Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề Đcn bàI 1: TỔng quan về ĐIỆn tử CÔng suấT

Bài 3: BIẾN ĐỔI DC-DC (DC - DC CONVERTER)

tải về 385.23 Kb.

trang	2/5
Chuyển đổi dữ liệu	30.08.2016
Kích	385.23 Kb.
	#28302

1 2 3 4 5

Bài 3: BIẾN ĐỔI DC-DC (DC - DC CONVERTER)

1. Đại cương về biến đổi DC - DC.

1.1. Khái quát về điều áp một chiều

Định nghĩa: là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là 1 chiều.

*Các phương pháp điều áp 1 chiều

Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở.
Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1 Transistor.
Điều khiển bằng băm áp (xung áp).

Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

Sơ đồ

Dòng điện và điện áp được tính:

I_d= ; U_d= . R_d

Nhược điểm của phương pháp là hiệu suất thấp và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn

Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1 transistor

Sơ đồ và nguyên lí điều khiển

I_{C =} ßI_B; U_T = U₁ – I_C.R_d

Điện áp qua R_d: U_d = Ic.R_d = ßI_B R_d

Nhược điểm của phương pháp là tổn hao trên transistor lớn, phát nhiệt nhiều làm transistor dễ hỏng.

Điều khiển bằng băm áp (băm xung).

Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp. Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình của tải.

Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp) phần tử nối tiếp đóng cắt với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song.

Nguồn cấp trong băm xung 1 chiều
1. Định nghĩa về nguồn dòng và nguồn áp
  1. Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ thuộc vào dòng điện)kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên).

Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ để sụt áp trong nguồn nhỏ.

Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên).

Đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để sụt dòng trong nguồn nhỏ.

Tính thuận nghịch của nguồn

- Nguồn có tính thuận nghịch

- Điện áp có thể không đảo chiều (acquy) hay đảo chiều (máy phát điện một chiều)

- Dòng điện thường có thể đảo chiều

- Công suất p = u.i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo chiều.

1.2.3. Cải thiện đặc tính của nguồn

- Nguồn áp thường có R_o, L_o, khi có dòng điện R₀i, L(di/dt) làm cho điện áp trên cực thay đổi. Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta thường mắc song song với nguồn 1 tụ.

- Tương tự, nguồn dòng có Z₀ = ∞. Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi. Để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với nguồn 1 điện cảm.

- Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

Quy tắc nối các nguồn
1. Đối với nguồn áp:

- Không nối song song các nguồn có điện áp khác nhau

- Không ngắn mạch ở nguồn áp.

- Cho phép hở mạch nguồn áp.

Đối với nguồn dòng:

- Không mắc nối tiếp các nguồn dòng có dòng điện khác nhau.

- Không hở mạch nguồn dòng.

- Cho phép ngắn mạch nguồn dòng.

2. Bộ ổn áp.
2.1. Sơ lược về lý thuyết

Mạch ổn áp một chiều còn được gọi là mạch biến đổi DC-DC, đây là một mạch biến đổi từ điện áp một chiều này thành điện áp một chiều khác.

Thông thường, người ta chia ổn áp một chiều ra làm 2 loại:
- Ổn áp tuyến tính,

- Ổn áp ngắt mở (switching regulator).

Dù là loại nào, một mạch ổn áp cũng phải đạt 2 chức năng:

- Ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào thay đổi và khi dòng tải thay đổi.

- Giảm đến mức thấp nhất sóng dư ở ngõ ra.

2.2. Ổn áp tuyến tính

Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp. Sơ đồ khối như sau:

- Công suất ổn áp (phần tử điều khiển): Thường là một transistor công suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi.

- So sánh(dò sai): So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển V_DK để điều khiển mạch kích tạo dòng kích cho công suất.

- Tạo điện áp chuẩn: Tạo điện thế chuẩn V_ref cho mạch so sánh (thường dùng zener).

- Lấy mẫu: Lấy một phần điện thế ngõ ra so sánh với điện thế chuẩn (điện thế lấy mẫu thay đổi theo điện thế ngõ ra v_o).

Nguyên tắc hoạt động: v_o=v_i-A_V

Giả sử khi v_o thay đổi (vì lý do nào đó), điện thế lấy mẫu thay đổi theo trong khi điện thế chuẩn không đổi nên ngõ ra V_DK của mạch so sánh thay đổi, điện thế V_DKnày điều khiển mạch kích và công suất thay đổi độ hoạt động (chạy mạnh/chạy yếu) để thay đổi A_V sao cho v_o ổn định.
Mạch căn bản có dạng:

Q₁: Công suất ;

Q₂: Thúc (kiểu darlington) ;

Q₃: So sánh

Zener D: tạo điện thế chuẩn

R₃, R₄,V_R: Lấy mẫu

C₃: Giảm sóng dư ngõ ra

Do dòng tải I_L chạy thẳng và thường trực qua Q₁ nên Q₁ phải có công suất lớn và phải được giải nhiệt cẩn thận. Mạch thường có một điện trở R công suất lớn để chia bớt dòng qua Q₁

2.3. Ổn áp ngắt mở

- Tuy có rất nhiều dạng, nhưng đa số đều dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung.

- Nguyên lý chung vẫn như mạch ổn áp tuyến tính nhưng thay mạch khuếch đại kích bằng một mạch dao động tạo sóng vuông. Tín hiệu ra của mạch dao động kích vào transistor công suất ổn áp (thường là BJT hoặc MOSFET công suất lớn), mức cao của xung vuông làm transistor bảo hòa, mức thấp làm transistor ngưng. Như vậy công suất ổn áp hoạt động như một chuyển mạch (switch).

- Dao động tạo xung vuông có thể là đa hài (công suất độc lập với mạch dao động) hoặc thông dụng hơn là dao động blocking (công suất tham gia vào mạch dao động) do cách ly được mass điện.

- Khi chưa mắc tụ lọc ngõ ra, v0 có dạng xung với biên độ đỉnh bằng vi khi SW ở trạng thái ON và v0=0 khi SW ở trạng thái OFF. Trị trung bình của v₀là

Ta thấy: Để thay đổi trị trung bình ngõ ra v_o ta có thể:

- Thay đổi thời gian SW ở trạng thái ON (Transistor dẫn bảo hòa)

- Thay đổi tần số của mạch dao động (Tức thay đổi chu kỳ T)

- Hoặc thay đổi cả hai

Thực tế, để tiện việc thiết kế và kiểm soát, thường người ta giữ nguyên tần số dao động (thực tế trong máy thu hình, monitor máy tính…. Người ta dùng xung quét ngang đưa về để giữ cho tần số dao động bằng với tần số quét ngang), tín hiệu lấy mẫu chỉ làm thay đổi độ rộng của xung vuông tức thay đổi thời gian dẫn-ngưng của transistor công suất, tức T_x.

- Để ổn định v_o, thí dụ khi vi cao người ta giảm Tx, khi vi giảm người ta tăng Tx.

- Mạch thường được thiết kế ở tần số khá cao (hơn 10KHz) nên tụ lọc ngõ ra không cần lớn mà vẫn bảo đảm được việc giảm tối đa sóng dư (vo gần lý tưởng).

- Để tạo ra nhiều loại điện áp khác nhau, nhất là cách ly được mass điện và mass máy (chống giật), người ta thường thiết kế bộ nguồn có biến áp xung. Tùy theo tần số hoạt động của mạch và số vòng cuộn sơ cấp, thứ cấp mà ta có được các điện áp khác nhau theo yêu cầu.

2.4. PHẦN THỰC HÀNH

2.4.1. Ổn áp tuyến tính

Mạch dùng thực tập có dạng:

Với v_i được cấp từ một nguồn thay đổi bên ngoài

a/ Giải thích vắn tắt nguyên lý hoạt động của mạch (khi v_i và I_L thay đổi)

b/ Cấp v_I = +18V, đo điện thế ngõ ra v_o, chỉnh V_R theo hai chiều. Nhận xét và giải thích.

c/ Chỉnh V_R để v_o=+12V, cho vi thay đổi từ +15V →+20V, đo v_o, lập bảng theo mẫu sau và vẽ đồ thị V₀ = f(v_i). Nhận xét đồ thị v_o=f(v_i). Nhận xét.

d/ Cấp v_i=+18V, Đo v_o khi thay đổi I_L (bằng cách thay đổi R_L)

e/ Không mắc tụ C vào mạch, quan sát sóng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụ C vào mạch. Nhận xét và giải thích.

f/ Giả sử không mắc C_o vào mạch, v_o bị ảnh hưởng gì? Giải thích?

2.4.2. Ổn áp ngắt mở

Ghi chú quan trọng:

* Trong mạch có 2 mass, một mass điện và 1 mass máy. Sinh viên khi làm thực tập phải thật cẩn thận, tránh bị điện giật.

* Trong bài thực tập dùng SCR và E-MOSTFET kênh N với sơ đồ chân như sau:

3. Bộ băm áp (chopper).

3.1. Băm áp nối tiếp

3.1.1. Nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp.

- Sơ đồ

Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu như hình 3.1. theo đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải. Điện áp một chiều được điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóng khóa K trong chu kỳ đóng cắt. Trong khoảng thời gian 0→t₁ (hình b) khóa K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (U_d = U₁), trong khoảng thời gian t₁→t₂ khóa K mở thì điện áp tải bằng 0.

Trị số trung bình điện áp 1 chiều được tính

U_d = =

Nếu coi γ = :

U_d = γ.U1

f = 1/T_ck
3.1.2. Hoạt động của sơ đồ với tải điện cảm.

Sơ đồ điển hình có dạng:

Dòng điện được xác định bởi phương trình vi phân: U₁= R_d.i + L_d.

Trong đó:

I: dòng điện tải.

Rd: điện trở tải

Ld: điện cảm tải

Ibđ: dòng điện ban đầu của chu kỳ đang xét (mở hay đóng khóa K);

I _XL: dòng điện xác lập của chu kỳ đang xét.

Khi khóa K đóng ; khi khóa K mở I_XL = 0

i = I_bd. + I_XL.

Hằng số thời gian điện tử của mạch: T_d =

Độ nhấp nhô được tính:

Từ biểu thức thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ thuộc vào bốn thông số: điện áp nguồn cấp (U₁); độ rộng xung điện áp (γ); điện cảm tải (L_d) và chu kỳ chuyển mạch khóa K (T_ck). Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung điện áp phụ thuộc vào yêu cầu điều khiển điện áp tải, điện cảm tải L_dlà thông số của tải. Do đó để cải thiện chất lượng dòng điện tải ( giảm nhỏ I) có thể tác động vào Tck. Như vậy, nếu chu kỳ chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạch càng lớn ) thì biên độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lượng dòng điện 1 chiều càng cao. Do đố bộ điều khiển này thường được thiết kế với tần số cao hàng chục khz.

Có thể minh họa bằng giản đồ dòng điện điện áp cho hai tần số khác nhau

3.1.3. lắp ráp và khảo sát.
3.2. Các sơ đồ động lực băm áp nối tiếp

Dùng Thyristor:(hình a) hoặc dùng Transistor

Dùng Transistor trường (hình c).

Dùng IGBT (hình d)

Băm áp đảo chiều

Sơ đồ như hình vẽ:

Theo chiều chạy thuận, điều khiển T₁, T₃, dòng điện tải iT có chiều hướng xuống như hình vẽ, U_AB > 0. Theo chiều chạy ngược, điều khiển T₂, T₄, dòng điện tải i_N có chiều dưới lên như hình vẽ, U_AB< 0.

3.3. Băm áp song song

- Nguyên lý băm áp song song.

- Tổn hao công suất khi băm áp song song.

- Băm áp có hoàn trả năng lượng về nguồn.

3.3.1. Nguyên lý băm áp song song

Sơ đồ:

Dòng điện và điện áp được tính tương ứng khi khóa K đóng: i_s =

; U_d = 0

Và khóa k hở: i_T = ; U_d = Rd

3.3.2. Tổn hao công suất khi băm áp song song.

Trường hợp tổng quát

Khi điều chỉnh, chu kỳ xung điện áp không đổi. Khi đó, cứ tăng t₁ thì giảm t₂ và ngược lại. Khi cần giảm điện áp tải, cần tăng t₁và giảm t₂, công suất tổn hao trong biểu thức tăng

Do đó, băm áp song song không thích hợp khi tải nhận năng lượng từ lưới.
3.3.3. Băm áp có hoàn trả năng lượng về nguồn

Trường hợp này chỉ xét khi tải có sức điện động (ví dụ cấp điện một chiều về nguồn tải thuần trở)

Xét trường hợp khi tải điện cảm và có sức điện động (ví dụ động cơ làm việc ở chế độ hạ tải)

3.4. Băm áp nối tiếp kết hợp song song.

Trong trường hợp tải làm việc cả chế độ nhận năng lượng và trả năng lượng, sơ đồ phối hợp nối tiếp và song song được sử dụng.

Khi nhận năng lượng và trả năng lượng từ lưới, điều khiển K_N.

Khi trả năng lượng về lưới, điều khiển K_S.

2.5. Băm áp tích lũy năng lượng

- Băm áp tích lũy điện cảm.

- Băm áp tích lũy điện dung.
2.5.1. Băm áp tích lũy điện cảm

Khi bộ băm nằm giữa nguồn áp với tải nguồn áp, phần tích lũy năng lượng phải là điện cảm

Hoạt động

Khi T dẫn: i_N = i_T = i_L , i_R= i_D = 0, U_D = -(U+U_R),

U = L.di/dt, i_Ltăng tuyến tính

Khi D dẫn: i_N = i_T= 0, i_L = i_R = i_D, U_D = -(U+U_R),

U_R = - L.di/dt, i_Lgiảm tuyến tính.

Trị số trung bình dòng điện nguồn: I_N= γI_L

Trị số trung bình dòng tải: I_R= (1-γ)I_L.

Bỏ qua tổn hao ta có: U_R.I_R = U_N.I_N hay:

= =

2.5.2. Băm áp tích lũy điện dung (Bộ băm tăng áp)

- Sơ đồ và hoạt động.

- Các biểu thức cơ bản.

- Sơ đồ động lực.

Trong khoảng 0→t1 transistor dẫn có dòng điện i_T chạy qua cuộn dây; diode khóa và chịu một điện áp bằng điện áp nguồn.

Trong khoảng thời gian t₁→t₂ transistor khóa, cuộn dây xả năng lượng qua tải bằng dong iD. Dòng điện này đồng thời nạp cho tụ C.

Khi transistor dẫn lại, tụ xả qua tải để duy trì dòng điện trên tải. Coi điện dung của tụ lớn, dòng điện i_C qua tải bây giờ gần như không đổi

Các biểu thức cơ bản

Khi T dẫn, diode chịu một điện áp:

U_D= U_N + U_C= U_N +U_tải

Khi T khóa, nó chịu một điện áp:

U_T = U_N + U_C= U_N +U_tải

Các giá trị dòng điện

i_N = I_d ; I_L = I_N + I_d = I_d

U_d = U_C= E₀- ;

Nếu coi R0 = 0, ta có:

U_d = E_0;U_N= E₀- I_d

3.6. Điều khiển một chiều các ngắt bán dẫn

Nguyên lý điều khiển
Sơ đồ khối mạch điều khiển
Các khâu cơ bản
Mạch ví dụ

Nguyên lý điều khiển

Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiêm vụ xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch. Như đã biết ở trên, chu kỳ đóng cắt van nên thiết kế cố định. Điện áp tải khi điều khiển được tính

U_tải= γU₁

3.6.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển

Sơ đồ khối

- Khâu tạo tần số; có nhiệm vụ tạo điện áp tưa răng cưa Urc với tần số theo ý muốn người thiết kế. Tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn khá lớn ( hàng chục KHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn. Nếu van đọng lực là Thyristor tần số của khâu tạo tần số khoảng 1-5 KHz. Nếu van động lực là transistor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục kHz.

- Khâu so sánh: có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khóa van bán dẫn.

- Khâu tạo xung, khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung đượccoi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực được sử dụng.

Các khâu cơ bản
3.6.2.1. Khâu tạo tần số

3.6.2.2.Tạo điện áp tam giác bằng dao động đa hài