CHƯƠNG 1 Bộ BIẾN ĐỔI DC-DC 1.1 TỔNG QUAN Bộ biến đổi DC/DC được dùng để tạo ra một*điện áp DC ngõ ra với giá trị cố định từ một nguồn điện áp DC ngõ vào thay đổi. Điện áp ngõ ra dùng để cung cấp cho một tải thay đổi. Trong nhiều trường hợp, điện áp DC ngõ vào được tạo ra từ mạch chỉnh lưu điện áp lưới, do vậy điện áp DC thu được vẫn có độ nhấp nhô. Các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu nguồn điện DC không đổi, ví dụ như trong máy tính, các thiết bị đo lường y khoa, các thiết bị thông tin liên lạc, mạch thu vô tuyến, mạch nạp ắc quy.
Các bộ biến đổi DC/DC còn được sử dụng để tạo ra điện áp DC thay đổi để điều khiển tốc độ động cỡ DC. Điện áp ngõ ra trong bộ biến đổi DC/DC thường được điều khiển bằng kỹ thuật đóng ngắt, kỹ thuật này được thể hiện bằng một bộ biến đổi DC/DC cơ bản như hình 1.1: Bộ biến đổi DC/DC cơ bản. Các bộ biến đổi DC/DC ban đầu được gọi là các mạch chopper (mạch băm áp) và sử dụng linh kiện đóng ngắt là các SCR. Các bộ biến đổi DC-DC hiện đại được phân vào nhóm các bộ nguồn kiểu chuyển mạch (SMPS) trong đó sử dụng các linh kiện đóng ngắt là IGBT hoặc MOSFET.
Một bộ nguồn chuyển mạch thường thực hiện một trong các chức năng như sau: Cilíơnt 1: gệ liến BỔI IC-BC • 6IẤ0 Him BIỆHTỬCỒH6SUẤT-IỘBIẾU BỔI (LÝ T8UYẾT-BÀI TẬP) • Làm giảm giá trị điện áp của một nguồn áp DC ngõ vào chưa ổn định để tạo nên một điện áp DC ngõ ra ổn định, bằng cách sử dụng bộ biến đổi Buck (còn gọi là mạch hạ áp). • Làm tăng giá trị điện áp của một nguồn áp DC ngõ vào chưa ổn định để tạo nên một điện áp DC ngõ ra ổn định, bằng cách sử dụng bộ biến đổi Boost (còn gọi là mạch tăng áp). • Trước tiên làm giảm điện áp, sau dó làm tăng điện áp của nguồn DC ngõ vào chưa ổn định dể tạo nên điện áp DC ngõ ra ổn định bằng cách sử dụng bộ biến đổi Buck-Boost. • Đảo ngược điện áp DC ngõ vào bằng bộ biến đổi Cúk.
• Tạo ra nhiều điện áp DC ngõ ra bằng cách sử dụng kết hợp các sơ đồ SMPS. Quá trình điều chỉnh điện áp trung bình ở ngõ ra trong một bộ biến đổi DC/DC là một hàm số theo thời gian dẫn ton của khóa đóng ngắt, theo độ rộng xung, và theo tần số đóng ngắt fs như minh họa ở hình 1. V0,i i i 1ì Vi Vo 11 t ^on foff T* Hình 1.2: Dạng sóng điện áp trong bộ biến đổi DC/DC. ElflO TBiHMBIỆH TỨ CỒH6 SUAT-BQ b ố ĐỔI (LÝ TBOYẾT-BÃI TẬP) CMƯƯH61: Bệ BIẾU BỔI BMC Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng phổ biến để điều khiển điện áp ngõ ra.
Nguyên lý của kỹ thuật PWM Hình 1.3: Nguyên lý của kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). Điện áp ngõ ra phụ thuộc vào hệ số duty cycle D. Duty cycle được xác định bằng công thức: Q tọr> V control ( 1" 1) rs Vrepetitive Trong đó ton là thời gian khóa đóng ngắt ở trạng thái dẫn trong 1 chu kỳ, và Ts là chu kỳ đóng ngắt. Trong kỹ thuật PWM, điện áp điều khiển Vcontroi được so sánh với một điện áp lặp lại ^repetitive như hình 1-3.
Thời gian khóa đóng ngắt ỏ trạng thái dẫn được xác định bằng khoảng thời gian mà.giá trị của Vrepetitive nhỏ hơn Vcontroi- Chu kỳ đóng ngắt của mạch được giữ không đổi trong khi điện áp điều khiển được làm thay đổi để thay đổi thời gian ton và từ đó thay đổi duty cycle của khóa đóng ngắt. Thông thường tần số đóng ngắt của mạch được chọn trên 20 kHz để các nhiễu sinh ra nằm ngoài tần số mà tai người nghe được. Các bộ biến đổi DC/DC hoạt động tại một trong hai trạng thái sau đây, tùy thuộc vào đặc tính của dòng điện ngõ ra: 15 c fllfn t 1: lệ BIẾU Bẩl I H t ■ _ _ _ _ _ _ _ tlÂD T IIN I BIỆH TỬ COM SOẨHỘ BIẾU «ỔI (IỶ TMMVẾT-BÀI TẬP) • Trạng thái dòng điện liên tục. • Trạng thái dòng điện không liên tục.
Trạng thái dòng điện liên tục được xác định bởi dòng điện ngõ ra có giá trị luôn luôn lớn hơn 0 trong toàn bộ 1 chu kỳ đóng ngắt, trong khi đó trạng thái dòng điện không liên tục thì ứng với trường hợp dòng điện ngõ ra giảm về 0 trong một vài khoảng thời gian nhất định trong 1 chu kỳ dóng ngắt. Các chế độ hoạt động này sẽ lần lượt được khảo sát trong các bộ biến đổi Buck và Boost ở các mục tiếp theo.2 MẠCH CHOPPER Mạch chopper (mạch băm áp) là một dạng của bô biến đổi DC/DC được dùng để chuyển đổi năng lượng điện từ một nguon DC này sang một nguồn DC khác (cỏ thể là một tải thụ động. Các bộ biến dái dạng này đudc sử dụng phổ biến trong các bd nguốn ổn áp kiểu chuyển mạch và trong các ứng dụng diều khiển này là các mạch chopper hoạt động ở 1 gdc phần tu, 2 góc phần l 9?,0 phf " tu-. “ hà" “ fin đổi hạ áp (Buck) và bd biến dổi tăng áp (Boost) là các bô biến đái hoat dftnn A 1 bọ a , E v l i H 1 hf 7 * bie" "àỵ sẽ * 0 nên bộ c h ip e r 2 góc phần tư với khả năng đảo chiều dòng điên Bô h iL * p H cầu được tạo nên từ bọ biến đổi hạ áp ẹ d ê d° dạng * Các mạch chopper 1 góc phần tư điện áp DC ngõ ra thường được giữ cố đĩnh t ’• r *run;9' bì= nb của " 1 ? f p n ? v9à o ưvà , f n g 6 và dòng điện ở cả ngõ vào và ngõ ra đêu có glá trị dưòng Chinh vì vậy nià các bộ blén déi này được gọi là mạch chopper 1 góc phần tu.
Phưdng pháp đuọc dùng dé điểu khiển diện áp ngõ ra là điều khiển khóa đỏng ngắt tại một tẩn sô' không đôi, hãy nól khác hơn là tại--một chu kỳ đóng ngắt không đổi (T = ton + t „) II GIÁOTRÌNHBIỆNTỬCỒNGSUẤT-BỘ BIỂN BỔI (LỶ TNOYỂT-BÀI TẬP) CHƯƠH61: >0 IIẼN BỔI BC-BC đồng thời thay đôi khoảng thời gian khóa ở trạng thái dẫn để làm thay đổi trị trung bình điện áp ngõ ra. Phương pháp này được gọi là điêu chê độ rộng xung (PWM), trong đó hệ sô duty cycle d được định nghĩa là tỷ số giữa thời gian khóa dẫn so với chu kỳ đóng ngắt: d = ĩỷ (1 -2 ) Một phương pháp điều khiển khác cũng được sử dụng là điều khiển cả tần số đóng ngắt và thời gian dẫn của khóa đóng ngắt. Phương pháp này được dùng chủ yếu trong các bộ biến đổi sử dụng thyristor chuyển mạch cưỡng bức. Các mạch chopper có 2 chế độ hoạt động khác nhau, mỗi chế độ có các đặc tính khác nhau, đó là chế độ dẫn liên tục và chế độ dẫn không liên tục.
Trên thực tế, mỗi một bộ biến đổi đều có thể vận hành trong cả hai chế độ này. Do vậy phương pháp điểu khiển bộ biến đổi sẽ được thiết kế cho cả hai chế độ. ♦> Bộ biến dổi giảm áp (Buck) Bộ biến đổi giảm áp tạo điện áp ngõ ra với trị trung bình nhỏ hơn điện áp ngõ vào V i n. Sơ đồ một bộ biến đổi giảm áp cơ Hình 1.4: Bộ biến đổi Buck giảm áp.
Trong chế độ dẫn dòng điện liên tục, với khóa đóng ngắt lý tưởng, khi khóa bán dẫn ở trạng thái dẫn trong khoảng thời gian ton, dòng điện cuộn dây sẽ chạy qua khóa bán dẫn, diode được phân cực ngược. Kết T H Ơ V IỆ N 17 VVD CltơHC 1: »0 BIẾH flđl DC-PC. QIÀOTBili BIỆN TỪ CÓIiE SBẤT-gệ BIÉH BỔI (LÝ TIIIYẼT-BÂI TẬP) Điện áp ’này. tạo nên một dòng điện tăng tuyến tính qua cuộn dây, ký hiệu iL.
Khi khóa chuyển sang trạng thái ngắt, do có năng lượng tích trữ trong cuộn dây nên dòng ĨL vẫn tiếp tục chạy. Dòng điện này chạy qua diode và giảm dần theo thời gian. Trị trung bình của điện áp ngõ ra có thể được xác định theo hệ số duty cycle như sau: / ve= j J v 0{ t ) d t = ị ‘ĩ K d t + Ị 0.0 = lf V in=dVin (1-3) ' 0 ' lo L Giá trị Voave CÓ thể dược điều khiển bằng cách thay dổi duty cycle (d = ton/T) của khóa. Một hiện tượng quan trọng khác trong mạch là diện áp trung bình ngõ ra thay đổi tuyến tính theo điện áp điều khiển.
Tuy nhiên, trong chế độ hoạt động không liên tục thì mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp ngõ vào và diện áp \ V v o,ave ngõ ra không còn tổn tại.5 thể hiện đặc tuyến giữa ^ V: v in,ave V _ o,ave Hình 1.5: Đặc tuyến của theo ioave của bộ biến đổi giảm áp. V: v in,ave ; fì GIÁOTBim BIỆNTỬCỔN6 gUẨT-BỘ Biển BỔI (LỶ THÜYÊHÀI TẬP) CBƯƠH61: Bệ «lËH Bẩl BC-DC ❖ Bộ biến đổi tăng áp (Boost) Sơ đổ bộ biến đổi tăng áp (Boost) được thể hiện trên hình 1. Trong bộ biến đổi này điện áp ngõ ra luôn luôn lớn hơn điện áp ngõ vào. Khi khóa ỏ trạng thái dẫn, diode được phân cực ngược, do vậy diode làm cách ly tầng ngõ ra.
Lúc này nguồn điện ngõ vào cung cấp năng lượng cho cuộn dây. Khi khóa chuyển sang trạng thái ngắt, tầng ngõ ra nhận năng lượng từ cả cuộn dây lẫn từ nguồn điện ngõ vào. Trong chế độ hoạt động liên tục, gọi d là duty cycle của mạch, khi đó mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào-ngõ ra như sau: V , = ^- l —V v o,ave d :n (1-4) ' \ Nếu điện áp ngõ vào không phải là hằng số thì giá trị V in trong công thức trên là trị trung bình của điện áp ngõ vào. Trong trường hợp này, mối quan hệ ở (1-3) chỉ là gần đúng.
Trong chế- độ hoạt động không liên tục, công thức (1-3) không còn đúng / N nữa.7 thể hiện mối quan hệ giữa —— ■ theo ¡Lave t r ° n 9 cả hai chế độ hoạt động. CláiHB 1: lộ HẾUBỔI ỊC-BC MÁOn in BIỆNTỬCÙH6SOẤT-BỘBIẾUBỔI (LÝ THUYẾT-1ÀI TẬP) \ V: v i,ave Hình 1.7: Đặc tuyến của theo /Lave của bộ biến đổi tăng áp. ^V v o,ave ❖ Các mạch chopper 2 góc phần tư Một mạch chopper 2 góc phần tư có khả năng hoạt động trong cả 2 góc phần tư của hệ trục v-i.