CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI - Lập trình điều khiển dùng card DSP F28335 bằng chương trình CCS. - Tiến hành thực nghiệm, đánh giá, báo cáo kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về mạch Boost 2.1 Giới thiệu tổng quát Thông thường, nguồn điện DC có thể cung cấp trực tiếp cho các thiết bị như pin, ắc quy. Nhưng với một số trường hợp, các nguồn cung cấp này không thể cung cấp đủ mức điện áp mà thiết bị cần để hoạt động.
Ví dụ, động cơ dùng để lái xe ô tô điện yêu cầu điện áp cao hơn nhiều, trong vùng 400V, mức mà pin hoặc ắc quy thông thường không thể đạt đến được. Ngay cả khi có thể cung cấp được nguồn pin như thế thì trọng lượng và không gian chiếm dụng sẽ là quá lớn. Câu trả lời cho vấn đề này chính là tăng điện áp với nguồn điện áp có sẵn từ các bộ lưu năng lượng. Một vấn đề khác với pin dù là lớn hay nhỏ, là điện áp cung cấp của nó thường sẽ bị tổn hao một phần nên tại một số thời điểm, điện áp cung cấp của pin sẽ là quá thấp để có thể sử dụng được.
Nguồn cho bộ chuyển đổi điện áp một chiều (boost converter) có thể là bất kì nguồn một chiều (DC) thích hợp nào, có thể là ắc quy, pin, các tấm pin năng lượng mặt trời, bộ chỉnh lưu. Quá trình chuyển đổi điện áp một chiều từ một giá trị nhỏ hơn lên một giá trị lớn hơn được gọi là boost converter DC-DC. Quá trình chuyển đổi điện áp này dựa trên định luật bảo toàn năng lượng P = U*I, tức là dòng điện ngõ ra sau khi boost có giá trị nhỏ hơn giá trị điện áp đầu vào.2 Lịch sử Những bộ chuyển đổi DC-DC đầu tiên đã được phát triển từ những năm 60 cửa thế kỷ trước. Động lực cho sự phát triển này là để ứng dụng cho các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.
Nơi mà các thiết bị luôn được yêu cầu phải nhỏ nhẹ và hiệu quả để phù hợp với không gian có hạn trong mỗi thiết bị. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.3 Giới thiệu về tăng áp truyền thống Boost conveter là bộ chuyển điện áp một chiều (DC) sang DC có chức năng tăng điện áp ngõ ra của mạch. Nó là một loại mạch điện chứa ít nhất hai loại bán dẫn (một là diode, hai là transistor) và ít nhất một lại phần tử lưu điện, thường là tụ điện, cuộn cảm, hay cả hai kết hợp lại với nhau. Để giảm độ gợn sóng của điện áp đầu ra, các tụ điện (đôi khi có thể kết hợp cả cuộn cảm) thường được thêm vào hai đầu của mạch.
Nguồn cho bộ chuyển đổi tăng có thể đến từ bất kỳ nguồn một chiều nào, chẳng hạn như pin, các tấm năng lượng mặt trời, bộ chỉnh lưu hoặc máy phát DC. D L + Vin s C - Load Hình 2.1 Sơ đồ mạch tăng áp cổ điển Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.4 Nguyên lý hoạt động Khi "Swich on" thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và xuống đất. Dòng điện không qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện.
Chiều của dòng điện như hình 2.2 Khi "Switch off", lúc này ở cuối cuộn dây xuất hiện một điện áp bằng điện áp đầu vào. Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện. Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào. Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều biến độ rộng xung (điều khiển thời gian on/off).
Tần số đóng cắt van là khá cao hàng KHz để triệt nhiễu và tăng công suất đầu ra. Dòng qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng đầu ra. Van công suất thường là Transior tốc độ cao, Mosfet hay IGBT. Diode được sử dụng là diode xung với công suất cao.5 Các ứng dụng Ngày nay, các bộ tăng áp một chiều được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày.
Các bộ chuyển đổi với công suất nhỏ thường thấy đó là các mạch tăng điện áp từ 3.3V lên thành 5V, hay từ 5V lên 9V. Với những loại có mức điện áp và công suất cao hơn có thể kể đến ứng dụng trong các hệ thống xe hơi chạy điện, tiêu biểu là các dòng xe của Tesla Motors.2 Giới thiệu cấu hình mạch boost hiện đại 2.1 Giới thiệu tổng quát Hình 2.3 trình bày cấu hình Quasi Switched Boost Inverter (qSBI) gồm một cuộn dây, một tụ điện, hai diode và một khóa ngắn mạch. Mô hình mới này được tạo ra bằng cách xếp chồng các yếu tố cơ bản của mạch boost truyền thống như thiết bị chuyển mạch, diode, tụ điện và cuộn dây nhưng được lựa chọn để phù hợp với những hệ thống yêu cầu công suất cao. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Sơ đồ mạch boost cấu hình mới 2.2 Ưu điểm So sánh với cấu hình của mạch boost truyền thống, điện áp đặt trên các thiết bị chuyển mạch thấp hơn so với mức điện áp ngõ ra của toàn mạch, đảm bảo tuổi thọ của các linh kiện.
Điều đó làm tăng chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế.3 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của mô hình này cũng dựa trên nguyên lý chung của mạch boost truyền thống. Có thể giải thích nguyên lý hoạt động của mạch bằng hai chế độ sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Cấu trúc qSBI (a) không ngắn mạch (b) ngắn mạch Trạng thái không ngắn mạch hình 2.4(a) trong khoảng thời gian là T-T0. Ở trạng thái này thì các khóa hai INV đóng ngắt theo phương pháp PWM thông thường, S0 không dẫn, D1, D2 dẫn, tụ C nạp điện và cuộn dây L xả điện. Trạng thái ngắn mạch hình 2.4(b) trong khoảng thời gian là T0, ở trạng thái này thì tất cả các khóa của hai INV cùng đóng, S0 đóng, D1, D2 không dẫn, tụ C xả điện và cuộn dây L tích điện.
Cấu hình này có ưu điểm là tăng hệ số boost, giảm điện áp đặt trên tụ, giảm số lượng linh kiện so với cấu hình nghịch lưu nguồn Z và mạch boost cổ điển.3 Tổng quan về mạch chỉnh lưu 2.1 Giới thiệu tổng quát Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Khi chỉ dùng một diode đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, bằng cách khóa không cho phần dương hoặc phần âm của dạng sóng đi qua mạch điện, thì mạch chỉnh lưu được gọi là chỉnh lưu nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng. Trong các bộ nguồn một chiều người ta hay sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều diode (2 hoặc 4 diode) với các cách sắp xếp khác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thành một chiều bằng phẳng hơn trường hợp sử dụng một diode riêng lẻ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.1 Chỉnh lưu nữa bán kỳ Hình 2.5 Dạng sóng chỉnh lưu nửa bán kỳ Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua diode, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của diode.
Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.2 Chỉnh lưu toàn kỳ Hình 2.6 Dạng sóng chỉnh lưu toàn kỳ Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến 4 diode thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng.
Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 diode để chỉnh lưu. Đầu ra còn lại cũng cần chính xác như thế, kết quả là phải cần đến 4 diode. Các diode dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: dương (hoặc âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều.
Nửa còn lại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đối với nguồn xoay chiều một pha, nếu dùng biến áp có điểm giữa, chỉ cần 2 diode nối đấu lưng với nhau (nghĩa là anode với anode hoặc cathode với cathode) có thể thành một mạch chỉnh lưu toàn sóng.7 Chỉnh lưu toàn cầu dùng biến áp có điểm giữa 2.1 Dạng diode kẹp (NPC - Neutral Point Clamped) Sử dụng trong trường hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt được n+1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là n+1 bậc.
Vd/2 + - Vd + Vd/2 - Hình 2.8 Cấu trúc bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp NPC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu đa bậc thì tần số đóng ngắt giảm đi một nữa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode khác nhau, ngoài ra cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn. - Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là: + Số tụ sử dụng ít.