Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA
CHƯƠNG 6 BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU
VI.3 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY)
Các bộ nguồn xung hay bộ cấp điện đóng ngắt có sơ đồ khối 3, 4 ở mục VI.1, với trung tâm là BBĐ áp một chiều hay bộ nghịch lưu dùng transistor làm việc ở hàng chục hay trăm KHz cho phép giảm kích thước, giá thành. Do đó bộ nguồn xung được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng, làm nguồn cho các khối điều khiển, đo lường trong các
thieỏt bũ coõng nghieọp.
1. Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính:
Từ những năm 70, BBĐ ỏp một chiều làm việc ẳ mặt phẳng tải đó được dựng để thay thế các mạch ổn áp tuyến tính và được gọi là ổn áp đóng ngắt. Để có áp ra bằng phẳng, mạch lọc LC luôn được sử dụng. Mạch ổn áp đóng ngắt có những đặc điểm:
- Ưu: hiệu suất cao nhờ đã thay đổi từ chế độ làm việc của linh kiện công suất từ khuếch đại thành đóng ngắt, nhờ đó giảm được kích thước tản nhiệt và giá thành hệ thống.
- Nhược: có nhấp nhô áp ra, mạch điều khiển phức tạp nhưng được khắc phục bằng cách sử dụng vi mạch chuyên dùng.
Vo V ẹieàu khieồn
Io
ΔV
+
_
Q1
Tải Hình VI.3.1 Ổn áp tuyến tính
i
v V
o o
Io
C S1
D1 +
_
L
Hình VI.3.2 Ổn áp đóng ngắt
Sau đó, sơ đồ này hầu như đã bị thay thế trong các bộ nguồn xung, khi việc đưa BBĐ ra trước biến áp giảm áp cho phép sử dụng biến áp tần số cao có kích thước rất nhỏ so với biến ỏp dựng tần số lưới và giỏ thành thấpù để ta cú được cỏc bộ nguồn xung ngày nay. Cú hai dạng BBĐ được sử dụng: ở tầm công suất bé (<200W) các sơ đồ Flyback được sử dụng và ở tầm lớn hơn thì chủ yếu là bộ nghịch lưu một pha.
2. Cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung) sử dụng nghịch lưu:
V
S1 +
_ S2
D1
D2 C1
C2 T1
T1
L1 C3
Hình VI.3.2a: mạch động lực phần nghịch lưu của cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung)- sơ đồ nửa cầu
Uủk uẹB
S1
S2 Dao động tam giác
1 2
3
4 5
6
2
CLK Q
- Q
Hình VI.3.2b mạch điều khiển điều rộng xung dẩy keùo
Bộ nghịch lưu có thể dùng cho bộ cấp điện đóng ngắt có sơ đồ khối 4 được giới thiệu ở mục 1, biến đổi điện một chiều thành xoay chiều, cung cấp cho biến áp tần số cao. Nhờ làm việc ở tần số cao (>25KHz), kích thước, giá thành biến áp và mạch lọc ngỏ ra giảm đáng kể. Sơ đồ này cho phép bộ biến đổi không bị giới hạn công suất như các sơ đồ flyback.
Hình VI.3.2a cho ta sơ đồ sử dụng nghịch lưu nửa cầu. Ở công suất lớn hơn 300W, người ta thường dùng sơ đồ cầu (4 transistor). Để giữ ổn định điện áp ngỏ ra, nó được phản hồi để thay đổi độ rộng xung bộ nghịch lưu. Với sơ đồ nửa cầu, ta chỉ có thể điều khiển không hoàn toàn bằng cách thay đổi trực tiếp độ rộng xung điều khiển transistor. Ngỏ ra một chiều lấy ở thứ cấp T1 là biến áp giảm (tăng) áp, sau khi chỉnh lưu và lọc phẳng. Với nhận
xét điện áp sau chỉnh lưu lại có dạng điều rộng xung, người ta còn gọi nguyên lý điều khiển bộ biến đổi này là điều rộng xung đẩy kéo (push-pull). Hình VI.3.2b là mạch điều rộng xung đẩy kéo và các dạng áp . Đây là phần lõi của TL494 là vi mạch điều khiển bộ nguồn xung thoõng duùng.
Ví dụ tính toán bộ nguồn xung dùng nghịch lưu một pha:
Tớnh toỏn mạch động lực bộ cấp điện dựng nghịch lưu (sơ đồ ẵ cầu hỡnh V.8.1), ngỏ ra 5V/20 A, ngỏ vào 260 VDC.
- Chọn tần số ngỏ ra 20 Khz, độ rộng xung tương đối α = ton/T= 0.5.
=> biên độ áp thứ cấp 5/0.5 = 10 V.
Giả sử diod cầu sụt áp tổng 0.6 V (dùng diod Schotky), biên độ thứ cấp biến áp là 10 + 0.6 = 10.6 V. Biên độ sơ cấp là
ẵ ỏp nguồn một chiều (nghịch lưu nữa cầu):
=> tỉ số biến áp: 260 / (2 * 10.6) = 12.3.
Phân tích dạng dòng => trị trung bình dòng qua L1 cũng chính là dòng tải Io, giả sử dòng qua Diod là phẳng => biên độ của nó cũng là Io = 20 A.
Io Thứ cấp biến áp
sau chổnh lửu áp Sơ cấp biến áp vo
io
Hình VI.3.2c Dạng dòng, áp sau chỉnh lưu thứ cấp biến áp.
Chọn dòng trung bình qua D là kat. Io = 1.5 * 20 = 30 A; áp qua D > 10 V, chọn 25 V, loại Schotky.
Hiệu dụng cuộn dây thứ cấp 20 / 2=14 A, hiệu dụng cuộn dây sơ: 14 / 12.3 = 1.2 A Chọn ngắt điện nghịch lưu theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A
Chọn transistor đóng ngắt công suất, dòng định mức 5 A / 600 V.
5. Sơ đồ bộ nguồn xung Flyback:
Mạch động lực bộ nguồn xung dùng sơ đồ Flyback đã được giới thiệu chi tiết ở chương IV, Các sơ đồ cụ thể có thể tìm được ở tài liệu các hãng cung cấp và ở phụ lục (phần cuoỏi chửụng).
6. Sơ đồ bảo vệ quá áp cho ngắt điện trong bộ nguồn xung Flyback:
Hình VI.2.3 là là mạch động lực và các dạng áp bộ nguồn xung sử dụng BBĐ áp một chiều loại flyback dùng biến áp, có bộ bảo vệ xung áp gồm diod phục hồi nhanh D, tụ điện C và điện trở R. MosFET Q là ngắt điện S, có áp cực Drain là vD có dạng trên hình khi không có mạch bảo vệ xung áp. Khi Q tắt, dòng từ hoá sơ cấp chuyển sang thứ cấp để cung cấp cho mạch tải. Có thể chứng minh là vD bằng hai lần áp nguồn V lúc này. Cũng từ hình vẽ này, ta quan sát được là khi Q vừa ngắt, ta có xung qúa áp rất cao, tồn tại trong thời gian rất ngắn xuất hiện do quá trình chuyển dòng từ sơ cấp sang thứ cấp biến áp không xảy ra tức thời. Thời gian này xuất hiện do các LC ký sinh trong biến áp T, nó tạo ra quá áp cho Q và làm giảm hiệu suất của BBĐ. Tụ điện C của mạch bảo vệ làm giảm biên độ xung quá áp, điện trở R phải tiêu thụ được năng lượng xung áp này trong phần còn lại của chu kỳ để C có thể nạp được ở chu kỳ kế tiếp.
R
Q D v
D C
C T
v
Q on v
C
Q off D
t v
2V
V
Hình VI.3.3: Bộ bảo vệ quá áp xung cho BBĐ flyback ghép biến áp.
Bài tập: Từ mô tả hoạt động của bộ bảo vệ xung áp, biện luận sự ảnh hưởng lên điện áp vD lúc Q khóa của việc thay đổi giá trị điện trở R.
7. Sơ đồ bộ nguồn xung dùng BBĐ áp một chiều loại Forward:
Ở công suất nhỏ, ta có thể gặp sơ đồ bộ nguồn xung trên hình VI.2.4. Vì nguồn cung cấp năng lượng cho tải khi ngắt điện Q đóng nên nó thuộc nhóm Forward. Tương tự như biến áp xung kích SCR khi có thời gian nghỉ bé, cần phải giải phóng năng lượng từ hóa lõi sắt và mạch trả năng lượng về lưới qua diod D1 được sử dụng. Lưu ý cực tính các cuộn dây của biến áp trên hình VI.3.4.
Để ý, mạch kích SCR xung rộng hình II.4.6b có thể sử dụng như bộ nguồn xung có cách ly (không ổn áp).
V+
T1
Q
D2 L1
D1
C1
Hình VI.3.4: Bộ nguồn xung loại Forward duứng 1 ngaột ủieọn.
Bài tập: Vẽ dạng dòng áp trên các phần tử mạch điện hình VI.3.4, cho biết nguyên lý để chọn số vòng cuộn dây trả năng lượng.