Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi điện DC - Phần 2: Biến đổi DC không liên tục

11 CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC o GIỚI THIỆU o CÁC BỘ BIẾN ðỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 1.Mạch biến ñổi giảm áp (Buck Converter) 2.Mạch biến ñổi tăng áp (Boost Converter) 11:55 AM 2
Ở trên ta xét đến trường hợp dòng liên tục: là dòng trong cuộn cảm lúc nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ.
Dòng liên tục không phải là điều kiện cần để bộ chuyển đổi hoạt động. Một cách phân giải khác cần thiết là trường hợp dòng không liên tục. GIỚI THIỆU 11:55 AM 3 • Sơ ñồ dạng sóng Dạng sóng dòng điện và điện áp của mạch Boost converter hoạt động ở chế độ không liên tục. GIỚI THIỆU 11:55 AM 4
Trong trường hợp năng lượng điện tích trữ trong cuộn dây cung cấp không đủ cho tải trong giai đoạn Toff thì sẽ có một khoảng thời gian dòng điện đi qua cuộn dây bằng 0. Điểm khác biệt so với trường hợp trên là cuộn dây xả hết trong giai đoạn cuối của chu kỳ. GIỚI THIỆU 11:55 AM 25
Mặc dù nhỏ nhưng nó cũng tạo nên sự khác biệt. Dòng điện đi qua cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ là bằng 0, dòng ILmax (với t=D.T) là: L DTV I i L = max
Trong trạng thái OFF, dòng IL giảm về 0 sau khoảng thời gian δ.T : ( ) 0 max = − + L TVV I oi L δ GIỚI THIỆU 11:55 AM 6 •Từ hai phương trình trên ta tính được: •Dòng Io đi qua tải bằng với dòng đi diode D: •Thay ILMax và δ ở trên vào ta được: •Rút gọn ta được: GIỚI THIỆU io i VV DV − =δ 2 maxL Do I II == ( )io i io ii o VVL TDV VV DV L DTV I − = − = 22 22 o i i o LI TDV V V 2 1 2 += •Từ biểu thức trên ta thấy điện áp Vout của chế độ không liên tục không những phụ thuộc vào chu kỳ mà còn phụ thuộc vào giá trị của cuộn dây, điện áp Vin và Io. 11:55 AM 7 • Giới hạn của Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục và không liên tục: GIỚI THIỆU 11:55 AM 8 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Sơ ñồ nguyên lý • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC RVo S - L + Vidc - D Diode Schottky + C 11:55 AM 39 S D1 C R L + - Vidc 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Chế ñộ ON dt di LVVVVVV LiLLi =−=⇒+= 00 Khi S đóng, do diode phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng: ( )( ) )1(0 0 DT L VV i L VV DT i t i dt di i swonL iLLL       − =∆⇒ − = ∆ = ∆ ∆ = CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 10 L S D1 C R + - Vidc 1. Mạch biến ñổi giảm áp • 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: L V dt di dt di LVV LLL 0 0 − =⇒=−= ( ) )2( 0 T L V i swoffL δ      −=∆⇒ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC L V T i t i OFF LL 0−= ∆ = ∆ ∆ Thời gian OFF chỉ có giá tri trong khoảng δ: 11:55 AM 11 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t S δTTON vL iL -Vo vi ILmax IL DT T vi-vo t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 12 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t S δTTON vL iL -Vo vi ILmax IL DT T vi-vo t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 413 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t S δTTON vL iL -Vo vi ILmax IL DT T vi-vo t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 14 1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp t t t S δTTON vL iL -Vo vi ILmax IL DT T vi-vo t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 15 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Dạng sóng Hệ thức giữa dòng cuộn cảm và dòng nguồn được tính trước hết là cho điện thế trung bình của cuộn cảm bằng không cho chu kỳ hoạt động. Điện thế cuộn cảm theo hình: t t t S δTTON vL iL -Vo vi ILmax IL DT T vi-vo t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 16 1. Mạch biến ñổi giảm áp ( ) ( ) 0)2()1( 0 00 =      −      − ⇒+ =∆+∆ T L V DT L VV ii i swoffLswonL δ 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: ( ) ( ) TVDTVVTVDTVV ii δδ 0000 0 =−⇒=−−       + = δD D V V i 0 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 517 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Kết hợp lại: • Vì dòng bắt đầu bằng không, dòng cực đại bằng với sự thay đổi dòng trong suốt thời gian bật S đóng. Khi bật đóng, điện thế cuộn cảm là: kết quả là: R V II RL 0== ( )δδ +=      += DITIDTI T I L maxmaxmax 2 1 2 1 2 11 ( ) )3( 2 1 0 max R V DI =+δ 0VVv iL −= DT I DT i t i L VV dt di LLiL max0 = ∆ = ∆ ∆ = − = • Dòng Imax: L TV DT L VV iI iL δ00 max =      − =∆= CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 18 1. Mạch biến ñổi giảm áp • Thay Imax vào (3): Giải phương trình ta được: Giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục xảy ra khi δ = (1 – D). Nhớ lại rằng điều kiện xảy ra tại giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục là Imin = 0 ( ) ( ) R V D L TV DI 00max 2 1 2 1 =+      =+ δ δ δ             ++ =      + = RT L DD D V D D VV ii 8 2 2 0 δ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 19 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Sơ ñồ nguyên lý • Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R. • Các giả thiết khi phân giải: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC R L Vo D1 Diode Schottky - S + Vidc - + C 11:55 AM 20 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Chế ñộ ON Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi: + - Vidc C R VL=Vi S D1 L V dt di dt di LVV iLLiL =⇒== L V DT i t i iLL = ∆ = ∆ ∆ ( ) )4( L DTV i i swonL =∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 621 2. Mạch biến ñổi tăng áp • 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: D1 R C + - Vidc S VL=Vi-Vo L VV dt di dt di LVVV iLLiL 0 0 − =⇒=−= L VV T i t i iLL 0−= ∆ = ∆ ∆ δ ( ) ( ) )5(0 L TVV i i swoffL δ− =∆ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 22 2. Mạch biến ñổi tăng áp t t t S δTTON vL iL Vi-Vo ILmax IL DT T vi t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 23 2. Mạch biến ñổi tăng áp t t t S δTTON vL iL Vi-Vo ILmax IL DT T vi t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 24 2. Mạch biến ñổi tăng áp t t t S δTTON vL iL Vi-Vo ILmax IL DT T vi t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 725 2. Mạch biến ñổi tăng áp t t t S δTTON vL iL Vi-Vo ILmax IL DT T vi t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 26 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Dạng sóng ( ) ( ) 0=∆+∆ OFFLONL ii Do sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không: t t t S δTTON vL iL Vi-Vo ILmax IL DT T vi t ii CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 27 2. Mạch biến ñổi tăng áp Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (4) và (5) ta được: ( ) ( ) ( ) 0)5()4( 0 0 = − +⇒+ =∆+∆ L TVV L DTV ii ii swoffLswonL δ ( ) 00 =−+ TVVDTV ii δ       += δ δD VV i0 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 28 2. Mạch biến ñổi tăng áp • Dòng điện trung bình qua diode: • Dòng điện Imax: • Thay Imax vào ID: • Thay D1 và rút gọn: δδ maxmax 2 1 2 11 ITI T ID =     = L DTV iI iL =∆=max R V L DTV I iD 0 2 1 =      = δ             =⇒ RDT L V V i 20δ 0 2 2 0 2 0 =−      −      L RTD V V V V ii         ++= L RTD V V i 2 0 211 2 1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 829
Giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục khi δ =1 – D. Điều kiện khác tại giới hạn là khi Imin = 0.
Khi bộ chuyển đổi tăng thế hoạt động theo kiểu dòng liên tục hay không liên tục tùy thuộc vào sự tổ hợp thông số mạch bao gồm tỉ số định dạng D. Khi D thay đổi với một bộ chuyển đổi tăng thế cho sẵn thay đổi có thể đi vào hay đi ra khỏi kiểu không liên tục. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC 11:55 AM 30
Là thiết bị cung cấp nguồn một chiều thay đổi được, các tải của bộ biến đổi xung áp một chiều cũng chính là tải của sơ đồ chỉnh lưu nhưng bộ biến đổi lại làm việc với nguồn một chiều. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của hai bộ biến đổi thật sự không trùng nhau. Các ứng dụng của bộ biến đổi xung áp một chiều có thể chia làm hai nhóm:
Sử dụng nguồn một chiều áp không đổi
Sử dụng nguồn một chiều chỉnh lưu diode từ lưới xoay chiều công nghiệp ỨNG DỤNG 11:55 AM 31 ẢNH HƯỞNG LINH KIỆN LÊN DẠNG SÓNG Khi linh kiện không lý tưởng dạng sóng ra có dạng như hình 11:55 AM 32 ẢNH HƯỞNG LINH KIỆN LÊN DẠNG SÓNG Sử dụng mạch sửa dạng sóng D3L1 1uH D2 C G R2 1k C1 1uF L S R1 1k D1 R 11:55 AM 933 ẢNH HƯỞNG LINH KIỆN LÊN DẠNG SÓNG Dạng sóng ra sau khi qua mạch sửa dạng sóng 11:55 AM 34 BỘ CẤP ðIỆN DC CƠ BẢN 11:55 AM