Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi điện DC - Phần 3: Bộ cấp điện DC cơ bản

11 CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o GIỚI THIỆU BỘ CẤP ðIỆN DC o CÁC BỘ CẤP ðIỆN DC CƠ BẢN 1. Bộ chuyển ñổi thuận: (Forward converter) 2. Bộ chuyển ñổi phản hồi: (Flyback converter) 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo: (Push-pull converter) 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng: (Current –fed converter) 6:29 PM 2
Các bộ chuyển ñổi DC – DC căn bản vừa xét ở trên có bất lợi chính là không có sự cô lập ñiện giữa ngõ ra và ngõ vào.
Do ñó khi nguồn cấp ñiện ngõ vào nối mass, thì ngõ ra cũng sẽ nối mass. ðể cô lập ñiện thông thường là sử dụng biến thế ghép giữa ngõ ra và ngõ vào. GIỚI THIỆU 6:29 PM 3 Trong các bộ cấp ñiện ổn áp giao hoán thường gồm có các thành phần sau: • Bộ chỉnh lưu trực tiếp từ mạng ñiện khu vực. • Bộ inverter DC – AC ghép máy biến thế xung. • Bộ chỉnh lưu tần số cao, bộ chuyển ñổi DC – DC. GIỚI THIỆU 6:29 PM 4 1. Bộ chuyển ñổi thuận (Forward converter) • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN VL D2 Ii IL Io Vs T1 R C S D1 ii V n V n n V n n V 1 1 2 1 1 2 2 === 6:29 PM 25 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Nguyên tắc hoạt ñộng Khi S ñóng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Ii T1 D2 VL R IL S D1Lm Vs C Io 6:29 PM 6 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Nguyên tắc hoạt ñộng Khi S hở CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN R Io VL IL C IL D1 S D2 Vs IiLm T1 6:29 PM 7 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Nguyên tắc hoạt ñộng Cách hoạt ñộng của mạch tương tự như ở bộ chuyển ñổi hạ thế nhưng với ñiện thế tác ñộng vào mạch L, C và diode D2 với ñiện thế: CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN DV nn n DVDVV ii 1 1 2 20 =      == 2 0 0 8 1 LCf D V V − = ∆ iVnnV 122 = 6:29 PM 8 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Nguyên tắc hoạt ñộng ðể ñảm bảo cho dòng iLm không giảm về zero khi S hở CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN R Io C IL n1 n2 T2 D2 I3 Vs n3 D1 S Ii VL D3 Lm 6:29 PM 39 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Nguyên tắc hoạt ñộng Khi S ñóng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN R D2 Io C IL n1 n2 S T2 D3 I3 Vs n3 D1 Ii VL Lm iVv =1 0 1 2 1 2 12 >      =      = n n V n n vv i       =      = 1 3 1 3 13 n n V n n vv i 033 <−−= vVV iD dt di LV n n VVvv LiL =−      =−= 0 1 2 02 6:29 PM 10 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Nguyên tắc hoạt ñộng Khi S hở CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN R D3 Io C IL n1 n2 T2 I3 Vs n3 D1 S Ii VL D2 Lm iVv −=3       −=      = 3 1 3 1 31 n n V n n vv i       −=      = 3 2 3 2 32 n n V n n vv i ( )TD i t i L V dt di dt di LVv LLLLL − ∆ = ∆ ∆ = − =⇒=−= 1 0 0      = 1 2 0 n n DVV i 6:29 PM 11 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Dạng sóng ra CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN ∆ ∆ ∆ t t tiLm iL i1 is iLm ∆iL DT T t t t t0Tx DT Tt0 DT T Vo iD 1 11 1 3 1 3 <      + ⇒<      + n n DTT n n D 6:29 PM fL D VT L D ViL . )1()1( 00 − = − =∆ 12 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Bộ chuyển ñổi thuận thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Np R4 EA Nr R5 R2 D7 D3 DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator D6 D5 R3 C1 L3 Vom Vref Vs1 Vdk Vs2 Q1 R3 D1 V C3 dc Nm D4 C2 L1 Ns1 D2 Ns2 L2Sơ ñồ mạch 6:29 PM 413 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận một van • Dạng sóng bộ chuyển ñổi thuận thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t iQ1 t t tVo iD1 vQ1 2Vdc Vdc Áp rỉ VDS ID(Q1) ID1 Vdc Vdk 2Vdc A1 A2 Dạng sóng ra 6:29 PM 14 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận hai van • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN D1 - Lm iLx iLm + Vs C R T1 N1 D3 S2 S1 N2 D4 D2 Lx 6:29 PM 15 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận hai van • Nguyên tắc hoạt ñộng Khi các S cùng ñóng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Lm S2 iLx N2 iLm - D3 S1 C D4 T1 R LxD1 + N1 Vs D2 6:29 PM 16 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận hai van • Nguyên tắc hoạt ñộng Khi các S cùng hở CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN D1 D4 Lm D2 C R Vs Lx + iLx - T1 N2 iLm N1 S1D3 S2 6:29 PM 517 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận hai van • Nguyên tắc hoạt ñộng ðiện thế ra giống như của bộ chuyển ñổi thuận một van. Nhưng lợi ñiểm của bộ chuyển ñổi thuận 2 van là ñiện thế của transistor ngưng là Vi hơn là Vi(1+n1/n3), như ở bộ chuyển ñổi thuận 1 van ở trên. ðiều này rất quan trọng cho các áp dụng cao thế. CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN 6:29 PM 18 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận hai van • Nguyên tắc hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN D5 Q1 D6 L2 D3 D2D1 Ns1 Ns2 Np Vs1 C2 _ L1 Vs2 + Q2 dc C1 V D4 t Tần số ñóng ngắt VG Q1,Q2 ON Q1,Q2 ON Q1,Q2 ON fVQ Dạng sóng ñóng ngắt Q 6:29 PM 19 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận ghép ñan xen 2 van • Mạch thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Q2 Np V D3A Np dc C1B D4B L1 Q1 D2 D3B D5B C1A L2 Ns1 D5A Ns1 D4A Vo1 Ns2 Vo2 D1 Ns2 6:29 PM 20 1. Bộ chuyển ñổi thuận • Bộ chuyển ñổi thuận ghép ñan xen 2 van • Dạng sóng ra mạch thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t Tần số ñóng ngắt VG fVQ1 Q1 ON t Q2 ON VQ2 (Vdc-1)(Ns1/N) Cực K của D3A,B (Vdc-1)(Ns2/N) Cực K của D4A,B t t V V 6:29 PM 621 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Vi Vo S 6:29 PM 22 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN iR N1 T1 iLm V2 Vs S C Ri2 V1 D1 - + is i1 Lm N2 6:29 PM 23 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN D1 S Lm T1 C Vs R - + Khi các S ñóng m iLmLmLmLm mi L V DT i t i dt di dt di LVv = ∆ = ∆ ∆ =⇒==1       =      = 1 2 1 2 12 n n V n n vv i 0 1 2 0 <      −−= n n VVv iD 6:29 PM 24 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi các S hở D1 C R - Lm + S T1 Vs       −=      =⇒−= 2 1 0 2 1 2102 n n V n n vvVv             − = 1 2 0 1 n n D D VV i 6:29 PM 725 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi các S hở D1 C R - Lm + S T1 Vs       −=      =⇒−= 2 1 0 2 1 2102 n n V n n vvVv             − = 1 2 0 1 n n D D VV i 6:29 PM 26 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục • Các công thức tính toán CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN ( ) m iiLm LmLm L DTV n n RD DVi II 212 2 1 2 2max, +      − = ∆ += ( ) m iiLm LmLm L DTV n n RD DVi II 212 2 1 2 2min, −      − = ∆ −= ( ) ( ) 2 2 1 2 min 2 1      − = n n f RD Lm RCf D V V = ∆ 0 0 6:29 PM 27 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu liên tục • Dạng sóng ra CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN ∆ t t tis iLm iD iLm DT T t t vi iC VS -Vo(N1/N2) 6:29 PM 28 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu không liên tục • Các công thức tính toán CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN m i Lm L DTV I =max, R V IVPP iii 2 0 0 =⇒= ( ) m i m i i L TDV T DT L DTV I 2 1 2 1 2 =            = fL R DV L TR DVV m i m i 220 == t iLm ii DT T t 6:29 PM 829 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu không liên tục • Mạch thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN R2 Vom DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator Q1 Vo1 EA D1 Ns1 D2 Nsm Co Np + _ R1 Vref dc C1 Ro V 6:29 PM 30 2. Bộ chuyển phản hồi (Flyback converter) • Chế ñộ hoạt ñộng kiểu không liên tục • Dạng sóng ra mạch thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t t A1 A2 Ton Tr Tdt Vdc+(Nm/Np) Vdc Vdc Ip Is 6:29 PM 31 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo (Push-pull converter) • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN -VLx + R + + iLx + - Vsw Vs1 + SW1 Vo - Vp2 Vx D2 + - D1 + - - + SW2 Vs2 + Np:Ns - C - - Vs Lx Vp1 6:29 PM 32 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi các SW1 ñóng + Vs2 Vsw - - D2 - iLx +VLx - - Lx + + R Vs Vp1 + D1 - Vx Np:Ns SW2 + Vp2 - - Vo - C + SW1 + Vs1 + ip Vv =1         = p s is n n Vv 1         = p s is n n Vv 2 ip Vv =2 isw Vv 22 =( ) DT L V n n V i x p s i onswLx               −        =∆ 0 1 6:29 PM 933 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi các SW2 ñóng + Vs2 Vsw - - - D1 iLx +VLx - - Lx + + R Vs Vp1 + - Vx Np:Ns SW2 + Vp2 SW1 - - Vo - C + + D2 Vs1 + ip Vv −=2 ip Vv −=1         −= p s is n n Vv 1         −= p s is n n Vv 2 is Vv 21 = 00 V n n VVvv p s ixLx −        =−= 6:29 PM 34 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi các SW1 và SW2 ñóng + Vs2 Vsw - - - iLx + D1 VLx - - Lx + + R Vs Vp1 + - Vx SW1 Np:Ns SW2 + Vp2 - - Vo - C + + D2 Vs1 + 0=xv 00 VVvv xLx −=−= ( ) 0 2 10 0 ,2,1 =      −      −               −        =∆ TD L V DT L V n n V i xx p s i offswLx D n n VV p s i         = 20 2 0 0 32 21 CfL D V V x − = ∆ 6:29 PM 35 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo • Dạng sóng ra CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t t DT T T/2 T/2+DT ON DT T/2 T/2+DTT S1 S2 Vo iLx ∆iLx t t ON 6:29 PM 36 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo • Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Ns1 Vs2 Np1 R5 Ns2 D1 Vdc(Nm/Np)(2Ton/T) Vs1 R3 Q2 D5 L3 Vref Ns2 Vdc(Ns2/Np)(2Ton/T) D4 D3 Q1 L2 DC Voltage controlled variable-width pulse gennerator D6 R4 Vm Np2 L1 Nm Vdc(Ns1/Np)(2Ton/T) C2 C3 C1 R2 EA R1 Vdc Ns1 Nm D2 6:29 PM 10 37 3. Bộ chuyển ñổi ñẩy kéo • Dạng sóng bộ chuyển ñổi ñẩy kéo thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t t DT T T/2 T/2+DT ON DT T/2 T/2+DT T Q2,3 Q1,4 Vp ON t t +vdc -vdc S 6:29 PM 38 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển ñổi cầu • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Vx + Ns SW1 - iLx + Vp Vo D2 Lx + D1 - Vs SW4 Ns C - SW2 - R Np SW3 + D n n VV p s i         = 20 6:29 PM 39 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: • Bộ chuyển ñổi cầu • Dạng sóng ra CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t t DT T T/2 T/2+DT ON DT T/2 T/2+DT T S1,S2 S3,S4 Vp vx ON t t vs -vs vs(Ns/Np) 6:29 PM 40 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: • Bộ chuyển ñổi cầu • Mạch thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN L1 Ns1 B C1220Vac 320Vdc Q2 Ns1 C4 Q3 D3 D1 Q1 Nsm D5 D8 Vom L2 D7 D2 Vo1 C3 Q4 220Vac S1 D1 Cb D4 D4 D2 D6 C2120Vac Nsm A D3 Np 6:29 PM 11 41 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển ñổi bán cầu • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN D2 + C1Vs/2 C1Vs/2 Lx + - Ns D1 Np + - + R iLx Vx - - Vs - + Vo + C SW2 Vp SW3 Ns - D n n VV p s i         =0 6:29 PM 42 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển ñổi bán cầu • Dạng sóng ra CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t t DT T T/2 T/2+DT ON DT T/2 T/2+DT T S1 S2 Vp vx ON t t vs/2 - vs/2 (Vs/2)(Ns/N p) 6:29 PM 43 4. Bộ chuyển ñổi cầu và bán cầu: (Full-bridge converter, half-bridge converter) • Bộ chuyển ñổi bán cầu • Dạng mạch thực tế CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN D3 Ns1 D1 S1 D6 Np D4 D2 Cb A Vo2 Q1 Ns1 D5B D2 C1220Vac Ns2 D3 L2 Ns2 L1 Vo1 Q2 C1 320Vdc C2 D4 C2120Vac D1 220Vac 6:29 PM 44 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng: (Current –fed converter) • Sơ ñồ nguyên lý CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN VLx iD1 + + ix - Vs1 Vo Vsw - iD2 - Lx + Vs SW2 + - Vp1 D1 + - R + - - C - Vp2 Np:Ns iLx Vs2 SW1 + + D2 6:29 PM 12 45 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng: • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi SW1 ñóng và SW2 hở - - CLx - SW1 + iD1 - + Vs1 Vp2 D2 - + iLx VLx D1 - - Vs2 + + + SW2 Vo Vp1 ++ Vs Np:Ns - Vsw R       = s p LxD n n Ii 1       = s p p n n Vv 01       −=−= s p ipiLx n n VVvVv 01       =+= s p ppsw n n Vvvv 0212 2 6:29 PM 46 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng: • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi SW1 hở và SW2 ñóng - SW1 - CLx - D2 + D1 - + Vs1 Vp2 - + iLx VLx - - Vs2 + + + SW2 Vo Vp1 + iD2 + Vs Np:Ns - Vsw R       = s p LxD n n Ii 2       = s p p n n Vv 02       −= s p iLx n n VVv 0       =+= s p ppsw n n Vvvv 0211 2 6:29 PM 47 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng: • Nguyên lý hoạt ñộng CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Khi SW1 ñóng và SW2 ñóng - - CLx - + D1 - D2 + Vs1 Vp2 SW1 - + iLx VLx - - Vs2 + + + SW2 Vo Vp1 ++ Vs Np:Ns - Vsw R 021 =+ pp vv iLx Vv =       −= s p iLx n n VVv 0 ( ) ( ) 01212 0 =−               −+−= TD n n VVTDVv s p iiLx ( )         − = p si n n D V V 120 6:29 PM 48 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng: • Dạng sóng ra CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN t t DT T ON S1 S2 iD1 ix iLx ON t t iD2 T (1-D)T t t 6:29 PM 13 49 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng ñẩy kéo: • Mạch thực tế dạng 1 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Q2 in Co Nls D1 Np Vo T2 Ns Np D3 Q1 Nlp Ns Vct V D2 6:29 PM 50 5. Bộ chuyển ñổi cấp dòng ñẩy kéo: • Mạch thực tế dạng 2 CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Nls Q2 Np D2 Ns NpNlp Vct T2 Ns D3 Co in Vo Q1V D1 6:29 PM 51 Bảng tóm tắc các bộ cấp ñiện cơ bản CÁC BỘ CẤP ĐIỆN DC CƠ BẢN Cấu hình ðại lượng Cð phi hồi Cð Thuận Cð ðẩy kéo Cð bán cầu Cð cầu iV V 0       − 1 2 1 n n D D       1 2 n n D         p s n n D2        p s n n D        p s n n D2 0 0 V V∆ RCf D 28 1 CfL D x − 232 21 CfL D x − minL ( )      − 2 1 2 2 1 n n f RD ( ) f RD 2 1− 6:29 PM 52 ðIỀU CHẾ ðỘ RỘNG XUNG 6:29 PM