Giáo trình Flyback converter

Chia sẻ: Nguyễn Nam | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

96
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình bao gồn 3 chương với các nội dung: giới thiệu chung về mạch băm xung 1 chiều; Flyback Converter; thiết kế thực tế Flyback Converter. Để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu mời các bạn cùng tham khảo giáo trình.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Flyback converter

Flyback converter
Mục lục Chương I: Giới thiệu chung về mạch băm xung 1 chiều ...................................3 1.1. Nguyên tắc hoạt động ..........................................................................3 1.2. Các mạch băm xung một chiều phổ biến([1]) ........................................4 1.2.1. Buck converter ..............................................................................4 1.2.2. Các dạng Buck Converter có cách ly bằng biến áp ..........................5 1.2.3. Boost Converter ............................................................................7 1.2.4. Buck-Boost Converter ...................................................................8 1.2.5. Flyback Converter .........................................................................9 1.3. Các chế độ dòng điện ([2]) ...................................................................9 1.4. Các nguyên lý điều khiển [1] ..............................................................11 1.5. Vấn đề lựa chọn dạng mạch băm xung([2],[3])....................................12 Chương II: Flyback Converter ......................................................................14 2.1.Sơ đồ nguyên lý và hoạt động: ............................................................14 2.1.1. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ CCM ...........14 2.1.2. Flyback Transformer. ..................................................................17 2.1.3. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ DCM ...........17 2.1.4. Các giá trị biên giữa CCM và DCM .............................................18 2.1.5. Các yếu tố tổn hao và mạch đệm cho MOSFET ............................20 Chương III: Thiết kế thực tế Flyback Converter.............................................23 3,1. Các yêu cầu thiết kế: ..........................................................................23 3.2. Tính toán thiết kế theo trình tự............................................................23 3.2.1. Lựa chọn chế độ dòng: ................................................................23 3.2.2. Tính toán thiết kế ở chế độ CCM .................................................24
Chương I: Giới thiệu chung về mạch băm xung 1 chiều (DC-DC converter) 1.1. Nguyên tắc hoạt động Mạch băm xung một chiều sử dụng các linh kiện điện tử công suất có thể điều khiển đóng mở hoàn toàn để tạo ra được điện áp có dạng 1 chiều ở đầu ra như ý muốn từ một điện áp 1 chiều đầu vào với tổn thất thấp nhất nhờ đặc tính giống như công tắc của các linh kiện này : điện trở khi đóng bằng không và khi ngắt bằng vô cùng. Nhờ đó, về mặt lý thuyết, thất thoát năng lượng bằng không. Hình 1.1: Nguyên tắc hoạt động của DC-DC converter ( [1]) Có thể thấy điện áp đầu ra của mạch băm xung có dạng nhấp nhô, nhưng nếu sử dụng các linh kiện có tần số đóng cắt lớn cộng với mạch lọc phù hợp thì điện áp đầu ra sẽ có dạng đường thẳng ở mức chấp nhận được cho hầu như tất cả các ứng dụng. Do tính chất điều khiển được và tổn hao thấp nên mạch băm xung một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế.
1.2. Các mạch băm xung một chiều phổ biến([1]) 1.2.1. Buck converter Hình 1.2: Buck converter Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch băm xung một chiều cơ bản nhất, sử dụng một công tắc bán dẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào bộ lọc LC trước khi ra tải. Diode có nhiệm vụ dẫn dòng liên tục trong cuộn cảm L. Điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào. Vout Ton Ton Hàm truyền của Buck converter: =D= = Vin Ton +Toff T Buck converter là nền tảng cơ bản để từ đó thiết kế các dạng converter khác có cách ly bằng biến áp.
1.2.2. Các dạng Buck Converter có cách ly bằng biến áp Trên thực tế, khi thiết kế các bộ nguồn 1 chiều, trong mạch thường sử dụng biến áp để cách ly nhằm tăng tính an toàn và tin cậy. Trên cơ sở Buck Converter, có nhiều dạng converter đã được chế tạo và đang được ứng dụng rất phổ biến hiện nay. Dưới đây sẽ trình bày vắn tắt nguyên tắc hoạt động của các dạng này. Cụ thể hơn có thể xem thêm ở tài liệu [2], [3] và [4]. 1.2.2.1. Forward Converter Hình 1.3: Forward converter Hình 1.3 giới thiệu mạch nguyên lý của Forward Converter: - Khi S đóng, dòng được dẫn qua cuộn sơ cấp N1 và cảm ứng sang cuộn thứ cấp N2 của máy biến áp. Diode D1 dẫn và D2 khóa. - Khi S khóa, D1 bị khóa lại và D2 dẫn, dòng điện của L được dẫn liên tục qua D2. - Cuộn dây N3 và diode D3 có tác dụng dẫn dòng trong cuộn N1. Tỉ số N3/N1 phải được chọn sao cho dòng từ hóa về 0 trước khi S bắt đầu chu kỳ làm việc tiếp theo. Hàm truyền của Forward Converter: Vout D D.N2 = = Vin n N1 1.2.2.2. Push-Pull converter
Hình 1.4: Push-pull converter Hình 1.4 giới thiệu mạch nguyên lý của Push-pull Converter: - Các khóa S1 và S2 hoạt động trên 2 nửa chu kỳ ngược nhau. S1 đóng mở trên nửa chu kỳ đầu và S2 đóng mở trên nửa chu kỳ sau. Nguyên tắc hoạt động về cơ bản giống với Forward Converter - Khi S1 đóng, D1 dẫn. Khi S2 đóng, D2 dẫn. Khi S2 và S1 cùng khóa, D1 và D2 cùng dẫn dòng qua cuộn L. Hàm truyền của Push-pull Converter: Vout 2D = Vin n 1.2.2.3. Half-Bridge Converter Hình 1.5: Half-Bridge Converter Hình 1.5 giới thiệu nguyên lý hoạt động của Half-Bridge Converter:
- Hoạt động của hai khóa S1 và S2 tương tự như Push-pull Converter. Cuộn sơ cấp của máy biến áp không có điểm trung tính, nhưng các tụ mắc theo hình nửa cầu có nhiệm vụ tương tự, đưa một nửa điện áp vào cuộn sơ cấp trong mỗi khoảng thời gian làm việc của S1 và S2 - Chế độ hoạt động của các diode tương tự như Push-pull Converter Hàm truyền của Half-Bridge Converter: Vout D = Vin n 1.2.2.4. Full-Bridge Converter Hình 1.6: Full-Bridge Converter Hình 1.6 giới thiệu nguyên lý hoạt động của Half-Bridge Converter: - Mạch sử dụng 4 khóa trong đó S1, S4 hoạt động đồng thời và ngược với cặp S2,S3. Hai cặp khóa này hoạt động xen kẽ nhau trên 2 nửa chu kỳ và mạch hoạt động tương tự như Push-pull Converter. - Chế độ hoạt động của các diode tương tự như Push-pull Converter Hàm truyền của Half-Bridge Converter: Vout 2D = Vin n 1.2.3. Boost Converter
Hình 1.7: Boost Converter Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch băm xung 1 chiều cơ bản có thể đưa ra điện áp lớn hơn điện áp vào. Khóa S được mắc song song với điện áp vào. Khi S đóng, năng lượng được tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode D khóa. Khi S khóa, D dẫn và năng lượng này được truyền đến đầu ra. Hàm truyền của Boost Converter : Vout 1 = Vin 1 - D Boost Converter không có dạng có biến áp cách ly. 1.2.4. Buck-Boost Converter
Hình 1.8: Buck-Boost Converter Buck-Boost Converter kết hợp khả năng của Boost Converter và Buck Converter khi có thể tạo ra điện áp ra lớn hơn hoặc bé hơn điện áp vào trong một khoảng cho phép. Khi S đóng, dòng điện nạp năng lượng cho cuộn cảm L, diode D khóa. Lúc S khóa, D dẫn dòng từ cuộn cảm và tụ C cũng phóng điện. Hàm truyền của Buck-Boost Converter : Vout 𝐷 = Vin 1 - D Buck-Boost Converter có một dạng có biến áp cách ly rất phổ biến là Flyback Converter 1.2.5. Flyback Converter Flyback converter sẽ được nghiên cứu kỹ ở chương sau. 1.3. Các chế độ dòng điện ([2])
Như đã phân tích ở trên, trong tất cả các mạch băm xung, luôn xuất hiện mạch lọc LC với nhiệm vụ san bằng điện áp ra. Tác dụng của RC có thể được hiểu theo nguyên tắc: chúng nạp năng lượng khi S đóng và giải phóng năng lượng này khi S ngắt nhằm duy trì năng lượng cho tải. Trong đó, cuộn cảm L đóng vai trò giữ cho dòng không đổi để đầu ra có dạng 1 chiều. Khi S đóng , dòng qua L không tăng đột ngột mà tăng dần theo hiện tượng cảm ứng điện từ và khi S khóa, dòng cũng không giảm đột ngột mà giảm dần. Trong thực tế, có 3 chế độ dòng có thể xảy ra cho cuộn cảm: - Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): IL tăng từ giá trị Ivalley đến giá trị Ipeak rồi lại giảm xuống Ivalley khi S khóa. Do dòng không bao giờ về 0 nên chế độ này được gọi là chế độ dòng liên tục. - Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): I L tăng từ 0 đến Ipeak khi S đóng và khi S khóa, dòng giảm về 0 trước khi S đóng lại trong chu kỳ tiếp theo. - Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode hoặc CRM- critical conduction mode) : mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sao cho khi thất IL vừa giảm về 0, S sẽ đóng để nạp lại cho L, tức là năng lượng của L sẽ được giải phóng hết trước chu kỳ tiếp theo. Hình 1.9: Ba chế độ dòng qua cuộn cảm
Những tính toán cụ thể cho thấy rằng việc lựa chọn L sẽ ảnh hưởng đến chế độ dòng điện qua nó. Có một giá trị Lb để xác định ranh giới hai chế độ CCM và DCM. Trường hợp cụ thể với Flyback Converter sẽ được xét ở chương sau. 1.4. Các nguyên lý điều khiển [1] Các bộ băm xung phải đưa ra được điện áp mong muốn trong điều kiện tải hoặc điện áp đầu vào thay đổi. Như đã biết, để thay đổi điện áp đầu ra, cần thay đổi tỉ số làm việc D, tức là thay đổi khoảng thời gian đóng mở của công tắc bán dẫn. Từ đó, có thể thiết lập một mạch vòng kín để điều khiển như hình vẽ: Hình 1.10: Nguyên tắc điều khiển điện áp Trên hình là nguyên tắc điều khiển cơ bản của các bộ băm xung 1 chiều, nguyên tắc điều khiển điện áp. Điện áp ra được đo về và so sánh với điện áp đặt mong muốn. Sau đó sai lệch được khuếch đại và đưa vào so sánh với xung răng cưa có tần số cùng với tần số đóng cắt của S (nguyên lý PWM), và đưa ra xung đóng mở S. Về mặt nguyên tắc, có thể hiểu mạch hoạt động như sau: ví dụ với Buck converter nếu Vout cao hơn mong muốn thì khóa S, nhỏ hơn thì mở S, Vout sẽ dao động liên tục quanh giá trị mong muốn. Nguyên tắc điều khiển điện áp có ưu điểm lớn về sụ linh hoạt và độ đơn giản. Bộ điều khiển sẽ phản ứng cực nhanh với tất cả những biến đổi của tải. Tuy nhiên nếu điện áp vào thay đổi thì sẽ rất lâu bộ điều khiển mới phát hiện và phản ứng với sự thay đổi đó. Có thể nguyên tắc điều khiển dòng điện để khắc phục điều này.
Hình 1.10: Nguyên tắc điều khiển dòng điện Ở đây, dòng điện qua công tắc hoặc qua cuộn dây, được phản hồi về dưới dạng tín hiệu điện áp, và đưa về bộ so sánh thay cho tín hiệu xung răng cưa. Trạng thái đầu vào của bộ băm xung được phản ánh qua tín hiệu dòng điện này, do đó bộ điều khiển theo nguyên tắc dòng điện phản ứng rất nhanh với cả thay đổi của tải và thay đổi đầu vào. Tuy nhiên một nhược điểm lớn của nguyên tắc này là sự phức tạp của nó. 1.5. Vấn đề lựa chọn dạng mạch băm xung([2],[3]) Các dạng mạch băm xung khác nhau có những ưu và nhược điểm khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu về điện áp vào, điện áp ra, công suất thiết kế, giá thành… mà người thiết kế sẽ chọn ra dạng mạch phù hợp cho mình. Các tài liệu có đưa ra các bảng sau để tham khảo: Bảng 1.1: Lựa chọn dạng mạch băm xung
Bảng 1.2: Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng từng dạng mạch
Chương II: Flyback Converter Flyback Converter là một trong những mạch băm xung phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Nó có những ưu điểm chính như đơn giản, giá thành thấp, an toàn, phù hợp với những ứng dụng dân dụng có công suất không cao và không yêu cầu khắt khe về độ đập mạch. 2.1.Sơ đồ nguyên lý và hoạt động: Hình 2.1: Sơ đồ cơ bản của Flyback Converter Flyback converter được phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn cuộn cảm tích lũy năng lượng được thay bằng cuộn sơ cấp của máy biến áp. Máy biến áp được đấu ngược đầu như hình vẽ. Diode D được nối vào sau cuộn thứ cấp. 2.1.1. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ CCM Khi phân tích, các điều kiện được coi là lý tưởng. Các yếu tố thực tế sẽ được xét ở chương sau. Khi S thông: Khi khóa S thông, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp. Cuộn cảm trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng dần từ Ivalley đến Ipeak theo tỉ lệ dI/dt = Vin/LP.Với thời gian dẫn là ton, ta có:
Ở phía thứ cấp, do cực Anode của D được nối vào đầu âm của cuộn thứ cấp (máy biến áp mắc ngược) nên D khóa, cuộn thứ cấp không có dòng điện. Ta có mạch tương đương như hình vẽ: Hình 2.2: Mạch tương đương khi S đóng Lúc này điện áp ra được duy trì nhờ năng lượng tích trữ trên tụ C từ trước, do đó điện áp phân cực ngược của D: Với N =1/n = N2/N1 Khi S khóa: Khi S khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấp, điện áp trên cuộn sơ cấp ngay lập tức bị đảo ngược, và trên cuộn thứ cấp điện áp cũng đảo chiều, dẫn đến việc D phân cực thuận và ta có mạch tương đương sau:
Hình 2.3: Mạch tương đương khi S thông Điện áp trên cuộn thứ cấp lúc này bằng điện áp ra Vout và cuộn sơ cấp sẽ cảm ứng một điện ápVr = Vout /N. Do đó,điện áp rơi trên cực D và cực S của MOSFET là: Vr được gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấp đã gây ra điện áp trên cuộn sơ cấp. Đây cũng là nguồn gốc của cái tên Flyback Converter. Điện áp trên cuộn sơ cấp làm cho dòng qua nó giảm theo tỉ lệ dI/dt = -Vr/Lp .Do đó ta có: Kết hợp hai phương trình quan hệ Ivalley và Ipeak ta có:
Đây là hàm truyền đạt của Flyback Converter. Nó có dạng tương tự như của Buck-Boost Converter nhưng thêm hệ số N. Việc điều chỉnh D sẽ có thể đưa ra điện áp ra lớn hoặc bé hơn điện áp vào một cách tùy ý. 2.1.2. Flyback Transformer. Biến áp của mạch Flyback không hoạt động như các biến áp thông thường. Có thể thấy cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không bao giờ cùng dẫn dòng. Sự hiện diện của biến áp ở đây chỉ có ý nghĩa tích trữ năng lượng trên cuộn sơ cấp và cách ly input/output mà thôi. Vì vậy, trong một số chương trình mô phỏng, hoặc để dễ hiểu, người ta thường vẽ biến áp Flyback như sau: Hình 2.4: Mạch tương đương của biến áp Flyback Trong sơ đồ này, biến áp lý tường thông thường được sử dụng và cuộn cảm Lms để đại diện cho mặt tích trữ năng lượng của biến áp. Một điểm cần chú ý khác là trong biến áp Flyback chỉ hoạt động trên 1 nửa của đường cong từ hóa B-H nên cần có khe hở không khí lớn để tránh bão hòa từ. Điều này dẫn đến thể tích của biến áp sẽ tăng rất lớn đối với các mạch có công suất cao. Đó là một hạn chế của Flyback Converter. 2.1.3. Phân tích hoạt động của Flyback Converter ở chế độ DCM Ở chế độ DCM, Flyback Converter hoạt động với nguyên tắc tương tự. Tuy nhiên, có 3 giai đoạn trong quá trình hoạt động ở chế độ này.
- Khi S dẫn, các đại lượng trong mạch biến thiên tương tự như ở CCM, chỉ có điều dòng Ip tăng từ 0 cho đến Ipeak. - Giai đoạn thứ 2 là từ khi S khóa cho đến dòng về 0, dòng trong mạch biến thiên với các phương trình tương tự như ở chế độ CCM, chỉ có điều Ip giảm dần về 0. - Giai đoạn thứ 3 là giai đoạn Ip =0 khi S khóa, lúc này D cũng khóa và cả cuộn sơ cấp lẫn thứ cấp đều không có dòng điện. Kết quả tính toán đưa ra được biểu thức hàm truyền đạt sau: Với n = 1/N, RL là điện trở tải. fs là tần số băm xung, Lms = Lp /n2 = Lm/n2 là điện cảm cuộn thứ cấp. Có thể thấy tỉ số truyền của chế độ DCM phụ thuộc vào tải. 2.1.4.Các giá trị biên giữa CCM và DCM Có một giá trị của tỉ số làm việc D xác định biên giới giữa hai trạng thái. Giá trị đó được tính theo công thức sau: Có thể coi DB là hàm của VO và IO hoặc RL và Lms. Ở chế độ CCM, hàm truyền M không phụ thuộc vào tải trong khi ở chế độ DCM, M phụ thuộc vào tải hoặc dòng đầu ra. Có thể thấy rõ hơn ở hai đồ thị dưới đây (các đồ thị được vẽ khi không tính đến tổn hao):
Hình 2.5 : Đồ thị phụ thuộc của D vào dòng tải IO/(VO/2f s Lms ) đối với các hàm truyền có giá trị cố định
Hình 2.6 : Đồ thị phụ thuộc của D vào điện áp tải RL /(2f s Lms ) đối với các hàm truyền có giá trị cố định 2.1.5.Các yếu tố tổn hao và mạch đệm cho MOSFET 2.1.5.1. Các đại lượng ký sinh. Trong mạch băm xung một chiều, các đại lượng ký sinh là không thể không xét đến. Chúng không những gây ra tổn hao mà còn là nguyên nhân của các dao động ký sinh, gây nhiễu trong hệ thống và làm quá dòng hoặc quá áp, ảnh hưởng đến các thiết bị trong mạch. Các yếu tố này bao gồm: - Điện cảm ký sinh trong cuộn sơ cấp Lleak. Điện cảm này không gây hỗ cảm lên cuộn sơ cấp mà chỉ tích trữ năng lượng. Thông thường Lleak = (2-5)% Lm. - Tụ ký sinh trên cuộn dây máy biến áp. - Tụ ký sinh trên MOSFET - Điện trở cuộn dây.