Đồ án Thiết kế bộ biến đổi DC - DC 2 chiều

in được lắp trên cùng một trục và máy phát quay với tốc độ từ 90000 đến 120000 vòng trên phút. Các tua bin điều khiển một máy phát tần số cao có thể là đồng bộ hoặc không đồng bộ. Việc thiết kế roto lồng sóc ở máy phát không đồng bộ (hoặc cảm ứng) hướng tới chế tạo it tốn kém hơn máy phát đồng bộ. máy phát điện đồng bộ với roto là phần cảm đựơc thiết kế sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây cùng bổ sung phần cứng cho việc cung cấp dòng điện. Mặc dù máy phát điện không đồng bộ hiếm khi sử dụng trong công nghiệp cho ứng dụng của tua bin, nó phổ biến trong các hệ thống phân phối năng lượng khác như năng lượng gió. ở ứng dụng thông thường tua bin tốc độ thấp,máy phát điện đồng bộ có nhiều ưu điểm như có thể ghép nối trực tiếp với lưới nếu tốc độ được điều chỉnh một cách đúng đắn. Thường điều này không ứng dụng cho các tua bin tốc độc cao. Đối với tất cả các loại máy phát điện, tạo ta điện áp ba pha tần số cao thường nằm trong khoảng 1000Hz đến 3000Hz phải được chuyển đổi thanh tần số dòng trước khi thích ứng với các ứng dụng cho người sử dụng hoặc cho lưới. Hình 1.40 cho thấy một sơ đồ chung của hệ thống máy phát tua bin cùng với một bộ biến đổi công suất bộ biến đổi công suất về bản chất để chuyển đổi điện áp tần số cao thành điện áp tần số 60Hz.Bộ biến đổi công suất cũng có thể được thiết kế để cung cấp giá trị phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng và lưới. Các phục này như : hỗ trợ điện áp, bù tĩnh. Hình 1.40: Cấu trúc cơ bản của hệ thống tuabin Với trục đơn, hệ thống tua bin tốc độ cao có thể có nhiều cấu hình phụ thuộc vào các bộ biến đổi công suất.Cấu trúc phổ biến nhất cho bộ biến đổi công suất được sử dụng để ghép nối hê thống tua bin với lưới là bộ biến đổi DC link. Điện năng tần số cao từ máy phát phải được chuyển đổi thành DC đầu tiên sử dụng một bộ chỉnh lưu cầu diot thụ động hoặc sử dụng một bộ chỉnh lưu tích cực. sau đó sử dụng DC link để tạo thành điện áp ba pha tần số 60Hz sử dụng bộ nghịch lưu DC-AC. Hình 1.41 cho thấy hệ thống máy phát tua bin cung cấp nguồn tới lưới sử dụng bộ biến đổi ĐC link. Hình 1.41: Tua bin cùng với bộ biến đổi DC link Loại khác của hệ thống chuyển đổi năng lượng có lợi ích cao sử dụng bộ biến đổi tần số cao . Hình 1.42 cho thấy hệ thống máy phát tua bin cung cấp nguồn ba pha tới bộ chỉnh lưu sau đó DC chuyển đỏi thành tần số cao sử dụng bộ nghịch lưu một pha, vì mậy một biến áp tần số cao được sử dụng. phía thứ cấp của biến áp đưa đến một bộ biến đổi AC-AC nó đưa điện áp một pha tần số cao thành điện áp ba có điện áp và tần số phù hợp cho việc ghép nối trực tiếp với lưới. Mặc dù HFLC(high-frequency link converter) đòi hỏi số thành phần nhiều hơn, mạch cung cấp một số lợi thế bao gồm việc sử dụng một máy biến áp cho cách ly tốt, sử dụng máy biến áp tần số cao nhỏ gọn, bổ sung cách ly giữa tải và nguồn một cách đơn giản nhờ thêm cuộn dây và loại bỏ sự cần thiết cho chuyển mạch tĩnh.không có nhà sản xuất tua bin các hệ thống ngày nay sử dụng HFLC nhưng chắc chắn rằng nó là một cấu hình có nhiều lới thế trong tương lai do kích thước bộ biến đổi nhỏ, ít thụ động và lợi ích khác như dự trên hệ thống tần số cao. Hình 1.42: Cấu hình hệ thống tua bin với bộ biến đổi công suất HFAC Hạn chế của chuyển đổi AC-DC-AC là kích thước lớn, nặng và dư thừa dung lượng của thành phần DC link , chẳng hạn như các tụ DC, độ tin cậy của tụ thấp. Để khắc phụ những vấn đề này sử dụng bộ biến đổi ma trận(biến tần ma trận)được sử dụng để ghép nối máy phát tua bin với lưới thay vì sử dụng bộ chỉnh lưu và nghịch lưu. Bộ biến đổi này như hình 1.43 chuyển đổi trực tiếp điện áp AC thành điện áp AC có độ lớn và tần số thay đổi được. vì lý do này nó goi là “chuyển đổi tần số ” những khó khăn của bộ biến đổi này là số lượng thiết bị chuyển mạch nhiều so với phương pháp DC link. Và nó không có dc hoặc AC link để lưu trữ năng lượng. không có lưu trữ năng lượng , bất kỳ dao động ở bên nào cung sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới bên kia. Ngoài ra không giống như bộ biến đổi DC link hoặc HFLC, nó không thể ghép nối tới ăc quy hoặc nguồn điện khác để thực hiện chuyển đổi này.biến tần ma trận vẫn có thể sử dụng cho hệ thống tua bin với biến tần tần số cao. Thay vì chuyển đổi điện áp của máy phát thành DC và sau đó chuyển đổi thành AC tần số cao. bộ biến đổi ma trận có thể chuyển đổi trực tiếp điện áp ba pha thành điện áp một pha tần số cao. Hình 1.43: Hệ thống tua bin với bộ biến đổi AC-AC c, Cấu trúc điện tử công suất Dựa trên những giả thiết đã trình bày trong các phần trước có hai cấu trúc ddienj tử công suất cơ bản có thể sử dụng cho hệ thống tua bin.Cấu trúc đầu tiên gồm có hai bộ biến đổi và bus DC chung, một bộ chuyển đổi điện áp đầu ra AC tần số cao của tua bin thành điện áp DC. Bộ chuyển đổi thứ hai là bộ DC-AC chuyển đổi thành điện áp 60Hz và tương thích với AC để ghép nối với lưới. Cấu trúc thứ hai cho hệ thống tua bin là chuyển đổi trực tiếp AC-AC sử dụng bộ biến đổi ma trận. Cấu trúc HFLC vẫn mới là khái niệm nó chưa được đưa ra ở đây. Một bộ biến đổi điện tử công suất hai chiều cho phép các bộ điều khiển tái sinh của máy phát tần số cao được chỉ ra trong hình 1.44(a). Các bộ chỉnh lưu tích cực được sử dụng cho bộ chuyển đổi AC-DC. Hình 1.44(b) chỉ ra một sơ đồ đơn giản hơn ở đó điện áp máy phát được chỉnh lưu bởi một càu diot thụ động và được đưa vào biến tần để đưa tới lưới. sơ đồ cung cấp bởi hình 1.44 (a) thì linh hoạt hơn vì nó cung cấp đặc các đặc tính khởi động, nhưng nó yêu cầu các tín xử lý và thiết bị chuyển mạch nhanh. Mặt khác hình 1.44(b) thì yêu cầu các linh kiện điện tử công suất chuẩn, bổ sung đặc tính khởi động của động cơ làm tối ưu tốc đôh máy phát. Hầu hết các tua bin trên thị trường được cấu tạo với một bộ chỉnh lưu (front-end) như ở hình 1.44(b) làm cho chi phí thấp và độ phức tạp ít hơn. Hình 1.44: Cấu trúc điện tử công suất dựa trên DC link Như đã nói ở phần trước giới hạn chính của bộ chuyển đổi AC-DC-AC là có kích thước vật lý lớn , nặng và dụng lượng lớn của thành phần DC link và độ chính xác của tụ điện thấp.Một bộ chuyển đổi AC –AC trực tiếp của biến đổi ma trận có thể sử dụng cho tua bin nhỏ và giao diện lưới như một bộ biến đổi AC-DC-AC thông thường. Bộ biến đổi ma trận loại bỏ thành phần DC link và quyết định kích thước, khối lượng và độ chính xác. Những hạn chế chính cúa biến đổi ma trận là yêu cầu cho bộ điều khiển on-off, các thiết bị chuyển mạch 2 chiều được thực hiện qua ghép nối back to back của các IGBT. Điều này có thể gây ra các tổn thất chuyển mạch cao hơn so với hệ thống chuyển đổi AC- DC- AC. Ngoài ra tụ DC của cấu trúc AC-DC-AC cung cấp các điện cực tương thích với một giao diện dự trữ năng lượng. Bộ biến đổi ma trận do cấu trúc bên trong của nó loại bỏ những phần tùy chọn. Do đó, các dự phòng khác được tạo ra nếu năng lượng dự trữ phải bao gồm một phần tích hợp của hệ thống tua bin. Cũng vậy, trong bộ biến đổi không có hệ thống tích trữ năng lượng thì bất kì dao động tại bên nào của bộ biến đổi thì cũng ảnh hưởng trực tiếp đến phía bên kia của bộ biến đổi. 1.6.3. Hệ thống bánh đà a,Khái quát chung Hệ thống bánh đà là một hệ thống lưu trữ năng lượng rất phổ biến do sự đơn giản của việc lưu trữ động năng trong một khối quay. Trong khoảng 20 năm nó là một kỹ thuật chính sử dụng để hạn chế sự gián đoạn năng lượng của động cơ ,máy phát ở đó bánh răng thép tăng mô mem quán tính , cung cấp năng lượng bị gián đoạn bảo vệ và ổn định năng lượng. Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà làm việc theo nguyên tắc: nó lưu trữ năng lượng dưới dạng hình thức của khối quay. Chuyển đổi từ động năng thành năng lượng điện được thực hiện bằng máy móc cơ điện. Có nhiều loại máy phát được sử dụng cho hệ thống bánh đà, như máy phát nam châm vĩnh cửu, máy cảm ứng, máy chuyển mạch từ trở. Các yếu tố thiết kế là để phù hợp với tốc độ giảm của bánh đà trong quá trình xả và tốc độ tăng quá trình nạp với một tần số cố định của hệ thống điện. Cùng với máy điện , hai phương pháp được sử dụng để phù hợp với tần số của hệ thống, bộ ly hợp cơ khí, và điện tử công suất. Quá trình hoạt động của bánh đà có thể được tóm tắt như sau: khi có năng lượng dư thừa được tạo ra cùng với nhu cầu của tải, sự khác biệt là được lưu trữ ở bánh đà nó được truyền động bới máy điện hoạt động như một động cơ. Mặt khác, khi một dao động ở nguồn đưa vào tải được phát hiện, máy điện được điều khiển bởi bánh đà hoạt động như một máy phát cung cấp thêm năng lượng cần thiết. FESS sử dụng điện tử công suất nó chuyển đổi và điều chỉnh năng lượng đầu ra từ bánh đà. Khi động cơ máy phát đưa ra năng lượng cơ học trong thời gian xả, roto chậm lại, thay đổi tần số AC đầu ra. Đầu ra phải được chuyển dổi thành DC hoặc nguồn AC có tần số không đổi. Khi điện tử công suất được sử dụng đầu ra AC có tần số thay đổi được chỉnh lưu ,cung cấp điện áp và dòng điện DC. Mục đích cơ bản của hệ thống điện tử công suất ghép lưới điện có tần số cố định cùng với hệ thống bánh đà có tốc độ thay đổi và ngược lại, điều chỉnh , cung cấp dạng sóng chuẩn cho việc cung cấp điện tới lưới. bằng cách đảo ngược lại quá trình, điện tử công suất cũng có thể lấy năng lượng kết nối từ lưới và điều khiển quay động cơ bánh đà, nạp lại cho bánh đà. Hệ thống bánh đà điển hình nhằm mục đích cho các ứng dụng dự phòng điện. quá trình lắp ráp hệ thống dự trữ năng lượng được thiết kế để hoạt động ở tần số cao (điển hình trên 10000RPM) để đạt được mật độ dự trữ năng lượng cao nhất Các động cơ , máy phát điện có roto được gắn trên một trục được tích hợp vào bánh đà. Một hệ thống nam châm hữu công hỗ trợ trục hướng tâm. Hai hệ thống gối đỡ từ hỗ trợ cuối trục cho hoạt động không ma sát và không cần bảo dưỡng. Việc lắp ráp roto bánh đà quay ở môi trường áp suất thấp để giảm tổn thất khi kéo. Bánh đà thường được ghép nối tới hệ thống động cơ ba , máy phát . Một mặt cắt của bánh đà thương mại trình bày ở hình 1.45. Hình 1.45: Modul dự trữ năng lượng dùng bành đà b, Cấu hình của hệ thống dự bánh đà. Các hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (fess) có thể được phân thành hai loại. Công nghệ đầu tiên được dựa trên tốc độ bánh đà thấp (lên tới 6000 vòng / phút) với roto bằng thép và vòng bi thông thường . Thứ 2 liên qua đến hệ thống bánh đà tốc độ cao(lên tới 60000RPM) nó có giá trị thương mại và sử dụng bánh đà hỗn hợp tiên tiến. có năng lượng và mật độ điện cao hơn bánh đà thép. Công nghệ này yêu cầu ma sát cực nhỏ, giống như gối đỡ từ. Bánh đà có thể cũng sử dụng như ắc quy để giảm số chu kỳ xả của ắc quy và để kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Bánh đà có thể cũng được sử dụng như máy phát dự phòng để cung cấp năng lượng trong việc chỉnh lại khi năng lượng bị sự cố. việc sử dụng năng lượng chính của bánh đà là cho ứng dụng phân phối năng lượng để cung cấp được điện áp và tần số điều chỉnh được cho lưới. Các thành phần điện chính của một hệ thống dữ trữ năng lượng bánh đà bao gổm có môt bộ nghịch lưu hai chiều, bộ dẫn động thay đổi được tốc độ và bộ điều khiển.một modul điện tử điều khiển điều khiển điện tử công suất để hoạt động ở chế độ nạp, xả và dự phòng. Cấu hình phổ biến nhất để cung cấp năng lượng của bánh đà là bộ biến đổi như hình 1.46. Đầu ra AC của máy phát điện bánh đà đầu tiên được chuyển đổi thành nguồn một chiều. Bus DC khi đó được ghép nối với bộ biến đổi DC-AC cho việc ghép nối với lưới. Trong chu kỳ nạp, bộ biến đổi ghép nối với lưới làm việc như một bộ chỉnh lưu, còn bộ biến đổi ghép nối với máy phát bánh đà làm việc như một bộ nghịch lưu. Trong chu kỳ xả hai bộ biến đổi trao đổi vai trò của mình để cung cấp nguồn từ hệ fess tới lưới.Trong cấu hình này hệ thống bánh đà nhiều bậc thể hiện như ở hình 1.46(b), có thể được ghép nối với lưới qua các bus DC có tần số, điện áp điều chỉnh được và nguồn dự phòng cho tải. Bánh đà nhiều bậc có thể cung cấp dung lượng dự trữ năng lượng cao hơn mức năng lượng mà nó sẽ cung cấp. Hình 1.46: Hệ FESS cùng với bộ biến đổi DC link Tương tự như hệ thống dự trữ năng lượng ắc quy, hệ thống bánh đà có thể được sử dụng song song với các nguồn năng lượng tái tạo để hạn chế dao động của đầu ra tải. tắt dần độ cong và sự thay đổi tần số của điện áp đầu ra, hệ thống bánh đà có khả năng tới mười nghìn chu kỳ, nó là giải pháp tối ưu cho ứng dụng của hệ thống nhiều chu kỳ mà hệ thống ắc quy điện khổn có lợi. fess có thể được sủ dụng cùng với ắc quy để làm giảm chu kỳ xả của ắc quy nhằm kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Hình 1.47 là một trong những hệ thống lai mà ở đó hệ fess cùng với một hệ thống năng lượng sức gió. Hệ bánh đà được tích hợp vào bus DC của hệ thống năng lượng sức gió bằng cách sử dụng một bộ biến đổi DC-AC hai chiều.Có nhiều hệ thống lai tùy thuộc vào nguồn năng lượng sơ cấp và hệ fess được tích hợp vào hệ thống. Hình 1.47: Hệ thống lai giữa hệ FESS và hệ thống gió c, Cấu trúc điện tử công suất Cấu trúc phổ biến nhất cho hệ fess bao gồm một bộ biến đổi DC-AC dược ghép nối với lưới, và một bộ biến đổi bánh đà hai chiều AC-DC, có một bus DC chung nhất.Trong chu kỳ xả bộ biến đổi bánh đà làm việc như một bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi ghép nối với lưới làm việc như một bộ nghịch lưu để điều khiển dòng điện lưới bằng PWM. Trong chu kỳ nạp đảo ngược vai trò của các bộ biến đổi và nguồn chảy từ lưới tới bánh đà. Tùy thuộc vào ghép nối trên lưới mà bộ biến đổi ghép nối tới lưới có thể là một pha hoặc ba pha một cấu trúc đơn giản như ở hình 1.48. Việc cách ly được thực hiên bằng máy biến áp ba pha ghép nối tới bộ biến đổi lưới. Hình 1.48: Cấu trúc điện tử công suất dựa trên DC link Một sửa đổi của cấu trúc thông thường dựa trên DC link là bổ sung một bộ biến đổi DC-DC ở giữa bánh đà và DC link. Một thiết bị chuyển mạch ở trong cấu trúc sẽ khóa khi làm việc ở chế độ nạp để loại bỏ bộ biến đổi DC-DC.Cấu trúc này là hữu ích khi mà ghép nối biến áp là không bắt buộc cho cách ly. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU BỘ CÁC BIẾN ĐỔI DC-DC 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Trong một số trường hợp điện áp một chiều được tạo ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục.Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều ,ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc , nạp điện cho ắc quy ngoài ra bộ biến đổi DC-DC còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Các bộ biến đổi DC-DC là các bộ biến đổi xung nó có thể là các bộ biến đổi một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Bộ giảm áp Buck và bộ tăng áp Boost là các cấu trúc biến đổi một góc phần tư cơ bản. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòng điện. Ở bộ biến đổi xung một góc phần tư ,giá trị trung bình điện áp một chiều đầu ra luôn được giữ ở một mức cần thiết kể cả khi có sự thay đổi bất thường điện áp đầu vào và điện áp đầu ra tải .các bộ biến đổi xung này chỉ làm việc ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng tải .Điện áp ra và dòng điện luôn có giá trị dương .Vì vậy bộ biến đổi này gọi là bộ biến đổi xung một góc phần tư. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư có khả năng hoạt động ở hai góc phần tư của mặt phẳng tải (v-i). Do vậy điện áp vào và điện áp ra luôn dương , tuy nhiên dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra có thể dương hoặc âm. Do đó một số bộ biến đổi còn có tên là bộ biến đổi xung đảo dòng. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư bao gồm hai bộ biến đổi xung cơ bản là bộ biến đổi xung tăng áp và bộ biến đổi xung giảm áp. Hình 2.1: Bộ biến đổi xung đảo dòng Bộ giảm áp thì bao gồm S1 và D1, công suất thì được cung cấp từ nguồn đến tải.Bộ tăng áp thì gồm S2 và D2 công suất thì được chảy ngược về nguồn.Các bộ biến đổi xung đảo dòng có thể chuyển từ chế độ nguồn cung cấp sang chế độ tái sinh rất thuận lợi và rất nhanh chóng chỉ bằng các tín hiệu điều khiển cho S1và S2 mà không cần bất cứ chuyển mạch cơ khí nào. Trong bộ biến đổi xung bốn góc phần tư không chỉ dòng điện ra có thể âm hoặc dương mà điện áp ra cũng có thể âm hoặc dương .Bộ biến đổi xung này là bộ biến đổi cầu DC-DC Full-bridge, như ở hình 2.2 . Ưu điểm chính của bộ biến đổi này là điện áp trung bình đầu ra có thể điều chỉnh được độ lớn cũng như cực tính . Một bộ biến đổi xung bốn góc phần tư là sự kết hợp của hai bộ biến đổi xung hai góc phần tư để có được điện áp trung bình là âm hay dòng điện trung bình là âm . Hình 2.2: Bộ biến đổi xung bốn góc phần tư Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch. Dùng các tụ điện chuyển mạch thì chúng ta phải tạo được nguồn dòng là tín hiệu đầu vào còn với việc dùng điện cảm chuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp ta thấy dùng điện cảm chuyển mạch sẽ đơn giản hơn vì tạo ra một nguồn áp dẽ dàng hơn tạo ra một nguồn dòng, giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn. Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp) boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 2.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này. Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm. Các bộ bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như các hệ thống quang điện, pin nhiên liệu ắc quy và cá hệ thống gió và bánh đà để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp phù hợp cho các ứng dụng hoặc có biên độ thích hợp để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều trược khi đưa vào lưới, các bộ DC-DC cách ly có tác dụng cách ly và giảm tổn thất do ta sử dụng biến áp xung. 2.2. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI KHÔNG CÁCH LY 2.2.1. Bộ biến đổi buck a, Nguyên tắc hoạt động Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào ,việc điều khiển các khóa chuyển mạch rất đơn giản ,chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳ kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào.Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường .Bộ buck converter còn được sử dụng để diều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. (a) (b) Hình 2.3:Bộ biến đổi buck (a); Điện áp và dòng qua cuộn cảm (b) Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là−(T2/T)×Vout. Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0 hay (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0, (T1/T)×Vin = Vout Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như vậy, Vout = Vin×D. D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < Vout < Vin. Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra. Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ gián đoạn, chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn không do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, còn chế độ gián đoạn là chế độ mà dòng điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng không. Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau: (1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T. Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn. Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI×T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau: ΔI×T/2 = C×ΔV ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp. b, Mô hình bộ biến đổi Các thành phần của bộ biến đổi thì không phải là lý tưởng và những thành phần không lý tưởng này có thể được xem xét ở mô hình. Tụ điện được mô hình hóa như một tụ ly tưởng mắc nối tiếp cùng với một điện trở lý tưởng có điện trở là RC. Điện trở Rc được gọi là điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ điện. ESR được sử dụng để chỉ ra tổn thất năng lượng của tụ điện. Sự phụ thuộc của tổn thất năng lượng vào tần số không được để cập ở đây. Hình 2.1 trình bày mạch sẽ được sử dụng cho bộ biến đổi buck. Hình 2.4: mạch của bộ biến đổi buck Chúng ta giả thiết rằng trạng thái ổn định đạt được. Tín hiệu điều khiển ,δ(t) khi đó bao gồm các xung có độ rộng cố định. Dạng sóng của tín hiệu trong mạch được trình bày ở hình 2.5. Ở chương 3 một mô hình mô phỏng được trình bày và mô hình này sẽ được sử dụng để đạt được dạng sóng đã trình bày. Các khoảng thời gian mà tín hiệu δ(t) ở mức cao gọi là Ton và khoảng thời gian mà tín hiệu δ(t) ở mức thấp gọi là Toff . Tần số chuyển mạch TS , là thời gian giữa 2 sườn lên kế tiếp của δ(t) và do đó nó bằng tổng của Ton và Toff .Tỷ số của Ton và TS gọi là chu kỳ duty hoặc hệ số duty và nó được biểu diễn bằng hàm d(t) . Chu kỳ duty là hằng số ở trạng thái ổn định. Trong khoảng thời gian Ton transistor hoạt động ở trạng thái mở và trong khoảng thời gian Toff transistor hoạt động ở trạng thái khóa. Điện áp qua diot, Vdiot(t), bằng điện áp vào trong khoảng thời gian Vg(t), trong khoảng thời gian Ton. Điện áp vào được giữ là hằng số trong quá trình mô phỏng. Trong khoảng thời gian Toff điện áp diot bằng không khi chúng ta giả thiết rằng bộ biến đổi hoạt động ở chế độ dẫn liên tục. Điện áp diot được lọc bằng bộ lọc thông thấp LC. Tần số góc của bộ lọc này được lựa chọn là nhỏ hơn nhiều tần số chuyển mạch để đạt được độ nhấp nhô điện áp đầu ra nhỏ, Vo(t). Do đó , điện áp này xấp xỉ bằng điện áp trung bình của diot. Điện áp trng bình của diot nhỏ hơn điện áp vào Vg(t). Do đó điện áp Vo(t) sẽ nhỏ hơn điện áp Vg(t) ở trạng thái ổn định. Điện áp qua cuộn cảm, VL(t) bằng sự chênh lệch giữa Vđiot(t) và Vo(t). Dòng điện cuộn cảm , iL(t), tỷ lệ với tích phân điện áp VL(t). Do đó, iL(t) sẽ tăng trong khoảng thời gian ton và giảm trong khoảng thời gian toff. Trong mỗi khoảng thời gian, độ dốc của iL(t) sẽ luôn lầ hằng số khi VL(t) luôn là hằng số. Dòng điện cuộn cảm sẽ bằng tổng của dòng điện qua transistor itrans(t), và dòng điện qua diot, idiot(t). Dòng điện qua transistor bằng dòng điện iL(t) trong khoảng thời gian ton khi dòng điện idiot(t) bằng không. Dòng điện qua diot bằng dòng điện iL(t) trong khoảng thời gian toff khi dòng điện itrans(t)