Bài giảng Linh kiện điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC - Phần 2: Các bộ biến đổi dòng không liên tục

Nội dung text: Bài giảng Linh kiện điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC - Phần 2: Các bộ biến đổi dòng không liên tục

1. CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o GIỚI THIỆU o CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp (Buck Converter) 2. Mạch biến đổi tăng áp (Boost Converter) o ỨNG DỤNG 1
2. GIỚI THIỆU ▪ Ở trên ta xét đến trường hợp dòng liên tục: là dòng trong cuộn cảm lúc nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ. ▪ Dòng liên tục không phải là điều kiện cần để bộ chuyển đổi hoạt động. Một cách phân giải khác cần thiết là trường hợp dòng không liên tục. 2
3. GIỚI THIỆU • Sơ đồ dạng sóng Dạng sóng dòng điện và điện áp của mạch Boost converter hoạt động ở chế độ không liên tục. 3
4. GIỚI THIỆU ▪ Trong trường hợp năng lượng điện tích trữ trong cuộn dây cung cấp không đủ cho tải trong giai đoạn Toff thì sẽ có một khoảng thời gian dòng điện đi qua cuộn dây bằng 0. Điểm khác biệt so với trường hợp trên là cuộn dây xả hết trong giai đoạn cuối của chu kỳ. 4
5. GIỚI THIỆU ▪ Mặc dù nhỏ nhưng nó cũng tạo nên sự khác biệt. Dòng điện đi qua cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ là bằng 0, dòng ILmax (với V DT t=D.T) là: I = i L max L ▪ Trong trạng thái OFF, dòng IL giảm về 0 (V −V )T sau khoảng thời gian δ.T : I + i o = 0 L max L 5
6. GIỚI THIỆU V D • Từ hai phương trình trên ta tính được:  = i Vo −Vi • Dòng Io đi qua tải bằng với dòng đi diode D: I L max I = I D = o 2 V DT V D V 2 D2T I = i i = i • Thay ILMax và δ ở trên vào ta được: o 2L Vo −Vi 2L(Vo −Vi ) V V D2T • Rút gọn ta được: o =1+ i Vi 2LIo • Từ biểu thức trên ta thấy điện áp Vout của chế độ không liên tục không những phụ thuộc vào chu kỳ mà còn phụ thuộc vào giá trị của cuộn dây, điện áp Vin và Io. 6
7. GIỚI THIỆU • Giới hạn của Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục và không liên tục: 7
8. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp • Sơ đồ nguyên lý S L + C Vidc D1 R - • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: 8
9. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp • Chế độ ON Khi S đóng, do diode phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng: di V = V +V V = V −V = L L L i L 0 L i 0 dt S + C D1 R di i i V −V Vidc L = L = L = i 0 dt t DT L - Vi −V0 ( iL )(swon) = DT (1) L 9
10. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp • Chế độ 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 S di di −V V = −V = L L L = 0 L 0 dt dt L + C i i −V D1 R L = L = 0 Vidc t (1− D)T L V - 0 iL(swoff ) = − D1T (2) L 10
11. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON T S t vL DT T vi vi-vo t -Vo iL ILmax IL t ii t 11
12. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON T S t vL DT T vi vi-vo t -Vo iL ILmax IL t ii t 12
13. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON T S t vL DT T vi vi-vo t -Vo iL ILmax IL t ii t 13
14. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON T S t vL DT T vi vi-vo t -Vo iL ILmax IL t ii t 14
15. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp TON T • Dạng sóng S Hệ thức giữa dòng t vL DT T cuộn cảm và dòng vi vi-vo nguồn được tính t trước hết là cho điện -Vo iL I thế trung bình của Lmax IL cuộn cảm bằng không t cho chu kỳ hoạt ii động. Điện thế cuộn t cảm theo hình: 15
16. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp 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: ( iL )swon + ( iL )swoff = 0 Vi −V0 V0 (1) + (2) DT − D1T = 0 L L (Vi −V0 )DT −V0 D1T = 0 (Vi −V0 )DT = V0 D1T V0 D = Vi D + D1 16
17. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: V0 1 1 1 1 I = I = I L = I max DT + I max D1T = I max (D + D1 ) L R R T 2 2 2 1 V I (D + D ) = 0 (3) Kết hợp lại: 2 max 1 R • Vì dòng bắt đầu bằng không, dòng cực đại bằng với sự thay đổi dòng trong suốt thời gian bật S đóng. Khi bật đóng, điện thế cuộn cảm là: di V −V i i I kết quả là: L = i 0 = L = L = max vL = Vi −V0 dt L t DT DT V −V V D T • Dòng I : i 0 0 1 max I max = iL = DT = L L 17
18. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp 1 1 V0 D1T V0 • Thay I vào (3): I max (D + D1 ) = (D + D1 ) = max 2 2 L R D 2D Giải phương trình ta được:V0 = Vi = Vi D + D 8L 1 D + D 2 + RT Giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục xảy ra khi D1 = (1 – D). Nhớ lại rằng điều kiện xảy ra tại giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục là Imin = 0 18
19. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp • Sơ đồ nguyên lý L D1 + C Vidc S R - • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: 19
20. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp • Chế độ ON Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi: diL diL Vi VL=Vi VL = Vi = L = D1 dt dt L + i i V C L = L = i Vidc t DT L S R - V DT ( i ) = i (4) L swon L 20
21. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp • Chế độ OFF Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của cuộn cảm V : L di di V −V V = V −V = L L L = i 0 L i 0 dt dt L VL=Vi-Vo D1 i i V −V + L = L = i 0 C t (1− D)T L Vidc S V −V D T R ( i 0 ) 1 ( iL )swoff = (5) - L 21
22. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp TON T S t DT T vL vi t Vi-Vo iL ILmax IL t ii t 22
23. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp TON T S t DT T vL vi t Vi-Vo iL ILmax IL t ii t 23
24. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp TON T S t DT T vL vi t Vi-Vo iL ILmax IL t ii t 24
25. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp TON T S t DT T vL vi t Vi-Vo iL ILmax IL t ii t 25
26. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp TON T • Dạng sóng S t DT T v Do sự thay đổi tổng L v cộng dòng điện chạy i t qua cuộn cảm khi S Vi-Vo iL I đóng và khi S hở là Lmax IL bằng không: t i iL(ON ) + iL(OFF) = 0 i t 26
27. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (4) và (5) ta được: ( iL )swon + ( iL )swoff = 0 V DT (V −V )D T (4) + (5) i + i 0 1 = 0 L L Vi DT + (Vi −V0 )D1T = 0 D + D 1 V0 = Vi D1 27
28. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp 1 1 1 • Dòng điện trung bình qua diode: I D = I max D1T = I max D1 T 2 2 V DT • Dòng điện Imax: I = i = i max L L 1 Vi DT V0 V0 2L • Thay Imax vào I :I D = D1 = D = D 2 L R 1 Vi RDT 2 2 V0 V0 D RT • Thay D1 và rút gọn: − − = 0 Vi Vi 2L V 1 2D 2 RT 0 = 1+ 1+ V 2 L i 28
29. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC ▪ Giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục khi D1 =1 – D. Điều kiện khác tại giới hạn là khi Imin = 0. ▪ Khi bộ chuyển đổi tăng thế hoạt động theo kiểu dòng liên tục hay không liên tục tùy thuộc vào sự tổ hợp thông số mạch bao gồm tỉ số định dạng D. Khi D thay đổi với một bộ chuyển đổi tăng thế cho sẵn thay đổi có thể đi vào hay đi ra khỏi kiểu không liên tục. 29
30. ỨNG DỤNG ▪ Là thiết bị cung cấp nguồn một chiều thay đổi được, các tải của bộ biến đổi xung áp một chiều cũng chính là tải của sơ đồ chỉnh lưu nhưng bộ biến đổi lại làm việc với nguồn một chiều. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của hai bộ biến đổi thật sự không trùng nhau. Các ứng dụng của bộ biến đổi xung áp một chiều có thể chia làm hai nhóm: ▪ Sử dụng nguồn một chiều áp không đổi ▪ Sử dụng nguồn một chiều chỉnh lưu diode từ lưới xoay chiều công nghiệp 30
31. ỨNG DỤNG 1. Các bộ nguồn một chiều – cấp điện hay ổn áp xung : Chỉnh lưu Lọc 50Hz BBXA 1chiều Lọc tần số cao Lưới nguồn Tải Máy BA 50Hz Phản hồi Điều khiển Sử dụng bộ biến đổi áp một chiều thay cho mạch ổn áp tuyến tính: 31
32. ỨNG DỤNG ▪ 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. 32
33. ỨNG DỤNG 1. Các bộ nguồn một chiều – cấp điện hay ổn áp xung : Chỉnh lưu Lọc 50Hz BBXA 1chiều Chỉnh lưu Lọc tần số cao Lưới nguồn Tải Máy BA tần số cao Điều khiển Cách ly Điều khiển Phản hồi Bộ cấp điện một chiều sử dụng biến áp tần số cao: 33
34. ỨNG DỤNG ▪ 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. 34
35. ỨNG DỤNG 2. Điều khiển động cơ bước : 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. 35
36. KẾT THÚC CHƯƠNG IV NGHỊCH LƯU 36