Bài giảng Điện tử công suất: Chương 3 - Biến đổi DC (DC-DC Converter)

CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC

GIỚI THIỆU

o GIỚI THIỆU

• Dòng liên tục là dòng trong cuộn cảm lúc

o CÁC BỘ BIẾN ðỔI DÒNG LIÊN TỤC

nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ.

• Để có điện áp DC lớn người ta thường

1. Mạch biến ñổi giảm áp (Buck Converter)

ghép nhiều bộ nối tiếp nhau.

2. Mạch biến ñổi tăng áp (Boost Converter)

• Mạch boost converter có thể tăng điện áp

3. Mạch biến ñổi tăng giảm áp

và thay thế các viên pin.

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

11:53 AM 1 11:53 AM 2

GIỚI THIỆU

1. Mạch biến ñổi giảm áp

• Sơ ñồ nguyên lý

• 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

Vidc

Diode Schottky

trang trí.

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.

• Để có điện áp DC lớn người ta thường

• Các giả thiết khi phân giải:

ghép nhiều bộ nối tiếp nhau.

4 11:53 AM 3 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

1. Mạch biến ñổi giảm áp

• Chế ñộ ON

• Chế ñộ 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:

Khi S đóng, do diode phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng:

=⇒+

− VV

V i

di L dt

−

−=

⇒

di L dt

V 0 L

di L dt

0− VV L

−

Vidc

V L

i ∆ L t ∆

Vidc

i ∆ L ) TD −

( 1

di L dt

i ∆ L ∆ t

)2(

i ∆⇒

) TD

swoff

(

)

V 0 L

 ( 1 − 

 −=  

)1(

( i ∆⇒

swon

)(

)

VV − i L

VV − 0 L   

i ∆ L DT   

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

TON

TOFF

TON

TOFF

Vi-Vo

-Vo

ILmax

∆iL

IL=IO ILmin

∆iC

5 6 11:53 AM 11:53 AM

7 8 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

TON

TOFF

TON

TOFF

Vi-Vo

-Vo

ILmax

∆iL

IL=IO ILmin

∆iC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

1. Mạch biến ñổi giảm áp

TON

TOFF

• Dạng sóng

Vi Vi-Vo

-Vo

ILmax

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: ( ) ) i i ∆

( ∆+

swon

swoff

∆iL

IL=IO ILmin

Do sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không:

)1(

−

)2( ⇒+

) TD

VV − i L

V 0 L

 ( 1 − 

  

  

  

∆

∆+

OFF

<⇔ V 0

DV i

V i

( ONL

)

(

)

t on T

∆iC

−

( i ∆

)TD

swon

)(

)

VV − i L

( ) VDV L

V ( 10 L

  

  

  

  

9 10 11:53 AM 11:53 AM

11 12 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp

1. Mạch biến ñổi giảm áp

• Sơ ñồ nguyên lý

• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:

V 0= R

Diode Schottky

• Dòng điện max và min qua cuộn cảm:

)

Vidc

−

max

V 0

min

V 0

1 R

( 1 − D 2 Lf

1 R

off 2 L

1 R

( 1 − D 2 Lf

1 R

off 2 L

  

 = 

  

  

−

• Giá trị cực tiểu cuộn cảm: )

( 1

min

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.

) TD 2

D − 2 f • Độ dợn sóng ngõ ra:

1 D − 2 8 LCf

• Các giả thiết khi phân giải:

V ∆ 0 V 0

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp

• Chế ñộ ON

• Chế ñộ OFF

Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của cuộn cảm VL:

Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi:

− VV i

di L dt

di L =⇒ dt

− VV i L

V i

VL=Vi

di L dt

di L =⇒ dt

V i L

VL=Vi-Vo

∆ i L ∆ t

− VV 0 L

∆ i L ) − TD

( 1

∆ i L ∆ t

i ∆ L DT

V i L

Vidc

−

) TD

( − VV i

)4(

( ∆ i

)

swoff

)( 10 L

)3(

( ∆

)

swon

DTV i L

13 14 11:53 AM 11:53 AM

15 16 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp

TON TOFF TON TOFF S S t t DT T DT T vL vL

Vi-Vo

Vi Vi t t

iL iL ILmax ILmax ∆iL ∆iL IL IL ILmin ILmin t t iD iD Imax Imax

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp

Imin Imin t t 17 18 11:53 AM 11:53 AM

TON TOFF TON TOFF S S t t DT T DT T vL vL

Vi-Vo

Vi Vi t t

iL iL ILmax ILmax ∆iL ∆iL IL IL ILmin ILmin t t iD iD Imax Imax

Imin Imin t t 19 20 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp

TON

TOFF

• Dạng sóng

Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (3) và (4) ta được:

( ∆

)

( ∆+

swon

swoff

Vi-Vo

−

) TD

= ( VV − 0 i

)3(

)4( ⇒+

ILmax

) DTV i L

)( 1 L

∆iL

IL ILmin

Do sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không:

V i −

Imax

∆

∆+

OFF

( ONL

)

(

)

−

) TD

V i

−

( VV −

) TD

 ( 1 − 

  

i ∆

Imin

Lswoff

)( 10 L

V i D − L

DTV i L

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp

2. Mạch biến ñổi tăng áp

• Sơ ñồ nguyên lý

• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:

V i ) RD

( 1 −

Diode Schottky

• Dòng điện max và min qua cuộn cảm:

Vidc

−

max

min

DTV i 2 L

−

DTV i 2 L

 ∆ i L  2 

  

−

V i ) 2 RD

( 1

swon

 ∆ i L  2 

  

V i ) 2 RD

( 1

swoff

• Giá trị cực tiểu cuộn cảm:

( 1

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.

⇒

)

(

min

− 2

) 2 RD f

• Các giả thiết khi phân giải:

) 2 RD − 2 • Độ dợn sóng ngõ ra:

∆ V 0 V

D RCf

21 22 11:53 AM 11:53 AM

23 24 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp

• Chế ñộ ON

• Chế ñộ OFF

Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi:

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 VL:

V i

di L dt

di L =⇒ dt

V i L

V 0

di L dt

di L =⇒ dt

V 0 L

∆ i L ∆ t

∆ i L DT

V i L

Vidc

∆ i L ∆ t

V 0 L

∆ i L ) − TD

( 1

Vidc

)5(

) TD

( ∆ i

)

( 10 V

swon

)6(

( i ∆

)

swoff

DTV i L

− L

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp

TON

TOFF

TON

TOFF

25 26 11:53 AM 11:53 AM

ILmax

∆iL

ILmin

T T

27 28 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp

TON

TOFF

TON

TOFF

ILmax

∆iL

ILmin

T T

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp

TON

TOFF

29 30 11:53 AM 11:53 AM

Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (5) và (6) ta được:

( i ∆

• Nếu D > 0,5: điện thế ra

( i ∆+ V

= ) TD

⇒

) swon DTV i L

) swoff ( 1 − L

ILmax

lớn hơn điện thế vào.

∆iL

−=

V i

D −

  

IL ILmin

   ) TD

DV i 1 D − ( 10 V

• Nếu D < 0,5: điện thế ra

∆ i

Lswoff

− L

) TD

nhỏ hơn điện thế vào.

DV i 1 − D

  

i ∆

i ∆+

OFF

( ONL

)

(

)

• Dạng sóng Tùy theo bật S đóng hay mở sẽ cung cấp điện làm diode ngưng hay dẫn và do đó sẽ cấp dòng cho tải. Do cách mắc diode nên điện thế ra V0 có trị âm. có mạch tương đương ở hình

 ( 1 −  L

DTV i L

31 32 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp

4. Bộ chuyển ñổi C’uk • Sơ ñồ nguyên lý

• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:

  

)

DV i 1( − D

2 V 0 RDV i

DV  i  1 D −  RDV i

Diode Schottky

Vidc

−

min

max

DTV i 2 L

i  ∆ L  2 

  

( 1

swoff

• Dòng điện max và min qua cuộn cảm: DV DTV i i ) 2 RD − 2 L

−

 ∆ i L  2 

  

DV i ) 2 RD

( 1

swon

• Giá trị cực tiểu cuộn cảm:

• Chức năng các linh kiện: S, L1, L2, C1,

−

( 1

⇒

(

)

min

) 2 RD 2

) 2 RD − 2 f

C2, D1, R.

V =∆ 0

• Độ dợn sóng ngõ ra:

DTV 0 RC

DV 0 RCf

• Các giả thiết khi phân giải:

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

4. Bộ chuyển ñổi C’uk

• Chế ñộ ON

• Chế ñộ 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

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

iC1=iL1

iC1=-iL2

ở chế độ thường trực

ở chế độ thường trực.

− VV

1 c

( i

)

1 c

1 L

swoff

−=

( i

)

1 c

swon

33 34 11:53 AM 11:53 AM

36 35 11:53 AM 11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

4. Bộ chuyển ñổi C’uk

Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất cấp điện:

−

)

) TD

[ ( i

] DT

[ ( i

]( 1

1 c

swon

swoff

• Nếu D > 0,5: điện thế

ra lớn hơn điện thế vào.

1 L

−

=⇒=

( 1

) TD

1 L

• Lưu ý rằng các linh kiện L2, C2 và Rcó 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. : 1 − D fCL

I I

D −

V ∆ 0 V 0

• Nếu D < 0,5: điện thế

• Độ dợn sóng ngõ ra C1:

−=

⇒= P 0

IV 0

P i

IV 1 Li

ra nhỏ hơn điện thế vào.

I 1 L =⇒ I L

V − 0 V i

≈

−

HAY

∆

( 1

) TD

∆ v 1 c

1 L

1 ≈

∫

D −

I 1 L C 1

V i fRC 1

1 C 1

  

  

DV 0 fRC 1

−=

D −

  i 1 

  

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

4. Bộ chuyển ñổi C’uk:

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:

1 L

L 1

V i

1 L

i ∆ 1 L DT

di 1 L dt

• Sự tăng giảm của dòng qua cuộn cảm có thể tính bằng cách xem điện thế cuộn cảm khi bật S đóng: V i i ∆⇒= L 1

DV i fL 1

TAI

( VV −

)

V 0

L 2

DTV i L 1 • Điện thế qua L2 khi bật S đóng: V = i

di L dt

i ∆

• Dòng điện iL2 là:

DTV i L

DV i fL 2

Trạng thái ban đầu : T và Tn đều bị khoá, tụ điện C được nạp điện, bản cực dương ở phía bên trên như ghi trên Hình

( 1

• Với dòng liên tục trong cuộn cảm, dòng trung bình phải lớn hơn 1/2 sự thay đổi trong dòng. Ta có trị số cực tiểu của các cuộn cảm:

min

L ,1

min

− 2

) RD f

− 2

) 2 RD Df

37 38 11:53 AM 11:53 AM

39 40 11:53 AM 11:53 AM

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:

TAI

Cho xung điều khiển kích mở T. SCR này mở cho dòng điện chạy qua, tức là S đóng kín mạch.

Nếu bây giờ cho xung kích mở Tn, SCR này mở, đặt điện áp giữa hai bản cực của tụ điện C lên T khiến T bị khoá lại và S hở mạch, Vo=0.

Dòng điện từ nguồn E chạy qua T, qua tải và trở về nguồn. Đồng thời tụ điện C phóng điện theo mạch C-T-L-D-C và được nạp ngược lại. Điện áp trên tải và Vo = E.

Gọi T và chu kỳ băm : T = T1 + T2 T1 =DT :là thời gian S đóng mạch. T2 = T – T1 : là thời gian S mở mạch. D = T1/ T : là tỉ số chu kỳ.

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

4. Mạch băm xung áp dùng SCR: Vo

4. Mạch băm xung áp dùng SCR: Thông thường mạch tải có chứa điện cảm L. Điện

41 42 11:53 AM 11:53 AM

W =

cảm này sẽ tích tụ năng lượng điện từ

khi

2 oLi

1 2

I 2

dòng io tăng. thường dùng diode hoàn năng lượng

Edt

V o

Dr, đấu song song ngược với mạch tải để tạo

∫

1 T

đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói

trên, khi dòng io suy giảm. Lúc đầu, dòng tải io=

0. Dòng io được xác lập dần. Qua một vài chu kỳ,

Như vậy, bằng cách làm biến đổi tỉ số chu kỳ D (trong khi giữ cho chu kỳ băm T = const ) có thể điều chỉnh được trị trung bình của điện áp đặt trên tải.

dòng io sẽ biến động giữa hai giá trị biên I1 và I2 .

43 44 11:53 AM 11:53 AM