Đang tải... (xem toàn văn)
1. BOOST CONVERTER Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DCDC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai 1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 1: Nguyên lý bộ boost converter Hình 2: Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái switch S Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương. Khi switch mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D. Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải. Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện. Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter trình bày trong hình 2: Dương
Tiểu luận ĐTCS nâng cao 1. BOOST CONVERTER Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai 1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 1: Nguyên lý bộ boost converter Hình 2: Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái switch S Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương. Khi switch mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D. Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải. Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện. Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter trình bày trong hình 2: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 1 Tiểu luận ĐTCS nâng cao • Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm • Trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R. Kết quả chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ. 1.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (I L ) không bao giờ bằng 0. Điện áp đầu ra có thể tính như bên dưới trong trường hợp bộ chuyển đổi lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định. Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào V S đặt lên cuộn dây, tạo ra thay đổi dòng I L xuyên qua cuộn dây trong một chu kỳ bởi công thức: Kết thúc trạng quá On. Dòng I L tăng như sau: D là chu kỳ năng suất. Nó trình bày trong phân số của chu kỳ T khi khóa ở chế độ On. Vì vậy D nằm giữa 0 và 1 (S không bao giờ mở và S luôn mở). Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải. Nếu điện áp zero rơi vào diode, và điện tích trên tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng I L tiến triển như sau: Vì vậy, sự biến đổi của I L trong chu kỳ Off là: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 2 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Khi chúng ta xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện trạng thái ổn định, phần lớn năng lượng được lưu trữ trong mỗi thành phần của nó giống như lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ. Ngoại trừ năng lượng lưu trong cuộn dây được cung cấp bởi: Dòng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Nghĩa là sự thay đổi toàn diện trong dòng về zero: Thay đổi và bởi biểu thức: Viết lại: Công thức trên nói lên điện áp đầu ra luôn cao hơn điện áp đầu vào (chu kỳ năng lượng từ 0 đến 1), và nó tăng với D, về lý thuyết xác định D lên 1. Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi đôi khi coi như bộ chuyển đổi tăng cấp. 1.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC Dương Tấn Quốc – TĐH K24 3 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Nếu biên độ sóng của dòng quá lớn, cuộn dây xả năng lượng hết trước khi kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng trong cuộn dây giảm xuống 0 trong 1 phần của chu kỳ. Nó có thể được tính như sau: Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng 0, giá trị lớn nhất là (t = DT): Trong suốt chu kỳ off, I L giảm xuống 0 sau : Sử dụng 2 công thức trước, δ bằng: Dòng tải I 0 bằng dòng trung bình qua diode I D . dòng diode bằng dòng cuộn dây trong trạng thái off. Tuy nhiên dòng đầu ra có thể viết: Thay thể I Lmax và δ bởi công thức tương ứng: Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 4 Tiểu luận ĐTCS nâng cao So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này phức tạp hơn. Hơn nữa, trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và dòng đầu ra. Dương Tấn Quốc – TĐH K24 5 Tiểu luận ĐTCS nâng cao 2. BUCK CONVERTER Bộ chuyển đổi Buck là bộ chuyển đổi bước xuống một chiều. Nó được thiết kế như bộ chuyển đổi step up, và giống bộ boost converter khi năng lượng khóa mạch sử dụng 2 khóa chuyển (1 transistor và 1 diode), 1 cuộn dây và 1 tụ. Cách đơn giản để giảm điện áp DC nguồn là sử dụng điều chỉnh tuyến tính (như 7805), nhưng điều chỉnh tuyến tính tiêu tón năng lượng khi hoạt động bởi năng lượng phát nhiệt. Bộ buck converter có thể tiết kiệm đáng kể (95% hoặc cao hơn đối với mạch tích hợp), được sử dụng như bộ chuyển đổi điện áp máy tính (12V với máy bàn, 12-24V với máy tính xách tay) xuống 0.8-1.8V bởi bộ xử lý. Hình 1 Hình 2 2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Nguyên lý bộ buck converter khá đơn giản, với một cuộn dây, và 2 khóa (sử dụng 1 transistor và một diode) để điều khiển bộ biến đổi cuộn dây. Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả thành phần được tính toán hoàn chỉnh. Đặc biệt khóa và diode có giá trị điện áp 0 giảm xuống và dòng zero khi tắt và cuộn dây ngắn mạch điện trở nối tiếp. Tuy nhiên, điện áp đầu vào và đầu ra không thay đổi suốt chu kỳ 2.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC Một bộ chuyển đổi buck hoạt động trong chế độ liên tục có dòng điện chạy qua cuộn dây I L không bao giờ giảm về không trong suốt chu kì chuyển mạch. Trong chế độ này, nguyên lý hoạt động mô tả trong hình 4: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 6 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Hình 3 Hình 4 • Khi khóa ở trên đóng (chế độ On, phía trên hình 2), điện áp trên cuộn dây là . Dòng chạy trong cuộn dây tắng tuyến tính. Khi diode có điện áp ngược bởi nguồn V, không có dòng qua nó • Khi khóa mở (chế độ off, phía dưới hình 2), diode bị phân cực ngược. Điện áp cuộn dây là . Dòng I L giảm. Năng lượng tích trữ trong cuộn dây L là Tuy nhiên, coi như năng lượng tích lũy trong L tăng suốt thời gian On ( I L tăng) và giảm khi trạng thái Off. L được sử dụng để chuyển năng lượng từ đầu vào đến đầu ra. Tỉ lệ thay đổi I L có thể tính toán từ: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 7 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Với V L bằng trong suốt trạng thái On và bằng trong trạng thái Off. Vì vậy, dòng điện tăng trong suốt quá trình này được tính bởi: Tương tự, việc giảm dòng điện trong suốt trạng thái Off được tính là: Nếu chúng ta xem hoạt động bộ chuyển đổi trong chế độ ổn định năng lượng tích trữ trong mỗi thành phần kết thúc chu kỳ T bằng lúc bằng đầu chu kỳ. Có nghĩa là dòng I L bằng nhau lúc t = 0 và lúc t = T. Vì vậy chúng ta có thể viết lại biểu thức trên: Trong hình 4, và . D là giá trị vô hướng của chu kỳ chuyển mạch giữa 0 và 1. Từ công thức này, ta thấy đầu ra điện áp của bộ chuyển đổi biến thiên liên tục theo điện áp đầu vào. Chu kỳ D gọi là tần số giữa t on và chu kỳ T, nó không thể lớn hơn 1. Vì vậy . Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi được gọi là step-down converter. Xét ví dụ, chuyển từng bước 12V xuống 3V (điện áp đầu ra bằng một phần bốn điện áp đầu vào) yêu cầu chu kỳ 25% trong mạch lý tưởng. 2.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng yêu cầu bởi tải quá nhỏ. Trong trường hợp này dòng chạy qua cuộn dây giảm xuống không. Dương Tấn Quốc – TĐH K24 8 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Hình 5: Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ biến đổi buck lý tưởng trong chế độ không liên tục Chúng ta xét sự hoạt động bộ biến đổi trong chế độ ổn định. Vì vậy, năng lượng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ. (trong trường hợp không liên tục, nó bằng không). Điều này có nghĩa giá trị trung bình của điện áp cuộn dây (V L ) bằng không. Giá trị của δ Dòng điện đầu ra nhận từ tải (I 0 ) không đổi, chúng ta coi như tụ điện đầu ra rất lớn để ổn định điện áp đặt lên chu kỳ chuyển mạch. Dẫn đến dòng qua tụ điện bằng giá trị không. Vì vậy ta có: Khi là giá trị trung bình của dòng cuộn dây. Như hình 5, giá trị trung bình của I L có thể viết: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 9 Tiểu luận ĐTCS nâng cao The inductor current is zero at the beginning and rises during t on up to I Lmax . That means that I Lmax is equal to: Dòng điện chạy qua cuộn dây bằng không lúc bắt đầu và tăng từ thời điểm t on đến giá trị I Lmax . Và I Lmax được tính: Thay thế giá trị I Lmax trong công thức trước: Và thay thế δ bởi biểu thức trên: Biểu thức viết lại: Đây được xem như điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi buck trong chế độ không liên tục phức tạp hơn trong chế độ liên tục. Hơn nữa, điện áp đầu ra bây giờ là hàm không chỉ của điện áp đầu vào V i và chu kỳ chuyển mạch D, mà còn có giá trị điện cảm L, chu kỳ chuyển mạch T và dòng điện đầu ra I 0 . Dương Tấn Quốc – TĐH K24 10 [...]... nhau bởi ngắn mạch khi chúng mở hoặc hở mạch khi chúng tắt Giống như trong trạng thái Off, tụ điện C nạp điện bởi nguồn đầu vào thông qua cuộn dây L1 Khi trong trạng thái On, tụ điện C chuyển năng lượng đến tụ đầu ra thông qua điện cảm L2 4.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC Dương Tấn Quốc – TĐH K24 15 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Trong trạng thái ổn định, năng lượng tích trữ trong cuộn dây còn lại giống lúc bắt đầu và... S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải Nếu coi điện áp không đặt lên diode và điện dung đủ lớn để điện áp không đổi thì IL được tính: Xem xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện ổn định, phần lớn năng lượng tích trữ trong thành phần mạch giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch Năng lượng trong cuộn dây: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 12 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Hiển nhiên giá trị IL lúc kết thúc trạng... dụng hai công thức trước, δ bằng: Dòng tải I0 tính bằng giá trị trung bình ID Dòng đầu ra được viết: Thay và δ bởi công thức tương ứng: Vì vậy điện áp đầu ra có thể được viết: So sánh với biểu thức điện áp đầu ra trong chế độ liên tục, biểu thức này phức tạp hơn Hơn nữa trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu... ra không chỉ phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra Dương Tấn Quốc – TĐH K24 14 Tiểu luận ĐTCS nâng cao 4 ĆUK CONVERTER Bộ chuyển đổi Cuk là một dạng của bộ chuyển đổi DC-DC có biên độ điện áp đầu ra hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn biên độ điện áp đầu vào 4.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ BIẾN ĐỔI CUK KHÔNG RIÊNG BIỆT Hình 1: Nguyên lý bộ biến đổi Cuk.. .Tiểu luận ĐTCS nâng cao 3 BUCK–BOOST CONVERTER Bộ chuyển đổi buck-boost là một loại của bộ chuyển đổi DC-DC có biên độ điện áp đầu ra không chỉ lớn hơn mà còn nhỏ hơn đầu vào 3.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 1: Nguyên lý bộ chuyển đổi buck-boost Hình 2: Hai trạng thái hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost Khi khóa D đóng, điện áp đầu vào nguồn cung cấp cho cuộn dây, và dòng cung cấp cho tụ đến điện trở... bình của VL1 và VL2 được tính: Cả hai điện áp trung bình này đều bằng không khi có điều kiện ổn định chúng ta viết lại: Giá trị trung bình điện áp đặt lên L1: Được viết lại: Nó được xem như liên quan gần giống như bộ biến đổi Buck-boost 4.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC Dương Tấn Quốc – TĐH K24 16 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Giống như tất cả bộ biến đổi DC-DC Cuk dựa vào khả năng điện cảm trong mạch để cung cấp dòng... cuộn dây được cho bởi: Dòng qua cuộn dây sinh ra điện áp: Nó được xem như giá trị trung bình của điện áp cuộn dây trong một chu kỳ chuyển mạch và bằng không khi đến trạng thái ổn định Nếu chúng ta coi tụ C và C0 đủ lớn để xung điện áp đặt lên nó không đáng kể, điện áp tụ điện được tính: • trong trạng thái off, cuộn L1 nối nối tiếp với Vi và C Vì vậy nói đến điện áp đầu ra Và • trong trạng thái on, cuộn... Viết lại: Từ biểu thức trên có thể xem chiều điện áp đầu ra luôn âm Theo từng phần của chiều, bộ chuyển đổi có cả bược tăng và bước giảm Đó là lý do tại sao gọi là bộ chuyển đổi buckboost 3.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC Hình 4: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong chế độ không liên tục Dương Tấn Quốc – TĐH K24 13 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng... và dòng cung cấp cho tụ đến điện trở Khi khó mở, dòng cung cấp cuộn dây đến tải qua diode D 3.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC Dương Tấn Quốc – TĐH K24 11 Tiểu luận ĐTCS nâng cao Hình 3: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong chế độ liên tục Nếu dòng điện chạy qua cuộn L không bao giờ xuống không trong chu kỳ chuyển mạch, thì bộ chuyển đổi này được gọi đang hoạt động ở chế độ liên tục Từ... như tất cả bộ biến đổi DC-DC Cuk dựa vào khả năng điện cảm trong mạch để cung cấp dòng liên tục, nó giống như cách hoạt động bộ lọc chỉnh lưu cung cấp điện áp liên tục Nếu cuộn dây này có giá trị quá nhỏ, dòng sẻ không liên tục Giá trị nhỏ nhất của điện cảm như sau: Với là tần số chuyển mạch Dương Tấn Quốc – TĐH K24 17 . I Lmax và δ bởi công thức tương ứng: Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết: Dương Tấn Quốc – TĐH K24 4 Tiểu luận ĐTCS nâng cao So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này. điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và dòng đầu ra. Dương Tấn Quốc – TĐH K24 5 Tiểu luận ĐTCS nâng cao 2 điện cảm, điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra. Dương Tấn Quốc – TĐH K24 14 Tiểu luận ĐTCS nâng cao 4. ĆUK CONVERTER Bộ chuyển đổi Cuk là một dạng của bộ chuyển đổi DC-DC có biên độ điện áp đầu