Đề tài : Sử dụng bộ biến đổi push - pull converter trong điện tử công suất.

Lời mở đầuNgày nay điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại như truyền thông điện, giao thông, đường sắt, các quá trình điện phân trong công

Lời mở đầuNgày nay điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại như truyền thông điện, giao thông, đường sắt, các quá trình điện phân trong công nghiệp hoá chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau…

Một cách đơn giản nhất có thể hiểu điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các bộ biến đổi là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất

Bộ biến đổi push – pull converter là một bộ biến đổi được thiết kế theo kiểu

DC – DC với việc sử dụng IC TL494 có độ lớn điện áp đầu ra có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn điện áp đầu vào

Việc áp dụng nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi push-pull nói riêng và môn điện tử công suất nói chung đã góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hoá cũng như trong đời sống hàng ngày Giúp nâng cao và cải thiện chất lượng cuộc sống

Đối với sinh viên tự động hoá, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa chúng em đã từng bước tiếp cận môn học Để có thể nắm vững lý thuyết và

áp dụng vào thực tế, ở học kì này chúng em được thầy giáo cho đồ án môn học với đề tài về việc “Sử dụng bộ biến đổi push - pull converter trong điện

tử công suất” Đây là một đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế Với sự cố gắng của các bạn trong nhóm cùng với sự chỉ bảo của thầy trong bộ môn vàđặc biệt là thầy Kiên Trung đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này

Song với lượng kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn, bản báo cáo thực tập của chúng em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô và bạn về

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên Nhóm sinh viên thực tập lớp K16-CDBK

Mục lục

Phần 1:Nguồn DC/DC theo kiểu push - pull

1.Giới thiệu một số loại nguồn DC - DC

2.Sơ đồ nguyên lý nguồn DC – DC push – pull (đẩy kéo)

3.Phân tích nguyên lí làm việc

Phần 1:Nguồn DC-DC theo kiểu đẩy kéo

Giới thiệu một số loại nguồn DC – DC

Buck: dùng để chuyển đổi điện áp (DC) xuống mức thấp hơn.

Đây là một trong những bộ biến đổi kiểu switching hay được dùng nhất là kiểu Buck converter.Dùng để biến đổi điện áp một chiều sang một điện áp thấp hơn có cùng cực tính Đây là điều cần thiết đối với các hệ thống sử dụng các cấp điện áp cỡ 24- 40V cần phải chuyển xuống thấp hơn 15 – 12-

5 V…với tổn hao rất thấp.Khi công tắc đóng nối Vin với cuộn cảm,dòng điện tăng lên trong cuộn cảm,tụ điện đang trong quá trình nạp.Khi công tắc ngắt ,dòng điện giảm từ từ ,điện áp sẽ sinh ra trong cuộn cảm sẽ có xu hướng giũ cho dòng điện không đổi,tụ điện bắt đầu phóng điện Giá trị dòng điện ra tải là giá trị trung bình của dong qua cuộn cảm

-Boost: cung cấp điện áp ra cao hơn điện áp đầu vào.

Khi công tắc đóng ,điện áp sẽ làm cho dòng qua cuộn cảm tăng lên ,dòng tải cấp bởi tụ điện

Khi công tắc ngắt ,dòng qua cuộn cảm giảm gây nên ở cuối của cuộn dây một điện ap cùng với điện áp Vin (điện áp trên tụ) làm cho điện áp đầu ra của tải cao hơn điện áp đầu vào

Dòng ra và công suất ra tải:dòng tải ra và dòng qua phần tử đóng cắt – các transitor không bằng nhau và giá trị dòng ra của tải bao giờ cũng nhỏ hơn dòng qua các transitor đóng ngắt.Công suất đầu vào bao giờ cũng lớn hơn đầu ra Do đó ,nếu điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào thì cũng đồng nghĩa với dòng điện đầu ra nhỏ hơn dòng vào

-Buck-Boost: Điện áp ra ngược cực tính so với điện áp vào.

Đây là bộ switching đảo ,lấy điện áp một chiều đầu vào và đưa ra đầu ra điện áp một chiều có cực tính ngược lại so với đầu vào Độ lớn điện áp đầu

ra có thể nhỏ hơn hoăc lớn hơn đầu vào Khi công tắc đóng ON ,điện áp Vin sinh dòng điện tăng dần trong cuộn cảm ,lúc này dòng ra tải là dòng điện phóng ra của tụ.Khi công tắc ngắt OFF dòng điện giảm dần trong cuộncảm sinh ra điện áp trên cuộn ,diode dẫn cho phép dong nạp cho tụ và cungcấp cho tải

-Fly-back: Điện áp ra nhỏ hơn hoặc lớn hơn đầu vào và có nhiều đầu ra

multi output)

Trong các mô hình nguồn switching,mô hình kiểu Flyback là linh hoạt nhất.Cho phép người thiết kế tạo ra một hoặc nhiều cấp điện áp ra (kể cả đảo chiều cực tính)

Các bộ biến đổi kiểu Flyback được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sử dụng nguồn pin hoặc acqui, có một nguồn điện áp vào duy nhất để cung cấp

cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V) với hiệu suất chuyển đổi cao.

Đặc điểm quan trọng của bộ biến đổi Flyback là pha(cực tính) của biến áp xung được biểu diễn bởi các dấu chấm trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp.Khi công tắc đóng (ON),điện áp vào làm dòng điện qua cuộn sơ cấp tăng dần.Chú ý cực tính của điện áp trong cuộn sơ cấp là chiều âm ở nơi có điểmchấm và sinh ra điện áp cùng cực tính ở cuộn thứ cấp.(Độ lớn được quyết định bởi tỉ lệ số vòng dây sơ cấp – thứ cấp)

Điện áp ở cuộn thứ cấp khoá diode chặn dòng qua cuộn thứ cấp trong thời gian công tắc đóng Trong khoảng thời gian này,dòng tải được cấp bởi tụ điện phóng theo chiều như hình

Khi công tắc ngắt, dòng điện giảm dần trong cuộn thứ cấp là đảo chiều điện

áp trên cuộn thứ cấp, mở diode cấp dòng qua tải và nạp cho tụ điện

Bộ biến đổi Flyback hoạt động cả ở hai chế độ liên tục (dòng qua cuộn thứ cấp luôn >0) hoặc chế độ gián đoạn (dòng thứ cấp trở về 0 ở mỗi chu kì)-Một số mô hình biến đổi dùng nhiều transitor được sử dụng:

+Push-pull: Bộ biến đổi dùng hai transitor có hiệu quả đặc biệt ở điện áp

thấp

Dùng hai transitor để biến đổi DC-DC Mỗi transitor lần lượt dẫn trong mỗinửa chi kỳ và không bao giờ cùng dẫn.Khi transitor A dẫn thì cuộn sơ cấp phía trên được cấp điện,tương tự khi transitor B dẫn thì cuôn sơ cấp bên dưới có điện điện áp đầu ra được lấy bên sơ cấp qua diode ra tải

+Half-Brigde: Dùng 2 transitor biến đổi cho các ứng dụng offline

+Full-Brigde: Dùng 4 transitor – có thể cho công suất đầu ra cao nhất đối với tất cả các loại nguồn kể trên

2

S ơ đồ nguyên lý nguồn DC – DC push – pull (đẩy kéo)

3.Phân tích nguyên lí làm việc

-Chuyển đổi theo kiểu push – pull hay là chuyển đổi theo kiểu đẩy kéo+Khi chuyển đổi ở Mosfet 1 là ON (chuyển đổi ở Mosfet 2 là OFF) thì năng lượng được chuyển giao cho các phụ tải thông qua biến áp và diode D2

+Khi chuyển đổi ở Mosfet 2 là ON (chuyển đổi ở Mosfet 1 là OFF) thì năng lượng được chuyển giao cho phụ tải qua máy biến áp và diode D1Chu kỳ cứ lặp đi lặp lại 2 trạng thái ngắt mở của mosfet 1 và 2 tạo điện áp đầu ra liên tục ở đầu ra máy biến áp

4.Tính toán tham số

- Việc chuyển đổi kéo đẩy cho máy biến áp tần số cao với một điện áp

ra xoay chiều, nơi tiêu cực cũng như một nửa năng lượng tích

cực swing transferes Các điện áp được chính V1can  Vin,-Vin hay

không tùy thuộc vào cặp của bóng bán dẫn (T1, T4 hoặc T2, T3) được bật lên hay là tắt Ở phía thứ cấp điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và mịnmàng qua tụ lọc cuộn cảm L và tụ lọc Cout

- Các chu kỳ nhiệm vụ t1 /T về mặt lý thuyết có thể làm tăng tới

100% Điều này là không thể trong thực tế vì Transitor được kết nối nối tiếp các bóng bán dẫn T1, T2 hoặc T3, T4 phải được chuyển với một sự khác biệt thời gian tránh ngắn mạch của nguồn cung cấp đầu vào Tỉ lệ của máy biến áp phải được tính

Các bóng bán dẫn của bộ chuyển đổi kéo đẩy có thể được chuyển

đổi với các nhiệm vụ tối đa với chu kỳ là 0,5s Điều này dẫn đến chu

kỳ nhiệm vụ tối đa sau khi chỉnh t1 / T  1

Phần 2:Giới thiệu về IC TL494

1.Chức năng và sơ đồ chân linh kiện

*Chức năng TL494: TL 494 là IC cố định tần số xung điều biến độ rộng (pwm )điều khiển mạch được thiết kế chủ yếu cho nguồn cung cấp +Hoàn thành điều biến độ rộng điều khiển mạch

+Bộ dao động mạch chủ hay hoạt động phụ

+Lỗi khuếch đại trên chip

+Phản hồi trên chip

+Điền chỉnh thời gian tắt

+Đánh giá tỷ lệ điều chỉnh điện áp cho nguồn hay tản nhiệt

+Kiểm soát đầu ra cho kéo – đẩy hoặc kết thúc hoạt động đơn

+Điện áp khóa dưới

*Sơ đồ chân TL494

+ Chân 5 và 6 - là hai chân của mạch tạo dao động

+ Chân 7 - nối mass

+ Chân 8 - Chân dao động ra

+ Chân 9 - Nối mass

+ Chân 10 - Nối mass

+ Chân 11 - Chân dao động ra

+ Chân 12 - Nguồn Vcc 12V

+ Chân 13 - Được nối với áp chuẩn 5V

+ Chân 14 - Từ IC đi ra điện áp chuẩn 5V

+ Chân 15 và 16 nhận điện áp hồi tiếp

2.Sơ đồ khối

3.Các tham số cơ bản

ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG TL 494

Đặc điểm Ký hiệu Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất Đơn vị

Hiệu điện thế khuếch đại đầu vào Vin -0,3 - VCC-2.0 V

-1.1 1.5

1.3 2.5

V

Giới hạn điều khiển đầu ra IOCL IOCH

-10 0.2

mA

Điện áp đẩu ra tăng theo thời gian tr

Điện áp đẩu ra giảm theo thời

Lỗi phần khuếch đại

Điều khiển thời gian tắt

Chu kỳ tôi đa ,mỗi đầu ra ,đẩy-kéo DCmax

Ngưỡng điện áp đầu vào

Bộ dao động

Tần số thay đổi theo hiệu điện thế -fosc - 0.1 - %

Hiệu điện thế khóa dưới

Do đó, xung lượng giảm theo thời gian Một xung lái-flip flop luân phiên chỉ đạo điều chế xung cho hai linh kiện bán dẫn là 2 transistor NPN

Hình 2 cho thấy mối quan hệ giữa các xung và các tín hiệu

Các tín hiệu điều khiển được bắt nguồn từ hai nguồn: bộ so mẫu điều khiển thời gian tắt (off-thời gian) và các mạch điều khiển độ sai lệch khuếch đại Điểu khiển tín hiệu tắt đầu vào là được so sánh trực tiếp bởi bộ kiểm soát thời gian tắt So sánh này với một điện áp cố định là 100-mV Điều này tạo

ra một khoảng thời gian tắt khoảng 3%, đó là thời gian tắt tối thiểu có thể PWM so sánh tín hiệu điều khiển được tạo ra với các bộ sai lệch khuếch Một chức năng của các bộ khuếch đại lỗi là để theo dõi điện áp đầu ra và cung cấp được đầy đủ với sai số tính bằng millivolts ở kết quả đầu vào của

nó trong một tín hiệu điều khiển của biên độ đủ để cung cấp 100% điều chế kiểm soát Các bộ khuếch đại lỗi cũng có thể được sử dụng để theo dõi dòng điện và dòng cung cấp hiện tại để nạp.

V tham khảo điều chỉnh

Các TL494 nội bộ 5-V điều chỉnh

Tham chiếu được hiển thị trong hình 3

Ngoài việc cung cấp điện áp ổn định, nó hoạt động như preregulator một

và thiết lập một nguồn cung cấp điện áp ổn định từ đó kiểm soát đầu ra logic, chỉ đạo xung flip-flop, bộ dao động, kiểm soát so sánh thời gian tắt,

và so sánh PWM là cung cấp

Bộ điều chỉnh này sử dụng một mạch băng mẫu hẹp như luc đầu của nó

để duy trì ổn định dưới 100-mV biến thiên trên phạm vi nhiệt độ hoạt động

tự do ở nhiệt độ không khí 0 C đến 70 C Mạch bảo vệ ngắn được dùng để bảo vệ các tín hiệu chuẩn bên trong và preregulator, 10 mA dòng điện của tải có sẵn dùng để bổ sung dòng điện cho các mạch Tin hiệu chuẩn là chương trình đã được lập trình với độ chính xác ban đầu là ± 5% và duy trì một sự ổn định ít hơn 25-mV biến thiên trên một phạm vi điện áp đầu vào của 7 V đến 40 V Đối với điện áp đầu vào ít hơn 7 V, các bộ điều chỉnh chất béo bão hoà trong vòng 1 V của đầu vào và theo dõi nó (xem hình 4)

không đổi, các giá trị trong số đó là xác định bởi điện trở thời gian bên ngoài, RT Điều này tạo ra một dạng sóng điện áp tuyến tính-đoạn đường nối Khi điện áp qua CT đạt 3 V, các bộ dao động mạch thải nó và các tính phí chu kỳ là reinitiated Việc nạp được xác định theo công thức:

Tại một tần số hoạt động của 150 kHz, thời kỳ của bộ dao động là 6,67 μs s Thời gian chết thành lập bởi các nội bù đắp của bộ so sánh thời gian chết (~3% thời gian) sản lượng một xóa xung là 200 ns Đây là xung tẩy trống tối thiểu có thể chấp nhận để đảm bảo chuyển đổi thích hợp chỉ đạo các xung

flip-flop Đối với các tần số trên 150 kHz, thời gian chết bổ sung (trên 3%)

là cung cấp nội bộ để đảm bảo phù hợp gây ra và xóa các chỉ đạo nội bộ xung flip-flop Hình 7 cho thấy mối quan hệ của thời gian chết nội bộ (tính bằng phần trăm) đối với các giá trị của RT và CT

Bộ điều khiển thời gian tắt / So sánh điều chế độ rông xung:

Các chức năng của các bộ so sánh điều khiển ngắt-thời gian và so sánh các PWM được kết hợp trong một mạch so sánh đơn (xem Hình 8) Hai chức năng này hoàn toàn độc lập, do vậy, mỗi chức năng được thảo luận riêng rẽ

- Dead-Time Control – điều khiển thời gian tắt:

Điều khiển thời gian tắt có nghĩa là chức năng này nhằm hạn chế đến mức tối đa thời gian tắt (thời gian mà các transistor ngưng dẫn) Khi tín hiệu

điều khiển ở ngõ vào nhỏ thì không có sự so sánh hay chuyển mạch của Q1

và Q2 Điều này giúp ta điều khiển tuyến tính của thời gian tắt tối thiểu từ 3% đến 100% là điện áp đầu vào là khác nhau từ 0 V đến 3,3 V tương ứng Với khả năng điều khiển, đầu ra có thể được điều khiển từ bên ngoài mà không làm hư hỏng mạch khuếch đại lỗi Vì trở kháng đầu vào tương đối cao nên cần phải có sự điều khiển bổ sung ở ngõ ra

- Pulse-Width Modulation (PWM) – điều chế độ rộng xung

Để điều chế được độ rộng xung thì chúng ta cần lấy tín hiệu ở ngõ ra so sánh với một tín hiệu điều khiển, các đoạn đường nối điện áp trên tụ điện

CT thời gian được so sánh với dòng tín hiệu điều khiển ở đầu ra của lỗi bộ khuếch đại

Các tín hiệu điều khiển (lỗi bộ khuếch đại đầu ra) để được ~ 0,7 V lớn hơn

so với điện áp qua CT để hạn chế sự logic đầu ra, và đảm bảo nhiệm vụ hoạt động tối đa trong mỗi chu kỳ mà không yêu cầu điện áp điều khiển.Kết quả đạt được là rộng xung thay đổi từ 97% điện áp tại đầu ra bộ khuếchđại lỗi làm thay đổi điện áp từ 0,5 V đến 3,5 V

-Bộ khuếch đại sai lệch

Một sơ đồ của mạch khuếch đại sai lệch được hiển thị trong hình 9

Cả hai bộ khuếch đại sai lệch hoạt động dựa vào sự chênh lệch điện áp giữacác nguồn cung cấp Vi, và phạm vi chênh lệch điện áp cho phép ở nguồn Vi

là 0,3V đến 2 V so với Vi

Cả hai bộ khuếch đại đều hoạt động và tín hiệu ở đầu ra luôn ở mức cao Điều này cho phép mỗi bộ khuếch đại làm việc độc lập để giảm độ rộng xung đầu ra

Hình 11 Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp khuếch đại thuật toán

Hình 12 biểu diễn đặc điểm chuyển mạch khuếch đại

Điều này minh họa sự tăng tuyến tính của các bộ khuếch đại trong phạm vi hoạt động đầu vào của bộ so sánh PWM (0,5 V đến 3,5 V) Điều này quan trọng cho sự ổn định mạch tổng thể Độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại, cho điện áp ở ngõ ra từ 0,5 V đến 3,5 V, là 60 dB

- Output-Control Logic: Điều khiển mức logic ở ngõ ra

Điều khiển các mức logic ở ngõ ra nhằm tăng tính linh hoạt thông qua sự điều khiển từ bên ngoài Thiết kế theo kiểu push-pull (kéo đẩy) nhằm tăng hiệu suất làm việc

của mạch, có thể được tối ưu hóa do lựa chọn các cách điều khiển ngõ vào khác nhau

- Ngõ ra- Điều khiển ngõ vào

Bộ điều khiển ngõ vào –ngõ rar xác định xem ngõ ra của các Transistor là hoạt động song song hay push-pull đầu vào này là nguồn cung cấp cho các flop xung lái-lật (xem Hình 14)

Sự điều khiển đầu vào đầu ra là không đồng bộ và có sự điều khiển trực tiếp trên đầu ra, của bộ dao động hoặc xung lái-flip-flop

Đối với hoạt động song song, đầu vào đầu ra kiểm soát phải được căn cứ Điều này vô hiệu hóa các xung lái của flip flop và ức chế đầu ra của nó Trong chế độ này, các xung thấy ở đầu ra của việc điều khiển thời gian tắt (so sánh PWM) được thực hiện bởi cả hai transistor đầu ra song song Để hoạt động push-pull, đầu vào đầu ra điều khiển phải được kết nối với nguồn5V Dưới điều kiện này, mỗi transistor được kích hoạt, luân phiên

- Điều khiển xung Flip-Flop

Xung lái flip flop là xung cạnh lên của flip-flop (xem hình 14)

Trong quá trình chuyển đổi của xung lái ở ngõ ra flip-flop, xung flip được điều khiển thông qua sơ đồ mạch hình 15

flop-Ngõ ra transitor

Cả hai transistor được thiết kế như mở bộ thu / phát mở, và từng có khả năng tìm nguồn cung ứng lên đến 200 mA Các transisor có điện áp dẫn bãohòa nhỏ hơn 1,3 V là chủ yếu, phát cấu hình và ít hơn 2,5 V ở cực phát (Emitter) Ở nầu ra được bảo vệ chống quá nhiệt để tránh ảnh hưởng đến mạch điện, nhưng hiện tại thì mạch này vẫn còn nhiều hạn chế