BÀI GIẢI bài tập CHƯƠNG 3 p1 p2 điện tử công suất

Mạch tương đương này có thể áp dụng cho các bộ biến đổi DC-DC khác nhau, ở chế độ dòng liên tục hoặc gián đoạn... Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dòng trung bìn

BÀI TẬP CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

Phần 1: Bộ biến đổi DC-DC cơ bản Lưu ý:

(a): Bộ biến đổi và tải (b): Mạch tương đương với V o , I o

Hình 1

Cho bộ biến đổi với tải như hình 1a, mạch tương đương với trị trung bình điện áp ngõ ra V o và dòng trung

bình ngõ ra I o như hình 1b Mạch tương đương này có thể áp dụng cho các bộ biến đổi DC-DC khác nhau, ở chế độ dòng liên tục hoặc gián đoạn Từ mạch tương đương hình 1b, ta có:

o o

V RI E

Lưu ý là trong trường hợp mạch ở chế độ dòng liên tục, điện áp trung bình ngõ ra V o là một hàm chỉ phụ

thuộc vào điện áp ngõ vào V d và tỉ số điều chế D: V of V D( , )d

Bài 3.1:

a Tính tỉ số điều chế D và dòng tải trung bình I o để V o = 150V

Do mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục nên điện áp trung bình ngõ ra có thể tính theo công thức:

V DV , suy ra tỉ số điều chế cần thiết là:

150 200 0.75

V DV  D 

Từ biểu thức: V oRI oE , suy ra dòng tải trung bình I o là:

150 100

50 1

o

o

R

b Tính tỉ số điều chế D để I o = 40A

Để I o = 40A, điện áp ngõ ra cần thiết của bộ biến đổi là:

1 40 100 140

o o

V RI   E   V

Suy ra: D140 200 0.7

Sinh viên tham khảo các slides bài giảng để vẽ các dạng sóng của áp tải và dòng tải với các trị số của D như

trên

Bài 3.2:

Vẽ dạng dòng tải i o và áp trên tải v o

(a): Mạch giảm áp và tải R+E (b): Dạng sóng áp và dòng ngõ ra của mạch

Hình 2

Sinh viên tự tìm hiểu tại sao dạng sóng v o và i o có dạng như hình 2b Dạng sóng này có khác với dạng sóng trong bài 3.1 không? Lý do của sự khác biệt này (nếu có)?

Trị trung bình I o và V o

Tính trị trung bình điện áp ngõ raV o :

0

T

Trong đó:D T T 1/

Tính trị trung bình dòng ngõ ra Io:

(1 )

o

I

Thay các giá trị đã cho vào các biểu thức trên, ta được:

(1 ) 0.75 200 (1 0.75)100 175

175 100

37.5 2

o

o

R

Bài 3.3:

Mạch tương đương của bộ tăng áp với trị trung bình điện áp ngõ ra V o và dòng trung bình ngõ ra I o như hình

dưới đây (lưu ý về chiều quy ước của i o trong hình 3(a) của mạch tăng áp)

(a): Bộ tăng áp và tải (b): Mạch tương đương với V o , I o

Hình 3

Từ đây suy ra: V o E RI o 100 1 10 90   V

Từ giả thiết là dòng tải liên tục, ta có: V o  (1 D V) d

Từ hai đẳng thức ở trên và dữ liệu của bài, có thể tính ra: 90

200

o d

V D V

Chiều truyền công suất: tải  nguồn (s/v tự tìm hiểu lý do)

Bài 3.4:

a Tính tỉ số điều chế D để dòng tải trung bình là 20A

Mạch tương đương của bộ biến đổi với V o và I o có dạng như hình 1a, tương ứng:

100 2 20 140

V  E RI     V

Với bộ biến đổi kiểu đảo dòng: V o DV d  140

0.7 200

o d

V D V

Công suất của nguồn sức điện động E: P E  E I o 100 20 2000  W0

Do P E0và E ở phía tải nên nguồn E nhận công suất

b Tính tỉ số điều chế D để dòng tải trung bình là -20A

Tính toán tương tự câu a, ta có:

100 2 ( 20) 60

V  E RI      V

0.3 200

o d

V

D

V

Công suất của nguồn sức điện động E: P E   E I o 100 ( 20)   2000W0

Do P E0và E ở phía tải nên nguồn E phát công suất

Bài 3.5:

a Vẽ dạng điện áp trên tải v o

Dạng điện áp v o như hình 4

t

t

t

Kích T1, T2

v o

T 1

T

Kích T3, T4

v d

-v d

Hình 4

b Quan hệ giữa trị trung bình áp tải V o và tỉ số điều chế D

Từ hình 4 có thể suy ra:

0

T

c. Tính giá trị tỉ số điều chế D cần thiết để dòng tải trung bình I o = 20A

Để I o = 20A, ta cần có:

100 2 (20) 140

V  E RI     V

o

d

V

D

V

Phần 2: BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU KIỂU ĐÓNG NGẮT

Bộ nguồn kiểu giảm áp (Buck converter)

Bài 3.6:

a Tỉ số điều chế D cần thiết

Với thông số đã cho trong bài, tính được dòng tải ngõ ra là: 125

5 25

o o o

Nếu thiết kế mạch thỏa điều kiện  I L 0.25Anhư đề bài thì có thể chứng minh được (SV tự làm) là mạch sẽ

ở chế độ dòng liên tục Do đó, quan hệ giữa điện áp ngõ vào và ngõ ra lúc này sẽ là:

V DV

0.4 50

o

d

D

b Giá trị cần thiết của điện cảm L

Ta có: o (1 )

V

L

Để đảm bảo 0.25 I L A , cần chọn L thỏa điều kiện:

3

o

s

V





c Giá trị cần thiết của tụ điện C để V V o o  0.5%

o

8

o

s

Chọn L = 6mH, để thỏa điều kiện V V o o 0.5% ta cần chọn C như sau:

6 min

o

o

(Có thể chọn L với giá trị khác miễn là thỏa điều kiện L5mH , khi đó sẽ có giá trị C min khác)

d Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dòng trung bình qua các linh kiện này

Khi mạch ở chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu và chứng minh các quan hệ sau):

Điện áp đặt lên transistor khi tắt (khi đó diode dẫn) là: V CE = V d= 50V

Dòng trung bình qua transistor = dòng trung bình I d của nguồn = DI o = 0.5x5A = 2.5A,

Điện áp đặt lên diode khi tắt (khi đó transistor dẫn) là: V AK = -V d = -50V

Dòng trung bình qua diode (I D ): I D   I o I d 5A2.5A2.5A

Bài 3.7:

Giả thiết chọn L đủ lớn để mạch luôn hoạt động ở chế độ dòng liên tục

Ta có: V o DV d

Suy ra khi điện áp ngõ vào biến thiên trong khoảng 50V đến 60V, để giữ cho ngõ ra Vo = 20V, tỉ số điều chế D cần biến thiên trong khoảng:

min 0.333( d 60 ) max 0.4( d 50 )

D  khi V  V D  khi V  V

Ngoài ra, công suất ngõ ra tính bởi công thức: 2

0

o

P V R (R là điện trở tải)

Vậy khi P o biến thiên trong khoảng 250W đến 75W sẽ ứng với R biến thiên trong khoảng:

R   R  

Điều kiện của L để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục:

(1 )

2

s

D R

Lf  

 (1 )

2 s

D R L

f





Như vậy, để đảm bảo mạch luôn hoạt động ở chế độ dòng liên tục khi V d và P o biến thiên trong dải như trên, cần chọn L thỏa điều kiện (SV tự suy ra):

6 min max

3

 

Bộ nguồn kiểu tăng áp (Boost converter)

Bài 3.8:

a Điện áp ngõ ra V o

Với các thông số đã cho trong bài tập, sinh viên kiểm tra lại điều kiện để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục theo công thức:

2

(1 )

( )

2

s

Điều kiện này thỏa, vì thay các giá trị đã cho trong đề bài vào các biểu thức trên, ta có:

2

(65 10 40 10 )

2 2.6 0.6

Do mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục, ta tính được:

20 50

d

o

V

D

b Giá trị I L , I Lmax và I Lmin

12.5

o o

R

Dòng trung bình qua cuộn L = dòng trung bình ngõ vào I d nên:

4 10

o

L d

I

D

Dợn sóng dòng: 20 0.66 3 4.6

65 10 40 10

d L s

V D



Từ đó tính ra được:

max

4.6

L

min

4.6

L

I  I   A  A

c Dợn sóng điện áp ngõ ra

12.5 200 10 40 10

o

o o

d Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dòng trung bình qua các linh kiện này

Khi mạch ở chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu và chứng minh các quan hệ sau):

Điện áp đặt lên transistor khi tắt (khi đó diode dẫn) là: V CE = V o = 50V

Dòng trung bình qua transistor = dòng trung bình I d của nguồn – dòng tải I o = 10A-4A = 6A

Điện áp đặt lên diode khi tắt (khi đó transistor dẫn) là: V AK = -V o= -50V

Dòng trung bình qua diode (I D): 4I D  I o A

Bài 3.9:

Theo đề bài I Lmin 50%I L  I Lmin   Mạch ở chế độ dòng liên tục 0

Suy ra giá trị tỉ số điều chế tương ứng với thông số mạch đã cho là: 1 1 5 0.67

15

d o

V D

V

Dòng ngõ ra: 20 1.33

15

o o o

Dòng ngõ vào trung bình: 20 4

5

d o d

d d

Giá trị cần thiết của tỉ số điều chế D

Ta có: I Lmin  I L I L 2 Theo điều kiện của đề bài: I Lmin 50%I L, suy ra:

I   I I  I    I I

L

s

V D

i

Lf

  và: I L I d 4A , nên ta có thể tính được giá trị cần thiết của L để thỏa điều kiện yêu cầu của bài như sau:

3

5 0.67

0.028 10 28

4 30 10

 

Giá trị cần thiết của tụ C để V V o o 1%

0.67

0.01 0.01 11.25 30 10

o

Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp (Buck-Boost converter)

Bài 3.10:

Kiểm tra điều kiện để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục:

2

(1 ) ( )

2

s

D R

 với các thông số đã cho của bài:

(Lf s50 10 640 10 3 ) > (2 (1 )2 (1 0.6) 102 0.8

D R

) Như vậy, mạch đã cho sẽ hoạt động ở chế độ dòng liên tục

a Điện áp ngõ ra của mạch

0.6

o d

D

D

b Dòng trung bình, cực đại và cực tiểu qua điện cảm (I L , I Lmax và I Lmin)

18 10

4.5

o

L

V R

D

12 0.6

3.6

50 10 40 10

d

L

s

V D



2

L

I

I  I   A

2

L

I

I  I   A

c Dợn sóng điện áp ngõ ra V V o o

3

0.6

7.5 10 0.75%

10 200 10 40 10

o

V RCf





Bài 3.11:

a Giá trị cần thiết của L để I Lmin 40%I L

Với L được thiết kế thỏa điều kiện trên thì I Lmin  nên mạch sẽ ở chế độ dòng liên tục 0

1

o d

D

Ta có: I Lmin  I L I L 2 Theo điều kiện của đề bài: I Lmin 40%I L, suy ra:

I   I I  I   I I

L

s

V D

I

Lf

o L

V R

D

  , có thể suy ra giá trị cần thiết của L là:

3

24 0.6

0.022 10 22 1.2 1.2 9 60 10

d

L

V D

b Giá trị của tụ C để dợn sóng điện áp ngõ ra V V o o  0.5%

3

0.6

0.005 0.005 10 60 10

o

c Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dòng trung bình qua các linh kiện này

Khi mạch ở chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu và chứng minh các quan hệ sau):

Điện áp đặt lên transistor khi tắt (khi đó diode dẫn) là: V CE =V d +V o = 60V

Dòng trung bình qua transistor = dòng trung bình I d của nguồn (SV tự tính dòng này)

Điện áp đặt lên diode khi tắt (khi đó transistor dẫn) là: V AK = -(V o +V d ) = -60V

Dòng trung bình qua diode (I D): I D I o (SV tự tính ra dòng này)