Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC

Nội dung text: Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC

1. CHƯƠNG3:BINĐIDC GI ỚI THI ỆU o GIITHIU • Dịng liên tục là dịng trong cuộn cảm lúc o CÁCBBINðIDỊNGLIÊNTC nào cũng cĩ trị dương trong tồn chu kỳ. 1. Mch bin đi gim áp (BuckConverter) • Để cĩ điện áp DC lớn người ta thường ghép nhiều bộ nối tiếp nhau. 2. Mch bin đi tăng áp (BoostConverter) • Mạch boost converter cĩ thể tăng điện áp 3. Mch bin đi tăng gim áp và thay thế các viên pin. 11:53 AM 1 11:53 AM 2 GI ỚI THI ỆU CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 1. Mch bin đi gim áp • Sơ đ nguyên lý • Với hai viên pin ta cĩ thể dùng mạch L S Boost converter tăng điện áp lên để sử + + D C Vo R dụng cho các xe điện và hệ thống đèn Vidc Diode Schottky - trang trí. - • Để cĩ điện áp DC lớn người ta thường • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. ghép nhiều bộ nối tiếp nhau. • Các giả thiết khi phân giải: 11:53 AM 3 11:53 AM 4 1
2. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 1. Mch bin đi gim áp 1. Mch bin đi gim áp • Ch đ ON • Ch đ OFF Khi S đĩng, do diode phân cực nghịch nên Khi bật hở, diode trở nên phân cực thuận nên ngưng, ta cĩ dịng điện chạy qua cuộn cảm. dẫn, và do đĩ cho dịng điện cuộn cảm chạy Điện thế cuộn cảm bằng: qua hình. Điện thế qua cuộn cảm khi bật hở: diL L L Vi = VL +V0 ⇒ VL = Vi −V0 = L dt S di di −V S V = −V = L L ⇒ L = 0 di V −V L 0 L = i 0 dt dt L + + dt L C C i i −V D1 R L = L = 0 D1 R di i i V −V Vidc Vidc L = L = L = i 0 t ()1− D T L dt t DT L  V  - ⇒ i = − 0 1− D T )2( - V −V  L()swoff  () i 0  L  ⇒ ()iL swon =  DT )1( ()  L  11:53 AM 5 11:53 AM 6 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 1. Dngsĩngmchbinđigimáp 1. Dngsĩngmchbinđigimáp TON TOFF TON TOFF S S t t vL DT T vL DT T Vi Vi ViVo ViVo t t Vo Vo iL iL ILmax ILmax IL=I O iL IL=I O iL ILmin ILmin t t iC iC iC iC t t 11:53 AM 7 11:53 AM 8 2
3. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 1. Dngsĩngmchbinđigimáp 1. Dngsĩngmchbinđigimáp TON TOFF TON TOFF S S t t vL DT T vL DT T Vi Vi ViVo ViVo t t Vo Vo iL iL ILmax ILmax IL=I O iL IL=I O iL ILmin ILmin t t iC iC iC iC t t 11:53 AM 9 11:53 AM 10 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 1. Mch bin đi gim áp 1. Mch bin đi gim áp T T ON OFF Hoạt động thường trực địi hỏi dịng điện • Dng sĩng S t cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hốn bằng với vL DT T V Do sự thay đổi tổng i trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng ViVo cộng dịng điện chạy t cộng trong dịng cuộn cảm trên 1 chu kỳ là V qua cuộn cảm khi S o bằng khơng: iL ILmax đĩng và khi S hở là (iL )swon + (iL )swoff = 0 IL=I O iL I Vi −V0  V0  bằng khơng: Lmin )1( + )2( ⇒  DT −  ()1− D T = 0 t  L   L  iC ton iL()()ON + iL OFF = 0 V0 = DVi = Vi ⇔ V0 < Vi T iC t Vi −V0   (V0 D)−V0  V0 ()iL swon =  DT =  DT = ()1− D T ()  L   L  L 11:53 AM 11 11:53 AM 12 3
4. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 1. Mch bin đi gim áp 2. Mch bin đi tăng áp • Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: • Sơ đ nguyên lý L D1 V I = I = 0 L R R Diode Schottky + • Dịng điện max và min qua cuộn cảm: + S C Vo R  1 1− D   1 toff   1 1− D   1 toff  ( )   ( )   Vidc 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 Lmin = R = R • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. 2 f 2 V0 1− D • Độ dợn sĩng ngõ ra: = 2 V0 8LCf • Các giả thiết khi phân giải: 11:53 AM 13 11:53 AM 14 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 2. Mch bin đi tăng áp 2. Mch bin đi tăng áp • Ch đ ON • Ch đ OFF Khi S đĩng, diode phân cực nghịch nên Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho ngưng, dịng điện qua cuộn L tạo nên điện dịng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của thế V cho bởi: cuộn cảm VL: L diL diL Vi −V0 VL = Vi −V0 = L ⇒ = diL diL Vi dt dt L VL=Vi VL = Vi = L ⇒ = D1 dt dt L VL=Vi-Vo D1 + i i V −V + L L i 0 C iL iL Vi = = = = C t ()1− D T L Vidc t DT L S Vidc R S R (Vi −V0 )(1− D)T - ()iL swoff = )4( Vi DT - L ()i = )3( L swon L 11:53 AM 15 11:53 AM 16 4
5. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 2. Dngsĩngmchbinđităngáp 2. Dngsĩngmchbinđităngáp TON TOFF TON TOFF S S t t vL DT T vL DT T Vi Vi t t ViVo ViVo iL iL ILmax ILmax IL iL IL iL ILmin ILmin t t iD iD Imax Imax Imin Imin t t 11:53 AM 17 11:53 AM 18 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 2. Dngsĩngmchbinđităngáp 2. Dngsĩngmchbinđităngáp TON TOFF TON TOFF S S t t vL DT T vL DT T Vi Vi t t ViVo ViVo iL iL ILmax ILmax IL iL IL iL ILmin ILmin t t iD iD Imax Imax Imin Imin t t 11:53 AM 19 11:53 AM 20 5
6. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 2. Mch bin đi tăng áp 2. Mch bin đi tăng áp TON TOFF • Dng sĩng S Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng t v DT T cộng dịng trong cuộn cảm phải bằng khơng, Do sự thay đổi tổng L theo (3) và (4) ta được: Vi cộng dịng điện chạy t (iL )swon + (iL )swoff = 0 qua cuộn cảm khi S ViVo iL Vi DT (Vi −V0 )(1− D )T I )3( + )4( ⇒ + = 0 đĩng và khi S hở là Lmax L L IL iL I bằng khơng: Lmin V t V = i 0 1− D iD Imax iL()()ON + iL OFF = 0  Vi  Vi − ()1− D T (Vi −V0 )(1− D )T  1− D  Vi DT Imin iLswoff = = = t L L L 11:53 AM 21 11:53 AM 22 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 2. Mch bin đi tăng áp 3. Mch bin đi tănggim áp • Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: • Sơ đ nguyên lý S D1 Vi I L = ()1− D 2 R Diode Schottky + • Dịng điện max và min qua cuộn cảm: +  i  V V DT i V V DT L C Vo R I = I + L = i + i  L  i i Vidc max L   2 I min = 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 • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. ()Lf = ⇒ L = min 2 min 2 f V D • Độ dợn sĩng ngõ ra: 0 = • Các giả thiết khi phân giải: V0 RCf 11:53 AM 23 11:53 AM 24 6
7. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 3. Mch bin đi tănggim áp 3. Mch bin đi tănggim áp • Ch đ ON • Ch đ OFF Khi S đĩng, diode phân cực nghịch nên Khi S hở, dịng trong cuộn cảm khơng thay ngưng, dịng điện qua cuộn L tạo nên điện đổi tức thời, diode phân cực thuận nên dẫn cho dịng qua tụ và tải tạo nên điện thế của thế VL cho bởi: di di V V = V = L L ⇒ L = i cuộn cảm VL: di di V L i dt dt L V = V = L L ⇒ L = 0 S D1 L 0 S D1 dt dt L + iL iL Vi + C = = i i V t DT L C L = L = 0 Vidc L Vidc t ()1− D T L R L - R Vi DT - ()iL swon = )5( V0 (1− D)T L ()iL swoff = )6( L 11:53 AM 25 11:53 AM 26 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 3.Dngsĩngbbinđitănggimáp 3.Dngsĩngbbinđitănggimáp TON TOFF TON TOFF S S t t vL DT T vL DT T Vi Vi t t Vo Vo iL iL ILmax ILmax IL iL IL iL ILmin ILmin t t 11:53 AM 27 11:53 AM 28 7
8. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 3.Dngsĩngbbinđitănggimáp 3.Dngsĩngbbinđitănggimáp TON TOFF TON TOFF S S t t vL DT T vL DT T Vi Vi t t Vo Vo iL iL ILmax ILmax IL iL IL iL ILmin ILmin t t 11:53 AM 29 11:53 AM 30 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 3. Mch bin đi tănggim áp 3. Mchbinđitănggimáp TON TOFF • Dng sĩng S Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng Tùy theo bật S đĩng t cộng dịng trong cuộn cảm phải bằng khơng, vL DT T hay mở sẽ cung cấp theo (5) và (6) ta được: Vi điện làm diode ngưng t (iL )swon + (iL )swoff = 0 hay dẫn và do đĩ sẽ V V DT V ()1− D T • Nếu D > 0,5: điện thế ra o ⇒ i + 0 = 0 i L L L cấp dịng cho tải. Do ILmax I i Vi D  D  lớn hơn điện thế vào. L L V = − = −V cách mắc diode nên 0 i   ILmin 1− D 1− D  t V (1− D)T điện thế ra V cĩ trị i = 0 • Nếu D < 0,5: điện thế ra 0 Lswoff L âm. Ta cĩ mạch  V D   i ()1− D T nhỏ hơn điện thế vào. 1− D  Vi DT iL()()ON + iL OFF = 0 = = tương đương ở hình L L 11:53 AM 31 11:53 AM 32 8
9. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 3. Mchbinđitănggimáp 4. B chuyn đi C’uk • Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: • Sơ đ nguyên lý 2 L1 C1 L2  Vi D  2   V0 1− D  Vi D I L = = = 2 + Vi RD Vi RD R 1( − D) + Diode Schottky • Dịng điện max và min qua cuộn cảm: S Vo R Vidc  i  V D V DT D1 C2  iL  Vi D Vi DT L i i I = I +   = + I min = I L −   = 2 − max L 2  2  ()1− D R 2L  2  swon ()1− D R 2L swoff - - • Giá trị cực tiểu cuộn cảm: • Chức năng các linh kiện: S, L1, L2, C1, 2 2 (1− D) R (1− D) R ()Lf = ⇒ L = min 2 min 2 f C2, D1, R. V0 DT V0 D Độ dợn sĩng ngõ ra: V0 = = • RC RCf • Các giả thiết khi phân giải: 11:53 AM 33 11:53 AM 34 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 4. B chuyn đi C’uk 4. B chuyn đi C’uk • Ch đ ON • Ch đ OFF Ta cĩ các mạch tương đương khi S đĩng như ở hình Ta cĩ các mạch tương đương khi S đĩng như ở hình Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định luật Kirchhoff về điện thế luật Kirchhoff về điện thế. Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng khơng Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng khơng iC1=iL1 ở chế độ thường trực L1 iC1=-iL2 L2 ở chế độ thường trực. L1 L2 + + Vc1 = Vi −V0 C2 Vc1 = Vi −V0 C2 S Vs D1 Vs S D1 R i = −I R (ic1 )swoff = I L1 ( c1 )swon L2 - - 11:53 AM 35 11:53 AM 36 9
10. CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC 4. BchuynđiC’uk 4. BchuynđiC’uk Cơng suất hấp thụ của tải bằng với cơng suất • Lưu ý rằng các linh kiện L2, C2 và R cĩ cùng cấu cấp điện: hình như bộ chuyển đổi hạ thế và dịng qua cuộn cảm cĩ cùng dạng với bộ chuyển đổi hạ thế. Do đĩ, [(i ) ]DT + (i ) (1− D)T = 0 độ dợn sĩng hoặc sự thay đổi trong điện thế ra c1 swon [ c1 swoff ] • Nếu D > 0,5: điện thế cũng sẽ bằng với của bộ chuyển đổi hạ thế. : I D ra lớn hơn điện thế vào. V 1− D − I DT + I ()1− D T = 0 ⇒ L1 = 0 = L2 L1 I 1− D V 8L C f 2 L2 • Nếu D < 0,5: điện thế 0 2 2 • Độ dợn sĩng ngõ ra C : I L1 −V0 1 Pi = P0 ⇒ Vi I L1 = −V0 I L2 ⇒ = I L2 Vi ra nhỏ hơn điện thế vào. 2 T V D 1 I L1 Vi  D  0 vc1 ≈ I L1dt = ()1− D T =  HAY vc1 ≈ C ∫DT C RC f 1− D   D  1 1 1   RC1 f V0 = −Vi   1− D  11:53 AM 37 11:53 AM 38 CÁCBBINĐIDỊNGLIÊNTC NGMCHBINĐIDC 4. BchuynđiC’uk: 4. MchbămxungápdùngSCR: G T S • Sự tăng giảm của dịng qua cuộn cảm cĩ thể tính + bằng cách xem điện thế cuộn cảm khi bật S đĩng: C di i V V DT V D + v = V = L L1 L1 = i ⇒ i = i = i Tn Gn R L1 i 1 L1 E E dt DT L1 L1 L1 f Dr TAI Dr • Điện thế qua L2 khi bật S đĩng: - D L di - v = V + ()V −V = V = L L2 L2 0 i 0 i 2 dt Vi DT Vi D • Dịng điện iL2 là: iL2 = = L2 L2 f Trạngtháibanđầu:TvàT n đềubịkhố,tụđiệnC • Với dịng liên tục trong cuộn cảm, dịng trung đượcnạpđiện,bảncựcdươngởphíabêntrênnhư bình phải lớn hơn 1/2 sự thay đổi trong dịng. Ta cĩ ghitrên Hình trị số cực tiểu của các cuộn cảm: (1− D)2 R (1− D)R L = L ,2 min = ,1 min 2Df 2 f 11:53 AM 39 11:53 AM 40 10
11. NGMCHBINĐIDC NGMCHBINĐIDC 4. MchbămxungápdùngSCR: 4. MchbămxungápdùngSCR: T G T G Nếu bây giờ cho xung C C + Choxung điều khiển + kích mở Tn,SCRnày mở, Tn Gn Tn Gn E kích mở T.SCRnày mở E đặt điện áp giữa hai bản TAI TAI Dr Dr - D L cho dịng điện chạy qua, - D L cực của tụ điện Clên T tức là Sđĩng kín mạch. khiến Tbị khố lại và S hở mạch,V o=0. Dịng điện từ nguồn Echạy quaT,quatải và trở Gọi Tvà chu kỳ băm :T=T 1 +T 2 về nguồn.Đồng thời tụ điện Cphĩng điện theo T =DT:là thời gian Sđĩng mạch. mạch CTLDCvà được nạp ngược lại.Điện áp 1 T2 =T– T1 :là thời gian Smở mạch. trên tải và Vo =E. D =T 1/T:là tỉ số chu kỳ. 11:53 AM 41 11:53 AM 42 NGMCHBINĐIDC NGMCHBINĐIDC 4. MchbămxungápdùngSCR: 4. MchbămxungápdùngSCR: Vo Thơng thường mạch tải cĩ chứa điện cảm L. Điện io I 1 2 I1 E cảm này sẽ tích tụ năng lượng điện từW = Lio khi 2 I 2 dịng i tăng. thường dùng diode hồn năng lượng io t o 0 DT 1 T1 T2 V = Edt = DE D , đấu song song ngược với mạch tải để tạo o ∫ T r T 0 đường phĩng điện cho khối năng lượng điện từ nĩi Như vậy,bằng cách làm biến đổi tỉ số chu kỳ D (trong khi giữ cho chu kỳ băm T=const)cĩ thể trên, khi dịng io suy giảm. Lúc đầu, dịng tải io= điều chỉnh được trị trung bình của điện áp đặt trên 0. Dịng i được xác lập dần. Qua một vài chu kỳ, tải. o dịng io sẽ biến động giữa hai giá trị biên I1 và I2 . 11:53 AM 43 11:53 AM 44 11
12. BINðIDC DỊNGKHƠNGLIÊN TC 11:53 AM 45 12