›
›

Bài giảng Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chuẩn kiến thức)

ppt 33 trang huongle 3270
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chuẩn kiến thức)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_bo_bien_doi_dien_ap_mot_chieu_chuan_kien_thuc.ppt

Nội dung text: Bài giảng Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chuẩn kiến thức)

  1. Chương 4 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 1
  2. Chương 4 Phần 2 Bộ nguồn kiểu đóng ngắt 2
  3. Bộ nguồn kiểu đóng ngắt Các bô nguồn kiểu đóng ngắt (Switching Mode Power Supply) hiện được sử dụng rộng rãi do có hiệu suất cao hơn và kích thước nhỏ hơn so với bộ nguồn một chiểu kiểu tuyến tính (Linear Mode Power Supplies) cùng công suất. Đó là vì các khoá bán dẫn trong nguồn một chiều kiểu đóng ngắt chỉ hoạt động ở chế độ dẫn hoặc tắt nên có tổn hao thấp. Ngoài ra, do hoạt động ở tần số cao, các phần tử lọc trong nguồn một chiều kiểu đóng ngắt như cuộn cảm và tụ điện cũng có kích thước giảm đi đáng kể so với phần tử tương tự trong nguồn một chiều tuyến tính. Phần này sẽ khảo sát các cấu hình các bộ biến đổi cơ bản ứng dụng làm nguồn một chiều kiểu đóng ngắt (không cách ly) - Bộ nguồn kiểu giảm áp (Buck converter) - Bộ nguồn kiểu tăng áp (Boost converter) - Bộ nguồn kiểu tăng / giảm áp (Buck/Boost converter) 3 - Bộ nguồn Cuk
  4. Bộ nguồn kiểu giảm áp id Mạch lọc thông thấp (Low-pass filter) (a): Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn kiểu giảm áp iL io Ud R u u = U oi uL o o (Tải) Ud Uo U o (b): Dạng sóng ngõ ra và phổ tần của uoi Ufs Phổ tần của uoi U2fs U3fs 4
  5. Bộ nguồn kiểu giảm áp uL (Ud - Uo) A B (- Uo) iLmax iLmin uL uL Ud Uo Ud Uo a. Khóa bán dẫn đóng b. Khóa bán dẫn ngắt Dạng áp và dòng qua L trong một chu kỳ đóng cắt 5
  6. Bộ nguồn kiểu giảm áp Quan hệ giữa dòng/áp ngõ ra và ngõ vào Giả thiết L đủ lớn để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục (nghĩa là dòng qua L liên tục) và tụ lọc C đủ lớn để áp ra uo là phẳng (uUoo= ). Lưu ý là điện áp trung bình trên L trong một chu kỳ bằng zero nên diên tích phần A = diện tích phần B, suy ra: ()()Ud− U o t on = U o T s − t on Hay: Ut o== on  UTds Bỏ qua tổn hao trên các phần tử mạch, công suất ngõ vào PUId= d d sẽ bằng công suất ngõ ra PUIo= o o . Từ đó suy ra: IUT 1 o= d = s = Id U o t on  6
  7. Bộ nguồn kiểu giảm áp Quan hệ giữa L và fs để mạch ở chế độ dòng liên tục Giả thiết mạch ở chế độ dòng liên tục, gọi IIILLL =− maxmin là độ biến thiên dòng qua L. diu Lưu ý: LL= , ta có: dtL diii ()UU− LLL=== do dttTL  s Do đó: UUUdoo− iTTLss ==− (1) LL Dòng trung bình qua L = dòng trung bình qua tải R, nghĩa là: U II==o LoR 7
  8. Bộ nguồn kiểu giảm áp Quan hệ giữa L và fs để mạch ở chế độ dòng liên tục Vậy: iL 1 (1− ) IIULmax = L + = o + 22 R Lfs iL 1 (1− ) IIULmin = L − = o − 22 R Lfs Ở trạng thái biên liên tục, ILmin =0 , từ đó ta có thể suy ra quan hệ của L và fs để mạch luôn ở chế độ dòng liên tục với tải cho trước: (1− )R ()Lf = s min 2 8
  9. Bộ nguồn kiểu giảm áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C uL (Ud - Uo) (- Uo) iL ΔIL / 2 ΔQ uo ΔUo Uo Dợn sóng điện áp trên tụ C tương ứng với dòng qua L 9
  10. Bộ nguồn kiểu giảm áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C Giả thiết là toàn bộ thành phần xoay chiều (dợn sóng) trong dòng iL chạy qua tụ C, còn thành phần trung bình của dòng (nghĩa là thành phần IL, và cũng là dòng Io ) chạy qua tải. Như vậy, dòng qua tụ sẽ là: iiIiICLo= LL − = − Ta có: Q= Cuo QCU = o Q =U o C Lượng điện tích nạp Q có thể tính ra từ hình 5, là diện tích phần tam giác tô đậm: 1 TT i i Q == ss LL 2 2 28 10
  11. Bộ nguồn kiểu giảm áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C Từ công thức tính iL và Uo ở trên, suy ra: Uo (1)− =Uo 2 8LCfs Hay: 2 2 Ufoc (1)− ==− 2 (1  ) ULCffo 82ss 1 1 Trong đó: fs = , và: fc = Ts 2 LC Công thức cho thấy dợn sóng điện áp có thể giảm đi rất nhiều bằng cách chọn tần số cắt của mạch lọc thông thấp LC ở ngõ ra rất nhỏ hơn tẩn số đóng cắt của mạch, nghĩa là ffcs. Ngoài ra, có thể thấy rằng khi mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục, độ dợn sóng điện áp ngõ ra không phụ thuộc vào tải. 11
  12. Bộ nguồn kiểu tăng áp Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn kiểu tăng áp io iL D uL Uo Ud S Giả thiết mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục (dòng qua L là liên tục) và tụ C đủ lớn để Uo có thể coi là phẳng. 12
  13. Bộ nguồn kiểu tăng áp uL Ud Ud - Uo iLmax iLmax iLimLminin uL uL Ud Uo Ud Uo a. Khóa bán dẫn đóng b. Khóa bán dẫn ngắt Dạng áp và dòng qua L trong một chu kỳ đóng cắt 13
  14. Bộ nguồn kiểu tăng áp Quan hệ giữa dòng/áp ngõ ra và ngõ vào Ở chế độ xác lập, áp trung bình trên điện cảm L bằng zero, suy ra: Ud tUU ondo+−=()0 off t Từ đó suy ra: UT 1 os== Utdoff 1− Giả thiết tổn hao trên mạch bằng zero: PPdo= , có thể suy ra: I o =−(1)  Id Lưu ý là: IIdL= . 14
  15. Bộ nguồn kiểu tăng áp Quan hệ giữa L và fs để mạch ở chế độ dòng liên tục Từ đồ thị dạng dòng áp trên L ở chế độ dòng liên tục, có thể tính được độ biến thiên dòng IIILLL =max − min như sau: iiU LL==d t Ts L Suy ra: UU i =do T =(1 −  )  T LLL s s Dòng trung bình IL qua cuộn dây có thể tính được từ sự cân bằng công suất giữa ngõ ra U 2 và ngõ vào của mạch: PUIUI=o = = , vậy: oR d d d L IUU I =o = o = d L (1−−− )RR (1 ) (1 )2 15
  16. Bộ nguồn kiểu tăng áp Quan hệ giữa L và fs để mạch ở chế độ dòng liên tục Từ đây có thể tính được: i UUTUUT(1−  )  II= +L =d + d s = o + o s LLmax 2 (1−− )2 RLRL 2 (1 ) 2 i UUTUUT(1−  )  II= −L =d − d s = o − o s LLmin 2 (1−− )2 RLRL 2 (1 ) 2 Ở trạng thái biên liên tục, ILmin =0 , từ đó ta có thể suy ra quan hệ của L và fs cần thiết để mạch luôn ở chế độ dòng liên tục với tải cho trước: UUT I =0 =d − d s Lmin (1− )2 RL 2 Vậy: (1− )2 R ()Lf = s min 2 Nếu cho trước fs có thể tính được giá trị điện cảm nhỏ nhất để đảm bảo dòng liên tục với tải cho trước R như sau: (1− )2 R Lmin = 2 fs 16
  17. Bộ nguồn kiểu tăng áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C ΔQ ΔQ uo ΔUo Uo  Ts (1−) Ts Dợn sóng điện áp trên tụ C tương ứng với dòng qua diode D 17
  18. Bộ nguồn kiểu tăng áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C Giả thiết là toàn bộ thành phần xoay chiều (dợn sóng) trong dòng qua diode, iD, chạy qua tụ C, còn thành phần trung bình của dòng này chạy qua tải, phần tô đen trên hình trước biểu thị điện tích nạp xả trên tụ C trong một chu kỳ biến thiên của iD. Giả thiết dòng tải Io không đổi, từ đồ thị trước có thể tính được biến thiên điện tích Q trên tụ: U QTCU =o  = R so Từ công thức trên suy ra dợn sóng điện áp trên tụ: UTUo s o Uo = = RC RCfs Hoặc: UT os== (với  = RC ) Uos RCf  Từ đây, với yêu cầu về dợn sóng áp ngõ ra cho trước, có thể tính được tụ C cần thiết cho 18 mạch lọc.
  19. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp Sơ đồ nguyên lý id Ud iL uL Uo io Giả thiết mạch ở chế độ dòng liên tục, nghĩa là dòng qua cuộn cảm L liên tục Lưu ý là điện áp ngõ ra Uo ngược dấu với điện áp ngõ vào Ud 19
  20. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp uL Ud -Ud iL IL=Id+Io (1−)Ts Ts = ton = toff Ud Ud uL Uo uL Uo a. Khóa bán dẫn đóng b. Khóa bán dẫn ngắt Dạng áp và dòng qua L trong một chu kỳ đóng cắt 20
  21. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp Quan hệ giữa dòng/áp ngõ ra và ngõ vào Lưu ý là điện áp trung bình trên L trong một chu kỳ bằng zero nên: UTUTd s+( − o )(1 − ) s = 0 Suy ra quan hệ giữa áp nguồn Ud và áp ra Uo là: U  o = Ud 1− Tương tự các mục trên, nếu giả thiết là: Po = Pd, ta có: U 1− d = Uo  Công thức trên cho thấy tùy thuộc vào giá trị , áp ra Uo có thể nhỏ hơn hay lớn hơn áp nguồn Ud. 21
  22. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp Quan hệ giữa L và fs để mạch ở chế độ dòng liên tục Dựa vào đồ thị biến thiên của iL, có thể tính được biến thiên dòng IL như sau: iiU iiU LL==d hoặc LL==o t Ts L −t(1 ) Ts L Suy ra: UU i =do T =(1 − ) T LLL s s Lưu ý là dòng trung bình IL qua cuộn L là tổng dòng trung bình Id của nguồn và dòng qua diod D (cũng là dòng tải Io). Do đó, ta có quan hệ: U IIII= + = + o L d o L R Vậy: UU I ==od L (1−− )RR (1 )2 22
  23. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp Quan hệ giữa L và fs để mạch ở chế độ dòng liên tục Từ đó suy ra: i UUTUUT (1−  ) II= +L =d + d s = o + o s LLmax 2 (1−− )2 RLRL 2 (1 ) 2 i UUTUUT (1−  ) II= −L =d − d s = o − o s LLmin 2 (1−− )2 RLRL 2 (1 ) 2 Để mạch có thể hoạt động ở chế độ dòng liên tục, cần có điều kiện là iL 0 . Để xác định điểm biên liên tục, dòng ILmin được cho bằng zero, từ đó suy ra giá trị nhỏ nhất của L và fs để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục là: (1− )2 R ()Lf = s min 2 Hoặc: (1− )2 R Lmin = 2 fs 23
  24. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C ΔQ ΔQ uo ΔUo Uo  Ts (1−) Ts Dợn sóng điện áp trên tụ C tương ứng với dòng qua diode D 24
  25. Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp Dợn sóng điện áp ngõ ra và chọn tụ lọc C Hình trước cho thấy quan hệ giữa dợn sóng điện áp ngõ ra và dòng qua diod D. Tương tự bộ biến đổi điện áp kiểu tăng áp đã khảo sát, quan hệ giữa dợn sóng điện áp ngõ ra Uo và biến thiên điện tích nạp tụ Q cho bởi công thức: U QT ==o C  U R so Từ đó tính ra biểu thức của Uo : Uo TU so ==Uo RCRCf s Hoặc: UT os== (với  = RC ) URCfos Ta thấy các công thức này tương tự các công thức cho bộ biến đổi kiểu tăng áp ở mục trên. 25
  26. Bộ nguồn Cúk Sơ đồ nguyên lý iL1 iL2 uC1 uL1 uL2 Ud Uo Tương tự như bộ nguồn kiểu tăng-giảm áp, điện áp ra Uo của bộ nguồn Cúk có thể cao hoặc thấp hơn điện áp vào Ud, và áp ra ngược cực tính với áp vào. Cuộn cảm L1 đóng vai trò như một mạch lọc ngõ vào, giúp giảm sóng hài dòng của nguồn Ud. Tuy nhiên, khác với các bộ biến đổi khảo sát ở trên, sự trao đổi năng lượng giữa ngõ ra và ngõ vào của bộ biến đổi Cúk thông qua tụ C1 (thay vì cuộn cảm). 26
  27. Bộ nguồn Cúk uL1 Ud Ud - UC1 = -Uo uL2 (UC1 – Uo) (-Uo) Dạng sóng dòng qua L1 và L2 iL1 tương ứng các trạng thái IL1 đóng ngắt của khoá bán dẫn iL2 IL2  Ts = ton (1−) Ts = toff iL1 iL1 iL1 iL2 uL1 uL1 uL1 uL2 UC1 UC1 Ud Uo Ud Uo 27
  28. Bộ nguồn Cúk Quan hệ giữa dòng/áp ngõ ra và ngõ vào Ở chế độ xác lập, điện áp trung bình trên L1 và L2 là zero, do đó: UUUC1 =+ d o Vì vậy, ở chế độ xác lập, điện áp UC1 lớn hơn Ud và Uo. Giả thiết tụ C1 đủ lớn để có thể xem điện áp trên tụ C1 là không đổi. Theo hình 13, và từ điều kiện ở chế độ xác lập thì điện áp trung bình trên L1 và L2 bằng zero, ta suy ra: LUTUUT11:d s+ ( d − C )(1 − ) s = 0 1 =UU Cd1 1− LUUTUT21: (C− o ) s − o (1 − ) s = 0 1 =UU Co1  28
  29. Bộ nguồn Cúk Quan hệ giữa dòng/áp ngõ ra và ngõ vào Từ các biểu thức trên, có thể suy ra quan hệ giữa Ud và Uo là: U  o = Ud 1− Giả thiết PPdo= , ta có: I 1− o = Id  Lưu ý là: IILd1 = và IILo2 = . 29
  30. Bộ nguồn Cúk Chọn L1 và L2 để mạch ở chế độ dòng liên tục Cuộn cảm L1 và L2 thường chọn sao cho mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục, nghĩa là dòng qua các cuộn dây này luôn luôn lớn hơn zero: IL1min 0 và IL2min 0 . Biến thiên dòng IL1 tính bởi: UTUd s d IL1 = = L11 L fs Suy ra: iL1  UUod IILd1min = − = − 2 1− R 2 L1 fs Từ điều kiện để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục, suy ra: (1− DR )2 L1min = 2Dfs 30
  31. Bộ nguồn Cúk Chọn L1 và L2 để mạch ở chế độ dòng liên tục Tương tự, ta có: UTUd s d IL2 = = L22 L fs iL2 UUod IILo2min = − = − 22R L2 fs Từ điều kiện IL2min 0 , suy ra: (1− )R L2min = 2 fs 31
  32. Bộ nguồn Cúk Chọn tụ C1 và C2 Tụ C1 được chọn từ điều kiện giới hạn dợn sóng điện áp UC1 ở trong phạm vi yêu cầu cho trước. Dợn sóng điện áp có thể tính bằng cách tính toán biến đổi điện áp trên C1 khi khóa bán dẫn ngắt, và dòng qua tụ cũng là dòng qua L1. Giả thiết dòng iL1 là không đổi (bỏ qua dợn sóng dòng I L1 ), ta có thể tính như sau: 1 Ts I IITUT U i dt =L1 (1 − ) T =d (1 − ) T = o s = o s C11C L C s C s C RC 1Ts 1 1 1 1 Suy ra: U  C1 Uos RC1 f 32
  33. Bộ nguồn Cúk Chọn tụ C1 và C2 Để tính chọn C2, lưu ý là các linh kiện ở ngõ ra của mạch (L2, C2, R) giống như cấu hình của mạch biến đổi kiểu giảm áp (buck converter). Do đó, C2 được tính chọn từ công thức: Uo (1− ) = 2 Uos8 L22 C f 33