Bài giảng Điện tử công suất - Chương 5 Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC Converter (P2)

1/21/2013 1 1 Ho Chi Minh City University of Technology PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP HỒ CHÍ MINH Contact info: Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh Telephone: 84-08-38647256 (5722) Mobile: 0988572177 E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com 2 Power Electronics ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 1/21/2013 2 3 1. Tổng quan về Điện tử công suất 2. Các linh kiện bán dẫn cơ bản 3. Mô phỏng Matlab-Simulink 4. Bộ chỉnh lưu 5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 6. Bộ biến đổi điện áp một chiều 7. Bộ nghịch lưu –biến tần Contents – Nội dung PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 4 1. MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011 2. POWER ELECTRONICS HANDBOOK – Muhammad H. Rashid 3. MATLAB/SIMULINK - Mathworks. 4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ Nhà xuất bản ĐHQG References PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 3 5 Power Electronics Chương 5 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU DC/DC CONVERTER PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 6 1. Tổng quan về bộ biến đổi điện áp một chiều 2. Bộ chopper dạng giảm áp (Step-down) 3. Bộ chopper dạng tăng áp (Step-up) 4. Bộ chopper dạng đảo dòng 5. Bộ chopper dạng đảo áp 6. Bộ chopper dạng tổng quát 7. Transformer Versions of Buck Converter 1. Buck converter 2. Boost Converter 3. Fly Back Converter 4. Cu’k Converter Contents – Nội dung PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 4 7 Buck Converter 1. Sơ đồ 2. Đặc điểm 3. Hoạt động a) Chế độ dòng liên tục b) Chế độ dòng gián đoạn c) Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải 4. Mô hình Matlab - Simulink PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 8 Buck Converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 5 9 Buck Converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Trong bộ Buck regulators trị trung bình điện áp tải V0 nhỏ hơn điện áp nguồn Vs, vì vậy mới có tên là “buck”, và được ứng dụng làm nguồn DC switching 10 Buck regulators PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hoạt động của bộ buck có thể chia làm hai chế độ: chế độ 1 khi transistor Q1 đóng tại thời điểm t = 0. Dòng điện tăng và đi qua cuộn lọc L, điện trở R và tụ C DC/DC CONVERTER Chế độ 2 khi transistor Q1 ngắt tại thời điểm t = t1. Diode Dm dẫn nhờ năng lượng tích tụ trong cuộn cảm L và dòng điện tải lức này sẽ chảy trong mạch L,C, tải và diode Dm. Dòng điện này sẽ giảm cho đến khi Q1 đóng trở lại ở đầu chu kỳ kế tiếp 1/21/2013 6 11 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Chế độ dòng điện liên tục (continues current mode) Ts –switching period D –duty cycle (ratio), D=ton/Ts IL –average choke current. Io –output current. Vs –input dc voltage. Vo –output dc voltage. 12 Phân tích : Chế độ dòng điện liên tục PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 2 1 0 1 1 L L L s di I I I V L V V L L dt t t        Xét khoảng S dẫn (0: t1): Ton period: T1 on → Voi =Vd →iL↑, energy stored in L, VL=Vs-Vo due to C=∞ and Vo=constant. 1 0 L s I L t V V    0 1( )s L V V t I L    1/21/2013 7 13 Phân tích : Chế độ dòng điện liên tục PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1 2 0 2 2 L L L di I I I V L V L L dt t t         Xét khoảng S ngắt (t1:T): Toff period: T1 off → energy in L released through C, R and D1→ D1 is on, voi =0. 2 0 LI Lt V   0 2 L V t I L   14 Hệ quả PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Trị trung bình điện áp tải (Ideal inductor → No dc voltage drop on the inductor) 0 1 0 2( )sV V t V tI L L     1 0 s s s t V V DV T   0 0 1( ) ( )s s sV V DT V V tI L L      Trị trung bình dòng điện tải (No dc current increase) 0 LI I Độ nhấp nhô dòng điện tải 0sI DI 0≤D≤1→Vo≤Vd→buck converter, or step-down converter 1/21/2013 8 15 Phân tích : Ranh giới chế độ dòng điện liên tục và dòng gián đoạn PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER L L L L L di Vi V L V L i t dt t L         iL continuous →continuous current mode iL discontinuous →discontinuous current mode Trong khoảng t1 0L sV V V  0 _ 1 s L peak V V i t L   _ 0 0 0 1 ( ) 2 2 2 L peak s s s LB B i V V V V DT I I t L L       16 Phân tích : Ranh giới chế độ dòng điện liên tục và dòng gián đoạn PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Chế độ của buck converter phụ thuộc vào IL: If IL>ILB → continuous current mode If IL<ILB → discontinuous current mode , ax( ) (1 ) 2 8 s s s s LB LB m V T V T I f D D D I L L      , ax 8 s LB m V T I L  1/21/2013 9 17 Phân tích : Chế độ dòng điện gián đoạn PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 0 0 1( )s s sV V DT V T   Tồn tại 3 khoảng thời gian: t1, 1Ts, 2Ts 1t 2t 0 1 L s I V V L t    0 1 L s I V L T    0 1 s D V V D    1 2 2( )sT t   18 Phân tích : Chế độ dòng điện gián đoạn PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 0 0 1 0 1 ( )s s s D V V DT V T V V D       2 0 2 01 , ax 1 ( ) 4 s s LB m D D V V V ID D I      ,0 0 0 , 1 1 , ax0 , ax 2 8 4 L peakL L L peak s LB m LB m s s LiV L I IV i t i T I DLL L V T I D T T           Trị trung bình điện áp tải 1/21/2013 10 19 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Output voltage ripple –Filter capacitance is not infinite, practical value –Ripple voltage ∆Vo/Vo usually is less than 1% –Assume •All the ripple component of inductor current flows through the capacitor. •The dc component of inductor current flows through the load resistor 20 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Continuous current mode as example: current waveforms 1/21/2013 11 21 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Continuous current mode as example: Voltage waveforms 22 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Continuous current mode as example: Voltage waveforms /2 /2 0 0 0 1 2 1 1 ( ) 1 1 1 ( ) 2 2 2 2 2 2 8 T T c L L L sL L V i dt i I dt C C I TI t I t C C             0 1( )s L V V t I L    0 0 (1 ) (1 ) 8 8 s s s s s V T V T V D T D D T LC LC      1/21/2013 12 23 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Continuous current mode as example: Voltage waveforms 2 2 0 0 0 0 (1 ) (1 ) 8 2 s c s s V T V f V D T D LC V f              Where 1 2 cf LC  Corner frequency of LC filter 1 s s f T  Switching frequency 24 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Reduce voltage ripple •Decrease the corner frequency →L↑ or C↑→ Larger size of the converter. •Increase the switching frequency →switching loss ↑→efficiency ↓ . •How to reduce switching loss? –Use low switching loss device, such as MOSFET –Use soft switching topology, such as ZVS, ZCS) – fs ≈(10~100) fc →∆Vo/Vo usually is less than 1% 1/21/2013 13 25 Bài tập PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 29 Mô hình Matlab-Simulink PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 14 30 Mô hình Matlab-Simulink PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 31 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013