Bài giảng Chương 6. Mạch biến đổi DC-DC

MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 1 / 13 Chương 6. MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 1. 1.1. mạc ng ồn x ng Mạch nguồn DC có nhiệm vụ tạo ngõ ra điện áp DC ổn định với thay đổi của tải và áp ngõ vào trong giới hạn cho phép. Dựa vào nguyên lý, có hai loại mạch nguồn là mạch nguồn tuyến tính và mạch nguồn xung. Q1 R1 1k D1 BV=10 IBV=80.0m V1 20V RIPPLE AMP=1V FREQ=50Hz V1(+) VO R2 100 Ic MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 2 / 13 MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 3 / 13 Nguồn ổn áp tuyến tính: - Điện áp ngõ ra phụ thuộc vào tải và chất lượng nguồn ngõ vào - Rơi áp qua Transistor lớn làm công suất ngõ ra thấp 1.2. Các loạ mạc b ến đổ DC-DC và ư n ược đ ểm 1.3. Các dạng mạc ạo x ng đ ề c ế 2. Phân tích mạc b ến đổ B ck Hình 6.1 – Mạch nguyên lý Buck Chu kì đóng ngắt của công tắt là T. Thời gian đóng là TON, thời gian ngắt là TOFF. Hệ số T T D ON đặc trưng cho độ rộng xung dương. Ta viết các phương trình cân bằng điện khi công tắt đóng và ngắt MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 4 / 13 Hình 6.2 – Đồ thị dòng và áp qua mạch Buck * Khi công tắt đóng: Diode phân cực ngược, điện áp qua cuộn dây VL = VS - VO. Giả thiết điện áp nhấp nhô nhỏ và xem như điện áp ngõ ra là hằng số. Ta có: dt di Lv ONL L )( . => ON OS T OS ONL T L VV dt L VV I ON .. 0 )(      * Khi công tắt mở: Suất điện động tự cảm ngược chiều điện áp đặt vào cuộn dây –VO là diode phân cực thuận, cuộn dây xả điện qua tải R, tụ lọc C và qua Diode. (hình) Dòng điện trong cuộn dây là: OFF O T T O OFFL T L V dt L V I ON ..)(     Ở trạng thái cân bằng, dòng điện ra và vào cuộn dây là bằng nhau nhưng ngược chiều. Ta có: 0)()(  OFFLONL II => OFF O ON OS T L V T L VV ..   Do đó ta có S ON SO VD T T VV . Dòng điện nhấp nhô qua cuộn dây chính là dòng qua tải: OFF O ON OS Lripple T L V T L VV II    . Do đó giá trị điện cảm cuộn dây:    D If V D I VT T I V L ripple O ripple O OFF ripple O  1 . 1 . Ngoài ra,  TD L V R VI II OOLAVLL    1 22 )((max) MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 5 / 13  TD L V R VI II OOLAVLL    1 22 )((min) . Để đảm bảo dòng điện trong tải không âm, ta cần 0(min) LI =>   R f D LL 2 1 min   Xem xét dòng điện qua tụ điện: Điện áp tụ bắt đầu nạp từ VMIN đến VMAX tương ứng dòng điện trong tụ điện tăng từ 0 lên max rồi giảm về 0 (phần dòng điện dương) Ta có phương trình cân bằng tại nút: OLC III  . Tại thời điểm ban đầu t = 0: IL = 0 nên 2 )()( MINLMAXL OC II II   Tại thời điểm t = DT: Điện lượng nạp vào tụ tại thời gian t: Q(t) = C.VC(t) =>   rippleMINMAXO VCVVCVCQ ...  Với   tiQ c => )1(8 . )1( 8 . 822 . 2 1 2 D L VT TD L VTTITI Q OO rippleripple  =>   LC DT V V ripple O ripple 8 12   =>     rL DT VL VDT C ripple O .8 1 .8 1 22     Nhận xét: - Độ nhấp nhô trong mạch DC-DC thưởng nhỏ hơn 1%. - Khi thiết kế, việc chọn giá trị tự cảm cuộn dây nhỏ đi làm cho dòng điện nhấp nhô tăng lên, đòi hỏi tụ điện phải lớn hơn để đảm bảo độ nhấp nhô cho trước. - Tăng tần số f của mạch kích làm cho độ nhấp nhô giảm, nhưng tổn hao đóng ngắt qua công tắt tăng lên, hiệu suất bộ nguồn giảm xuống. Bài tập 1: Mạch Buck có nguồn cấp 50V, L=400µH, C=100µF, R= 20Ω, f=20kHz, D=0.4 – Tính điện áp tải, dòng điện qua cuộn dây cực đại, cực tiểu, và điện áp nhấp nhô Vripple Bài tập 2: Mạch Buck có điện áp cấp 50V, điện áp tải 25V. Tần số đóng ngắt 10kHz. Công suất tải 125W. Xác định: Hệ số điều rộng xung D; điện cảm L sao cho dòng cực đại qua cuộn dây IL(MAX) = 6.25A ; Điện dung C sao cho độ nhấp nhô r = 0.5% Bài tập 3: Tìm các giá trị T, TON, R, L, C và IS của mạch Buck có VS=10V, VO=5V, IO=1A, Vr = 0.25V và f=40Khz Bài tập 4: Thiết kế (vẽ mạch và tính toán giá trị trong mạch) mạch Buck có tần số đóng ngắt 30kHz, nguồn cấp VS = 50V, nguồn ra VO = 15V. Với các đặc trưng bộ nguồn là dòng tải 0.5A và điện áp nhấp nhô nhỏ hơn 0.1V. Dòng điện nhấp nhô 1%. Bài tập 5: Thiết kế mạch Buck có tần số đóng ngắt 50kHz, nguồn cấp VS = 170V, nguồn ra VO = 15V. Với các đặc trưng bộ nguồn là dòng tải 2.5A và điện áp nhấp nhô nhỏ hơn 0.5V. Dòng điện nhấp nhô 1.5%. Bài tập 6: Mạch nguồn Buck biến đổi 500VDC thành 300VDC. Bộ lọc gồm cuộn dây 200uH, tải thuần trở 2.75Ω. Thời gian đóng TON của công tắt bán dẫn là 53.5us. Tính toán (a) Tần số đóng ngắt công tắt bán dẫn f, thời gian đóng công tắt TOFF (b) Dòng trung bình của nguồn cấp VIN MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 6 / 13 3. Phân tích mạc b ến đổ Boos Hình 6.3 - Đồ thị dòng và áp qua mạch Boost * Khi công tắt đóng, Diode không được phân cực thuận, điện từ nguồn VS qua cuộn dây L dt di Lv ONL L )( . => DT L V T L V dt L V I SON S T S ONL ON ... 0 )(   * Khi công tắt mở, Diode phân cực thuận, có dòng điện qua Diode đến tải R và tụ điện C. Giả sử trong thời gian xác lập, điện áp nhấp nhô bé, điện áp ngõ ra VO gần như phẳng. Điện áp qua cuộn dây nối tiếp với tải: VL = VS - VO  TD L VV T L VV dt L VV I OSOFF OS T OS OFFL OFF         1... 0 )( Ở trạng thái cân bằng, dòng điện ra và vào cuộn dây là bằng nhau nhưng ngược chiều. Ta có: 0)()(  OFFLONL II => OFF SO ON O T L VV T L V ..   MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 7 / 13 Do đó ta có D V T T VV S OFF SO   1 Nhận xét: Do 0 ≤ D ≤ 1, nên (1-D) ≤ 1, điện áp ra VO lớn hơn điện áp vào VS Dòng điện nhấp nhô (ripple) qua cuộn dây: OFF OS ON S Lripple T L VV T L V II   . Do đó giá trị điện cảm cuộn dây: D If V D I TV T I V L ripple O ripple S ON ripple S . .  Nhận xét: Tần số đóng ngắt mạch càng lớn thì giá trị L mạch yêu cầu càng nhỏ. Tần số f trong mạch thực tế thường chọn lớn ngoài ngưỡng nghe của con người, trong khoảng 25kHz đến 100kHz. Trong điều kiện lý tưởng, không mất công suất qua các phần tử trung gian, công suất nguồn bằng công suất tải: VSIS = VO.IO . Do đó:    2 2 1..1 DR V VR V D I V V II S S OO S O OS     Nhận xét: Dòng điện nguồn cấp (cũng chính là dòng điện qua cuộn dây) lớn hơn dòng điện tải đúng bằng tỷ số điện áp nguồn và điện áp tải. Dòng điện nguồn cấp cũng chính là dòng cuộn dây IS = IL, ta có:   DT L V DR VI II SSLLL 21.2 2(max)        DT L V DR VI II SSLLL 21.2 2(min)      Để đảm bảo dòng điện trong tải không âm, ta cần 0(min) LI =>   f RDD LL 2 .1 2 min   Xem xét dòng điện qua tụ điện: Điện áp tụ bắt đầu nạp từ VMIN đến VMAX tương ứng dòng điện trong tụ điện không đổi R V I OC  . Ta có: Q(t) = C.VC(t) =>   rippleMINMAXO VCVVCVCQ ...  Với   tiQ c => DTR V T R V Q OON O  => RCf D V V ripple O ripple  => rRf D VRf DV C ripple O ..  Bài tập 1: Mạch boost có các thông số sau: VS = 20V, D=0.6 ; R=12.5Ω ; L = 65µH ; C =200µF ; f = 40kHz . Xác định điện áp tải VO ? dòng điện qua cuộn dây trung bình IL ? lớn nhất IL(MAX) ? nhỏ nhất IL(MIN) ? Điện áp nhấp nhô Vripple ? Bài tập 2: Thiết kế mạch Boost có nguồn ra VO = 36V từ nguồn vào VS = 24V. Hệ số nhấp nhô ripple 0.5% lúc tải 50W. Bài tập 3: Tìm T, TON, TOFF, R, L, C và IL cho mạch boost có các thông số sau: VS = 5V, VO = 20V, IO = 1A, Iripple = 0.1A, Vripple = 0.25V và f = 50kHz? Điện áp qua cuộn dây thay đổi bao nhiêu trong thời gian TON, TOFF ? MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 8 / 13 Bài tập 4: Thiết kế mạch Boost hoạt động ở tần số f = 45kHz, tạo ra nguồn 15V từ nguồn 5V. Khi dòng điện 0.5A thì điện áp nhấp nhô nhỏ hơn 0.1V. Giả thiết dòng điện nhấp nhô là 10% so với dòng điện qua cuộn dây. Bài tập 5: Cho mạch Boost như hình, nguồn cấp VIN = 12V, tải 5Ω, nguồn ra 5V, điện trở dây RWIRE = 0.2Ω. Xác định D ? (giả thiết công tắt là lý tưởng, cuộn dây L và tụ điện đủ lớn) 4. Phân tích mạc b ến đổ B ck-Boost: Hình 6.4 - Đồ thị dòng và áp qua mạch Buck-Boost Khi công tắt đóng, Diode không được phân cực thuận, điện từ nguồn VS qua cuộn dây L MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 9 / 13 dt di Lv ONL L )( . => DT L V T L V dt L V I SON S T S ONL ON ... 0 )(   * Khi công tắt mở, Diode phân cực thuận, có dòng điện qua Diode đến tải R và tụ điện C. Giả sử trong thời gian xác lập, điện áp nhấp nhô bé, điện áp ngõ ra VO gần như phẳng. Điện áp qua cuộn dây nối tiếp với tải: VL = VO  TD L V T L V dt L V I OOFF O T O OFFL OFF   1... 0 )( Ở trạng thái cân bằng, dòng điện ra và vào cuộn dây là bằng nhau nhưng ngược chiều. Ta có: 0)()(  OFFLONL II => OFF O ON S T L V T L V ..  D D VV SO   1 * Nhận xét: Điện áp ra ngược dấu với điện áp vào. Về giá trị có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn áp vào. Dòng điện nhấp nhô (ripple) qua cuộn dây: OFF O ON S Lripple T L V T L V II  . Do đó giá trị điện cảm cuộn dây: D If V D I TV T I V L ripple O ripple S ON ripple S . .  Nhận xét: Tần số đóng ngắt mạch càng lớn thì giá trị L mạch yêu cầu càng nhỏ. Tần số f trong mạch thực tế thường chọn lớn ngoài ngưỡng nghe của con người, trong khoảng 25kHz đến 100kHz. Trong điều kiện lý tưởng, không mất công suất qua các phần tử trung gian, công suất nguồn bằng công suất tải: VSIS = VO.IO . Do đó:   22 1.1           D D R V VR V D D I V V II S S O O S O OS Nhận xét: Dòng điện nguồn cấp (cũng chính là dòng điện qua cuộn dây) lớn hơn dòng điện tải đúng bằng tỷ số điện áp nguồn và điện áp tải. Dòng điện nguồn cấp là dòng cuộn dây trong thời gian DT: IS = D.IL, ta có:   DT L V DR DVI II SSLLL 21.2 2(max)        DT L V DR DVI II SSLLL 21.2 2(min)      Để đảm bảo dòng điện trong tải không âm, ta cần 0(min) LI =>   f RD LL 2 .1 2 min   Xem xét dòng điện qua tụ điện: Điện áp tụ bắt đầu nạp từ VMIN đến VMAX tương ứng dòng điện trong tụ điện không đổi R V I OC  . Ta có: Q(t) = C.VC(t) =>   rippleMINMAXO VCVVCVCQ ...  MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC 10 / 13 Với   tiQ c => DTR V T R V Q OON O  => RCf D V V ripple O ripple  => rRf D VRf DV C ripple O ..  Bài tập 1: Mạch Buck-Boost cấp từ nguồn VS = 24 V, tần số 20kHz, C = 250uF, L = 200uH, tải R=1.5Ω, D=0.3. Tính (a) dòng trung bình và áp trung bình của tải? (b) Dòng điện nhấp nhô ∆IL và điện áp nhấp nhô ∆VO Bài tập 2: Mạch Buck-Boost được cấp nguồn 176V, tải thuần trở R=58Ω. Giả thiết dòng tải liên tục. Tính dòng điện nguồn trung bình, điện áp tải và dòng tải trung bình khi (a) D=0.25 ; (b) D = 0.5 ; (c) D=0.75 Bài tập 3: Mạch Buck-Boost có thông số L=200uH, C=300uF, f=22,4kHz. Nguồn cấp 50V. Tải R=1.85Ω. Tính toán điện áp tải trung bình và dòng tải trung bình khi (a) D =0.25 và (b) D=0.75. 5. Mộ số dạng mạc DC-DC khác: Flyback, Cuk