Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC (Phần 1)

CHƯƠNG3:BINĐIDC GI ỚI THI ỆU o GIITHIU • Dòng liên tục là dòng trong cuộn cảm lúc o CÁCBBINðIDÒNGLIÊNTC nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ. 1. Mch bin ñi gim áp (BuckConverter) • Để có điện áp DC lớn người ta thường ghép nhiều bộ nối tiếp nhau. 2. Mch bin ñi tăng áp (BoostConverter) • Mạch boost converter có thể tăng điện áp 3. Mch bin ñi tăng gim áp và thay thế các viên pin. 11:53 AM 1 11:53 AM 2 GI ỚI THI ỆU CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 1. Mch bin ñi gim áp • Sơ ñ nguyên lý • Với hai viên pin ta có 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 có 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 1. Mch bin ñi gim áp 1. Mch bin ñi gim áp • Ch ñ ON • Ch ñ OFF Khi S đóng, do diode phân cực nghịch nên Khi bật hở, diode trở nên phân cực thuận nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. dẫn, và do đó cho dòng 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 1. Dngsóngmchbinñigimáp 1. Dngsóngmchbinñigimáp 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 1. Dngsóngmchbinñigimáp 1. Dngsóngmchbinñigimáp 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 1. Mch bin ñi gim áp 1. Mch bin ñi gim áp T T ON OFF Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện • Dng sóng S t cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán 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 dòng điện chạy t cộng trong dòng cuộn cảm trên 1 chu kỳ là V qua cuộn cảm khi S o bằng không: iL ILmax đóng và khi S hở là (iL )swon + (iL )swoff = 0 IL=I O iL I Vi −V0  V0  bằng không: 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 1. Mch bin ñi gim áp 2. Mch bin ñi tăng áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: • Sơ ñ nguyên lý L D1 V I = I = 0 L R R Diode Schottky + • Dòng 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 sóng ngõ ra: = 2 V0 8LCf • Các giả thiết khi phân giải: 11:53 AM 13 11:53 AM 14 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 2. Mch bin ñi tăng áp 2. Mch bin ñi tăng áp • Ch ñ ON • Ch ñ OFF Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện dòng 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 2. Dngsóngmchbinñităngáp 2. Dngsóngmchbinñităngáp 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 2. Dngsóngmchbinñităngáp 2. Dngsóngmchbinñităngáp 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 2. Mch bin ñi tăng áp 2. Mch bin ñi tăng áp TON TOFF • Dng sóng S Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng t v DT T cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, Do sự thay đổi tổng L theo (3) và (4) ta được: Vi cộng dòng 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 đóng và khi S hở là Lmax L L IL iL I bằng không: 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 2. Mch bin ñi tăng áp 3. Mch bin ñi tănggim áp • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: • Sơ ñ nguyên lý S D1 Vi I L = ()1− D 2 R Diode Schottky + • Dòng 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 sóng ngõ ra: 0 = • Các giả thiết khi phân giải: V0 RCf 11:53 AM 23 11:53 AM 24 6 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 3. Mch bin ñi tănggim áp 3. Mch bin ñi tănggim áp • Ch ñ ON • Ch ñ OFF Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên Khi S hở, dòng trong cuộn cảm không thay ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện đổi tức thời, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 3.Dngsóngbbinñitănggimáp 3.Dngsóngbbinñitănggimáp 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 3.Dngsóngbbinñitănggimáp 3.Dngsóngbbinñitănggimáp 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 3. Mch bin ñi tănggim áp 3. Mchbinñitănggimáp TON TOFF • Dng sóng S Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng Tùy theo bật S đóng t cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, 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 đó sẽ V V DT V ()1− D T • Nếu D > 0,5: điện thế ra o ⇒ i + 0 = 0 i L L L cấp dòng 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 có trị i = 0 • Nếu D < 0,5: điện thế ra 0 Lswoff L âm. Ta có 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 3. Mchbinñitănggimáp 4. B chuyn ñi C’uk • Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: • Sơ ñ 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 • Dòng 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 sóng ngõ ra: V0 = = • RC RCf • Các giả thiết khi phân giải: 11:53 AM 33 11:53 AM 34 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 4. B chuyn ñi C’uk 4. B chuyn ñi C’uk • Ch ñ ON • Ch ñ OFF Ta có các mạch tương đương khi S đóng như ở hình Ta có các mạch tương đương khi S đóng 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 không Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng không 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC 4. BchuynñiC’uk 4. BchuynñiC’uk Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất • Lưu ý rằng các linh kiện L2, C2 và R có cùng cấu cấp điện: hình như bộ chuyển đổi hạ thế và dòng qua cuộn cảm có cùng dạng với bộ chuyển đổi hạ thế. Do đó, [(i ) ]DT + (i ) (1− D)T = 0 độ dợn sóng 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 sóng 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 CÁCBBINĐIDÒNGLIÊNTC NGMCHBINĐIDC 4. BchuynñiC’uk: 4. MchbămxungápdùngSCR: G T S • Sự tăng giảm của dòng qua cuộn cảm có thể tính + bằng cách xem điện thế cuộn cảm khi bật S đóng: 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 đóng: - D L di - v = V + ()V −V = V = L L2 L2 0 i 0 i 2 dt Vi DT Vi D • Dòng điện iL2 là: iL2 = = L2 L2 f Trạngtháibanđầu:TvàT n đềubịkhoá,tụđiệnC • Với dòng liên tục trong cuộn cảm, dòng trung đượcnạpđiện,bảncựcdươngởphíabêntrênnhư bình phải lớn hơn 1/2 sự thay đổi trong dòng. Ta có 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 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 dòng điện chạy qua, - D L cực của tụ điện Clên T tức là Sđóng kín mạch. khiến Tbị khoá lại và S hở mạch,V o=0. Dòng điện từ nguồn Echạy quaT,quatải và trở Gọi Tvà chu kỳ băm :T=T 1 +T 2 về nguồn.Đồng thời tụ điện Cphóng điện theo T =DT:là thời gian Sđóng 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 Thông thường mạch tải có 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 dòng i tăng. thường dùng diode hoàn 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 phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói Như vậy,bằng cách làm biến đổi tỉ số chu kỳ D (trong khi giữ cho chu kỳ băm T=const)có thể trên, khi dòng io suy giảm. Lúc đầu, dòng tải io= điều chỉnh được trị trung bình của điện áp đặt trên 0. Dòng i được xác lập dần. Qua một vài chu kỳ, tải. o dòng io sẽ biến động giữa hai giá trị biên I1 và I2 . 11:53 AM 43 11:53 AM 44 11 BINðIDC DÒNGKHÔNGLIÊN TC 11:53 AM 45 12