Bài giảng Điện tử công suất 1 - Chương 4 Bộ biến đổi điện áp một chương 4 chiều (P3)

BOÄ NGUOÀN MOÄT CHIEÀU CHEÁ ÑOÄ CHÖÔNG 1 XUNG BỘ BiẾN ĐỔI DC/DC TUYẾN TÍNH CƠ BẢN - Điều khiển điện áp ngõ ra V0 bằng cách điều khiển dòng IB - Khuyết điểm : Tổn hao công suất trên BJT = VCEIL BỘ BiẾN ĐỔI DC/DC CƠ BẢN CHẾ ĐỘ XUNG - Nguyên lý làm việc : điều khiển đóng cắt khóa D = tON/T - Ưu điểm : Hiệu suất cao - Khuyết : Độ nhấp nhô điện áp BỘ BiẾN ĐỔI DC/DC DẠNG BUCK Sơ đồ nguyên lý bộ Buck https://www.fairchildsemi.com/applications/industrial-energy- conversion/solar-inverter/micro-converter-system/ BỘ BiẾN ĐỔI DC/DC DẠNG BUCK 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 BỘ BiẾN ĐỔI DC/DC DẠNG BUCK 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 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC 1. Khi khóa S đóng : L VV dt di dt diLVVv sL L sL − = =−= 0 0 DT L VVi sONL       − =∆ 0)( Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC 2. Khi khóa S ngắt : Diode D dẫn Vdi dt diLVv L L L − = =−= 0 0 ( )TD L Vi Ldt OFFL −⋅ − =∆ 10)(Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Giản đồ áp và dòng bộ biến đổi Buck (a) Áp trên cuộn L (b) Dòng qua cuộn L (c) Dòng qua tụ C BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Sự biến thiên dòng iL khi khóa đóng và ngắt là như nhau ⇒ quan hệ giữa áp ngõ vào và ngõ ra ii OFFLONL =∆+∆ )()( 0 ( ) DVV TD L VDT L VV s s ⋅=⇒ =−⋅−⋅ − 0 00 01 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC ( ) ( )       − +=       −+= ∆ += Lf D R V TD L V R ViII LL 2 11 1 2 1 2 0 00 max Tính tóan giá trị dòng qua cuộn L : ( ) ( )       − −=       −−= ∆ −= Lf D R V TD L V R ViII LL 2 11 1 2 1 2 0 00 min BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Giá trị Lmin để dòng IL liên tục : iLmin = 0 ( )RD1− fL 2min = BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Độ nhấp nhô áp tụ C khi giá trị tụ giới hạn : CVQ iii RLC = −= 0 C QV VCQ ∆ =∆ ∆=∆ 0 0 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Độ nhấp nhô áp tụ C khi giá trị tụ giới hạn : 8222 1 iTiTQ LL ∆⋅=      ∆       =∆ 2 0 0 8 1 fLC D V V ⋅ − = ∆ BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Bài tập : Bộ biến đổi DC-DC dạng Buck có các thông số như sau: 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 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Đáp : • 20V , 20W • 1.75A, 0.25A .Tính Lmin • 0.469% BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Bài tập thiết kế: 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 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC • D = 0.375 • Lmin = 78uH, chọn L = 1.25Lmin • Cmin = 100uF BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Ứng dụng : - Xe điện hybrid – giảm số lượng acquy - Đèn LED (3.3V) dùng bộ boost để cấp nguồn từ pin 1.5V BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC 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 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Vdi dt diLVv sL L sL = == Khi khóa đóng : L DTVi Ldt s ONL =∆ )( Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC VVdi dt diLVVv sL L sL − = =−= 0 0 Khi khóa ngắt : ( )( ) L TDVVi Ldt s OFFL −− =∆ 10)( Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Các giản đồ áp và dòng cuộn cảm, tụ điện BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs ? BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC 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 VV TD L VV L DTV ii s ss OFFLONL − =⇒ =−⋅ − − =∆+∆ 1 01 0 0 0 )()( BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ? BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ? IVIVP R VPoPP Lsssin o oin 2 ; == == ( ) ( ) RD VI RD V R D V R VIV s L s s o Ls 2 2 2 2 2 1 1 1 − =⇒ − =       − == BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Điều kiện để dòng qua L liên tục : Imin ≥ 0 ⇔ Lmin = ??? BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Điều kiện để dòng qua L liên tục : Imin = 0 ⇔ ( ) f RDDL 2 1 2 min − = BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải : ∆V0/V0 = ?? BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải : ∆V0/V0 = ?? VCQ ∆⋅=∆ 0 RCf D V V DT R VDTIQ = ∆ ==∆ 0 0 0 0 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC 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. BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC 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 25kHz. Giải : D = 0.6 Lmin = 96uH => L = 120uH C > 48uF BOÄ BIEÁN ÑOÅI BOOST – CHEÁ ÑOÄ DOØNG LIEÂN TUÏC Bài tập 2:Bộ biến đổi Boost vận hành với Transistor có ton=50us nhằm 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 Đáp số: 1. 6.6kHz 2. 45A, 30A 3. Imax=50A, Imin=40A 4. 21.3A BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Điện áp ngõ ra có thể điều khiển cao hơn hay thấp hơn điện áp ngõ vào Sơ đồ nguyên lý bộ Buck- Boost BOÄ BIEÁN ÑOÅI 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 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Vdi dt diLVv sL L sL = == Khi khóa đóng : L DTVi Ldt s ONL =∆ )( Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Vdi dt diLVv L L L = == 0 0 Khi khóa ngắt : ( ) L TDVi Ldt OFFL − =∆ 10)( Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs ? BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Thiết lập mối quan hệ giữa Vo và Vs : ( )s OFFLONL TDVDTV ii = − + =∆+∆ 01 0 0 )()( sVD DV LL ⋅ − −=⇒ 10 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Giản đồ áp và dòng cuộn cảm BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK-BOOST Giản đồ dòng diode và dòng tụ điện BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ? Tính toán dòng trung bình qua cuộn L : IL ? 2 ; R VPoPP ooin == BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST ( )2 2 2 1 DR DV DRV VI R VDIV DIVIVP s s o L o Ls Lsssin − ==⇒ = == BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST Điều kiện để dòng qua L liên tục : Imin ≥ 0 ⇔ Lmin = ??? Điều kiện để dòng qua L liên tục : Imin = 0 ⇔ ( ) f RDL 2 1 2 min − = BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải : ∆V0/V0 = ?? BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST Tính toán độ nhấp nhô điện áp tải : ∆V0/V0 = ?? VCQ ∆⋅=∆ 0 BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST RCf D V V DT R VDTIQ = ∆ ==∆ 0 0 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 = 20kHz Hãy xác định : 1. Điện áp ngõ ra Vo BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST 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 = 20kHz Hãy xác định : 1. -16V BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST 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%. BOÄ BIEÁN ÑOÅI BUCK- BOOST BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Đặc điểm: -Điện áp ngõ ra có thể điều khiển cao hơn hay thấp hơn điện áp ngõ vào - Điện áp ngõ ra đảo dấu BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Gia ̉ thiết : 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 01 VVV sC −= BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK 2)(1 LONC Ii −= Khi khóa đóng : Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK 1)(1 LOFFC Ii = Khi khóa ngắt : Trạng thái mạch – Sơ đồ tương đương Các phương trình áp & dòng BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Quan hệ điện áp V0 và Vs ? BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Quan hệ điện áp V0 và Vs : 120 LsL IVIV =− Do dòng trung bình qua tụ C1 bằng 0, suy ra : ( ) ( ) D D I I TDIDTI TDiDTi L L LL OFFCONC − =⇒ =−+−⇒ =−+ 1 01 01 2 )(1)(1 1 12 BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Thay vào trên, suy ra :       − −= D D V V s 1 0 BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Độ nhấp nhô áp tụ C2 suy ra tương tự bộ Buck 2 220 0 8 1 fCL D V V ⋅ − = ∆ BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Độ nhấp nhô áp tụ C1 suy ra khi khóa ngắt: ∫=∆ T DT LC dtIC V 11 1 1 BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK Độ nhấp nhô dòng qua cuộn kháng suy ra khi khóa đóng: 1 1 1 L sL i dt di LVv ∆⇒ == 1L 2 2 2 2 L L sL i dt di LVv ∆⇒ == BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK 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. BOÄ BIEÁN ÑOÅI C’UK 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