Bài giảng Điện tử công suất: Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC converter (p1)

1/21/2013

Ho Chi Minh City University of Technology

PGS.TS Lê Minh Phương

Khoa Điện –Điện Tử

Trường Đại Học Bách Khoa TP HỒ CHÍ MINH

Contact info: Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh Telephone: 84-08-38647256 (5722) Mobile: 0988572177 E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com 1

Power Electronics

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012

1/21/2013

Contents – Nội dung

1. Tổng quan về Điện tử công suất

2. Các linh kiện bán dẫn cơ bản

3. Mô phỏng Matlab-Simulink

4. Bộ chỉnh lưu

5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

6. Bộ biến đổi điện áp một chiều

7. Bộ nghịch lưu –biến tần

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

References

1. MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011

2. POWER ELECTRONICS HANDBOOK –

Muhammad H. Rashid

3. MATLAB/SIMULINK - Mathworks.

http://www.mathworks.com/

4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ

Nhà xuất bản ĐHQG

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronics

Chương 5

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

DC/DC CONVERTER

PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012

Contents – Nội dung

1. Tổng quan về bộ biến đổi điện áp một chiều 2. Bộ chopper dạng giảm áp (Step-down) 3. Bộ chopper dạng tăng áp (Step-up) 4. Bộ chopper dạng đảo dòng 5. Bộ chopper dạng đảo áp 6. Bộ chopper dạng tổng quát 7. Transformer Versions of Buck Converter

1. Buck converter 2. Boost Converter 3. Fly Back Converter 4. Cu’k Converter

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Chức năng

Chức năng: điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ngõ ra với nguồn một chiều ngõ vào không đổi

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Đặc điểm chung

Các linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng ngắt hoàn toàn (IGBT, MOSFET, BJT)

Power electronic switches are usually implemented with power MOSFETs, IGBTs, MCTs, power BJTs, or GTOs

Mật độ công suất lớn Hoạt động ở tần số cao

 Hiệu suất cao . Thường sử dụng phương pháp điều khiển PWM

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tổng quan

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Ứng dụng

- Điều khiển động cơ điện DC - Dùng làm nguồn DC dạng switching - Ứng dụng trong năng lượng tái tạo (Solar inverter)

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Ví dụ ứng dụng

- Điều khiển động cơ điện DC - Dùng làm nguồn DC dạng switching - Ứng dụng trong năng lượng tái tạo (Solar inverter)

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Các dạng bộ DC/DC converter

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Các thông số cơ bản

Tần số đóng ngắt f (Hz)

 Chu ký đóng ngắt T=1/f  Tỷ số thời gian đóng (duty circle) k=T1/T Độ nhấp nhô dòng điện cảm IL; Tần số đóng ngắt cực đại fmax; Điều kiện để dòng điện cảm liên tục; Giá trị điện cảm lớn nhất để dòng điện cảm liên tục;

Thành phần nhấp nhô của điện áp và dòng điện tải, THD; Thành phần nhấp nhô của dòng điện nguồn, THD;

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

DC-choppers

Để đơn giản hóa việc phân tích, ta giả thiết tải là thuần trở.

Khi khóa S đóng trong khoảng thời gian T1, điện áp nguồn xuất hiện trên tải. Khi khóa S ngắt, điện áp trên tải bằng 0.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Phương pháp điều khiển

Tỷ số thời gian đóng (Duty cycle) được tạo ra bằng các so sánh sóng điều khiển (tham chiếu) vcr và sóng răng cưa vr

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô giảm áp - Step-down (Buck) Converter

Tải RL 1. Xét trường hợp dòng tải liên tục

Hoạt động của bộ giảm áp với tải RL có thể chia làm hai chế độ.

Dòng điện tải chỉ có một chiều từ nguồn về tải

Trong chế độ 1, khóa S đóng và dòng điện từ nguồn cung cấp đến tải. Trong chế độ 2, khóa S ngắt và dòng điện tải tiếp tục chạy qua diode Dm

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL 1. Chế độ 1 (0 ≤ t ≤ t1 (= kT))

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL 1. Chế độ 2 (0 ≤ t ≤ t2 (= (1 – k)T))

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô giảm áp - Step-down (Buck) Converter

Tải RL: Giải các phương trình dòng điện

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL

Để I đạt giá trị cực đại

k=0.5

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải liên tục

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải liên tục

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.1

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.1

Cho bộ biến đổi điện áp một chiều giảm áp. Tải RLE với R=10 , E=50V, L=0.005(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp tần số đóng cắt khoá không đổi có giá trị là fsw = 1000Hz. Khoá bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng g= 0.75. Mạch ở trạng thái xác lập và dòng tải liên tục 1. Vẽ giản đồ áp tải uz và tính trị trung bình áp tải ứng với g đã

cho.

2. Tính dòng Izmax, Izmin; Vẽ giản đồ dòng tải iz, 3. Tính trị trung bình dòng tải 4. Tinh L de dong lien tuc

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô giảm áp - Step-down (Buck) Converter

Tải RL 1. Xét trường hợp dòng tải gián đoạn Hoạt động của bộ giảm áp với tải RL có thể chia làm ba chế độ.

Trong chế độ 1, khóa S đóng và dòng điện từ nguồn cung cấp đến tải. Trong chế độ 2, khóa S ngắt và dòng điện tải tiếp tục chạy qua diode Dm Chế độ 3, dòng điện bằng 0

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL 1. Chế độ 1 (0 ≤ t ≤ t1 (= kT)) I1=0

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL 2. Chế độ 2 (0 ≤ t ≤ t2 (= (1 – k)T))

i2(t = t2) = I3 = I1 = 0

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL 1. Chế độ 3 (t2 ≤ t ≤T )

i0(t ) = 0

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn

Điều kiện để dòng điện tải liên tục

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn. Tìm tx=t2+t1

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.3

Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp . Tải RLE với R=10 , E=50V, L=0.005(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp tần số đóng cắt khoá không đổi có giá trị là fsw = 500Hz. Khoá bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng D = 0.5. Mạch ở trạng thái xác lập 1. Xác định chế độ làm việc: dòng điện tải liên tục hay gián

đoạn

2. Vẽ giản đồ áp tải và dòng điện tải uz 3. Tính trị trung bình áp tải và dòng điện tải ứng với D đã

cho.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.2

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.3

đoạn

2. Vẽ giản đồ áp tải và dòng điện tải uz 3. Tính trị trung bình áp tải và dòng điện tải ứng với D đã

cho.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô tăng áp - Step-up Converter

Giả thiết dòng tải liên tục

Bộ tăng áp có 2 chế độ

Dòng điện chỉ có thể dẫn theo một chiều từ tải về nguồn Làm việc ở góc phần tư thứ 2

Trong chế độ 1, khóa S đóng. Trong chế độ 2, khóa S ngắt

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô tăng áp - Step-up Converter

Khi S dẫn (0 - kT)

Bộ tăng áp có 2 chế độ

Trong chế độ 1, khóa S đóng. Trong chế độ 2, khóa S ngắt 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô tăng áp - Step-up Converter

Khi S ngắt (kT-T)

Bộ tăng áp có 2 chế độ

Trong chế độ 1, khóa S đóng. Trong chế độ 2, khóa S ngắt 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải liên tục

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.3

Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tăng áp. Tải RLE với R=10 , E=100V, L=0.01(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp tần số đóng cắt khoá không đổi có giá trị là fsw = 500Hz. Khoá bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng g = 0.75. Mạch ở trạng thái xác lập và dòng tải liên tục 1. Vẽ giản đồ áp tải uz và tính trị trung bình áp tải ứng với g đã

cho.

2. Tính thời gian đóng ngắt khoá T1, T2 3. Tính dòng Izmax, Izmin; Vẽ giản đồ dòng tải iz, 4. Tính trị trung bình dòng tải

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn. Tìm tx=t2+t1

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.3

Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tăng áp. Tải RLE với R=10 , E=100V, L=0.01(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp tần số đóng cắt khoá không đổi có giá trị là fsw = 500Hz. Khoá bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng D = 0.5. Mạch ở trạng thái xác lập 1. Xác định chế độ làm việc: dòng điện tải liên tục hay gián

đoạn

2. Vẽ giản đồ áp tải và dòng điện tải uz 3. Tính trị trung bình áp tải và dòng điện tải ứng với D đã

cho.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Kết hợp hai bộ: giảm áp (S1,D4) và tăng áp (S4,D1) Dòng điện tải có 2 chiều: từ nguồn đến tải và từ tải đến nguồn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Kết hợp hai bộ: giảm áp (S1,D4) và tăng áp (S4,D1) Dòng điện tải có 2 chiều: từ nguồn đến tải và từ tải đến nguồn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Khi S1 dẫn (0-kT)

Dòng điện theo chiều thuận : kE/UDC

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Dòng điện theo chiều thuận : kE/UDC

Khi S1 ngắt D4 dẫn (kT-T)

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

theo chiều thuận :

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Dòng điện kE/UDC

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Dòng điện theo chiều ngược : k

Khi S4 ngắt D1 dẫn (0-kT)

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Dòng điện theo chiều ngược : k

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Dòng điện theo chiều ngược : k

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo dòng

Khi k=E/VS : tồn tại 4 trạng thái đóng ngắt lần lượt là D1, S1,D4,S4

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Khi k=E/Vs

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Tải RL:

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.4

Cho bộ đảo dòng Udc=200V, f=1kHz. R=5; L=0.01, E=100V. 1. Điều khiển theo sao cho Iz=10A. Tính g. a. Tính T1, T2 b. Vẽ giản đồ uz, iz c. Vẽ giản đồ điện áp các linh kiện. d. Tính Izmax, Izmin 2. Điều khiển theo sao cho Iz=-10A. Tính g a. Tính T1, T2 b. Vẽ giản đồ uz, iz c. Vẽ giản đồ điện áp các linh kiện. d. Tính Izmax, Izmin

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo áp

Dòng trên tải chỉ chạy theo một chiều trên tải

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo áp

Khi S1 và S2 dẫn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo áp

Khi D3 và D4 dẫn

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô đảo áp

Dòng trên tải chỉ chạy theo một chiều

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bài tập 4.6

Cho bộ đảo áp Udc=200V, f=2kHz. R=5; L=0.01, E=100V. Điều khiển theo cách 1 sao cho Uz=150V. Tính g. 1. Tính T1, T2 2. Tính Iz 3. Vẽ giản đồ uz, iz 4. Vẽ giản đồ điện áp các linh kiện. 5. Tính Izmax, Izmin 6. Đổi chiều sức điện động E và điều khiển sao cho Iz=2A. Tính g. Vẽ giản đồ điện áp tải, tính Izmax, Izmin

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bô tổng quát

Có thể làm việc ở 4 góc phần tư

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Phương pháp điều khiển kiểu đảo dòng

Hoạt động ở phần tư I, II. Điều khiển sao cho S2 được kích dẫn liên tục, S1-S4 được điều khiển đóng ngắt ngược nhau. S3 ngắt. Khi đó ta được bộ đảo dòng và làm việc ở góc phần tư I,II

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Phương pháp điều khiển kiểu đảo dòng

Hoạt động ở phần tư III, IV. - Điều khiển sao cho S4 được kích dẫn liên tục, S2-S3 được điều khiển đóng ngắt ngược nhau. S1 ngắt. Khi đó ta được bộ đảo dòng và làm việc ở góc phần tư III,IV

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong