Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi điện DC - Phần 1: Biến đổi DC dòng liên tục

11 CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o GIỚI THIỆU o CÁC BỘ BIẾN ðỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến ñổi giảm áp (Buck Converter) 2. Mạch biến ñổi tăng áp (Boost Converter) 3. Mạch biến ñổi tăng giảm áp 11:53 AM 2 GIỚI THIỆU • Dòng liên tục là dòng trong cuộn cảm lúc nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ. • Để có điện áp DC lớn người ta thường ghép nhiều bộ nối tiếp nhau. • Mạch boost converter có thể tăng điện áp và thay thế các viên pin. 11:53 AM 3 GIỚI THIỆU • Với hai viên pin ta có thể dùng mạch Boost converter tăng điện áp lên để sử dụng cho các xe điện và hệ thống đèn trang trí. • Để có điện áp DC lớn người ta thường ghép nhiều bộ nối tiếp nhau. 11:53 AM 4 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Sơ ñồ nguyên lý • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: 11:53 AM RVo S - L + Vidc - D Diode Schottky + C 25 S D1 C R L + - Vidc 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Chế ñộ ON dt di LVVVVVV LiLLi =−=⇒+= 00 L VV dt di iL 0−= Khi S đóng, do diode phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng: ( )( ) )1(0 0 DT L VV i L VV DT i t i dt di i swonL iLLL       − =∆⇒ − = ∆ = ∆ ∆ = CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 6 L S D1 C R + - Vidc 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Chế ñộ OFF Khi bật hở, diode trở nên phân cực thuận nên dẫn, và do đó cho dòng điện cuộn cảm chạy qua hình. Điện thế qua cuộn cảm khi bật hở: L V dt di dt di LVV LLL 0 0 − =⇒=−= ( ) ( ) ( ) )2(1 1 0 0 TD L V i L V TD i t i swoffL LL −      −=∆⇒ − = − ∆ = ∆ ∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 7 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t t S TOFFTON vL iL iC Vi Vi-Vo -Vo ILmax ILmin IL=IO ∆iL ∆iC DT T CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 8 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t t S TOFFTON vL iL iC Vi Vi-Vo -Vo ILmax ILmin IL=IO ∆iL ∆iC DT T CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 39 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t t S TOFFTON vL iL iC Vi Vi-Vo -Vo ILmax ILmin IL=IO ∆iL ∆iC DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 10 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t t S TOFFTON vL iL iC Vi Vi-Vo -Vo ILmax ILmin IL=IO ∆iL ∆iC DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 11 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Dạng sóng t t t t S TOFFTON vL iL iC Vi Vi-Vo -Vo ILmax ILmin IL=IO ∆iL ∆iC DT T ( ) ( ) 0=∆+∆ OFFLONL ii Do sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 12 1. Mạch biến ñổi giảm áp ( ) ( ) ( ) 01)2()1( 0 00 =−      −      − ⇒+ =∆+∆ TD L V DT L VV ii i swoffLswonL ii on i VVV T t DVV <⇔== 00 ( )( ) ( ) ( )TD L V DT L VDV DT L VV i i swonL −=      − =      − =∆ 10000 Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán bằng với trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng cộng trong dòng cuộn cảm trên 1 chu kỳ là bằng không: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 413 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: • Dòng điện max và min qua cuộn cảm: • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: • Độ dợn sóng ngõ ra: R V II RL 0== ( )       +=      − += L t R V Lf D R VI off 2 1 2 11 00max ( )       −=      − −= L t R V Lf D R VI off 2 1 2 11 00min ( ) ( ) R TD R f D L 2 1 2 1 min − = − = 2 0 0 8 1 LCf D V V − = ∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 14 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Sơ ñồ nguyên lý • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM R L Vo D1 Diode Schottky - S + Vidc - + C 15 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Chế ñộ ON Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi: + - Vidc C R VL=Vi S D1 L V dt di dt di LVV iLLiL =⇒== L V DT i t i iLL = ∆ = ∆ ∆ ( ) )3( L DTV i i swonL =∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 16 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Chế ñộ OFF Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của cuộn cảm VL: D1 R C + - Vidc S VL=Vi-Vo L VV dt di dt di LVVV iLLiL 0 0 − =⇒=−= ( ) L VV TD i t i iLL 0 1 − = − ∆ = ∆ ∆ ( ) ( )( ) )4(10 L TDVV i i swoffL −− =∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 517 2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp ∆iL t t t S TOFFTON vL iL Vi-Vo Vi ILmax ILmin IL DT T t Imax Imin iD CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 18 2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp ∆iL t t t S TOFFTON vL iL Vi-Vo Vi ILmax ILmin IL DT t Imax Imin iD CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 19 2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp ∆iL t t t S TOFFTON vL iL Vi-Vo Vi ILmax ILmin IL DT t Imax Imin iD CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 20 2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp ∆iL t t t S TOFFTON vL iL Vi-Vo Vi ILmax ILmin IL DT t Imax Imin iD CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 621 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Dạng sóng ( ) ( ) 0=∆+∆ OFFLONL ii Do sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không: ∆iL t t t S TOFFTON vL iL Vi-Vo Vi ILmax ILmin IL DT T t Imax Imin iD CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 22 2. Mạch biến ñổi tăng áp Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (3) và (4) ta được: ( ) ( ) ( )( ) 0 1 )4()3( 0 0 = −− +⇒+ =∆+∆ L TDVV L DTV ii ii swoffLswonL D V V i − = 1 0 ( )( ) ( ) L DTV L TD D V V L TDVV i i i i i Lswoff = −      − − = −− =∆ 1 110 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 23 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: • Dòng điện max và min qua cuộn cảm: • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: • Độ dợn sóng ngõ ra: ( ) RD V I iL 2 1− = ( ) L DTV RD Vi II ii swon L L 212 2max + − =      ∆ += ( ) L DTV RD Vi II ii swoff L L 212 2min − − =      ∆−= ( ) ( ) ( ) f RDD L RDD Lf 2 1 2 1 2 min 2 min − =⇒ − = RCf D V V = ∆ 0 0 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 24 3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp • Sơ ñồ nguyên lý • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM RVo D1 Diode Schottky - L + Vidc - S + C 725 3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp • Chế ñộ ON Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi: + - Vidc C R S D1 L L V dt di dt di LVV iLLiL =⇒== L V DT i t i iLL = ∆ = ∆ ∆ ( ) )5( L DTV i i swonL =∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 26 3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp • Chế ñộ OFF Khi S hở, dòng trong cuộn cảm không thay đổi tức thời, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua tụ và tải tạo nên điện thế của cuộn cảm VL: R S D1 + - Vidc C L L V dt di dt di LVV LLL 0 0 =⇒== ( ) L V TD i t i LL 0 1 = − ∆ = ∆ ∆ ( ) ( ) )6(10 L TDV i swoffL − =∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 27 3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp t t t S TOFFTON vL iL Vo Vi ILmax ILmin IL ∆iL DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 28 3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp t t t S TOFFTON vL iL Vo Vi ILmax ILmin IL ∆iL DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 829 3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp t t t S TOFFTON vL iL Vo Vi ILmax ILmin IL ∆iL DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 30 3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp t t t S TOFFTON vL iL Vo Vi ILmax ILmin IL ∆iL DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 31 3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp • Dạng sóng ( ) ( ) 0=∆+∆ OFFLONL ii Tùy theo bật S đóng hay mở sẽ cung cấp điện làm diode ngưng hay dẫn và do đó sẽ cấp dòng cho tải. Do cách mắc diode nên điện thế ra V0 có trị âm. Ta có mạch tương đương ở hình t t t S TOFFTON vL iL Vo Vi ILmax ILmin IL ∆iL DT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC T 11:53 AM 32 Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (5) và (6) ta được: ( ) ( ) ( ) 0 1 0 0 = − +⇒ =∆+∆ L TDV L DTV ii i swoffLswonL       − −= − −= D D V D DV V i i 11 0 ( ) ( ) L DTV L TD D DV L TDV i i i Lswoff = −      − = − =∆ 1 1 10 • Nếu D > 0,5: điện thế ra lớn hơn điện thế vào. • Nếu D < 0,5: điện thế ra nhỏ hơn điện thế vào. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp 11:53 AM 933 • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: • Dòng điện max và min qua cuộn cảm: • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: • Độ dợn sóng ngõ ra: 2 2 2 0 )1( 1 DR DV RDV D DV RDV V I i i i i L − =       − == ( ) L DTV RD DVi II ii swon L L 212 2max + − =      ∆ += ( ) L DTV RD DVi II ii swoff L L 212 2min − − =      ∆−= ( ) ( ) ( ) f RD L RD Lf 2 1 2 1 2 min 2 min − =⇒ − = RCf DV RC DTV V 000 ==∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp 11:53 AM 34 4. Bộ chuyển ñổi C’uk • Sơ ñồ nguyên lý • Chức năng các linh kiện: S, L1, L2, C1, C2, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM R L2 Vo - L1 D1 Diode Schottky+ S Vidc - C1 + C2 35 4. Bộ chuyển ñổi C’uk • Chế ñộ ON Ta có các mạch tương đương khi S đóng như ở hình Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định luật Kirchhoff về điện thế Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng không ở chế độ thường trực R C2 L1 S iC1=-iL2 + - Vs L2 D1 01 VVV ic −= ( ) 21 Lswonc Ii −= CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 36 D1 L1 R iC1=iL1 S + - Vs L2 C2 Ta có các mạch tương đương khi S đóng như ở hình Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định luật Kirchhoff về điện thế. Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng không ở chế độ thường trực. 01 VVV ic −= ( ) 11 Lswoffc Ii = 4. Bộ chuyển ñổi C’uk • Chế ñộ OFF CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 10 37 Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất cấp điện: • Nếu D > 0,5: điện thế ra lớn hơn điện thế vào. • Nếu D < 0,5: điện thế ra nhỏ hơn điện thế vào. ( )[ ] ( )[ ]( ) 0111 =−+ TDiDTi swoffcswonc ( ) D D I I TDIDTI L L LL − =⇒=−+− 1 01 2 1 12 iL L LLii V V I I IVIVPP 0 2 1 2010 − =⇒−=⇒=       − −= D D VV i 1 0 4. Bộ chuyển ñổi C’uk CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 38 • Lưu ý rằng các linh kiện L2, C2 và R có cùng cấu hình như bộ chuyển đổi hạ thế và dòng qua cuộn cảm có cùng dạng với bộ chuyển đổi hạ thế. Do đó, độ dợn sóng hoặc sự thay đổi trong điện thế ra cũng sẽ bằng với của bộ chuyển đổi hạ thế. : • Độ dợn sóng ngõ ra C1: 2 220 0 8 1 fCL D V V − = ∆ ( ) HAY D D fRC V TD C I dtI C v iL T DT Lc       − =−=≈∆ ∫ 11 1 2 11 1 1 1 1 fRC DV vc 1 0 1 ≈∆ 4. Bộ chuyển ñổi C’uk CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 11:53 AM 39 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC • Sự tăng giảm của dòng qua cuộn cảm có thể tính bằng cách xem điện thế cuộn cảm khi bật S đóng: • Điện thế qua L2 khi bật S đóng: • Với dòng liên tục trong cuộn cảm, dòng trung bình phải lớn hơn 1/2 sự thay đổi trong dòng. Ta có trị số cực tiểu của các cuộn cảm: 4. Bộ chuyển ñổi C’uk: dt di LVv LiL 1 11 == fL DV L DTV i L V DT i ii L iL 11 1 1 1 ==∆⇒= ∆ ( ) dt di LVVVVv LiiL 2 2002 ==−+= • Dòng điện iL2 là: fL DV L DTV i iiL 22 2 ==∆ ( ) Df RD L 2 1 2 min,1 − = ( ) f RD L 2 1 min,2 − = 11:53 AM 40 ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC 4. Mạch băm xung áp dùng SCR: C + - E L T GnTn G Dr D TAI R Dr S E + - Trạng thái ban đầu : T và Tn đều bị khoá, tụ điện C được nạp điện, bản cực dương ở phía bên trên như ghi trên Hình 11:53 AM 11 41 ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC 4. Mạch băm xung áp dùng SCR: C + - E L T GnTn G Dr D TAI Cho xung điều khiển kích mở T. SCR này mở cho dòng điện chạy qua, tức là S đóng kín mạch. Dòng điện từ nguồn E chạy qua T, qua tải và trở về nguồn. Đồng thời tụ điện C phóng điện theo mạch C-T-L-D-C và được nạp ngược lại. Điện áp trên tải và Vo = E. 11:53 AM 42 ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC 4. Mạch băm xung áp dùng SCR: C + - E L T GnTn G Dr D TAI Nếu bây giờ cho xung kích mở Tn, SCR này mở, đặt điện áp giữa hai bản cực của tụ điện C lên T khiến T bị khoá lại và S hở mạch, Vo=0. Gọi T và chu kỳ băm : T = T1 + T2 T1 =DT :là thời gian S đóng mạch. T2 = T – T1 : là thời gian S mở mạch. D = T1/ T : là tỉ số chu kỳ. 11:53 AM 43 ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC 4. Mạch băm xung áp dùng SCR: Như vậy, bằng cách làm biến đổi tỉ số chu kỳ D (trong khi giữ cho chu kỳ băm T = const ) có thể điều chỉnh được trị trung bình của điện áp đặt trên tải. E Vo io i o I I1 I 2 0 t T1 T2 T DEEdt T V DT o == ∫ 0 1 11:53 AM 44 ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC 4. Mạch băm xung áp dùng SCR: Thông thường mạch tải có chứa điện cảm L. Điện cảm này sẽ tích tụ năng lượng điện từ khi dòng io tăng. thường dùng diode hoàn năng lượng Dr, đấu song song ngược với mạch tải để tạo đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói trên, khi dòng io suy giảm. Lúc đầu, dòng tải io= 0. Dòng io được xác lập dần. Qua một vài chu kỳ, dòng io sẽ biến động giữa hai giá trị biên I1 và I2 . 2 2 1 oLiW = 11:53 AM 12 45 BIẾN ðỔI DC DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:53 AM