Giáo trình môn Điện tử công suất - Chương 5: Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC Converter - Lê Minh Phương

Nội dung text: Giáo trình môn Điện tử công suất - Chương 5: Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC Converter - Lê Minh Phương

1. 1/21/2013 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 1 Power Electronics ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 2 1
2. 1/21/2013 Contents – Nội dung 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 3 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong References 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 4 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 2
3. 1/21/2013 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 5 Contents – Nội dung 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 6 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 3
4. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER 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 7 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Buck Converter 8 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 4
5. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Buck 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 9 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Buck regulators 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 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 10 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 5
6. 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. 11 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Phân tích : Chế độ dòng điện liên tục 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. diLL I21 I I VLVVLLLs 0 dt t11 t ILL ()Vs V01 t t1 IL VVs 0 L 12 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 6
7. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Phân tích : Chế độ dòng điện liên tục Xét khoảng S ngắt (t1:T): Toff period: T1 off → energy in L released through C, R and D1→ D1 is on, voi =0. diLL I12 I I VLVLLL 0 dt t22 t ILL Vt02 t2 IL V0 L 13 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Hệ quả ()V V t V t I s 0 1 0 2 LL Trị trung bình điện áp tải (Ideal inductor → No dc voltage drop on the inductor) t1 0≤D≤1→Vo≤Vd→buck converter, or V0 Vss DV Ts step-down converter Trị trung bình dòng điện tải (No dc current increase) II0 L Is DI0 Độ nhấp nhô dòng điện tải ()()V V DT V V t I s0 s s 0 1 LL 14 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 7
8. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Phân tích : Ranh giới chế độ dòng điện liên tục và dòng gián đoạn iL continuous →continuous current mode iL discontinuous →discontinuous current mode di i V V LLL V L i t LLLdt t L Trong khoảng t1 VVVLs 0 VV it s 0 L_1 peak L iL_ peak Vs V00() V s V DT s ILB I01 B t 15 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 2 2LL 2 DC/DC CONVERTER Phân tích : Ranh giới chế độ dòng điện liên tục và dòng gián đoạn Chế độ của buck converter phụ thuộc vào IL: If IL>ILB → continuous current mode If IL<ILB → discontinuous current mode VTVT I f( D ) s s (1 D ) D I s s LB28LL LB, m ax VT I s LB, m ax 8L 16 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 8
9. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Phân tích : Chế độ dòng điện gián đoạn Tồn tại 3 khoảng thời gian: t1, 1Ts, 2Ts ()Vs V0 DT s V 0 1 T s t1 t2 D VV0 s D 1 Tts () 1 2 2 IL IL VVLs 0 VL0 t1 1Ts 17 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Phân tích : Chế độ dòng điện gián đoạn D ()Vs V0 DT s V 0 1 T V 0 V s D 1 V VLIILi 2 iL t i 0 T L, peak 0 0 L L, peak 1 s 1 8I DL LLVTID0LB, m ax 4 LB , m ax Ts Ts Trị trung bình điện áp tải DD2 VVV0 ss D 2 1 I 1 D ()0 4 ILB, m ax 18 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 9
10. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải 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 19 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải Continuous current mode as example: current waveforms 20 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 10
11. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải Continuous current mode as example: Voltage waveforms 21 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải Continuous current mode as example: Voltage waveforms 11TT/2 /2 V i dt () i I dt 0 c L L CC00 1 I t 1 I t 1 IT ()LL12 Ls CC2 2 2 2 2 2 8 ()V V t I s 01 L L VTVT VDTDDT 0 s(1 ) s s (1 ) 0 88LCss LC 22 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 11
12. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải Continuous current mode as example: Voltage waveforms 2 2 V00 Tsc V f VDTD0 (1 )s (1 ) 82LC V0 fs Where 1 f Corner frequency of LC filter c 2 LC 1 fs Switching frequency Ts 23 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện tải 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% 24 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 12
13. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Bài tập 25 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong DC/DC CONVERTER Mô hình Matlab-Simulink 29 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 13
14. 1/21/2013 DC/DC CONVERTER Mô hình Matlab-Simulink 30 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Power Electronics For Building  THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 31 1/21/2013 14