Tìm hiểu và thiết kế mạch buck boost converter

Tìm hiểu và thiết kế mạch buck boost converter

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK-BOOST 4

1 Mục đích 4

2 Nguyên tắc hoạt động 4

 Sơ đồ bộ biến đổi 4

 Nguyên lý làm việc 4

 Cách xác đinh C,L 5

3 Mô hình bộ biến đổi 6

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 15

1 Đặt vấn đề 15

2 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi Buck-Boost 17

2.1 Cấu trúc hệ thống 17

2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 18

2.3 Bộ điều khiển cho bộ biến đổi Buck-Boost 19

CHƯƠNG 3:MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 21

3 Mô phỏng điều khiển bộ biến đổi Buck-Boost trên MATLAB-SIMULINK 21

3.1 Sơ đồ mô phỏng mô hình toán của bộ biến đổi Buck-Boost 21

3.2 Sơ đồ mô phỏng sơ đồ khối của bộ biến đổi Buck-Boost 21

3.3 Kết quả mô phỏng 22

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

MỞ ĐẦU

Trong kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn cóchất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sứccần thiết

Hiện nay bộ biến đổi nguồn DC-DC đang được sử dụng ngày càng rộng rãi Bộbiến đổi nguồn DC-DC là một thiết bị công suất, biến đổi điện áp một chiều thànhđiện áp một chiều với các mức điện áp mong muốn nhằm cung cấp điện cho cácthiết bị sử dụng nguồn một chiều bộ biến đổi DC-DC còn là một phần quan trọngcủa bộ lưu điện UPS Bộ biến đổi BUCK-BOOST được sử dụng trong các bộ ổn ápcông suất Đặc biệt là các hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo(sức gió, mặttrời…).Cấu trúc của mạch vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạtđược hiệu suất biến đổi cao và bảo đảm ổn định luôn là mục tiêu của các công trìnhnghiên cứu

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Tùng Lâm đã tận tình quantâm hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian qua Do còn việc hạn chế về trình độngoại ngữ,chuyên môn và thiếu kinh nghiệm làm bài nên đồ án của chúng em cònnhiều khiếm khuyết, sai sót Chúng em mong nhận được nhiều ý kiến đóng gópcũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy, cô để có thể thấy rõ nhữngđiều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoànthiện hơn

2 Nguyên tắc hoạt động

 Sơ đồ bộ biến đổi

Hình 1.1: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost

Bộ buck- bost gồm có 1 cuộn dây,1 tụ điện, 1 transistor loại mosfet và 1 diode đểđiều khiển bộ biến đổi cuộn dây Mosfet hoạt động như 1 công tắc (van) nó đóngcắt bằng xung điều khiển (xung vuông) với một bộ điều khiển tạo xung điều khiển

có tần số đóng cắt lớn cấp cho mosfet Nó làm việc ở 2 chế độ: liên tục và khôngliên tục

 Nguyên lý làm việc

Khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trongđiện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướngduy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùyvào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra cóthể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấucủa điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽgiảm dần theo thời gian dòng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn và điện áp rơi

trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm làliên 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 áp rơitrên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào

và ngõ ra, 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) là − (T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:(T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0

Như vậy:

(T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout ⇔ D×Vin = (1 − D)×Vout

Khi D = 0.5, Vin = Vout Với những trường hợp khác, 0 < Vout < Vin khi 0 < D

< 0.5, và 0 < Vin < Vout khi 0.5 < D < 1 (ở đây ta chỉ xét về độ lớn, vì Vin và Vout làngược dấu) Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là lý do mà

nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost

 Cách xác đinh C,L

Xét bài toán: 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,xác định 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 = Vout/(Vin,max + Vout), và Dmax =

Vout/(Vin,min + Vout)

Thông thường, các bộ biến đổi buck- boost chỉ nên làm việc ở chế độ dòngđiện liên tục qua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độthay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện chophép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thayđổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất ứng với độ lớn của điện áptrung 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

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min tần số chuyển mạch), thì Lmin cũngcần 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 cácđoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch) Lượng điệntích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình

sẽ là ~I×T/8 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điệntích này bằng C×~V Trong đó, ~I là biên độ của thành phần xoay chiều của dòngđiện qua điện cảm, còn ~V là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả,xét ở trạng thái xác lập) Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựavào đẳng thức sau:

~I đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã đượcchọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ~V màchúng ta chọn giá trị C cho thích hợp

3 Mô hình bộ biến đổi

Hình1.2:Mô hình biến đổi của bộ chuyển đổi Buck Boost

Tín hiệu điều khiển δ(t)t)) là hình dạng của xung và cả độ rộng của xung ở trạng

thái ổn định Transistor ở trạng thái mở trong khoản thời gian ton và ở trạng tháikhóa trong khoảng thòi gian toff Điện áp qua cuộn dây VL(t) bằng điện áp vào Vg(t)trong khoảng thời gian ton Trong quá trình mô phỏng điện áp vào Vg(t) là khôngđổi Dòng điện của cuộn dây iL(t) thì tỷ lệ với tích phân của điện áp vL(t) và iL

khoảng thời gian ton Transistor không dẫn trong khoảng thời gian toff thay vì vậydiot sẽ dẫn và điện áp qua diot bằng không Do vậy điện áp vL(t) bằng -v0(t), nghĩa

là điện áp đầu ra mang dấu âm.ở trạng thái ổn định, iL(t) phải giảm trong khoảngthời gian toff khi nó tăng trong khoảng thời gian t)on Kết quả là VL(t) phải âm trongkhoảng thời gian toff và v0(t) phải dương Để xác định chiều phân cực cho điện ápVo(t) ở hình 1.2 , nó được xác định theo chiều ngược lại của các bộ biến đổi buck

và boost Điện áp vL(t) luôn là hằng số trong khoảng thời gian toff nếu bộ biến đổiđược thiết kế một cách hợp lý Nghĩa là độ nhấp nhô điện áp của Vo(t) là thấp, tuynhiên trong mỗi khoảng thời gian độ dốc của ỈL(t) luôn là hằng số

Điện áp qua diot, Vdiot(t) bằng vg(t)+ v0(t) trong khoảng thời gian ton, do đódòng điện qua diot bằng không trong khoảng thời gian ton và dòng điện quatransistor itrans(t) bằng iL(t) idiot(t) bằng iL(t) trong khoảng thời gian toff khi dòngitrans(t) bằng không

Khi điện áp v0(t) luôn là hằng số thì dòng tải itải(t) cũng luôn là hằng số dòngqua tụ điện itụ(t) bằng sự chênh lệch giữa idiot(t) và itải(t)- Ở trạng thái ổn định giá trịtrung bình của itụ(t) bằng không và do đó giá trị trung bình của itải(t) bằng giá trịtrung bình của idiot(t)

Điện áp lý tưởng qua tụ vL(t) thì tỷ lệ với tích phân của dòng điện itụ(t) điện

áp qua ESR của tụ ,vESR thì tỷ lệ với itụ Điện áp đầu ra vo(t) bằng tổng vL(t) và vESR.

 Mô tả không gian trạng thái cho mỗi khoảng thời gian

Hình 1.3: Mô hình bộ biến đổi trong khoảng thời gian ton (u=1)

Trong khi transistor mở , điện áp qua transistor bằng không và diot khôngdẫn Do đó mạch ở hình 1.3 là mô hình của bộ biến đổi buck-boost trong khoảngthời gian ton Mô hình trạng thái của bộ biến đổi trong thời gian ton:

Áp dụng định luật Kirchoff về dòng và áp cho mạch điện trên ta thu được các phương trình sau:

R+R c) E1=(0 −R R c

R+R c)

Trong khi transistor bị khóa, điện áp qua diot bằng 0.mạch hình 1.4 là mô hìnhcủa bộ biến đổi trong thời gian toff

Hình 1.4 Mô hình của bộ biến đổi Buck-Boost trong thời gian toff

Áp dụng định luật kirchoff cho dòng và áp của mạch điện trên ta có các phương trình sau:

R+ R c)

 Phương pháp không gian trạng thái trung bình

Xấp xỉ hệ thống có thời gian biến đổi ta có:

¿ (3.20)

Duty d(t) là tín hiệu đầu vào được bổ sung vào.khi đó một vecto đầu vào đượcxác định:

Điều này không được trình bày ở không gian trạng thái trung bình, khi mà các tínhiệu điều khiển d(t) được tách ra từ các tín hiệu nhiễu Vg(t) và iinj(t) Tuy nhiên , ở

hệ thống lý thuyết, tất cả các tín hiệu điều khiển và tín hiệu nhiễu đều được đặt ởvecto đầu vào Khi chu kỳ duty được xem xét là một tín hiệu gián đoạn cùng vớithời gian trích mẫu Ts, không thể mong đợi hệ thống ở (3.20) có hiệu lực cho tần sốcao hơn một nữa tần số chuyển mạch

Hệ thống ở (3.20) là hệ thống phi tuyến có thời gian bất biến Nó là một hệ thốngphi tuyến khi có sản phẩm là hai tín hiệu đầu vào và nó là hệ thống bất biến với thờigian khi tất cả các hệ số độc lập với thời gian

Một hệ thống phi tuyến bất biến với thời gian cùng với vecto trạng thái x(t) vectođầu vào u’(t) và vecto đầu ra y(t) được viết như sau:

(3.26) là xấp xỉ của hệ thống phi tuyến và một tên biến mới đã được sử dụng (3.20)

là trường hợp đặc biệt của (3.22) Phương trình (3.23) và (3.24)-(1.30) bây giờ sẽ được viết cho trường hợp đặc biệt này Các phương trình sau thu được nếu (3.23) được ứng dụng cho (3.21)

Với

E d=(C1−C2)X+(E1−E2)U (3.39)

Kết quả của phương pháp không gian trạng thái trung bình là mô hình dc (3.35) hoặc (3.33) và (3.37) Phương pháp không gian trạng thái trung bình được áp dụng cho bộ biến đổi Buck-Boost Các phương trình sau đây thu được bằng cách mở rộng(3.34)

Mở rộng (3.33) ta thu được các phương trình sau:

Hàm truyền đạt đầu ra, trở kháng đầu ra và độ nhạy cảm bây giờ được suy ra từ hệthống tuyến tính ở (3.37) Giả thiết rằng các điều kiện đầu bằng 0 Biến đổi laplace của (3.26) ta được:

(s)

(s ) (3.46)

Bỏ qua điện trở của tụ điện ta thu được hàm truyền đạt có dạng sau:

Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost mạch hở:

Hình 2.1:Sơ đồ biến đởi Buck-Boost

Với thông số của bộ biến đổi Buck-Boost như sau: Điện áp vào V=24V, điện trở tải

R=52Ω, độ tự cảm của cuộn dây L=15.91mH, điện dung của tụ điện C=50μ F

Mô hình mô phỏng trên matlab:

Ts = 1e-007 s.

powergui

v + -

Voltage Measurement Series RLC Branch2

Series RLC Branch1 Series RLC Branch

a k

Hình2.4: Kết quả mô phỏng với D=0.5

Từ 3 trường hợp trên ta thấy có sự sai lệch giữa giá trị đặt và kết quả đo được

Vì vậy để giảm thiểu sự sai lệch ta phải thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng này ởđây ta dùng bộ điều khiển PI cho hệ thống

2 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi Buck-Boost

2.1 Cấu trúc hệ thống

Hệ thống bộ biến đổi DC-DC giữ một vai trò rất quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, để ổn định điện áp đầu ra cho có bộ DC-DC đòi hỏi bộ điều

nhiên liệu không đủ lớn để có thể cung cấp cho đầu vào của bộ nghịch lưu do đó ta phải sử dụng các bộ biến đổi DC-DC để nâng điện áp lên mức yêu cầu, để điện áp đầu ra thỏa mãn thì cấu trúc của hệ thống thường gồm có hai mạch vòng chính là mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp.

Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển chung của bộ biến đổi DC-DC

Trong cấu trúc trên thì các bộ điều khiển được thực hiện trên máy tính hoặc vi điều khiển, tín hiệu ra là các xung PWM dùng để mở các van bán dẫn như mosfet

để thay đổi điện áp cho các bộ biến đổi DC-DC Các tín hiệu phản hồi áp và dòng trước khi đưa vào máy tính được xử lý trước để đưa tín hiệu dạng số vào máy tính

2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển thông dụng được sử dụng từ rất lâu trong công nghiệp Đây được coi là những bộ điều khiển cổ điển, tuy nhiên hiện nayvẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do tính ưu việt của nó Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn

nguyên lý làm việc, bên cạnh đó nó còn có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ quá điều chỉnh nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển

đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng Một bộ điều khiển PID nói chung là một bộ điều khiển bao gồm vòng điều chỉnh và vòng phản hồi tín hiệu Một bộ điều khiển PID có thể bao gồm đầy đủ 3 thông số P, I, D hoặc tùy theo yêu cầu của hệ thống mà có thể là bộ điều khiển I, P, PI, PD Việc tính toán điều

khiển PID bao gồm tính toán riêng biệt các tham số: khâu tỷ lệ, khâu tích phân, khâu vi phân.

- Khâu tỷ lệ có nhiệm vụ phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ đượcgiao

- Khâu tích phân: thực hiện công việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiệntốt nhiệm vụ

- Khâu vi phân: luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh với sự thay đổi tìnhhuống trong qua trình thực hiện nhiệm vụ

Bộ điều khiển PID thường được sử dụng để điều khiển đối tượng SISO theonguyên lý hồi tiếp Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e(t) của

hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn yêu cầu sau:

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần Up(t), tín hiệu điềuchỉnh U(t) càng lớn

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần Ui(t), PID vẫncòn tạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

Ud(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Từ việc điều chỉnh 3 thông số trong các thuật toán điều khiển PID, bộ điều khiển

có thể kiểm soát quá trình cụ thể mà hệ thống yêu cầu Tùy từng đối tượng khác nhau mà trong bộ điều khiên PID có thể có các thành phần P, I, D nếu như đối tượng đã có khâu tích phân rồi thì trong bộ điều khiển ta không cần phải đưa thêm khâu tích phân vào nữa, lúc đó ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PD, hay khi tín hiệutrong đối tượng thay đổi tương đối chậm và bản thân bộ điều khiển cũng không nhấtthiết phải có sự thay đổi thật nhanh với sự thay đổi của đối tượng thì trong bộ điều khiển không cần phải có khâu D, lúc đó ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI là được

2.3 Bộ điều khiển cho bộ biến đổi Buck-Boost

Để tổng hợp bộ điều khiển cho bộ biến đổi Buck-Boost, ở đây ta tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn tích phân bằng cách sử dụng công cụ Rltool của

MATLAB Với việc sử dụng tiêu chuẩn tích phân có nhiều tiêu chuẩn như tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch ISE (Integral of Square Error), tiêu chuẩn tíchphân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch ITAE (Integral of Time multiplied by Absolute value of Error),vv… Trong đồ án ta sẽ tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai lệch vì theo tiêu chuẩn