Bài giảng Điện tử công suất - Chương 5 Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC Converter (P3)

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 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Topologies: buck converter, one-quadrant chopper, two-quadrant chopper, boost converter, etc. •Waveforms: current and voltage •Operating mode and boundary (inductor current): continuous current mode or discontinuous current mode. •DC component of voltage and current in two operating modes. •Ripple current and ripple voltage •Fourier analysis and high frequency equivalent circuits. 8 Boost 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 1/21/2013 5 9 Boost Converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 10 Buck Converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Trong bộ Boost regulators trị trung bình điện áp tải V0 lớn hơn điện áp nguồn Vs, vì vậy mới có tên là “boost”, và được ứng dụng làm nguồn DC switching 1/21/2013 6 11 Boost converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Chế độ 1 khi transistor đóng tại thời điểm t = 0. Dòng điện tăng và đi qua cuộn lọc L và transistor DC/DC CONVERTER Chế độ 2 khi transistor M1 ngắt tại thời điểm t = t1. Dòng điện chảy qua L, tụ C, tải và diode Dm. Dòng điện này sẽ giảm cho đến khi M1 đóng trở lại ở đầu chu kỳ kế tiếp. Năng lượng tích tụ trong cuộn cảm L sẽ chuyển đến tải. 12 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. 1/21/2013 7 13 Phân tích : Chế độ dòng điện liên tục PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 2 1 1 1 L L L s di I I I V L 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 L s I L t V   1s L V t I L   14 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 s di I I I V L V 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 L s I L t V V    0 2( )s L V V t I L    1/21/2013 8 15 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) 1 0 2( )s sV t V V tI L L     0 1 1 s s s s T V V V T t D     0 2 0( ) ( )(1 )s s sV V t V V D TI L L       Trị trung bình dòng điện tải (No dc current increase) 0 DI I Độ nhấp nhô dòng điện tải 0 1 L I I D   0≤D≤1→VoVd→boost converter, or step-up converter (1 )D LI I D  0 0 1 s L s s s L V I V I V I V I D     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 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 L sV V _ 1 s L peak V i t L  _ 0 1 (1 ) 2 2 2 L peak s s LB i V V D D T I t L L     2 0 (1 )(1 ) 2 s OB LB V D D T I I D L     0 0 0 1 s s L V I V I V I D    1/21/2013 9 17 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 boost converter phụ thuộc vào IL: If IL>ILB or Io>IOB→ continuous current mode If IL<ILB or Io<IOB→ 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  , ax 2 27 s s OB m V T I L  0 (1 ) 2 s LB V D D T I L   2 0 (1 ) 2 s OB V D D T I L   18 Phân tích : Chế độ dòng điện gián đoạn PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 0 1( )s s sV DT V V T   Tồn tại 3 khoảng thời gian: t1, 1Ts, 2Ts 0 1 L s I V V L t    1 L s I V L    1 0 s D V V D   0 , 1 , 0 0 1 0 , ax 0 , ax (1 ) ( ) 4 4 sL L L peak s L peak s s LB m B m V VV i t i T L L Li I I D V V T I D I D              1t 2t 1/21/2013 10 19 Phân tích : Chế độ dòng điện gián đoạn PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 2 0 , ax1 0 01 , ax 4 ( ) 27 4 ( ) 27 BO m s s BO m I D ID V V V I I       Trị trung bình điện áp tải 0 1( )s s sV DT V V T   1 0 s D V V D   0 , 1 , 0 0 0 1 0 , ax 0 , ax 2 ( ) 4 4 (1 ) (1 )( ) 1 sL L L peak s L peak ss s LB m B m s s V VV i t i T L L Li L I I I VV V T I D I D D D V T D                  0 0 , ax 4 ( 1) 27 s BO m V I D V I   , ax 2 27 s s OB m V T I L  20 Độ nhấp nhô điện áp ngõ ra PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 t t c I t V i dt I dt C C C      0 1 0 ( )sV Vt V   0 0 0 0 0 ( )s s sI V V T I T DV V C C     1/21/2013 11 21 Bài tập PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Cho bộ Boost Regulator với điện áp ngõ vào là Vs=5 V. Trị trung bình điện áp ngõ ra là V0=15V và trị trung bình dòng điện tải là I0=0.5A. Tần số đóng ngắt Fs=25kHz. Nếu L=150µH và C= 200µF. Hãy xác định: 1. Tỷ số thời gian đóng 2. Độ nhấp nhô dòng điện trên cuộn L 3. Dòng điện lớn nhất trên L. 4. Độ nhấp nhô điện áp trên tụ 5. Vẽ giản đồ 6. Giá trị ngưỡng của L và C 24 Fly –back converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Continuous current mode as example: current waveforms 1/21/2013 12 25 Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Continuous current mode 26 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 1/21/2013 13 27 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 28 Forward converter PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 14 29 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 30 Bài tập PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 15 31 Bài tập PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 32 Bài tập PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 16 33 Bài tập PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 34 Mô hình Matlab-Simulink PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 17 35 Mô hình Matlab-Simulink PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 36 Mô hình Matlab-Simulink PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 1/21/2013 18 37 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013