Bài tập lớn Điện tử công suất: thiết kế bộ biến đổi DC DC buck converter ĐTCS

( ) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI Thiết kế bộ biến đổi nguồn DC DC Sinh viên Nguyễn Quang Trung Giáo viên hướng dẫn TS Phạm Việt Phương Hà Nội, 12 2020 Mục Lục Mục Lục 2 Lời mở đâu 3 Yêu Cầu Thiết Kế 4 Chương 1 Tổng quan 5 1 1 Phương pháp điều khiển 5 1 2 Bộ biến đổi buck 5 Chương 2 Mô hình hóa 7 Chương 3 Tính toán mạch lực 8 Chương 4 Thiết kế bộ điều khiển 11 Chương 6 Mô phỏng mạch lực 12 Tổng kết 15 Tài liệu tham khảo 16 Lời mở đâu Trong l.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

**********

ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ biến đổi nguồn DC - DC

Sinh viên: Nguyễn Quang Trung

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Việt Phương

Hà Nội, 12 - 2020

1

Mục Lục

Mục Lục 2

Lời mở đâu 3

Yêu Cầu Thiết Kế 4

Chương 1: Tổng quan 5

1.1 Phương pháp điều khiển 5

1.2 Bộ biến đổi buck 5

Chương 2: Mô hình hóa 7

Chương 3: Tính toán mạch lực 8

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển 11

Chương 6: Mô phỏng mạch lực 12

Tổng kết 15

Tài liệu tham khảo 16

Lời mở đâu

Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện

là hết sức cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Cấu trúc mạch của các bộ biến đổi DC-DC vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu

Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đang theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật Trong đề tài môn học này, em thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC- DC”

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Việt Phương (bộ môn Tự động công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành môn học

Yêu Cầu Thiết Kế

- Với yêu cầu trên, em chọn thông số tính toán: Điện áp đầu vào: 24VDC

Điện áp đầu ra: 5VDC Dòng điện ra: 7A

- Các bước thực hiện:

1.Giới thiệu về bộ biến đổi

2 Mô hình hóa

3 Tính toán mạch lực và thiết kế cuộn kháng

4 Thiết kế bộ điều khiển

5 Mô phỏng trên PSIM

Chương 1: Tổng quan

1.1 Phương pháp điều khiển

Sử dụng phương pháp PWM (pusle width modulation): là phương pháp thay đổi độ rộng xung vuông, tức là thay đổi độ rộng sườn dương hay âm của xung mà không thay đổi tần số xung

Dùng PWM để điểu khiển việc đóng, ngắt các khóa (van) trong bộ biến đổi Việc thay đổi độ rộng sườn dương (âm) của xung điều khiển dẫn đên thay đổi thời gian đóng (ngắt) của các van Do đó làm thay đổi điện áp đầu ra của bộ biến đổi

1.2 Bộ biến đổi buck

Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường được sửa dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều

Hình 1.1: Bộ biến đổi Buck cơ bản

Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào Việc điều khiển các khóa chuyển mạch bằng cách đóng và mở các khóa theo chu kỳ, kết quả là tạo

ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường, nó còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa đóng, điện áp chênh lệch giữa 2 ngõ vào ra đặt trên cuộn cảm, làm dòng trên cuộn cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt,cuộn cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó

sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp trên cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa đóng và có điện áp bằng ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode D, khiến cho dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ

ra C có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra trong giới hạn cho phép

Chương 2: Mô hình hóa

Trong thực tế, các thành phần của bộ biến đổi không phải là lý tưởng Tụ điện được thay thế bằng một tụ điện lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở Rc Điện trở

Rc được gọi là điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ điện, dùng để chỉ ra tổn thất năng lượng trên tụ điện Cuộn cảm được thay thế bằng một cuộn cảm lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở RL

Hình 2.1: Bộ biến đổi Buck

- Với:

+ Rds,on: là điện trở tương đương của MOSFET khi dẫn

+ Vd,on: là điện áp rơi trên Diode khi dẫn

+ rL: là điện trở thuần của cuộn dây L

+ ESR: là điện trở tác dụng của tụ, là phần tổn hao khiến tụ nóng lên

Chương 3: Tính toán mạch lực

- Khi Q dẫn, D khóa, ta có:

U L=U gưi L ( R DS , on+r L)ưU 0

Hình 3.1: Mạch Buck khi Q dẫn

- Khi Q khóa, D dẫn, ta có:

U L=ưV D , onưi L r LưU 0

Hình 3.2: Mạch Buck khi Q khóa

- Với điện áp trên tụ đạp mạch rất nhỏ, giả thiết Uo= Const Ta có điện áp trung bình trên cuộn dây L trong 1 chu kỳ đóng cắt của Q phải bằng không nên ta có:

Ts∫

0

Ts

u Ldt=0

¿ >[U gưI L ( R DS , on+r L)ưU 0] Dư( I L r L+U 0+V D , on) D '=0

- Sau khi biến đổi ta có:

D= V 0+V D , on+I L r L

U g−I L R DS ,on+V D , on

- Với các thông số đã biết:

{Ug=24 Vdc Uo=5 Vdc Io=7 A

- Ta chọn thông số các van trên mạch:

+ MOSFET: IPP042N03L, hãng Infineon:

ThôngsốRds,on= 0.0045Ω

Hình 3.3: Mosfet

+ Diode Schottky: RB218T-30, hãng: Rohm:

Thôngsố Vd,on= 0.58V

Hình 3.4: Diode

- Chọn thông số điện trở thuần cuộn dây: rL=0.1Ω

- Từ đó ta tính được hệ số điều chế: D=Tx Ts=0.25567

- Tính toán thông số cuộn cảm L và tụ điện C:

- Tần số đóng cắt của MOSFET: 100kHz để giảm kích thước cuộn cảm và tụ điện

- Chọn độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm L là:

∆ iL=10 % Io=10 %.7=0.7 A

- Chọn độ đập mạch điện áp trên tụ:

∆ u 0=0.1 %Uo=0.1 %.5=0.005 V

Từ công thức:

2

Ug ) L

2

8 LC(Uo−

Uo2

Ug)

Từ đó ta có{L=56.5 μHH C=175 μH F

- Chọn van theo dòng điện đỉnh qua van Ipeak=IL+ΔIL/2 và dòng trung bình qua van

+ Ipeak = 7 + 10%.7/2 = 7.35 (A)

+ Dòng ước tính qua diode: Id = (1-D).IL = (1- 0,25567).7 = 5,21031 (A) + Dòng trung bình qua MOSFET: Iv = D.IL = 0,25567.7 = 1.78969 (A)

- Thời gian đóng, mở van:

ton = D.Ts = 0,25567.10-5 = 2,5567.10-6 (s)

toff = (1-D)Ts = (1-0,25567).10-5 = 7,4433.10-6 (s)

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

Trong phạm vi môn học em đưa ra phương án điều khiển: Thay đổi hệ số điều chế D tác động vào MOSFET thông qua điều chỉnh độ rộng xung điều khiển trong những chu kì lặp không đổi thông qua các IC chuyên dụng

Hình 4.1: Độ rộng xung PWM

Chương 6: Mô phỏng mạch lực

- Với các thông số đã tính toán, tiến hành mô phỏng mạch lực trên LTspice:

- Kết quả mô phỏng

+ Điện áp đầu ra trên tải thuần trở:

Điện áp trung bình: Uo= 5.02V

+ Dòng điện 1 chiều trên tải thuần trở:

+ Dòng điện đập mạch trên cuộn cảm: ∆ iL≈ 11% IL

+ Điện áp đập mạch trên tụ điện:∆ uo ≈ 0.1 % Uo

Tổng kết

Kết thúc đề tài môn học đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu

đề ra, một số kiến thức thu được :

- Mô hình hóa được đối tượng

- Tính toán được thông số của mạch lực

- Đã mô phỏng mô hình được bằng Psim

Em đã trau dồi thêm kinh nghiệm về thiết kế mạch và tiếp cận với các phần mềm mô phỏng Psim và Matlab Nắm được cơ bản về mạch điều chỉnh điện áp

Dc-Dc buck converter Trong suốt quá trình làm việc không thể thiếu được các ý kiến hướng dẫn của thầy Phạm Việt Phương Em xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy và các bạn trong nhóm trong suốt quá trình làm đề tài Trong suốt quá trình thực hiện mặc dù cố gắng hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, em còn nhiều thiếu sót

và rất mong được sự đóng góp, góp ý từ phía thầy để em hoàn thiện hơn

Tài liệu tham khảo

[1] Giáo trình điện tử công suất- Trần Trọng Minh [2] Fundamentals of Power Electronics - Erickson.