ĐỒ án BUCK CONVERTER

Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đangtheo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật, Là sinh viên ngành tự động hóa, em cảm thấ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa giúp con người tiết kiệm thờigian và sức lao động Đồng thời tạo điều kiện tốt để nước ta thúc đẩy quá trình hội nhậpnền kinh tế thế giới, bắt kịp sự phát triển về khoa học kỹ thuật ở các nước phát triển đểứng dụng vào sản xuất

Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đangtheo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật,

Là sinh viên ngành tự động hóa, em cảm thất rất tự hào khi được học tập và nghiêncứu các môn học trong ngành tự động hóa Trong phạm vi chương trình, học kỳ nàychúng em làm đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC-DC”

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh (bộ môn Tự độnghóa xí nghiệp công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để chúng em hoànthành môn học

ĐỒ ÁN 1 YÊU CẦU THIẾT KẾ BUCK CONVETER

Thông số: Điện áp đầu vào : 48 Vdc

Điện áp đầu ra: 12 Vdc

Ira =0 10 A, fsw = 50 kHz

Dựa vào việc phân tích thiết kế, chúng em xây dựng các bước thực hiện với nộidung sau:

1 Giới thiệu nguyên lý, sơ đồ cấu trúc Buck conveter

2 Tính toán và mô hình hóa

- Tính toán các thông số của các phần tử được giao, tính toán ,chọn điện cảmbằng phương pháp Kg để thiết kế

- Mô hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển(voltage mode control), dùngphương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ để mô hình hóa

- Khảo sát đối tượng

3 Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp độ dự trữ ổn định dựa trên đồ thịBode

4 .Mô phỏng hệ thống dùng PSim

I Nguyên lý mạch Buck converter

- Trong khoảng thời gian DT< t <T, van S ở trạng thái Off, D1 ở trạng thái ONnhư hình b Do tại thời điểm van S khóa, dòng qua cuộn cảm có giá trị khác 0

và được biểu diễn dưới 1 hàm liên tục trên miền thời gian do đó chúng ta cóthể xem cuộn cảm hoạt động như 1 nguồn dòng và chính nó đã làm cho D1dẫn Khi đó dòng điện qua van S và điện áp trên đầu D1 coi như bằng 0

- Quá trình lặp lại như trên đối với những chu kì tiếp theo

II Tính toán các thông số cơ bản và Mô hình hóa

Cấu trúc vòng điều khiển điện áp của mạch có dạng chung như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc với mạch vòng phản hồi điện áp

II.1 Tính toán thông số cơ bản

II.1.1 Tính toán cuộn cảm L

Khi switch ở trạng thái đóng thì điện áp cuộn cảm bằng:

(2.3)

Hình 2.2 Đồ thị điện áp trên cuộn cảm.

Khi van ở trạng thái mở thì điện áp cuộn cảm bằng:

L

v (t) = -v(t)

(2.4)Với thì:

L

v (t) = -V

(2.5)suy ra:

L

di (t) V = -

(2.6)

Hình 2.3 Đồ thị dòng điện qua cuộn cảm

Dòng điện cuộn cảm được miêu tả như hình 2.3, ta có thể thấy dòng trong

L

(2.7)Suy ra:

g

s L

V -V

2Δi

(2.8)Với giá trị thường được chọn khoảng từ 10% - 20%

Ta chọn

Thay các thông số từ đề bài ta tính được giá trị của cuộn cảm :

s L

II.1.2 Tính toán tụ C đầu ra

Hình 2.4 Điện áp và dòng điện ra của tụ

Lượng điện tích trong tụ được tính theo công thức

(2.9)Hình 2.4 mô tả hình dạng dòng điện và điện áp trên tụ, từ đó ta có:

(2.10)hay

s LT1

q = VΔi

(2.11)thế 2 phương trình với nhau ta được:

Tính toán điện trở :

Sau khi tính toán được tụ C,dựa vào datasheet ta có thể xác định được

Hình 2.5 Đồ thị thể hiện mối liên hệ điện trở và tần số

Từ đồ thị trên datasheet có thể xác định được tỉ số giữa và khoảng 0.77 với làđiện trở đo tại nhiệt độ ở tần số 100Hz

Tra bảng datasheet ta có

II.1.3 Thiết kế cuộn cảm dùng Kg method [1]

Với L= 9 H như đã tính toán trên :

Diện tích cửa sổ: A

W = 0.65

Độ dài trung bình 1 vòng dây: MLT = 3.5cm

(2.16)

II.2 Mô hình hóa

II.2.1 Mô tình tín hiệu lớn

Giả sử ở trạng thái làm việc ổn định, các thông số của mạch như Vg, V, I, tỷ sốDuty D thay đổi không đáng kể, n là tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp củabiến áp xung Theo định luật Kirrkoff, ta lập được các phương trình mạch sau:

- Trong khoảng thời gian 0< t <DT:

- Trong cả chu kỳ đóng mở van, ta có

II.2.2 Mô hình tín hiệu nhỏ

Áp dụng phương pháp phân tích tương tự, trong đó có xét đến các giá trị điện trởcủa tụ điện

- Trong thời gian 0<t<DT:

i (t) = i (t) - i(t)1

i (t)dt = v(t) - R i (t)c

là các giá trị thuộc thành phần một chiều, còn ,(t),,(t), là các thành phần biến thiên củacác giá trị tương ứng

L L ˆL

i (t) = I +i (t)

; (2.23)ˆ

d(t) = D + d(t)

; (2.24)ˆ

(t) = V +v (t)

v

cˆv(t) = V + v (t)

Thế phương trình 2 và 3 vào phương trình 1, coi = 0, ta có hàm truyền phụ thuộcvào :

g ESR

V (R.R C.S+R)ˆv(s)

G (S) = =

ˆ (R .C.L+L.C.R).S +(R.R .C+L)S+Rd(s)

(2.32)

II.2.3 Hàm truyền mạch đo

Mạch đo là mạch phân áp có hàm truyền như sau:

Gđo =

2

1,98e 008 s 0,0039 s 1 25.346e 012 1 079s e 006 0.001968 4.8s s

w

141

G (s) =

14

s P

M

s

s f s V

f

−+

(2.34) Vref = 2.5 VDC

M

V

= 4 V

II.2.5 Hàm truyền đối tượng

Hàm truyền đối tượng được suy ra như sau:

w

w

141

.14

s M

s

s f s V

f

−+

II.2.6 Khảo sát đối tượng

Sử đụng MAtlab để vễ đồ thị bode của đổi tượng ta được như hình 2.7:

Hình 2.7 Đồ thị bode của đối tượng.

III Thiết kế bộ điều khiển

III.1 Tiêu chí thiết kế

Dựa vào việc phân tích đối tượng ở trên và các kiến thức được học, tìm hiểu, emxây dựng tiêu chí thiết kế với việc thiết kế bộ điều khiển (Gc(s)) trên miền tần số, sửdụng đồ thị Bode:

- Bộ điều khiển Gc có thể là bộ điều khiển kiểu bù loại 2 Hệ kín phải ổn định,khử được các nhiễu tác động, như nhiễu tải, nhiễu điện áp đầu vào;

- Hệ kín có chất lượng tốt khi hệ hở có:

+ Độ dự trữ biên độ: lớn

+ Độ dự trữ pha: = 450 để độ quá điều chỉnh nhỏ

Cấu trúc vòng phản hồi điện áp đầu ra có dạng như sau:

c1 c2 12

(3.3)

Đồ thị biên pha của bộ điều khiển kiểu bù loại 2:

Chọn tần số cắt nằm trong khoảng:

(3.4)Chọn

Để thỏa mãn tiêu chí thiết kế, bộ điều khiển kiểu bù loại 2 cần thỏa mãn hệphương trình sau:

c c dt c

G (jω ) G (jω ) = 1arg(G (jω ))+arg(G (jω )) = φ







(3.5)Giải hệ phương trình trên, ta tìm được các tham số Kc, wz, wp của mạch:

ω = (1+α ).ω cot(φ - φ )

(3.9)

c p

z

K G

ωω

ω

ωω

+

=

+

(3.10)Xuất phát từ hàm truyền của bộ điều khiển, ta tiếp tục tìm được thông số các linhkiện R, C của bộ điều khiển theo công thức:

(chọn trước)

3.11) (3.12) (3.13) (3.14)Thay tham số cụ thể, ta tính được các giá trị điện trở, tụ điện của bộ điều khiển

Kết quả khảo sát đồ thị Bode của vòng hở trên Matlab như sau:

IV Kết quả mô phỏng PSIM

Ở đây ta mô phỏng với 3 giai đoạn không tải, tải định mức và quá tải như sau:Điện áp đầu vào : 48 Vdc

Điện áp đầu ra: 12 Vdc

fsw = 50 kHz

P = 120 W

Hình 4.1 Mạch lực của mạch Buck converter với mộ số chế độ của tải

Hình 4.2: Mô phỏng kết quả điện áp ra và dòng điện ra với các đặc tính động.

Hình 4.3 Dòng điện qua cuộn cảm

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng cho thấy phần nào đáp ứng được yêu cầu của đề bài đưa ra

KẾT LUẬN

Kết thúc đồ án 1 nhóm đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu đề ra,một số kiến thức thu được :

- Thiết kế được cuộn kháng theo phương pháp Kg

- Mô hình hóa được đối tượng

- Tính toán được bộ bù theo bù 2

- Đã mô phỏng mô hình được bằng Psim

Nhóm đã trau dồi thêm kinh nghiệm về thiết kế mạch và tiếp cận với các phầnmềm mô phỏng Psim và matlab.Các thành viên trong nhóm đã thực hiên được tinh thầnlàm việc nhóm ,hoàn thành các công việc được giao.Mỗi thành viên đều nắm được cơbản về mạch điều chỉnh điện áp Dc-Dc buck converter.Trong suốt quá trình làm việckhông thể thiếu được các ý kiến hướng dẫn của thầy Nguyễn Duy Đỉnh.Chúng em xincảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy trong suốt quá trình làm đồ án Trong suốt quátrình thực hiện mặc dù cố gắng hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, chúng em còn nhiềuthiếu sót và rất mong được sự đóng góp, góp ý từ phía thầy để chúng em hoàn thiện hơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Fundamentals of Power Electronics – Erickson.

[2] Inductors and Transformers For Power Electronics

[3] Transformer and Inductor Design Handbook - Lyman

[4] Application Note- An1162 – Amir.M.Rahimi, Parviz Parto, and peyman Asadi [5] Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình – Hoàng Minh Sơn.

[6] Lý thuyết điều khiển tuyến tính –PGS Nguyễn Doãn Phước.

[7] Design Type II compensation In A systematic Way - Liyu Cao