỷ số biến đổi D có giá trị từ 0 đến 1 vì vậy điện áp đầu ra luôn luôn lớn hơn điện áp đầu vào về độ lớn.
Như vậy, quan hệ giữa MV và D biến thiên phi tuyến như trên hình 2.6.
Hình 2.6: Quan hệ giữa MV và D của sơ đồ Boost
Để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục thì phải đảm bảo các giá trị giới hạn sau:
29
Giá trị tới hạn của cuộn kháng là
f R D Lgh D
. 2
. . ) 1 ( − 2
= (2 10)-
Và U R f
U C D
r O
. . .
min = (2 11)-
Ur là giá trị đỉnh đỉnh của điện áp đầu ra, đặc trưng cho mức độ gợn sóng - của UO
Bộ ổn định Boost không được sử dụng rộng rãi như bộ ổn định Buck vì có ít trường hợp cần điện áp cao từ nguồn điện áp thấp (khi đó có nhiều cách lựa chọn để có hiệu suất cao và đơn giản hơn nhiều, ví dụ như dùng biến áp với nhiều cuộn thứ cấp có nhiều ngõ ra).
Bộ ổn định Boost thường sử dụng ở mức công suất thấp (<10W), nó phù hợp cho những bo mạch công suất thấp của máy tính với mức điện áp logic 5V hoặc cho các bộ khuếch đại thuật toán với mức điện áp 12V hoặc 15V.
Trong một số hệ thống sử dụng nguồn từ 12V 28V, nếu dùng pin thì khi – nguồn pin này giảm đột ngột hoặc xuống quá thấp (ví dụ như xuống 9V – 22V) thì hệ thống sẽ gặp nhiều trục trặc. Khi đó người ta có thể dùng bộ ổn định Boost để tăng cường điện áp đầu ra theo mức yêu cầu, những ứng dụng này có thể đạt công suất từ 50W – 200W.
2. 3 1. Sơ đồ bộ biến đổi tăng, giảm áp (Buck Boost) -
Hình 2.7: Sơ đồ của bộ biến đổi Buck oost -B
30
Đây là bộ biến đổi có hoạt động gần giống với bộ biến đổi Boost: nó nạp năng lượng vào cuộn cảm trong một phần của chu kỳ và chuyển nó đến tải trong phần tiếp theo của chu kỳ đó. Sự khác nhau giữa bộ biến đổi Boost và Buck-Boost là vị trí của công tắc chuyển mạch và cuộn dây được hoán đổi, đồng thời điôt D cũng bị đảo chiều.
Hình 2.8: Dạng sóng của bộ biến đổi Buck oost-B
Khi S đóng thì UX=Uinvà khi cắt thì S UX=UO, thực tế dòng điện sẽ về không tại thời điểm giá trị điện áp trung bình đặt trên cuộn kháng bằng không.
Phương trình cân bằng:
0 . ON + O OFF =
inT U T
U (2 12- )
từ đó ta có tỷ số điện áp:
) 1
( D
D U
M U
in O
V = =− − (2 13- )
Và để cân bằng công suất:
31
D D I
I
S
O (1− )
−
= (2-14)
Vì tỷ số biến đổi D có giá trị từ 0 đến 1 nên điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào về độ lớn, dấu trừ thể hiện sự đảo chiều điện áp đầu ra so với đầu vào.
Giá trị tới hạn giữa chế độ liên tục và không liên tục của cuộn kháng được xác định như sau:
f R Lgh D
. 2
. ) 1 ( − 2
= (2 15)-
Như vậy quan hệ giữa MV và D biến thiên phi tuyến như hình 2.9:
Hình 2.9: Quan hệ giữa MVvà D của sơ đồ Buck-Boost 2. 4 1. Sơ đồ bộ biến đổi hỗn hơp (Cuk)
Tất cả các bộ biến đổi Buck, Boost và uckB -Boost đều biến đổi năng lượng giữa điện áp đầu vào và đầu ra bằng cách sử dụng cuộn kháng, phân tích dựa trên sự cân bằng điện áp trên cuộn kháng. Bộ biến đổi Cuk năng lượng được truyền qua tụ điện và phân tích dựa trên sự cân bằng dòng điện trên tụ điện. Sơ đồ mạch của bộ biến đổi Cuk được trình bày ở hình 2.10.
Hình 2.10: Sơ đồ mạch bộ biến đổi Cuk
32
,
Nếu giả thiết rằng dòng điện chạy qua cuộn kháng thuần cảm chúng ta có thể khảo sát sự cân bằng của tụ điện C1. Khi khoá S đóng, điôt D khóa và tụ C1 được nạp bởi dòng IL2. Khi khoá S cắt, điôt dẫn và dòng điện qua D là tổng IL1+IL2 và dòng điện trên C1 là IL1
Hình 2.11: Dạng sóng của bộ biến đổi Cuk
Từ trạng thái ổn định giả thiết không có sự tăng điện áp của tụ và dòng điện thực là bằng không. Ta có:
0 )
( 2 OFF
1T + −I T =
IL ON L hay
D D I
I
L
L (1 )
1
2 −
= (2-16)
Quan hệ giữa điện áp điện đầu vào và đầu ra sử dụng luật cân bằng công suất ta có:
) 1 ( DD UU
M in
V O
− −
=
= (2-17)
Giá trị tới hạn giữa chế độ liên tục và không liên tục được xác định:
f D
R Lgh D
. . 2
).
1 (
1
= − (2 18)-
33
f R L gh D
. 2
).
1 (
2
= − (2 19)-
Và để đạt giá trị mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra là Ur thì:
2
2 min
2 8. . .
).
1 (
f L U
U C D
r
− O
= (2 20)-
Với giá trị đỉnh-đỉnh của điện áp trên tụ C1 là Ur1:
f R C
U
Ur D O
. .
.
1
1 = (2 21)-
Từ phương trình (2 17), - có đồ thị quan hệ giữa MV và tỷ số D như hình 2.12:
Hình 2.12: Quan hệ giữa MV và D của sơ đồ Cuk
Như vậy tỷ số biến đổi điện áp giống như của sơ đồ biến đổi Buck boost. - Thuận lợi của bộ biến đổi Cuk là cuộn kháng đầu vào và đầu ra làm cho dòng điện phẳng hơn ở cả hai phía trong khi các bộ Buck, Boost và uck boost có B - ít nhất một phía là dòng điện xung.
2.1.5 So sánh tỷ số biến đổi điện áp giữa các sơ đồ không có biến áp cách ly.
Điện áp có thể được biến đổi bằng bộ biến đổi DC DC được tổng hợp ở - hình 2.13. Đối với bộ biến đổi Buck có quan hệ tuyến tính giữa tỷ số biến đổi và điện áp đầu ra. Bộ biến đổi Buck boost - và Cuk có cùng tỷ số biến đổi điện áp và có thể tăng hoặc giảm tỷ số biến đổi điện áp, không thay đổi điện áp ở
34
tỷ số biến đổi là 0 5. Ở đây ta chỉ so sánh về độ lớn, không so sánh về chiều , của điện áp đầu ra so với đầu vào.