Thiết kế bộ biến đổi công suất một chiều Boost DC – DC Converter

Thiết kế mạch Boost Converter. Công việc được chia làm 3 khâu chính. Khâu 1: nghiên cứu nguyên lý mạch, tìm ra sơ đồ mạch và thông số các linh kiện. Khâu 2: Dùng phần mềm mô phỏng mạch với các thông số linh kiện đã chọn và tinh chỉnh. Khâu 3: Với sơ đồ mạch mô phỏng, thiết kệ mạch thực tế, đo kết quả và chỉnh sửa nếu có. Mạch với thiết kế nhỏgọn, đáp ứng được điện áp ra trong dải điện áp đã đặt. Thông qua đồ án này đã giúp tôi biếtcách tìm tài liệu để đọc và nghiên cứu, kĩ năng làm việc nhóm, cách sử dụng một số phầnmềm như PSIM, ALTIUM, PROTEUS, và đặc giúp tôi liên kết, ứng dụng lý thuyết đãđược học để áp dụng vào thực tế.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN I

Bộ biến đổi công suất một chiều

Ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa

Bộ môn: Tự động hóa công nghiệp

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN I

Sử dụng Tl494, thiết kế bộ biến đổi công suất một chiều boost DC – DC converter

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn

Để hoàn thành đồ án I này, con xin cảm ơn bố mẹ, người đã vất vả nuôi nấng con và bên luôn bên cạnh con để vượt qua mọi khó khăn trong cuộn đời Đồng thời luôn khuyên nhủ, động viên con mỗi khi con mắc sai lầm Cảm ơn vì tất cả tình cảm mà bố mẹ đã dành cho con

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung cũng như Viện Điện nói riêng vì công lao giảng dạy, truyền đạt các kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tại trường Những kiến thức ấy sẽ là hành trang quan trọng trong công việc và cuộc sống của em sau này

Trong quá trình làm đồ án I, em đã gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận các kiến thức trong thực tế Em xin cảm ơn thầy Hoàng Đức Chính vì đã hướng dẫn, nghiêm khắc

và tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án I một cách tốt nhất

Mình xin cảm ơn các bạn trong nhóm 6 vì đã giúp đỡ, trao đổi và chia sẻ kiến thức

và cùng nhau học tập trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa

Cảm ơn những người bạn thân đã luôn bên cạnh tôi dù lúc vui hay lúc buồn Luôn an

ủi động viên tôi khi tôi gặp khó khăn và bế tắc trong cuộc sống Chính các bạn là nguồn động lực to lớn để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Với thời gian thực hiện đồ án I ngắn và chưa có nhiều kinh nghiệm đúc kết từ kiến thức thực tế, báo cáo đồ án này chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót Rất mong sự góp ý từ thầy

cô và các bạn để đề tài trở nên hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Tóm tắt nội dung đồ án

Thiết kế mạch Boost Converter Công việc được chia làm 3 khâu chính Khâu 1: nghiên cứu nguyên lý mạch, tìm ra sơ đồ mạch và thông số các linh kiện Khâu 2: Dùng phần mềm

mô phỏng mạch với các thông số linh kiện đã chọn và tinh chỉnh Khâu 3: Với sơ đồ mạch

mô phỏng, thiết kệ mạch thực tế, đo kết quả và chỉnh sửa nếu có Mạch với thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng được điện áp ra trong dải điện áp đã đặt Thông qua đồ án này đã giúp tôi biết cách tìm tài liệu để đọc và nghiên cứu, kĩ năng làm việc nhóm, cách sử dụng một số phần mềm như PSIM, ALTIUM, PROTEUS, và đặc giúp tôi liên kết, ứng dụng lý thuyết đã được học để áp dụng vào thực tế

Sinh viên

MỤC LỤC

Nội dung

Lời cảm ơn 3

Chương 1: Giới thiệu 8

1.1 Khái niệm , phân loại và ứng dụng 8

1.2 Chọn đề tài và Ứng dụng thực tế 9

1.2.1 Chọn đề tài 9

1.2.2 Ứng dụng thực tế 9

Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch 10

2.1 Yêu cầu đặt ra 10

2.2 Tính toán 10

2.3 Sơ đồ mạch Boost Converter 14

Chương 3 : Tìm hiểu và chọn linh kiện thực tế 15

3.1 IC TL494 15

3.1.1 Giới thiệu TL494 15

3.1.2 Nguyên lý 15

3.1.3 Nhiệm vụ các chân 16

3.2 Mosfet IRF9540 16

3.3 Cuộn cảm EE25 17

3.4 Tụ không phân cực 18

3.5 Diode 1N4007 18

3.6 Điện trở 19

Chương 4 :Kết quả thực nghiệm và đánh giá 20

4.1 Kết quả đồ thị mô phỏng 20

4.2 Sơ đồ thiết kế mạch in 22

4.3 Mô hình mạch 3D 23

Chương 5: Tổng kết và phát triển đề tài 24

5.1 Đánh giá kết quả đạt được 24

5.2 Những hạn chế 25 5.3 Phương hướng phát triển đề tài 25

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng trên Psim……… 12

Hình 2.3 Mạch tạo xung bằng Tl494……… 13

Hình 2.4 Sơ đồ mạch Boost converter………Error! Bookmark not defined. Hình 4.1 Sơ đồ mạch mô phỏng trên Psim……… 20

Hình 4.2 Kết quả đo thông số đầu ra trên Psim……… 20

Hình 4.3 Kết quả mô phỏng trên Proteus…… ……….21

Hình 4.4 Sơ đồ mạch in………22

Hình 4.5 Mô phỏng 3D………23

Chương 1: Giới thiệu

1.1 Khái niệm, phân loại và ứng dụng

+) Nhu cầu: -nguồn điện có tầm quan trọng trong mạch điện, hệ thống điện

-mạch điện hay hệ thống điện đòi hỏi nhiều nguồn đầu vào khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định

- Nguồn DC được sử dụng rộng rãi trong mạch điện, hệ thống điện

- Vì vậy các bộ biến đổi DC-DC ra đời

+) Khái Niệm: Bộ chuyển đổi DC-DC là một mạch điện tử hoặc thiết bị cơ điện có thể

chuyển đổi một nguồn dòng điện trực tiếp từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác

+ Không cách ly: (Ưu) Đơn giản, nhỏ gọn, dễ lắp đặt

(Nhược) Áp dụng trong một số trường hợp và phạm vi nhỏ VD: Điều chế có sự chênh

lệch áp in-out lớn -> D 0 hoặc D 1 -> khó điều chế xung

*) Nguyên lý cơ bản: dùng một khóa điển tử nối tải vào nguồn trong những khoảng thời

gian nhất định t(s) lặp theo chu kì T Điện áp đầu ra thay đổi nhờ thay đổi t(s) từ 0 đến T

+) Làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy,

+) Cấp nguồn cho các thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vôn nhưng nguồn cấp có điện áp thấp cỡ 1.5V hay 3.7V

+) Nâng áp trong các mạnh nguồn xung như TV, LED

Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch

2.1 Yêu cầu đặt ra

Thiết kế bộ biến đổi công suất một chiều với điện áp ngõ vào là 12V, điện áp ngõ ra là 60V Dòng điện qua cuộn cảm liên tục với độ nhấp nhô điện áp không quá 1% Tần số đóng cắt 20KHz

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý

2.2 Tính toán

Khi van mở: L𝑑𝑖

𝑑𝑡= Vin Khi van đóng: L𝑑𝑖

𝑑𝑡 =Vin - Vout Giả thiết Vout= const, Imin, Imax là giá trị nhỏ nhất, lớn nhất của dòng qua cuộn cảm

0 ≤ t < tx : iL = Imin + 𝑉𝑖𝑛

𝐿 t

tx ≤ t < T: iL = Imax - 𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐿 (t-tx)

Tại t = tx : Imin + 𝐸

𝐿tx = Imax

 ∆I = Imax – Imin = 𝑉𝑖𝑛

𝐿 tx (1) Chế độ xác lập: iL(t=0) = iL(t=T), do đó :

Mô phỏng mạch:

Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng trên PSIM

Mạch tạo xung PWM bằng TL494:

2.3 Sơ đồ mạch Boost Converter

Hình 2.4 Sơ đồ mạch boost converter

Chương 3 : Tìm hiểu và chọn linh kiện thực tế

3.1 IC TL494

3.1.1 Giới thiệu TL494

• IC TL494 là một trong những IC được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn

• IC TL494 là loại IC tạo được xung dao động Switching có 2 Phase ( đảo pha hoặc cùng pha nhau) qua 2 Transistor xuất dao động

3.1.2 Nguyên lý

Nhiệm vụ quan trọng của TL494 là nhận tín hiệu phản hổi từ điện áp ở đầu ra đưa về chân

1, tín hiệu tại chân 1 được so sánh với tín hiệu chuẩn tại chân 2 qua bộ khuếch đại thuật toán Dựa trên sự sai lệch giữa hai tín hiệu để điều biên độ trọng của xung để đóng cắt Mosfet IRF9540

o Chân 4: Điều khiển thời gian chết, tránh sự trùng dẫn ở đầu ra

o Chân 5: Tạo dao động phối hợp chân 6(Rt) ghép nối với tụ Ct xuống âm nguồn

o Chân 6: Phối hợp chân 5 tạo dao động thông qua điện trở Rt tạo tần số dao động Giá trị tần số: f = 1

𝑅𝑡∗𝐶𝑡

o Chân 7: Âm nguồn của TL494

o Chân 8: Cực collector C1 của transistor xuất dao động

o Chân 9: Cực Emmitor E1 của transistor xuất dao động

o Chân 10: Cực Emmitor E2 của transistor xuất dao động

o Chân 11: Cực collector C2 của transistor xuất dao động

o Chân 12: Nguồn cung cấp cho IC TL494

o Chân 13: Chân điều khiển đầu ra Nếu nối với chân 14 thì đầu ra là 1 pha (2 transistor đồng pha), nếu nối đất thì đầu ra đảo pha

o Chân 14: Tạo điện áp chuẩn Vref để tham chiếu với các điện áp so sánh được phản hồi về

o Chân 15: Phối hợp chân 16 để so sánh quá tải đối với dòng điện tải

o Chân 16: Phối hớp chân 15 để tạo thành mạch so sánh quá tải

Mosfet IRF9540 là mosfet kênh P hay mosfet thuận

Mosfet IRF9540 là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT, Mosfet IRF9540 có công suất là 150W Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa

G: Gate gọi là cực cổng D: Drain gọi là cực máng S: Source gọi là cực nguồn

Mosfet Ì9540 có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ưungs từ trường để tạo ra dòng điện, là linh

kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

Mosfet IRF9540 thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang DC

Giá tiền mosfet IRF9540 trên thị trường hiện nay có giá rơi vào khoảng 16000 đồng(VNĐ) 3.3 Cuộn cảm EE25

Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn đc sơn cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc vật liệu dẫn từ như Ferrite hặc lõi thép kĩ thuật

Gông dẫn từ làm bằng lỗi ferit, hình chữ E Cuộn cảm EE25 có chức năng ôn định dòng điện quá tải

3.4 Tụ không phân cực

Các loại tụ nhỏ thường không phân cực Các loại tụ này thường chịu được các điện áp cao mà thông thường là khoảng 50V hay 250V Các loại tụ không phân cực này có rất nhiệu loại và có rất nhiều hệ thống đọc chuẩn giá trị khác nhau

Trong sơ đồ mạch Boost ta dùng 2 tụ không phân cực có giá trị số là 102 và 107

Dòng diện rơi thấp

Hàn với nhiệt độ tối đa 275 độ C

Được dùng trong các ứng dụng chỉnh lưu, cung cấp điện năng, chuyển đổi điện áp, biến tần 3.6 Điện trở

- Điện trở là phần từ có chức năng ngăn cản dòng điện trọng mạch Mức độ ngăn cản dòng điện được đặc trưng bởi trị số điện trở R

Đơn vị đo: m Ω, Ω, k Ω, M Ω

Cách đọc giá trị điện trở: dựa thẻo bảng sau:

Chương 4 :Kết quả thực nghiệm và đánh giá

4.1 Kết quả đồ thị mô phỏng

Hình 4.1 Sơ đồ mạch mô phỏng PSIM

Hình 4 2 Kết quả đo thông số đầu ra trên PSIM

Hình 4.3 Kết quả mô phỏng sơ đồ mạch trên Proteus

4.2 Sơ đồ thiết kế mạch in

Hình 4.4 Sơ đồ mạch in

4.3 Mô hình mạch 3D

Hình 4.5 Mô hình 3D

Nhận xét, đánh giá: kết quả mô phỏng đúng như tính toán lý thuyết, phù với yêu cầu bài toán đặt ra

Mở rộng vấn đề Khi thay đổi một số linh kiện thì ảnh hưởng đến đầu ra như thế nào?):

+) Tần số f(Hz): Tần số từ vài KHz đến vài trăm KHz thì kích thước của cuộn cảm (L), Tụ

điện (C) sẽ thỉ lệ nghịch với tần số Tần số càng lớn thì yêu cầu đóng cắt của van điều khiển cũng phải càng lớn (VD: MOSFET) Vì vậy giá tiền mua van cũng tang theo (Vấn đề kinh tế) Tần số càng cao thì sự đóng cắt càng nhiều -> dẫn đến tổn hao đóng cắt càng lớn

=> Từ các yếu tố trên thì thông thường nên chọn tần số từ 20(KHz) trở lên (20 Khz cũng

là tần số mà con người không nghe thấy được) Dựa vào tần số này ta cũng thường chọn Van là MOSFET hoặc IGBT để thiết kế mạch Boost Converter

+) Tụ điện C: Lọc (là phẳng) điện áp tải (nhưng chỉ chính xác trong một vài chu kì đầu do

tổn hao đóng cắt) Trong mạch Boost Converter thì Tụ còn có tác dụng phân cực Diode (đặt điện áp ngược) trong lúc Van mở

+) Độ đập mạch dòng điện ∆ IL:

• Nếu chọn ∆ IL nhỉ thì L lớn -> ảnh hưởng đến kích thước bộ biến đổi

• Nếu chọn ∆ IL lớn thì mạch có thể rơi vào chế độ gián đoạn (không mong muốn)

Vì vậy thông thường chọn IL = 10% - 30% IL

+ Tải: Độ đập mạch dòng điện và điện áp ra không phụ thuộc vào tải

Nếu tải là RLE (động cơ điện một chiều) thì ảnh hưởng đến giá trị tức thời của dòng điện làm giảm 1 lượng 𝐸(𝑡)

𝑅(𝑡) so với tải RL

Thường chọn U (tải) = 0.1% - 1% U(tải)

Chương 5: Tổng kết và phát triển đề tài

5.1 Đánh giá kết quả đạt được

Trong quá trình thực hiện đề tài “Thiết kế mạch Boost converter”, tôi đã thực hiện

những điều sau:

− Tìm hiểu về công dụng và nguyên lý hoạt động của mạch Boost Converter

− Tính toán và lựa chọn thông số linh kiện dựa vào yêu cầu đặt ra thực tế

− Thiết kế mạch điện

− Hiểu về IC TL494 và các điều chế xung PWM từ IC này

− Tính toán và lựa chọn các linh kiện, thiết bị phù hợp với thị trường

− Thiết kế và mô phỏng mạch qua các phần mềm PSIM, PROTEUS, ALTIUM 5.2 Những hạn chế

Trong quá trình thực hiện luận văn này, do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian không cho phép nên dẫn đến một số hạn chế sau:

− Chỉ thực hiện phần tính toán và thiết kế trên lý thuyết và mô phỏng, chưa có mô hình thực tế để kiểm chứng hoạt động của máy

− Chưa tối ưu bài toán điều khiển để nâng cao khả năng tự động hóa

5.3 Phương hướng phát triển đề tài

− Tối ưu phương án điều chế xung

− Sử dụng tản nhiệt cho mạch bớt nóng

− Tối ưu giá tiền từng linh kiện và kích thước mạch

− Thiết kế mạch thực tế và đưa vào ứng dụng