Đồ Án 2: Thiết kế mạch Buck Converter DC-DC

Thông số:Điện áp đầu vào: 16 ÷ 21VĐiện áp đầu ra: 12V ± 0.1%Dòng điện ra: 20ACác bước thực hiện:1.Giới thiệu về bộ biến đổi.2.Mô hình hóa3.Tính toán mạch lực và thiết kế cuộn kháng.4.Thiết kế bộ điều khiển.5.Mô phỏng trên PSIM.

Lời Mở Đầu 2

Yêu Cầu Thiết Kế 3

Chương 1: Tổng Quan 4

1.1 Phương pháp điều khiển 4

1.2 Bộ biến đổi buck 4

Chương 2: Mô hình hóa 8

Chương 3: Tính toán mạch lực 11

3.1 Van đóng mở (Mosfet) 11

3.2 Diode 12

3.3 Cuộn cảm 12

3.3.1 Tính toán giá trị của cuộn cảm 13

3.3.2 Thiết kế cuộn cảm [4] 14

3.4 Tụ điện 16

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển 18

4.1 Mô hình tín hiệu nhỏ 18

4.2 Khảo sát trên miền tần số 20

4.3 Tính toán bù II 21

4.3.1 Bộ bù loại 2 21

4.3.2 Thiết kế bộ bù 2 22

Chương 5: Mô phỏng với PSIM 24

5.1 Định mức 24

5.2 Hở mạch 25

5.3 Quá tải 50% 27

5.4 Đặc tính động 27

Kết Luận 31

Tài liệu tham khảo 32

Lời Mở Đầu

Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển

đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử

dụng điện là hết sức cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành

điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Cấu trúc mạch của các

bộ biến đổi DC-DC vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được

hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình

nghiên cứu

Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên

đang theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật Trong học

phần đồ án này, chúng em thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch buck converter

DC-DC”

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh (bộ môn Tự

động hóa xí nghiệp công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để

chúng em hoàn thành môn học

Yêu Cầu Thiết Kế

Thông số:

Điện áp đầu vào: 16 ÷ 21V

Điện áp đầu ra: 12V ± 0.1%

Dòng điện ra: 20A

Các bước thực hiện:

1 Giới thiệu về bộ biến đổi

2 Mô hình hóa

3 Tính toán mạch lực và thiết kế cuộn kháng

4 Thiết kế bộ điều khiển

5 Mô phỏng trên PSIM

Chương 1: Tổng Quan

1.1 Phương pháp điều khiển

Sử dụng phương pháp PWM (pusle width modulation): là phương pháp

thay đổi độ rộng xung vuông, tức là thay đổi độ rộng sườn dương hay âm của

xung mà không thay đổi tần số xung

Dùng PWM để điểu khiển việc đóng, ngắt các khóa (van) trong bộ biến

đổi Việc thay đổi độ rộng sườn dương (âm) của xung điều khiển dẫn đên thay

đổi thời gian đóng (ngắt) của các van Do đó làm thay đổi điện áp đầu ra của bộ

biến đổi

1.2 Bộ biến đổi buck

Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều

chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường được

sửa dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều

Hình 1.1: bộ biến đổi buck cơ bản[1]

Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào Việc điều

khiển các khóa chuyển mạch bằng cách đóng và mở các khóa theo chu kỳ, kết

quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ buck converter thông

thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn

máy tính và các thiết bị đo lường, nó còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ

động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) Q1 đóng,

điện áp chênh lệch giữa ngõ vào (Vg) và ngõ ra (V) đặt trên cuộn cảm, làm dòng

điện trong cuộn cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) Q1 ngắt, cuộn cảm

có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode

phân cực thuận Điện áp trên cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) Q1

đóng và có điện áp bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode D1, khiến

cho dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra C có giá trị

đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép Ở trạng thái

xác lập, dòng điện đi qua cuộn cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng

điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau Xét

trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua cuộn cảm là liên tục

Vì cuộn cảm không tiêu thụ năng lượng (cuộn cảm lý tưởng), hay công suất

trung bình trên cuộn cảm bằng 0, và dòng điện trung bình trên cuộn cảm là khác

0, và điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm phải là 0 Gọi Ts là chu kỳ chuyển

mạch (switching cycle), tỷ lệ thời gian đóng khóa (van) trong 1 chu kỳ chuyển

mạch Ts là D (0 < D < 1) Như vậy thời gian khóa (van) đóng là DTs và thời gian

khóa (van) ngắt là (1 – D)Ts Giả sử điện áp rơi trên diode và dao động điện áp

ngõ ra là rất nhỏ so với điện ngõ vào và ngõ ra Khi đó, để điện áp rơi trên cuộn

cảm bằng 0 thì:

D.Ts(Vg – V) – (1 – D)Ts.V = 0

=> D.Ts(Vg – V) = (1 – D)Ts.V

Giá trị D được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Do D thay đổi từ 0 đến

1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1) nên 0 < V < Vg

Hình 1.2 Dạng sóng của bộ biến đổi buck trong chế độ dòng liên tục[1]

Với các bộ biến đổi buck, vấn đề được đặt ra là: cho biết phạm vi thay đổi

của điện áp ngõ vào Vg, giá trị điện áp ngõ ra V, độ dao động điện áp ngõ ra cho

phép, dòng điện tải tối thiểu Imin, xác định giá trị của cuộn cảm, tụ điện, tần số

chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ (D), 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 (duty cycle) D: Dmin = V/Vgmax, và Dmax =

V/Vgmin

Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ

hoạt động gián đoạn Chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn 0

do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn Còn ở chế độ gián đoạn, dòng điện

qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng 0 Trong đồ án chỉ xét bộ biến đổi buck

trong chế độ dòng liên tục

Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện

liên 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 tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để

giới hạn 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 (1 – D)Ts, với điện áp rơi không thay

Thành phần xoay chiều của dòng điện qua cuộn cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ

ra Với dòng điện qua cuộn cảm có dạng xung tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ

ra sẽ là các đoạn đa thức bậc 2 nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển

mạch) Khi khóa (van) Q1 ngắt, năng lượng trên cuộn kháng L chuyển thành

năng lượng nạp vào tụ C và năng lượng tiêu thụ trên tải R cho đến khi iL(t) = I

Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng ta có phương trình:

ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và Ts đã

được chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho

phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp

Chương 2: Mô hình hóa

Trong thực tế, các thành phần của bộ biến đổi không phải là lý tưởng Tụ

điện được thay thế bằng một tụ điện lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở Rc Điện

trở Rc được gọi là điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ điện, dùng để chỉ

ra tổn thất năng lượng trên tụ điện Cuộn cảm được thay thế bằng một cuộn cảm

lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở RL

Hình 2.1: Bộ biến đổi buck[1]

Trong thời gian Q1 đóng (0 < t < DTs) ta có sơ đồ mạch tương đương như

hình 2.2 Từ hình 2.2 ta có được các phương trình Kirchoff sau:

Hình 2.2: Mạch buck trong thời gian Q 1 đóng.[1]

Trong thời gian Q1 ngắt (DTs < t < Ts) ta có sơ đồ mạch tương đương như

hình 2.3 Từ hình 2.3 ta có các phương trình Kirchoff sau:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

(2.4) (2.5) (2.6)

Hình 2.3: Mạch buck trong thời gian Q 1 ngắt[1]

Xét trong 1 chu kỳ chuyển mạch (0 < t < Ts), từ các phương trình (2.1) –

Ở trạng thái xác lập bộ biến đổi hoạt động với chu kỳ nhiệm vụ D với các

giá trị tương ứng V, Vg, … cho chu kỳ nhiệm vụ thay đổi một giá trị ̂ (| ̂|

), khi đó các giá trị v, vg, … cũng thay đổi một giá trị nhỏ ̂ ̂ ,…

( ) ̂( ) ( ) ̂( ) ( ) ̂ ( ) Trong đó các giá trị in hoa mô tả giá trị ổn định và các biểu tượng (^) mô

tả các giá trị thay đổi

Thay vào (2.7) – (2.9), rút gọn các thành phần ổn định và bỏ qua

̂( ) ̂ ( ) ta có:

{

̂ ( ) ̂( ) ̂ ( ) ̂ ( ) ̂( ) ̂( ) ̂ ( ) ̂ ( )

̂( ) ̂ ( ) ̂ ( )

(2.10) (2.11) (2.12) Laplace 2 vế các phương trình (2.10) – (2.12) ta có:

{

̂ ( ) ̂( ) ̂ ( ) ̂ ( ) ̂ ̂( ) ̂ ( ) ̂ ( )

̂( )

̂ ( ) ̂ ( )

(2.13) (2.14)

(2.15) Suy ra hàm truyền đạt của bộ biến đổi buck:

(2.17)

Chương 3: Tính toán mạch lực

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck Converter [1]

Tính toán các thành phần của mạch lực theo thông số của nguồn như công

suất, điện áp vào ra dòng tải…

Các thông số của mạch như sau:

Điện áp lớn nhất vào van là ( )

Dòng điện lớn nhất đi qua van

Psw- Công suất chuyển mạch

Công suất tổn hao dẫn của van mosfet:

( ) Công suất tổn hao do quá trình đóng cắt trên Mosfet được tính bằng:

( )

[3]

( ) Vậy công suất tổn hao trên van là:

√ ( ) Với thông số của mạch ta chọn Diode loại: 1N3913 có các thông số như

Ta sẽ tính toán cuộn cảm cho buck converter theo các thông số như sau:

+ Điện áp đầu vào nhỏ nhất Vg (min) 16 V

+ Điện áp đầu vào lớn nhất Vg (max) 21 V

+ Mật độ dòng điện J 300A/cm2

3.3.1 Tính toán giá trị của cuộn cảm

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

Hình 3.2 Đồ thị điện áp trên cuộn cảm [1]

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

vL(t)= -v(t) (3.4)

Với ( ) thì:

(3.5) Suy ra:

Dòng điện cuộn cảm được miêu tả như hình 3.3, ta có thể thấy dòng

trong đó là độ gợn của dòng điện

( ) Chọn L=30

( )

Dựa trên giá trị Ap chọn lõi khung EE ferrite, loại DIN-42-15

- Khi hoạt động với tần số cao, sẽ xuất hiện hiệu ứng bề mặt, lúc này dòng

điện sẽ chỉ dẫn ở vành của dây dẫn, được tính theo công thức:

) (

)

- Ta sẽ chập mười hai dây lại để quấn, mục đích để dễ quấn, giảm khe hở,

giảm điện trở suất, khi đó, ta có

Aw= 0.0192(cm2) (

Với độ tăng nhiệt này, cuộn cảm có thể làm việc bình thường Do đó kích

thước lõi mà ta đã chọn đạt yêu cầu

Vậy chọn lõi khung EE ferrite, với dây quấn đồng tiết diện 0,0016 cm2

chập 12, số vòng quấn 13 vòng

3.4 Tụ điện

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( )

( )

( ) (

) ( ) ( )

Chọn 2200 F

Chọn tụ 15222E3 của nhà sản xuất của Vishay[5]

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện mối liên hệ điện trở và tần số [5]

Từ đồ thị trên datasheet được thể hiện trên hình 3.4, ta có thể xác định

được tỉ số giữa và khoảng 0.67 với là điện trở đo tại nhiệt

độ ở tần số 100Hz

Tra bảng datasheet ta có

Ta sẽ mắc song song 4 tụ điện này với nhau, mục đích để tăng điện

dung và giảm điện trở RESR

Khi đó ta có,

Điện dung tương đương:

Điện trở RESR tương đương

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

̂( )

̂ ( )| ̂

( ) ( ) ( ) Nếu bỏ qua điện trở của cuộn kháng:

̂( ) ̂( )| ̂

( ) ( ) ( ) (4.1)

̂( ) ̂ ( )| ̂

( ) ( ) ( ) (4.2) Đặt:

√ ( )

√ ( )

Phương trình (4.1) và (4.2) trở thành:

̂( ) ̂( )| ̂

̂( ) ̂ ( )| ̂

Trong quá trình làm việc, bộ biến đổi chịu tác động bởi sự thay đổi của

dòng tải iload(t), điện áp vào vg(t) Để duy trì điện áp ra v(t) ổn định ở giá trị V

ta cần thay đổi giá trị d(t) nhằm giảm ảnh hưởng tác động của nhiễu Để làm

được điều này ta cần điều khiển phản hồi điện áp đầu ra v(t) như trong hình 4.1

Hàm truyền PWM có thể xấp xỉ:

(4.7)

Thay số liệu tính toán vào ta được:

Thay số liệu tính toán vào ta được:

4.2 Khảo sát trên miền tần số

Sử dụng Matlab vẽ đồ thị bode của đối tượng:

Hình 4.5 Đồ thị bode của bộ bù loại 2.[5]

(4.12) Suy ra:

Chương 5: Mô phỏng với PSIM

5.1 Định mức

5.2 Hở mạch

5.3 Quá tải 50%

5.4 Đặc tính động

a Thay đổi nguồn từ 16V lên 21V

b Tải thay đổi

Kết Luận

Kết thúc đồ án 2 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 Ap

- 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

phần mềm mô phỏng Psim và matlab Các thành viên trong nhóm đã thực hiên

được tinh thần làm việc nhóm, hoàn thành các công việc được giao Mỗi thành

viên đều nắm được cơ bản về mạch điều chỉnh điện áp Dc-Dc buck converter

Trong suốt quá trình làm việc không thể thiếu được các ý kiến hướng dẫn của

thầy Nguyễn Duy Đỉnh Chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy

trong suốt quá trình làm đồ án Trong suốt quá trình thực hiện mặc dù cố gắng

hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, chúng em còn nhiều thiếu 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] Lý thuyết điều khiển tuyến tính - PGS Nguyễn Doãn Phước

[3] Giáo trình điện tử công suất- Trần Trọng Minh

[4] Transformer and Inductor Design Handbook – Lyman

[5] Aluminum Capacitors Axial Miniature, Long-Life, Vishay

[6] Type 1,2 and 3 Control Explained – “www.convertertechnology.co.uk