Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi điện DC - Phần 4: Biến đổi độ rộng xung

11 CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o BIẾN ðỔI ðỘ RÔNG XUNG (PWM) 1. Phương pháp PWM thông dụng 2. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi hạ thế 3. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng thế 4. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng - hạ thế o CÁC DẠNG MẠCH BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG o ỨNG DỤNG 2
Trong bộ chuyển đổi DC – DC, điện thế ra tùy thuộc vào điện thế vào và chu kỳ định dạng D.
Ngõ ra bộ cấp điện được ổn định bằng cách điều chế chu kỳ định dạng để bổ chính cho sự thay đổi trong ngõ vào và tải. BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG 3 Hệ thống điều khiển hồi tiếp điều khiển cho bộ cấp điện so sánh điện thế ra với điện thế tham chiếu và chuyển đổi sai số thành tỉ số định dạng D. Phương pháp này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung. BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG 4 1. Phương pháp PWM thông dụng BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG a. Tín hiệu vào nhỏ sẽ tạo ra tín hiệu là chuỗi xung hẹp PWM PWM b. Tín hiệu vào lớn sẽ tạo ra tín hiệu là chuỗi xung rộng PWM c. Tín hiệu vào sóng tam giác sẽ tạo ra tín hiệu có độ rộng xung tăng dần Voutvin vin vin Vout Vout t t t t t t 25 1. Phương pháp PWM thông dụng • Trị trung bình của PWM BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG v Vdc T t THI VHI Vdc VHI t v THI T 6 2. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi hạ thế • Nguyên lý cơ bản BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Vo Vs Chuyển mạch Driver PWM Lọc và tải Vref •Bậc giao hoán gồm cả diode và mạch điều khiển. •Mạch lọc ngõ ra. •Mạch khuếch đại sai số. •Mạch điều chế độ rộng xung chuyển đổi tín hiệu ra mạch khuếch đại sai số bổ chính để tạo ra tỉ số định dạng D điều khiển bậc giao hoán. 7 2. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Khi V0 tăng, điện thế hồi tiếp VF tăng, Vc giảm, xung ra có độ rộng ton hẹp lại, Q1 dẫn ít lại, điện thế ra giảm lại để cân bằng với V0 tăng trước đó. Vout Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C L D1 D2 R1 Q1 V VVout tăng V VF 8 2. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG VoutVin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C L D1 D2 R1 Q1 V V Vout giảm V Khi V0 giảm, điện thế hồi tiếp VF giảm, Vc tăng, xung ra có độ rộng ton rộng hơn, Q1 dẫn lâu hơn, điện thế ra V0 tăng lên để cân bằng với V0 giảm trước đó VF 39 3. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Vout Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C L D2 R1 Q1 D1 Tụ C không nạp VIN – VCE(sat) 0 Khi Q1 ON (trạng thái OFF sang ON) VF 10 3. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Vout Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C L D2 R1 Q1 D1 Tụ C nạp 0 Khi Q1 OFF (từ trạng thái ON sang OFF) ton toff VF 11 3. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Vout Vin Thay đổi độ rộng RL R2 R3 C L D2 R1 Q1 D1 Khi giảm TON V V Khi V0 giảm, VF giảm, Vc giảm, ton giảm, Q1 ngưng, tụ nạp, V0 tăng lại. VF 12 3. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Khi V0 tăng, VF tăng, Vc tăng, ton tăng, Q1 dẫn lâu hơn, tụ xả, V0 giảm lại. Vout Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C L D2 R1 Q1 D1 Khi tăng TON V V VF 413 4. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng- hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG -Vout Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C VL D1 D2 R1 Q1 VF 14 4. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng- hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Khi Q1 dẫn D1 bị phân cực ngược Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 CVL D1 D2 R1 Q1 VIN – VCE(sat) 0 VF 15 4. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng- hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Khi Q1 ngưng dẫn D1 phân cực thuận -Vout Vin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 CVL D1 D2 R1 Q1 0 VF 16 4. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng- hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Khi – V0 giảm, - VF giảm, VF’- giảm, Vc giảm, Q1 ngưng, D1 dẫn, tụ xả qua cuộn C nạp, làm – V-0 tăng lại. VoutVin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C VL D1 D2 R1 Q1 V TON Vout giảm V Khi giảm VO VF 517 4. Mạch PWM cho bộ chuyển ñổi tăng- hạ thế • Nguyên lý hoạt động BIẾN ðỔI ðỘ RỘNG XUNG Khi –V0 tăng, - VF tăng, VF’ tăng, Vc tăng, ton tăng Q1 dẫn lâu hơn, D1 ngưng lâu hơn, C xả nhẹ qua tải, V0 giảm lại để cân bằng với V0 tăng. VoutVin Thay ñổi ñộ rộng RL R2 R3 C VL D1 D2 R1 Q1 V TON Vout tăng V Khi tăng VO VF 18 1. Mạch PWM với ñiện thế tham chiếu là sóng tam giác • Nguyên lý cơ bản CÁC DẠNG MẠCH PWM Mạch tích phân Mạch phát sóng vuông ðiện áp chuẩn thay ñổi Schmitt trigger Driver Mạch Kð vi sai Mạch Kð cộng ðiện áp tham chiếu Cực nền transistor X Z Y 19 1. Mạch PWM với ñiện thế tham chiếu là sóng tam giác • Dạng sóng ra CÁC DẠNG MẠCH PWM ðiểm Z của mạch Schmitt trigger t Ngõ ra của mạch Schmitt trigger theo 3 kiểu so sánh mức dc 20 2. Mạch PWM sử dụng mạch chuyển ñổi tương tự - số • Nguyên lý cơ bản CÁC DẠNG MẠCH PWM R1 R2 CL Q1 ðiện thế tham chiếu A/D PWM Tải ðiện áp vào dc T T 2T t 0 t Tín hiệu chuẩn tuyến tính 621 2. Mạch PWM sử dụng mạch chuyển ñổi tương tự - số • Nguyên lý hoạt động CÁC DẠNG MẠCH PWM Mạch được trình bày ở hình vẽ. Điện thế ngõ ra mạch khuếch đại sai số (khuếch sai) cho vào mạch AC/DC. Ngõ vào khác của mạch AC/DC là tín hiệu thời chuẩn tuyến tính (sóng răng cưa dốc thẳng). Ngõ ra mạch AC/DC là những xung có độ rộng thay đổi theo điện thế hồi tiếp. Đây là dạng mạch được sử dụng trong các IC điều khiển PWM. 22 3. Mạch PWM ñiều khiển nhiều bậc tuần tự • Nguyên lý cơ bản CÁC DẠNG MẠCH PWM PWM ðiện áp tham chiếu Máy phát sóng vuông R1 Tải R2 C1 L1D1 D2 D3 T1 Q1 Q2 23 3. Mạch PWM ñiều khiển nhiều bậc tuần tự • Dạng sóng ra CÁC DẠNG MẠCH PWM t On On OnOn Off Off OffOff t Q1 Q2 24 4. Mạch PWM chuyển ñổi ñiện thế tần số (VFC) • Nguyên lý cơ bản CÁC DẠNG MẠCH PWM VCO ðiện áp tham chiếu R1 Tải R2 C1 T1 Vac Q2 Q1 D2 D1 725 4. Mạch PWM chuyển ñổi ñiện thế tần số (VFC) • Dạng sóng ra CÁC DẠNG MẠCH PWM t On On Off Off t Q1 Q2 26 Sử dụng bộ biến ñổi áp một chiều thay cho mạch ổn áp tuyến tính: ỨNG DỤNG Lưới nguồn Máy BA 50Hz Chỉnh lưu Lọc tần số cao Tải Điều khiển Phản hồi Lọc 50Hz BBXA 1chiều 1. Các bộ nguồn một chiều – cấp ñiện hay ổn áp xung : 27
Hình trên cho ta sơ đồ khối bộ cấp điện một chiều, trong đó bộ biến đổi xung điện áp một chiều được sử dụng thay cho mạch ổn áp tuyến tính. Hiệu suất của mạch tăng vì phần tử công suất làm việc trong chế độ đóng ngắt thay cho chế độ khuếch đại. Hệ thống loại này thường gặp trong các thiết bị sản xuất cách đây lâu, khi linh kiện bán dẫn đóng ngắt ở áp cao chưa phổ biến. ỨNG DỤNG 28 Bôf cấp ñiện một chiều sử dụng biến áp tần số cao: ỨNG DỤNG 1. Các bộ nguồn một chiều – cấp ñiện hay ổn áp xung: Lưới nguồn Máy BA tần số cao Chỉnh lưu Lọc tần số cao Tải Điều khiển Phản hồi Lọc 50Hz BBXA 1chiều Cách ly Điều khiển Chỉnh lưu 829
Hình trên mô tả bộ cấp điện một chiều tần số cao, hiệu quả kinh tế của cấp điện đóng ngắt thực sự rõ ràng khi sử dụng các bộ biến đổi xung ở phía áp lưới điện thế cao. Biến áp cách ly lưới – tải làm việc ở tần số cao có kích thước, trọng lượng bé và giá thành hạ làm thay đổi hẳn bộ mặt thiết bị. Bộ biến đổi xung áp một chiều có hai dạng: Bộ biến đổi kiểu flyback và bộ điều rộng xung. ỨNG DỤNG 30 Động cơ bước thường dùng làm phần tử chấp hành trong các hệ thống tự động, có rotor chuyển động từng góc xác định (gọi là bước) khi các cuộn dây được cung cấp một xung dòng điện, và được giữ ở vị trí mới cho đến xung kế tiếp. Nhờ đó, nó là phần tử lý tưởng cho các hệ thống điều khiển vị trí với các ưu điểm: trực tiếp điều khiển vị trí – không thông qua tốc độ, chỉ cần điều khiển vòng hở và dùng kỹ thuật số. Nhược điểm lớn nhất là chỉ có thể chế tạo được loại công suất bé. ỨNG DỤNG 2. ðiều khiển ñộng cơ bước : 31 NGHỊCH LƯU KẾT THÚC CHƯƠNG III