Giáo trình Điện tử công suất - Trần Văn Hùng

<< : Dẫn liên tục T1 D1 Tải T2 T3 D2 D3 A B C D1 T1 Tải D2 D3 T2 T3 A B C Chương 2: Chỉnh lưu 71 Hình 2.36 Ta có thể tính bằng cách tổng cộng 2 kết quả chỉnh lưu bán kỳ 3 pha có điều khiển (3 SCR) ở bán kỳ dương và chỉnh lưu không điều khiển (3 Diod) ở bán kỳ âm: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )απ απ αππ cos1 2 3 cos1 2 33 cos 2 33 2 33 += += +=+= − − llM nlM MM SCRAVDiodAVAV V V VVVVV (2.73) Ta có thể tính như đã tính ở trường hợp cầu chỉnh lưu 3 pha ( )αππ ωωπωωπ π π απ πα cos1 6 sin33 sin3 2 3sin3 2 3 3 2 3 3 2 3 += += ∫∫ ++ M MMAV V ttdVttdVV X1 X2 X3 α1 θ1 α2 θ2 α3 θ3 α4 Ud A B C A Uf IT1 0 IT2 IT3 ID1 ID2 ID3 tω Id α=300 tω Chương 2: Chỉnh lưu 72 = ( ) ( ) ( ) ( )απαπ cos12 3cos13 2 3 +=+ −− llMnlM VV (2.74) Điện thế chuẩn hóa ngõ ra (ở tải) ( ) 2 cos1 α+== − − llM AV nl V VV (2.75) Điện thế hiệu dụng ngõ ra: π α π αααππ 2 2sin1 2 32sin 2 1 4 33 +−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +−= MMRMS VVV (2.76) ™ Khi παπ << 3 : Dẫn không liên tục Hình 2.37 ( ) ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +++=+= απππ 6cos12 3 2 33 M M SCRAVDiodAVAV V VVVV = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++ + 3 6 cos1 1 2 33 απ π MV (2.77) X1 X2 X3 α1 θ1 α2 θ2 α3 θ3 α4 Ud A B C AUf IT1 0 IT2 IT3 ID1 ID2 ID3 α=900 tω tω Chương 2: Chỉnh lưu 73 Chú ý: Khi 0=α trở về trường hợp cầu chỉnh lưu 6 diod điện thế ra trung bình trên tải là ( )nlMAV VV −= π 33 (2.78) b. Tải R-L Tải điện kháng Z (R, L) và có diod dập (FW) Trong trường hợp này, khi điện thế ra có khuynh hướng trở nên âm thì diod dập sẽ dẫn, nên điện thế ra trở nên dương. Tiến trình này lặp lại mỗi 1200 khi có 1 SCR dẫn. 2.4 Họa tần Trong cách giải theo phân tích Fourier ta có ( ) ( ) ( )∑∞ = ++== 18,12,2 000 cos n nnL tnVVtvtv θω (2.79) ( ) ( ) απαπ cos 3cos330 llMnlM VVV −− == (2.80) ( )202 LnR V Z VI n n n n ω+== (2.81) Hình vẽ biểu diễn điện thế họa tần ngõ ra chuẩn hóa như sau Hình 2.37 Thí dụ: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ 3 pha có điều khiển với điện thế hiệu dụng VRMS(l-l) = 480V 60Hz, tải điện kháng có R = 10 Ohm, L = 50mH, góc kích 39,50.Tính a) Điện thế cơ bản ngõ ra V0 b) Dòng họa tần 6 và 12 0,1 0,2 0,3 0,4 0 30 60 90 120 150 180 Vn/Vm α n=6 n=12 n=18 Chương 2: Chỉnh lưu 74 Giải a) Tính V0 ( )( ) VV 500366,50077,0480230 ≈== π b) Tính In Ta có theo hình vẽ điện thế chuẩn hóa ( ) VV V V m 143480221,021,0 6 6 ==⇒= ( ) VV V V m 68480210,010,0 1212 ==⇒= Do đó A Z VI 26,1 )05,0)377(6(10 143 22 6 6 6 =+== A Z VI 30,0 )05,0)377(12(10 68 22 12 12 12 =+ == Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 75 Chương 3 BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU Bộ biến đổi điện áp một chiều hay còn gọi bộ băm xung áp, là bộ biến đổi có nhiệm vụ chuyển đổi từ nguồn điện DC có trị số không thay đổi thành nguồn điện DC thay đổi. Trị số trung bình điện thế ngõ ra là biến đổi bằng cách thay đổi tỉ lệ của thời gian mà ngõ ra được nối vào ngõ vào. Sự chuyển đổi có thể hoàn thành với sự tổ hợp của 1 cuộn cảm, 1 tụ điện và 1 linh kiện bán dẫn hoạt động trong chế độ giao hoán tần số cao. Trong ứng dụng điện thế và dòng điện lớn, linh kiện bán dẫn giao hoán thường chọn là SCR. Khi sử dụng transistor công suất: BJT hoặc MOSFET hay thyristor: GTO hoặc IGCT, chúng được khởi ngưng dễ dàng bằng cách điều khiển dòng nền hoặc dòng cổng. SCR dùng trong mạch DC phải được khởi ngưng bằng cách chuyển mạnh giao hoán (tắt cưỡng chế) vì nó rất bất lợi. Điều này chỉ thuận lợi trong chuyển mạch tự nhiên mà điều này chỉ thích hợp trong mạch AC Kỹ thuật giao hoán sử dụng trong bộ chuyển đổi DC – DC thường là kỹ thuật biến điệu độ rộng xung (PWM – pulse width modulation). Bộ chuyển đổi DC–DC thường được sử dụng trong công nghiệp cần đến nguồn điện DC không đổi. Những ứng dụng tiêu biểu bao gồm bộ điều khiển động cơ DC cho xe điện DC, bộ cấp điện giao hoán, bộ đổi điện cho bộ cấp điện không tắt (UPS – uninterruptible power supplies), hệ thống chạy bằng accu. Trong chương này ta sẽ khảo sát những mạch cơ bản và nguyên lý của các bộ biến đổi DC hay DC chopper 3.1 Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi điện một chiều Mạch có dạng hình 3.1 Hình 3.1 Vidc Tải S Chopper Vi Ton v(t) t2 T VOAV 0 TOFF t1 t SON SOFF Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 76 Bậc S là linh kiện điện tử công suất nối nguồn cấp điện DC với tải khi bậc đóng. Bậc được xem là lý tưởng có các đặc tính sau • Có điện trở bằng không (sụt thế 2 đầu bậc bằng không) khi dẫn. • Có điện trở vô cùng lớn khi ngưng • Có thể giao hoán từ trạng thái khác nhau với thời gian chuyển tiếp bằng không Một cách lý tưởng, công suất thất thoát trong mạch chopper là bằng không, do đó công suất ra bằng công suất vào ii IVIV =00 (3.1) Giả sử điện thế ra được điều chỉnh trong khoảng từ 0 đến mức nào đó của Vi. Cho bậc đóng trong thời gian ton, và mở trong thời gian toff trong mỗi chu kỳ cố định T. Dạng sóng ra là một chuỗi xung chữ nhật có thời hạn ton hình 3.1 Hình vẽ cho thấy điện thế tức thời qua tải hoặc là bằng 0 (S hở) và bằng Vi (S đóng). Điện thế trung bình (DC) ngõ ra trên chu kỳ cho bởi ii on i offon on dVV T tV tt tV ==+=0 (3.2) Với offon ttT += là chu kỳ giao hoán Tf 1= tần số giao hoán T t d on= tỉ số định dạng ( ) offtTd =−1 Điện thế ra thay đổi tuyến tính theo tỉ số d hình 3.1 Dòng điện tải có dạng như ở hình 3.1 và có trị số trung bình: R dV R VI i== 00 (3.3) Điện thế hiệu dụng ở tải dVt T VtV T dtV T V ionioni t iRMS on ==== ∫ 111 20 2 (3.4) Dòng hiệu dụng ở tải R V I RMSRMS = (3.5) Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 77 3.2 Phân loại và các cách điều khiển của bộ biến đổi DC Mạch chopper thường được phân loại theo trị số điện thế ra, tùy theo cách bố trí bậc, diod, cuộn cảm, và tụ mà ta có 3 loại bộ biến đổi điện DC. ƒ Mạch chuyển đổi hạ thế (step – down chopper hoặc Buck converter). ƒ Mạch chuyển đổi tăng thế (step – up hoặc Boost converter). ƒ Mạch chuyển đổi tăng - giảm thế (Buck – Boost chopper hoặc Inverter) Các cách điều khiển điện thế ra thường là • Điều chế độ rộng xung (PWM): độ rộng xung ton thay đổi trong khi chu kỳ giao hoán không đổi. Trong cách này dạng sóng ra thay đổi khi d thay đổi • Điều chế tần số - xung (PFM): độ rộng xung được giữ không đổi trong khi thay đổi chu kỳ (tần số) giao hoán. Trong cách này điện thế ra giảm khi tần số giảm và trở nên cao khi tần số cao nhất Dù bằng cách nào PWM hay PFM điện thế ra bằng 0 khi S hở và bằng Vi khi S đóng Tuy nhiên trong các mạch ổn áp giao hoán thường sử dụng cách PWM, vì ít có dợn sóng nên thành phần linh kiện của mạch lọc cần đến ít hơn • Ưu điểm và ứng dụng Mạch chopper DC hay mạch chuyển đổi DC – DC có ưu điểm là hiệu suất cao gần 100% (so với mạch ổn áp DC tuyến tính hiệu suất khoảng 30%) vì bậc hoạt động trong chế độ giao hoán và xem như không hấp thu năng lượng điện. Về phương diện giải nhiệt ít tốn kém hơn. Các loại mạch ổn áp DC giao hoán thường sử dụng làm các bộ nguồn trong máy tính cá nhân (PC), TV, và trong 1 số công nghiệp khác 3.3 Các bộ chuyển đổi điện áp hoạt động dòng không liên tục Dòng liên tục là dòng trong cuộn cảm lúc nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ. Để có điện áp DC lớn người ta thường ghép nhiều bộ nối tiếp nhau, tuy nhiên không phải lúc nào cũng thực hiện được vì không gian và khối lượng, kích thước của toàn hệ thống. Mạch boost converter có thể tăng điện áp và thay thế các viên pin. Với hai viên pin ta có thể dùng mạch Boost converter tăng điện áp lên để sử dụng cho các xe điện và hệ thống đèn trang trí Ví dụ như xe điện Prius của Toyota có động cơ sử dụng điện áp lên tới 500V, nếu không sử dụng mạch boost converter thì ta phải sử dụng ắc qui có hơn 417 ngăn để cung cấp đủ năng lượng cho động cơ hoạt động. Nhưng Prius sử dụng mạch boost converter và ắc qui có 168 ngăn để tăng điện áp từ 202V lên tới 500V Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 78 Ta xét mạch Boost converter ở chế độ liên tục Hình 3.2 Hình 3.3 Khi mạch Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục thì dòng điện qua cuộn dây (IL) không bao giờ về 0. Hình 3.3 cho chúng ta thấy dạng sóng của dòng điện và điện áp của mạch tăng áp hoạt động trong chế độ này Trong trạng thái ON, công tắc S đóng, điện áp Vi đặt lên cuộn dây tạo dòng điện IL trong thời gian ∆t L V t I iL =∆ ∆ Ở thời điểm kết thúc của trạng thái ON thì dòng IL tăng lên theo công thức sau L TDVdt L VI i DT i Lon .. 0 ==∆ ∫ với D là chu trình định dạng Trong trạng thái OFF, công tắc S mở, dòng từ cuộn dây sẽ chạy qua tải. Nếu bỏ qua điện áp rơi trên diode D và tụ điện C rất lớn để điện áp trên tụ là không đổi, dòng điện IL khi đó dt dILVV Loi =− Do đó sự biến thiên dòng điện IL trong trạng thái OFF là Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 79 ( ) ( )( ) ( )( ) L TDVVdt L VVdII oi TD oiTD LLoff −−=−==∆ ∫∫ −− 11010 Khi chúng ta xét đến lúc mạch hoạt động ổn định, năng lượng điện tích trữ trong các linh kiện giữa các chu kỳ là giống nhau. Năng lượng lưu trữ trên cuộn dây là 2. 2 1 LILE = Dòng điện IL trong mạch lúc bắt đầu và kết thúc chu kì là giống nhau nên ta có 0=∆+∆ LoffLon II Thay thế ∆ILOn và ∆ILoff ở trên vào ta được ( )( ) 01.. =−−+=∆+∆ L TDVV L TDVII oiiLoffLon Rút gọn ta được DV V o i −= 1 1 Công thức trên cho ta thấy điện áp ra luôn luôn cao hơn điện áp vào (chu trình nằm trong khoảng từ 0 đến 1), điện áp ra tăng theo chu trình D, và dần về vô cùng khi D dần về 1 3.3.1 Mạch chuyển đổi giảm áp (Buck converter) • Sơ đồ mạch LS C + - Vidc RD1 Hình 3.4 • Sơ đồ phân tích trạng thái hoạt động S D1 C R L + - Vidc L S D1 C R + - Vidc Hình 3.5 Bậc giữ vai trò cấp điện thế cho tải qua mạch lọc tần số thấp. Diod giữ nhiệm vụ cho dòng điện qua cuộn cảm L (D ngưng, S đóng và cho qua theo chiều ngược lại (D dẫn, S hở) Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 80 Để phân giải mạch ta thừa nhận các giả thiết sau − Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. − Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) − Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 − Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1–D)T − Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào Hình 3.6 Theo đó sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không ( ) ( ) 0=∆+∆ OFFLONL ii (3.6) • Phân giải khi S đóng Khi S đóng, do diod phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng dt diLVVVVVV LiLLi =−=⇒+= 00 (3.7) Suy ra t t t t S TOFF TON vL iL iC Vi Vi-Vo -Vo ILmax ILmin IL=IO ∆ iL ∆ iC DT t Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 81 L VV dt di iL 0−= (3.8) Do đạo hàm dòng là 1 số dương không đổi, dòng điện tăng tuyến tính. Sự thay đổi dòng điện khi S đóng được viết lại theo dạng sau ( )( ) DTL VVi L VV DT i t i dt di i swonL iLLL ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=∆⇒−=∆=∆ ∆= 00 (3.9) • Phân giải khi bậc hở Khi bậc hở, diod trở nên phân cực thuận nên dẫn, và do đó cho dòng điện cuộn cảm chạy qua hình 3.6. Điện thế qua cuộn cảm khi bậc hở L V dt di dt diLVV LLL 00 −=⇒=−= (3.10) Đạo hàm của dòng điện qua cuộn cảm là hằng số âm, và dòng giảm tuyến tính hình 3.4 Sự thay đổi dòng cảm khi bậc S hở ( ) ( ) ( )TDL Vi L V TD i t i swoffL LL −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−=∆⇒−=− ∆=∆ ∆ 1 1 00 (3.11) Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán bằng với trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng cộng trong dòng cuộn cảm trên 1 chu kỳ là bằng không. Điều đó đòi hỏi ( ) ( ) ( ) 010 00 =−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −⇒=∆+∆ TD L VDT L VVii iswoffLswonL (3.12) − Giải ta được điện thế ra ii on i VVVT tDVV <⇔== 00 (3.13) Thay vào (3.11) được ( )( ) ( ) ( )TDL VDT L VDVDT L VVi iswonL −=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=∆ 10000 (3.14) Điện thế DC ra nhỏ hơn điện thế DC vào − Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Dòng điện trung bình qua cuộn cảm phải bằng dòng qua tải vì dòng trung bình qua tụ là bằng không trong chế độ thường trực R V II RL 0== (3.15) Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 82 − Sự thay đổi của dòng qua cuộn cảm cho bởi phương trình (3.14) và (3.15) giúp ta tính được trị max và min của nó ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+= L t R V Lf D R VTD L V R ViII off swon L L 2 1 2 111 2 1 2 00 00 max (3.16) ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆−= L t R V Lf D R VTD L V R ViII off swoff L L 2 1 2 111 2 1 2 00 00 min (3.17) Chú ý: trong cách phân giải trên ta xem dòng điện liên tục. Trường hợp dòng không liên tục sẽ được xét đến ở sau. − Trị số L Vì Imin = 0 là giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục, ta tính được ( ) ( ) ( )RDLf Lf D R VI 2 10 2 11 min0min −=⇒=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= (3.18) ( ) ( ) RTDR f DL 2 1 2 1 min −=−= (3.19) Lmin là trị số cực tiểu cuộn cảm cần thiết để dòng qua cuộn cảm liên tục − Độ dợn sóng ngõ ra Ở đoạn trước ta giả sử tụ điện C có trị số lớn để giữ điện thế ngõ ra không đổi. Trong thực tế, điện thế ra không hoàn toàn không thay đổi với điện dung có trị số có hạn. Sự thay đổi điện thế ra thay đổi chung quanh trị số trung bình được gọi là điện thế dợn sóng. Độ dợn sóng được tính theo biểu thức dòng điện - điện thế của tụ điện. Ta có dòng qua tụ như ở H.8: RLc iii −= (3.20) Khi dòng qua tụ có trị dương, tụ nạp điện và ta có 0VCQ ∆=∆ (3.21) C V V 00 =∆ (3.22) Mặt khác sự thay đổi điện tích là diện tích của tam giác nằm phía trên trục t cho ta 8222 1 LL iTiTQ ∆=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=∆ (3.23) Đồng nhất (3.21) với (3.23), được ( ) ( ) ( )202000 8 1 1 8 1 8 LCf DVTD LC VTD L V C TV −=−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −=∆ (3.24) Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 83 Trị số 0V∆ là trị số đỉnh - đỉnh của điện thế dợn sóng (thành phần AC) ngõ ra như hình 3.4 Độ dợn sóng của điện thế ra 2 0 0 8 1 LCf D V V −=∆ (3.25) Nếu độ dợn sóng có trị không quá lớn ta có thể xem như điện thế ra là không đổi như đã xét ở trên Nhận xét Do bộ chuyển đổi DC – DC là lý tưởng nên ta có 0 0 00 I I V VIVIV i i ii =⇒= (3.26) Mặt khác theo (9) ta còn có DVV i=0 thay vào (17) ta có D I I V V i i == 0 0 (3.27) Ta có biểu thức tương tự như của biến thế trong mạch AC. Do đó, bộ chuyển đổi DC – DC còn được gọi là biến thế DC 3.3.2 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) Boost Converter là bộ biến đổi DC dùng để biến đổi điện áp DC ngõ ra cao hơn điện áp DC ngõ vào • Sơ đồ mạch Boost Converter cơ bản C D1L RS + - Vidc Hình 3.7 • Sơ đồ phân tích hoạt động + - Vidc C R VL=Vi S D1 D1 R C + - Vidc S VL=Vi-Vo Hình 3.8 Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 84 Công tắc được sử dụng ở đây có thể là MOSFET, IGBT, hoặc BJT. Để có hiệu quả cao thì công tắc phải đóng mở nhanh và có tổn hao thấp. Việc phát minh ra linh kiện bán dẫn ở thập niên 50 là một sự kiện lớn giúp cho các linh kiện làm việc ở chế độ công tắc trong mạch Boost converter hoạt động khả dĩ hơn. Công tắc bán dẫn đóng ngắt nhanh hơn và có độ bền cao hơn so với các loại công tắc khác như công tắc cơ, rơle điện từ Bộ biến đổi DC được phát triển trong những năm đầu của thập niên 60 khi mà công tắc bán dẫn được sử dụng rộng rãi hơn • Phân tích mạch Mạch có dạng như hình 3.7. Hai trạng thái của mạch Boost converter tùy thuộc vào vị trí của công tắc S như hình 3.8 Nguyên tắc hoạt động của mạch Boost converter gồm 2 chế độ khác nhau − Trạng thái ON: công tắc S đóng hình 3.8, dòng điện trong cuộn dây tăng lên. − Trạng thái OFF: công tắc S hở hình 3.8, dòng điện chỉ có thể đi qua diode D, tụ điện C và tải R. Kết quả là năng lượng trong cuộn dây tích lũy trong trạng thái ON sẽ được nạp cho tụ C Khi phân giải mạch tăng thế ta cũng giả sử các điều kiện ban đầu như mạch hạ thế − Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. − Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) − Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 − Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1–D)T − Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 85 Hình 3.9 • Phân giải khi S đóng Khi S đóng, diod phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi L V dt di dt diLVV iLLiL =⇒== (3.28) Tốc độ thay đổi của dòng điện là hằng số, dòng điện tăng tuyến tính khi S đóng có thể viết lại dạng: L V DT i t i iLL =∆=∆ ∆ (3.29) Giải Li∆ cho ( ) L DTV i iswonL =∆ (3.30) t t t S TOFF TON vL iL Vi-Vo Vi ILmax ILmin IL ∆ iL DT (1-D)T t Imax Imin iD Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 86 • Phân giải khi S hở Khi S hở, diod phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của cuộn cảm VL L VV dt di dt diLVVV iLLiL 0 0 −=⇒=−= (3.31) Tốc độ thay đổi dòng cuộn cảm là hằng số, dòng cuộn cảm thay đổi tuyến tính khi S hở cho bởi ( ) L VV TD i t i iLL 0 1 −=− ∆=∆ ∆ (3.32) Giải cho kết quả ( ) ( )( ) L TDVV i iswoffL −−=∆ 10 (3.33) Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (3.30) và (3.33) ta được ( ) ( ) ( )( ) 010 0 =−−+⇒=∆+∆ L TDVV L DTVii iiswoffLswonL − Ta suy ra được điện thế ra ở tải D VV i−= 10 (3.34) Và do đó ( )( ) ( ) L DTV L TD D VV L TDVV i i i i i Lswoff = −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−=−−=∆ 1 110 (3.35) − Tìm dòng điện qua cuộn cảm Công suất ngõ ra hấp thụ của tải R VP 2 0 0 = (3.36) Và do công suất ra bằng công suất vào, ta có Liii IVIV = (3.37) ( ) RD V R D V R VIV i i Li 2 2 2 2 0 1 1 −= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −== (3.38) Suy ra dòng trung bình qua cuộn cảm Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 87 ( ) RD VI iL 21−= (3.39) − Trị số Imax và Imin cho ( ) L DTV RD ViII ii swon L L 212 2max +−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+= (3.40) ( ) L DTV RD ViII ii swoff L L 212 2min −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+= (3.41) Trong điều kiện dẫn liên tục ta có trị giới hạn của dòng qua cuộn cảm bằng không, suy ra ( ) ( ) L DTV RD V L DTV RD V I iiiiL 2121 0 22min =−⇒−−== (3.42) Suy ra trị số tối thiểu của cuộn cảm để mạch hoạt động liên tục ( ) ( ) ( ) f RDDLRDDLf 2 1 2 1 2 min 2 min −=⇒−= (3.43) − Độ dợn sóng ngõ ra Với C có trị giới hạn điện thế ngõ ra có trị số AC được gọi là điện thế dợn sóng do tụ nạp và xả điện khi S mở và đóng lần lượt. Sự thay đổi điện tích của tụ C được tính bởi RCf DV RC DTVVVCDT R VQ 00000 ==∆⇒∆=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=∆ (3.44) Độ dợn sóng ngõ ra RCf D V V =∆ 0 0 (3.45) − Trị số tụ điện C Trị số tụ điện C tính được Rfr D V VRf DC = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∆= 0 0 (3.46) với r% là phần trăm độ dợn sóng %100% 0 0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∆= V Vr (3.47) 3.3.3 Mạch chuyển đổi tăng – giảm áp (Buck – boost converter) • Sơ đồ mạch có dạng như hình 3.10 Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 88 + - Vidc L S R D1 C Hình 3.10 + - Vidc C R S D1 L R S D1 + - Vidc C L Hình 3.11 • Mạch hoạt động theo các giả thiết như trên − Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. − Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) − Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 − Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1–D)T − Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào Tùy theo bậc S đóng hay mở sẽ cung cấp điện làm diod ngưng hay dẫn và do đó sẽ cấp dòng cho tải. Do cách mắc diod nên điện thế ra V0 có trị âm. Ta có mạch tương đương ở hình 3.11 Hình 3.12 t t t S TOFF TON vL iL Vo Vi ILmax ILmin IL ∆ iL DT Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 89 • Phân giải khi S đóng Khi S đóng , diod phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi L V dt di dt diLVV iLLiL =⇒== (3.48) Tốc độ thay đổi của dòng điện là hằng số, dòng điện tăng tuyến tính khi S đóng có thể viết lại dạng L V DT i t i iLL =∆=∆ ∆ (3.49) Giải Li∆ cho ( ) L DTVi iswonL =∆ (3.50) • Phân giải khi S mở Khi S hở, dòng trong cuộn cảm không thay đổi tức thời, diod phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua tụ và tải tạo nên điện thế của cuộn cảm VL L V dt di dt diLVV LLL 0 0 =⇒== (3.51) Tốc độ thay đổi dòng cuộn cảm là hằng số, dòng cuộn cảm thay đổi tuyến tính khi S hở cho bởi ( ) L V TD i t i LL 0 1 =− ∆=∆ ∆ (3.52) Giải ra được kết quả ( ) ( ) L TDV i swoffL −=∆ 10 (3.53) Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (3.50) và (3.53) ta được ( ) ( ) ( ) 010 0 =−+⇒=∆+∆ L TDV L DTVii iswoffLswonL Ta thu được điện thế ra ở tải ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−=−−= D DV D DVV ii 110 (3.54) Và do đó ( ) ( ) L DTV L TD D DV L TDVi i i Lswoff = −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=−=∆ 1 110 (3.55) Điện thế ra có thể nhỏ hoặc lớn hơn điện thế nguồn Vi và tùy theo tỉ số định dạng D − Nếu D > 0,5: điện thế ra lớn hơn điện thế vào Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 90 − Nếu D < 0,5: điện thế ra nhỏ hơn điện thế vào Nên được gọi là bộ chuyển đổi tăng - hạ thế nhưng luôn nghịch dấu với Vi. Dạng sóng trên mạch như hình 3.12 − Dòng trung bình qua cuộn cảm Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất cấp bởi nguồn R VP 2 0 0 = (3.56) Công suất vào: iii IVP = và R VIV ii 2 0= (3.57) Dòng nguồn trung bình liên hệ với dòng cuộn cảm DII Li = (3.58) Thay vào ta có: DIV R V Li= 2 0 (3.59) Suy ra dòng trung bình qua cuộn cảm 2 2 2 0 )1( 1 DR DV RDV D DV RDV VI i i i i L −= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −== (3.60) − Trị số Imax và Imin cho: ( ) L DTV RD DViII ii swon L L 212 2max +−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+= (3.61) ( ) L DTV RD DViII ii swoff L L 212 2min −−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+= (3.62) Trong điều kiện dẫn liên tục ta có trị giới hạn của dòng qua cuộn cảm bằng không, suy ra ( ) ( ) L DTV RD DV L DTV RD DV I iiiiL 2121 0 22min =−⇒−−== (3.63) Suy ra trị số tối thiểu của cuộn cảm để mạch hoạt động liên tục ( ) ( ) ( ) f RDLRDLf 2 1 2 1 2 min 2 min −=⇒−= (3.64) − Độ dợn sóng ngõ ra Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 91 Với C có trị giới hạn điện thế ngõ ra có trị số AC được gọi là điện thế dợn sóng do tụ nạp và xả điện khi S mở và đóng lần lượt. Sự thay đổi điện tích của tụ C được tính bởi RCf DV RC DTVVVCDT R VQ 00000 ==∆⇒∆=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=∆ (3.65) Độ dợn sóng ngõ ra: RCf D V V =∆ 0 0 (3.66) − Trị số tụ điện C tính được Rfr D V V Rf DC = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∆= 0 0 (3.67) 3.3.4 Bộ chuyển đổi C’uk Điện thế ra có trị hoặc lớn hơn hay nhỏ hơn điện thế vào và ngược dấu, nên bộ chuyển đổi C’uk cho điện ra giống như bộ chuyển đổi tăng giảm thế • Sơ đồ mạch + - Vs C1 L2L1 R S C2D1 Hình 3.13 • Mạch tương đương chế độ đóng ngắt R C2 L1 S iC1=-iL2 + - Vs L2 D1 D1 L1 R iC1=iL1 S + - Vs L2 C2 Hình 3.14 Cuộn cảm L1 ngõ vào tác động như mạch lọc cho bộ nguồn để ngăn những thành phần họa tần lớn. Không như các bộ chuyển đổi đã xét ở trên năng lượng truyền kết hợp với cuộn cảm, còn ở đây năng lượng truyền tùy thuộc vào tụ C1 • Trước khi phân giải ta thừa nhận các giả thiết sau − Cả 2 cuộn cảm đều rất lớn và dòng điện là không đổi − Cả 2 tụ điện đều rất lớn và điện thế của chúng đều không đổi Chương 3 : Biến đổi điện áp một chiều 92 − Mạch hoạt động trong chế độ thường trực nghĩa là dạng sóng điện thế và dòng điện là tuần hoàn − Với thời gian S đóng là DT và thời gian S mở là (1 - D)T − Bậc và diod đều là lý tưởng Ta có các mạch tương đương khi S đóng và khi S mở như ở hình 3.13 Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định luật Kirchhoff về điện thế Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm là bằng không ở chế độ thường trực Kết quả: 01 VVV ic −= (3.68) • Khi S đóng: diod ngưng dẫn và dòng qua tụ điện C1 ( ) 21 Lswonc Ii −= (3.69) • Khi S hở: dòng của cuộn cảm L1 và L2 làm diod dẫn. Dòng trong tụ C1 ( ) 11 Lswoffc Ii = (3.70) Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất cấp điện 120 LiL IVIV =− (3.71) Trong hoạt động tuần hoàn, dòng điện trung bình của tụ là bằng không ( )[ ] ( )[ ]( ) 0111 =−+ TDiDTi swoffcswonc (3.72) Thay (3.69) và (3.70) vào (3.72) ta được ( ) D D I ITDIDTI L L LL −=⇒=−+− 101 2 1 12 (3.73) Kế đó, công suất trung bình của nguồn cung cấp phải bằng công suất hấp thụ bởi tải iL L LLii V V I IIVIVPP 0 2 1 2010 −=⇒−=⇒= (3.74) Thay (3.73) vào (3.74) cho ta điện thế ngõ ra ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−= D DVV i 10 (3.75) Dấu - chỉ sự phân cực nghịch giữa ngõ ra và ngõ vào Lưu