Ở bộ biến đổi xungmột góc phần tư, giá trị trung bình điện áp một chiều đầu ra luôn được giữ ởmột mức cần thiết kể cả khi có sự thay đổi bất thường điện áp đầu vào và điện áp đầu ra tải,
Trang 1CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC –DC
VÀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ
1.1. Nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC
Mục đích của bộ biến đổi DC–DC là tạo ra điện áp một chiều được điềuchỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi Trong một số trường hợp điện ápmột chiều được tạo ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới điện có điện áp biến thiênliên tục Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnhđược công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thôngtin liên lạc, nạp điện cho ắc quy ngoài ra bộ biến dởi DC –DC còn được sử dụng
để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Các bộ biến đổi DC –DC là các bộ biến đổi xung nó có thể là các bộ biếnđổi một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư Bộ giảm áp Buck vàtăng áp Boost là các cấu trúc biến đởi một góc phần tư cơ bản Bộ biến đổi xunghai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòng điện Ở bộ biến đổi xungmột góc phần tư, giá trị trung bình điện áp một chiều đầu ra luôn được giữ ởmột mức cần thiết kể cả khi có sự thay đổi bất thường điện áp đầu vào và điện
áp đầu ra tải, các bộ biến đổi xung này chỉ làm việc ở góc phần tư thứ nhất củamặt phẳng tải Điện áp ra và dòng điện luôn có giá trị dương Vì vậy bộ biến đổinày gọi là bộ biến đổi xung một góc phần tư Bộ biến đổi xung hai góc phần tư
có khả năng hoạt động ở hai góc phần tư của mặt phẳng tải Do vậy điện áp vào
và điện áp ra luôn dương, tuy nhiên dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra cóthể dương hoặc âm Do đó một số bộ biến đổi còn có tên là bộ biến đổi xungđảo dòng Bộ biến đổi xung hai góc phần tư bao gồm hai bộ biến đổi xung cơbản là bộ biến đổi xung tang áp và bộ biến đổi xung giảm áp
Trang 2Hình 1.1: Bộ biến đổi xung đảo dòng
Bộ giảm áp thì bao gồm S1 và D1, công suất thì được cung cấp từ nguồn đếntải Bộ tăng áp thì gồm S2 và D2 công suất thì được chảy ngược về nguồn Các
bộ biến đổi xung đảo dòng có thể chuyển từ chế độ nguồn cung cấp sang chế độtái sinh rất thuận lợi và rất nhanh chóng chỉ bằng các tín hiệu điều khiển cho
S1và S2 mà không cần bất cứ chuyển mạch cơ khí nào Trong bộ biến đổi xungbốn góc phần tư không chỉ dòng điện ra có thể âm hoặc dương mà điện áp racũng có thể âm hoặc dương Bộ biến đổi xung này là bộ biến đổi cầu DC-DCFull-bridge, như ở hình 1.2 Ưu điểm chính của bộ biến đổi này là điện áp trungbình đầu ra có thể điều chỉnh được độ lớn cũng như cực tính Một bộ biến đổixung bốn góc phần tư là sự kết hợp của hai bộ biến đổi xung hai góc phần tư để
có được điện áp trung bình là âm hay dòng điện trung bình là âm
Hình 1.2: Bộ biến đổi xung bốn góc phần tư
Trang 3Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thựchiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch
và dùng các điện cảm chuyển mạch Dùng các tụ điện chuyển mạch thìchúng ta phải tạo được nguồn dòng là tín hiệu đầu vào còn với việcdùng điện cảm chuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp ta thấy dùng điệncảm chuyển mạch sẽ đơn giản hơn vì tạo ra một nguồn áp dẽ dàng hơntạo ra một nguồn dòng, giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thếhơn ở các mạch công suất lớn
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm:buck (giảm áp) boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp).Hình 1.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách
bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi nàythực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựatrên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm Các bộ bộ biến đổi DC-DCthường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như các hệ thốngquang điện, pin nhiên liệu ắc quy và cá hệ thống gió và bánh đà để chuyển đổiđiện áp một chiều thành điện áp phù hợp cho các ứng dụng hoặc có biên độthích hợp để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều trược khi đưa vào lưới, các
bộ DC-DC cách ly có tác dụng cách ly và giảm tổn thất do ta sử dụng biến ápxung
Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC- DC có thể được phân thành 2 nhóm cơ bảnsau:
1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi DC- DC không cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụđiện từ dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp một
Trang 4chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suấtđược mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ đồ Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lýnày gồm có:
- Sơ đồ biến đổi Buck
- Sơ đồ biến đổi Boots
- Sơ đồ biến đổi Buck- Boots
Sơ đồ biến đổi DC- DC không cách ly có ưu điểm là mạch đơn giản, giáthành thấp nhưng do không cách ly giữa nguồn đầu vào và nguồn đầu ra nên cónhược điểm là dễ bị nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào và các thiết bịtrong mạch, công suất hạn chế, chất lượng đầu ra không cao Vì vậy, sơ đồ biếnđổi DC- DC được sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ, không cần chấtlượng cao
1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi DC- DC có cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện ápxoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến ápxung Sau khi qua hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độmong muốn Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:
- Sơ đồ biến đổi FlyBack
- Sơ đồ biến đổi Push- Pull
- Sơ đồ biến đổi Half- Bridge
- Sơ đồ biến đổi Full- Bridge
Do nguồn đầu vào và nguồn đầu ra có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên
có ưu điểm là hạn chế được nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào và cácthiết bị trong mạch, có thể tăng/ giảm mức điện áp đầu ra một cách dễ dàng,
Trang 5công suất lớn Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm như làm tăng kíchthước mạch, tang giá thành, vấn đề điều khiển trở nên khó khăn hơn, tránh xảy
ra hiện tượng bão hòa từ biến áp xung Vì vậy, sơ đồ biến đổi DC- DC có cách
ly được sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn, chất lượng cao, yêu cầuphải có cách ly
Nguyên tắc hoạt động:
Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, việc điềukhiển các khóa chuyển mạch rất đơn giản, chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳkết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ buck converter thôngthường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồnmáy tính và các thiết bị đo lường Bộ buck converter còn được sử dụng để điềuchỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Hình 1.3: (a) Bộ biến đổi Buck (b) Điện áp và dòng qua cuộn cảm
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng,điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điệntrong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm cókhuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diodephân cực thuận Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc này ngược dấu với khikhóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trêndiode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ
Trang 6phép Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn,với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ởđầu chu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điệnqua điện cảm là liên tục Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lýtưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trungbình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0 Gọi
T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), vàT2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sử điện áp rơi trêndiode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào
và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là(T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắtkhóa (van) là−(T2/T)×Vout
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễnlà:
(T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0
Hay : (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0,
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác địnhphạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax =
Trang 7Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độgián đoạn, chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn không do đóyêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, còn chế độ gián đoạn là chế độ mà dòngđiện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng không
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điệnliên tục qua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn,
độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòngđiện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giớihạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D =Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi làVout) Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng ta chọntần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thìLmin cũng cần
phải lớn
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ
ra Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra
sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyểnmạch) Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớnhơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện
áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV Trong đó, ΔI là biên độcủa thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thayđổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập) Như
Trang 8vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
ΔI×T/2 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đãđược chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra chophép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp
Nguyên tắc hoạt động:
Bộ boost converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện ápđầu vào Vì vậy boost converter còn gọi là bộ tăng áp Điện áp DC đầu vào mắcnối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vai trò như một nguồn dòng Một khóachuyển mạch mắc song song với nguồn dòng này và được đóng mở theo chu kỳ.Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng lên.Boost converter thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp vàhãm tái sinh động cơ DC
Hình 1.4: Mạch boost cơ bản
Hình 1.5: Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b)
Trang 9Hình 1.6: Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục
Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện
áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thờigian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó
sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Ở điều kiện làm việc bìnhthường, điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vàođiện cảm lúc này ngược dấu với với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằngchênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trêndiode Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra
có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm sẽthay đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽbằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị
đủ lớn)
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sử điện áprơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện ápngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa
Trang 10(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)
là (T2/T)×(Vin − Vout)
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễnlà:
(T1/T)×Vin + (T2/T)×(Vin − Vout) = 0
Hay: (T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = 0 ⇔ Vin = (T2/T)×Vout
Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T1/T, T2/T = 1 − D, ta có :
Vin = (1 − D)×Vout
Hay: Vout = Vin/(1 − D)
D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < Vin < Vout
Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp lànhư sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ
ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xácđịnh giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi củachu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm
vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = 1 − Vin,max/Vout, và Dmax = 1 −
Vin,min/Vout
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép
sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn củađiện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức
là hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ Dmin đến
Dmax (chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D) Gọi giá trị
Trang 11của D và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là Dth và Vin,th (giá trị tới hạn),đẳng thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số)chuyển mạch và điện cảm:
(1 − Dth)×T×(Vout − Vin,th) = Lmin×2×Iout,min
Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện ngõ ra hoàn toàn giống như đối với trườnghợp bộ biến đổi buck
1.1.3.3. Bộ biến đổi Buck – Boost
Nguyên tắc hoạt động:
Hình 1.7: Bộ biến đổi buck-boost
Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng,điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theothời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điệnqua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữathời gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏhơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu củađiện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽgiảm dần theo thời gian
Trang 12Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện quađiện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0 Với cách kýhiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)
Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là:cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độdao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trịcủa điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳnhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm
vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
Dmin = Vout/(Vin,max + Vout) và Dmax = Vout/(Vin,min + Vout)
Trang 13Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép
sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn củađiện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức
là khi D = Dmin Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch
và điện cảm L giống như của bộ biến đổi buck:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min
Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so vớinhững trường hợp trên
1.2. Các phần mềm hỗ trợ
TINA là 1 trong những gói phần mềm mạnh nhất hiện nay để phân tích,thiết kế, mô phỏng tín hiệu số, tương tự, VHDL và kết hợp các mạch điện tửhay các mạch in của chúng Bạn cũng có thể phân tích RF, các mạch quangđiện, kiểm tra và gỡ lỗi các ứng dụng vi điều khiển và vi xử lý Một tính năngđặc biệt của phần mềm là cho phép bạn đưa mạch ra thực tế thông qua cổngUSB được điều khiển bởi phần cứng TINAlabII Các kỹ sư điện tử nhận thấyrằng phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng, đây là 1 công cụ hiệuquả cao, trong khi các giảng viên thì đáng giá cao những tính năng của phầnmềm trong môi trường đào tạo
Phần mềm được xây dựng với nhiều Phần tương tác với nhau, người thiết kế
có thể vẽ mạch bằng sơ đồ nguyên lý và chuyển sang dạng mạch in, quan sátmạch in dưới dạng 3D và xuất ra tập tin hình ảnh để gởi đến nhà sản xuất…
Sự tương tác cao, đầy đủ tính năng và dễ sử dụng đã làm cho phần mềmTINA chiếm ưu thế hơn các phần mềm Thiết kế mạch khác hiện nay…
Trang 141.2.1.2. Các đối tượng của phần mềm
- Với những ưu điểm trên, phần mềm TINA là một công cụ vô cùng đắclực hỗ trợ cho các kỹ sư thiết kế mạch điện tử, và các nhà sản xuất mạchin
- Phần mềm hỗ trợ mô phỏng tương tự và mô phỏng số nên được các giảngviên đánh giá cao trong môi trường nghiên cứu ở các trường đại học
- Bên cạnh đó, phần mềm cũng là công cụ giúp cho sinh viên, nghiên cứusinh ngành điện tử viễn thông tiếp cận với việc mô phỏng mạch điện tử,thiết kế mạch in một cách trực quan và dễ dàng
- Hiện nay, nhà sản xuất DesignSoft cũng đã thương mại hoá nhiều phiênbản TINA khác nhau với giá thành khác nhau để phục vụ cho các đốitượng khác nhau…
Để bắt đầu chương trình TINA, bạn có thể làm theo các cách sau:
Từ thanh Start lần lượt chọn: Start -> Programs -> Tina -> Tina.exe
Bấm vào Biểu tượng trên Desktop:
Sau khi khởi động, giao diện chính của chương trình sẽ xuất hiện:
Hình 1.16: Giao diện chính của chương trình Chúng ta sẽ cùng đi vào chi tiết các lệnh trên Thanh công cụ
