Bài giảng Điện tử công suất 1: Chương 4.3 - PGS. TS. Phan Quốc Dũng

Chương này trang bị cho người học những hiểu biết về bộ nguồn một chiều chế độ xung. Chương này trình bày một số nội dung sau: Bộ biến đổi DC/DC tuyến tính cơ bản, bộ biến đổi DC/DC cơ bản chế độ xung, bộ biến đổi DC/DC dạng buck, bộ biến đổi boost,... Mời các bạn cùng tham khảo.

BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU CHẾ ĐỘ BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU CHẾ ĐỘ

XUNG

- Điều khiển điện áp ngõ ra V0 bằng cách điều khiển dòng IB

- Khuyết điểm : Tổn hao công suất trên BJT = VCEIL

- Nguyên lý làm việc : điều khiển đóng cắt khóa D = tON/T

- Ưu điểm : Hiệu suất cao

- Khuyết : Độ nhấp nhô điện áp

Sơ đồ nguyên lý bộ Buck

http://www.dimensionengineering.com/DE-SW0XX.htm

Các đặc điểm khi mạch ở trạng thái xác lập :

1 Dòng qua cuộn L tuần hoàn với chu kỳ T

2 Điện áp trung bình trên cuộn kháng bằng 0

3 Dòng trung bình qua tụ điện bằng 0

4 Công suất ngõ ra bằng công suất ngõ vào

Các giả thiết :

1 Mạch vận hành ở xác lập

2 Dòng qua cuộn kháng liên tục (luôn dương)

3 Tụ điện rất lớn, điện áp ngõ ra không đổi và có giá trị V0

4 Chu kỳ đóng cắt T, thời gian đóng : DT, ngắt : (1-D)T

V V

dt di

dt

di L V

V v

s L

L s

DT L

V

V i

L dt

s ON

(

Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương

Các phương trình áp & dòng

V di

dt

di L V

v

L

L L

( D ) T L

V i

L

V dt

di

OFF L

(

0

Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương

Các phương trình áp & dòng

Giản đồ áp và dòng bộ biến đổi Buck

(a) Áp trên cuộn L(b) Dòng qua cuộn L(c) Dòng qua tụ C

T

D L

V DT

L

V V

s

s

OFF L

ON L

) (

) (

0 1

∆ +

=

Lf

D R

V

T

D L

V R

V

i I

2

1 1

1 2

1 2

0

0 0

V

T

D L

V R

V

i I

I

Lf R

V

L L

2

1 1

1 2

1 2

2

0

0 0

min 0

CV Q

i i

V C

8 2

2 2

0

8 1

8 2

2 2

f LC

D V

Vs= 50V; D=0.4; L= 400µH; C=100 µF; f=20kHz; R=20Ω Giả thiết các linh kiện lý tưởng, hãy tính :

1 Điện áp ngõ ra V0 và công suất tải

2 Tính giá trị dòng qua cuộn cảm nhỏ nhất và lớn nhất Tìm điều

kiện đối với L để dòng qua L liên tục

3 Độ nhấp nhô điện áp tụ ∆V0/V0

4 Vẽ giản đồ dòng qua cuộn L và tụ C

• 20V , 20W

• 1.75A, 0.25A Tính Lmin

• 0.469%

• 0.469%

Thiết kế bộ biến đổi DC-DC dạng Buck cung cấp điện áp ngõ ra có

giá trị 18V cấp cho tải R = 10Ω Nếu điện áp ngõ vào Vs=48V

Độ nhấp nhô điện áp ngõ ra không được vượt quá 5% Thiết kế sao cho dòng qua cuộn kháng liên tục Chọn tần số làm việc là 40kHz

1 Tính tỷ số đóng khóa D

2 Tính toán giá trị L, chọn L ≥ 1.25 Lmin

3 Tính toán giá trị C

• Lmin = 78uH, chọn L = 1.25Lmin

• Cmin = 100uF

Ứng dụng :

- Xe điện hybrid – giảm số lượng acquy

- Đèn LED (3.3V) dùng bộ boost để cấp nguồn từ pin 1.5V

Các giả thiết :

1 Mạch vận hành ở xác lập

2 Dòng qua cuộn kháng liên tục (luôn dương)

3 Tụ điện rất lớn, điện áp ngõ ra không đổi và có giá trị V0

4 Chu kỳ đóng cắt T, thời gian đóng : DT, ngắt : (1-D)T

V di

dt

di L V

v

s L

L s

L dt

s ON

L

s L

=

∆

=

) (

Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương

Các phương trình áp & dòng

V V

di

dt

di L V

V v

s L

L s

L

T D V

V i

L dt

s OFF

L

s L

(

0

Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương

Các phương trình áp & dòng

Các giản đồ áp và dòng cuộn cảm, tụ điện

Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs ?

Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs ?

Sự biến thiên dòng iL khi khóa đóng và ngắt là như nhau

⇒ quan hệ giữa áp ngõ vào và ngõ ra

D

V V

T

D L

V V

L

DT V

i i

s

s s

OFF L

ON L

∆

1

0 1

0

0

0

) (

) (

Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ?

Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ?

I V I

V P

R

V Po

P P

L s s

s in

o o

R D

V R

D V

R

V I

V

I V I

V P

s L

s

s

o L

s

L s s

s in

2

2 2

2 2

1

1 1

⇔ Lmin = ???

Điều kiện để dòng qua L liên tục : Imin = 0

⇔

f

R D

D L

Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải :

∆V0/V0 = ??

Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải :

∆V0/V0 = ??

V C

Q = ⋅ ∆

RCf

D V

V

DT R

V DT

I Q

0 0

Bài tập :

Thiết kế bộ biến đổi boost với điện áp ra là 30V Điện áp ngõ vào là 12V Thiết kế sao cho dòng qua cuộn kháng liên tục và độ nhấp nhô điện áp thấp hơn 1% Tải R = 50Ω Tần số đóng cắt có thể chọn

25kHz

Bài tập 1:

Thiết kế bộ biến đổi boost với điện áp ra là 30V Điện áp ngõ vào là 12V Thiết kế sao cho dòng qua cuộn kháng liên tục và độ nhấp nhô điện áp thấp hơn 1% Tải R = 50Ω Tần số đóng cắt có thể chọn

chuyển đổi điện ngõ vào 50V thành 75V ngõ ra Cuộn kháng có giá trị 250uH và tải R=2.5Ohm.

1 Tính tần số đóng cắt, giả thiết dòng cuộn kháng liên tục

2 Tính trị trung bình dòng ngõ vào và ngõ ra

3 Vẽ dòng cuộn kháng, chỉ giá trị dòng min, max

4 Tính trị RMS dòng tụ

2 45A, 30A

3 Imax=50A, Imin=40A

4 21.3A

Điện áp ngõ ra có thể điều khiển cao hơn hay thấp hơn điện áp ngõ vào

Sơ đồ nguyên lý bộ Buck- Boost

Giả thiết:

1 Mạch vận hành ở xác lập

2 Dòng qua cuộn kháng L liên tục

3 Tụ điện đủ lớn => áp ngõ ra không đổi

4 Thời gian đóng khóa : DT, ngắt : (1-D).T

5 Các linh kiện lý tưởng

V di

dt

di L V

v

s L

L s

L dt

s ON

L

s L

=

∆

=

) (

Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương

Các phương trình áp & dòng

V di

dt

di L V

v

L

L L

=

=

=

0 0

L

T D

V i

L

V dt

di

OFF L

(

0

Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương

Các phương trình áp & dòng

Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs ?

Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs :

s

OFF L

ON L

T D V

DT V

i i

=

− +

=

∆ +

∆

0 1

0

0

) (

D V

L

T D V

L

DT V

1

0 1

0

0

Giản đồ áp và dòng cuộn cảm

Giản đồ dòng diode và dòng tụ điện

Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ?

;

R

V Po

P

( )2 2

2

1 D

R

D V D

RV

V I

R

V D

I V

D I

V I

V P

R

s s

o L

o L

s

L s s

s in

⇔ Lmin = ???

Điều kiện để dòng qua L liên tục : Imin = 0

Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải :

∆V0/V0 = ??

Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải :

∆V0/V0 = ??

V C

Q = ⋅ ∆

RCf

D V

V

DT R

V DT

I Q

0 0

Bài tập 1 : Thông số bộ biến đổi Buck- Boost:

Vi= 24V ; D = 0.4, R = 5 Ohm, L = 100uH, C = 400uF, f = 20kHzHãy xác định :

1 Điện áp ngõ ra Vo

1 Điện áp ngõ ra Vo

2 Vẽ giản đồ dòng qua cuộn cảm

3 Độ nhấp nhô điện áp

Bài tập 1 : Thông số bộ biến đổi Buck- Boost:

Vi= 24V ; D = 0.4, R = 5 Ohm, L = 100uH, C = 400uF, f = 20kHzHãy xác định :

1 -16V

1 -16V

2 IL = 5.33 A; ILmax = 7.73A; ILmin = 2.93A

3 1%

Bài tập 2:

Thiết kế bộ biến đổi Buck- Boost cung cấp cho tải 75W điện áp 50V với điện áp nguồn là 40V Độ nhấp nhô điện áp không lớn hơn 1%

Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk

1 Hai cuộn kháng có giá trị lớn =>dòng qua chúng

không đổi

2 Hai tụ điện đủ lớn => áp trên tụ không đổi

3 Mạch vận hành ở xác lập

4 Thời gian đóng khóa : DT, ngắt : (1-D).T

5 Các linh kiện lý tưởng

0

1 V V

VC = s −

2 )

1 )

0 s

0 s

1 2

D

D I

I

T D I

DT I

T D i

DT i

L

L

L L

OFF C

−

⇒

=

− +

1

0 1

0 1

2

) (

1 )

(

1

1

1 2

2 2

2 0

0

8

1

f C

L

D V

1

DT

C1

L s

L

i

dt

di L

V v

L

i

dt

di L

V v

∆

⇒

=

=

Bài tập:

Thiết kế bộ biến đổi Cuk với điện áp ra là -18V Điện áp ngõ vào là 12V Thiết kế sao cho độ nhấp nhô dòng qua các cuộn kháng không vượt quá 10% dòng trung bình, độ nhấp nhô điện áp ngõ ra thấp hơn 1% và độ nhấp nhô điện áp trên tụ C không vượt quá 5% Công suất tải là 40W Tần số đóng cắt có thể chọn 50kHz

Bài tập:

Thiết kế bộ biến đổi Cuk với điện áp ra là -18V Điện áp ngõ vào là 12V Thiết kế sao cho độ nhấp nhô dòng qua các cuộn kháng không vượt quá 10% dòng trung bình, độ nhấp nhô điện áp ngõ ra thấp hơn 1% và độ nhấp nhô điện áp trên tụ C không vượt quá 5% Công suất tải là 40W Tần số đóng cắt có thể chọn 50kHz

Giải :

D = 0.6

L2 ≥ 649uH ; L1 ≥ 432uH

Co ≥ 3.08uF ; C ≥ 17.8uF