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

1. CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o GIỚI THIỆU o CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp (Buck Converter) 2. Mạch biến đổi tăng áp (Boost Converter) 3. Mạch biến đổi tăng giảm áp 1
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. 2
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. 3
4. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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: 4
5. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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 di V −V L = i 0 + dt L 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 5
6. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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 ) = − (1− D)T (2) L 6
7. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON TOFF S t vL DT t Vi Vi-Vo t -Vo iL ILmax IL=IO iL ILmin t iC iC t 7
8. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON TOFF S t vL DT t Vi Vi-Vo t -Vo iL ILmax IL=IO iL ILmin t iC iC t 8
9. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON TOFF S t vL DT t Vi Vi-Vo t -Vo iL ILmax IL=IO iL ILmin t iC iC t 9
10. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Dạng sóng mạch biến đổi giảm áp TON TOFF S t vL DT t Vi Vi-Vo t -Vo iL ILmax IL=IO iL ILmin t iC iC t 10
11. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp TON TOFF • Dạng sóng S t vL DT t Do sự thay đổi tổng V i Vi-Vo cộng dòng điện chạy t qua cuộn cảm khi S -V o iL I đóng và khi S hở là Lmax IL=IO iL I bằng không: Lmin t iC iL(ON ) + iL(OFF) = 0 iC t 11
12. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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 V −V V (1) + (2) i 0 DT − 0 (1− D)T = 0 L L t V = DV = on V V V 0 i T i 0 i Vi −V0 (V0 D)−V0 V0 ( iL )(swon) = DT = DT = (1− D)T L L L 12
13. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 1. Mạch biến đổi giảm áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: V I = I = 0 L R R • Dòng điện max và min qua cuộn cảm: 1 1− D 1 t 1 1− D 1 t ( ) off ( ) off I max = V0 + = V0 + I min = V0 − = V0 − R 2Lf R 2L R 2Lf R 2L • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: (1− D) (1− D)T L = R = R min 2 f 2 V0 1− D • Độ dợn sóng ngõ ra: = 2 V0 8LCf 13
14. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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: 14
15. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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 (3) L swon L 15
16. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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 1− D T R ( i 0 )( ) ( iL )swoff = (4) - L 16
17. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 2. Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp TON TOFF S t vL DT (1-D)T Vi t Vi-Vo iL ILmax IL iL ILmin t iD Imax Imin t 17
18. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 2. Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp TON TOFF S t vL DT (1-D)T Vi t Vi-Vo iL ILmax IL iL ILmin t iD Imax Imin t 18
19. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 2. Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp TON TOFF S t vL DT (1-D)T Vi t Vi-Vo iL ILmax IL iL ILmin t iD Imax Imin t 19
20. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 2. Dạng sóng mạch biến đổi tăng áp TON TOFF S t vL DT (1-D)T Vi t Vi-Vo iL ILmax IL iL ILmin t iD Imax Imin t 20
21. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp TON TOFF • Dạng sóng S t v DT (1-D)T Do sự thay đổi tổng L Vi cộng dòng điện chạy t qua cuộn cảm khi S Vi-Vo iL I đóng và khi S hở là Lmax IL iL I bằng không: Lmin t iD I iL(ON ) + iL(OFF) = 0 max Imin t 21
22. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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 (3) và (4) ta được: ( iL )swon + ( iL )swoff = 0 V DT (V −V )(1− D)T (3) + (4) i + i 0 = 0 L L V V = i 0 1− D V V − i (1− D)T (V −V )(1− D)T i 1− D V DT i = i 0 = = i Lswoff L L L 22
23. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 2. Mạch biến đổi tăng áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Vi I L = (1− D)2 R • Dòng điện max và min qua cuộn cảm: i V V DT i V V DT I = I + L = i + i L i i max L 2 Imin = I L − = 2 − 2 swon (1− D) R 2L 2 swoff (1− D) R 2L • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: D(1− D)2 R D(1− D)2 R (Lf ) = L = min 2 min 2 f V D • Độ dợn sóng ngõ ra: 0 = V0 RCf 23
24. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Sơ đồ nguyên lý S D1 + C Vidc R L - • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: 24
25. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến đổi tăng-giảm 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: di di V V = V = L L L = i L i dt dt L S D1 + i i V C L = L = i t DT L Vidc L R - V DT ( i ) = i (5) L swon L 25
26. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Chế độ 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 V : L diL diL V0 VL = V0 = L = S D1 dt dt L + i i V C L = L = 0 Vidc t (1− D)T L L R - V (1− D)T ( i ) = 0 (6) L swoff L 26
27. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3.Dạng sóng bộ biến đổi tăng-giảm áp TON TOFF S t vL DT Vi t Vo iL ILmax IL iL ILmin t 27
28. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3.Dạng sóng bộ biến đổi tăng-giảm áp TON TOFF S t vL DT Vi t Vo iL ILmax IL iL ILmin t 28
29. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3.Dạng sóng bộ biến đổi tăng-giảm áp TON TOFF S t vL DT Vi t Vo iL ILmax IL iL ILmin t 29
30. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3.Dạng sóng bộ biến đổi tăng-giảm áp TON TOFF S t vL DT Vi t Vo iL ILmax IL iL ILmin t 30
31. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến đổi tăng-giảm áp TON TOFF • Dạng sóng S Tùy theo bật S đóng t v DT hay mở sẽ cung cấp L Vi điện làm diode ngưng t hay dẫn và do đó sẽ Vo iL cấp dòng cho tải. Do ILmax I i cách mắc diode nên L L ILmin t điện thế ra V0 có trị âm. Ta có mạch tương đương ở hình iL(ON ) + iL(OFF) = 0 31
32. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến đổi tăng-giảm áp Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (5) và (6) ta được: ( iL )swon + ( iL )swoff = 0 V DT V (1− D)T • Nếu D > 0,5: điện thế ra i + 0 = 0 L L Vi D D lớn hơn điện thế vào. V0 = − = −Vi 1− D 1− D V (1− D)T i = 0 • Nếu D < 0,5: điện thế ra Lswoff L V D i (1− D)T 1− D V DT nhỏ hơn điện thế vào. = = i L L 32
33. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 3. Mạch biến đổi tăng-giảm áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: 2 Vi D 2 V0 1− D Vi D I L = = = 2 Vi RD Vi RD R(1− D) • Dòng điện max và min qua cuộn cảm: i V D V DT iL Vi D Vi DT L i i I = I + = + Imin = I L − = 2 − max L 2 2 (1− D) R 2L 2 swon (1− D) R 2L swoff • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: (1− D)2 R (1− D)2 R (Lf ) = L = min 2 min 2 f V DT V D V = 0 = 0 • Độ dợn sóng ngõ ra: 0 RC RCf 33
34. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 4. Bộ chuyển đổi C’uk • Sơ đồ nguyên lý L1 C1 L2 + D1 C2 Vs R S - • Chức năng các linh kiện: S, L1, L2, C1, C2, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: 34
35. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 4. Bộ chuyển đổi C’uk • Chế độ 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 L1 iC1=-iL2 L2 + Vc1 = Vi −V0 C2 Vs D1 S (i ) = −I R c1 swon L2 - 35
36. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 4. Bộ chuyển đổi C’uk • Chế độ OFF 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. L1 iC1=iL1 L2 + Vc1 = Vi −V0 C2 Vs S D1 R (ic1 )swoff = I L1 - 36
37. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 4. Bộ chuyển đổi C’uk Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất cấp điện: (i ) DT + (i ) (1− D)T = 0 c1 swon c1 swoff • Nếu D > 0,5: điện thế I D ra lớn hơn điện thế vào. − I DT + I (1− D)T = 0 L1 = L2 L1 I 1− D L2 • Nếu D < 0,5: điện thế I L1 −V0 Pi = P0 Vi I L1 = −V0 I L2 = I L2 Vi ra nhỏ hơn điện thế vào. D V0 = −Vi 1− D 37
38. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC 4. Bộ chuyển đổi C’uk • 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. : V0 1− D = 2 V0 8L2C2 f • Độ dợn sóng ngõ ra C1: 2 T 1 IL1 Vi D V0 D vc1 IL1dt = (1− D)T = HAY v C DT C RC f 1− D c1 1 1 1 RC1 f 38
39. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 4. Bộ chuyển đổi C’uk: • Sự tăng giảm của dòng qua cuộn cảm có thể tính bằng cách xem điện thế cuộn cảm khi bật S đóng: diL1 iL1 Vi Vi DT Vi D vL1 = Vi = L1 = iL1 = = dt DT L1 L1 L1 f • Điện thế qua L2 khi bật S đóng: di v = V + (V −V ) = V = L L2 L2 0 i 0 i 2 dt Vi DT Vi D • Dòng điện iL2 là: iL2 = = L2 L2 f • Với dòng liên tục trong cuộn cảm, dòng trung bình phải lớn hơn 1/2 sự thay đổi trong dòng. Ta có (1− D)2 R (1− D)R trị số cực tiểu của các cuộn cảm: L = L2,min = 1,min 2Df 2 f 39
40. BIẾN ĐỔI DC DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 40