Bài tập lớn Điện tử công suất: thiết kế bộ biến đổi DC DC buck converter ĐTCS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
**********

ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ biến đổi nguồn DC - DC
Sinh viên: Nguyễn Quang Trung
Giáo viên hướng dẫn: TS. Phạm Việt Phương

Hà Nội, 12 - 2020

1


Mục Lục

Mục Lục....................................................................................................................2
Lời mở đâu................................................................................................................3
Yêu Cầu Thiết Kế.....................................................................................................4
Chương 1: Tổng quan..............................................................................................5
1.1 Phương pháp điều khiển................................................................................5
1.2 Bộ biến đổi buck.............................................................................................5
Chương 2: Mơ hình hóa..........................................................................................7
Chương 3: Tính tốn mạch lực...............................................................................8
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển.........................................................................11
Chương 6: Mô phỏng mạch lực............................................................................12
Tổng kết..................................................................................................................15
Tài liệu tham khảo.................................................................................................16

2

Lời mở đâu
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi
nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện
là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một
chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Cấu trúc mạch của các bộ biến đổi
DC-DC vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất
biến đổi cao và đảm bảo ổn định ln là mục tiêu của các cơng trình nghiên cứu.
Việc đưa kiến thức vào thực tiễn khơng cịn là quá xa lạ đối với sinh viên
đang theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật. Trong đề tài
môn học này, em thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC- DC”.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Việt Phương (bộ môn Tự động
công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để em hồn thành mơn học.

3


Yêu Cầu Thiết Kế

- Với yêu cầu trên, em chọn thơng số tính tốn: Điện áp đầu vào: 24VDC
Điện áp đầu ra: 5VDC
Dòng điện ra: 7A
- Các bước thực hiện:
1.Giới thiệu về bộ biến đổi.
2. Mơ hình hóa
3. Tính tốn mạch lực và thiết kế cuộn kháng.
4. Thiết kế bộ điều khiển.
5. Mô phỏng trên PSIM.

4

Chương 1: Tổng quan
1.1 Phương pháp điều khiển
Sử dụng phương pháp PWM (pusle width modulation): là phương pháp thay
đổi độ rộng xung vuông, tức là thay đổi độ rộng sườn dương hay âm của xung mà
không thay đổi tần số xung.
Dùng PWM để điểu khiển việc đóng, ngắt các khóa (van) trong bộ biến đổi.
Việc thay đổi độ rộng sườn dương (âm) của xung điều khiển dẫn đên thay đổi thời
gian đóng (ngắt) của các van. Do đó làm thay đổi điện áp đầu ra của bộ biến đổi.
1.2 Bộ biến đổi buck
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. Bộ biến đổi DC-DC thường được sửa
dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được cơng suất nguồn một chiều.

Hình 1.1: Bộ biến đổi Buck cơ bản
Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào. Việc điều khiển
các khóa chuyển mạch bằng cách 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, nó cịn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa đóng, điện áp
chênh lệch giữa 2 ngõ vào ra đặt trên cuộn cảm, làm dòng trên cuộn cảm tăng dần
theo thời gian. Khi khóa ngắt,cuộn cảm có khuynh hướng duy trì dịng điện qua nó
5


sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp trên cuộn cảm lúc này
ngược dấu với khi khóa đóng và có điện áp bằng ngõ ra cộng với điện áp rơi trên

diode D, khiến cho dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ
ra C có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra trong giới hạn cho phép.

6


Chương 2: Mơ hình hóa
Trong thực tế, các thành phần của bộ biến đổi không phải là lý tưởng. Tụ
điện được thay thế bằng một tụ điện lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở Rc. Điện trở
Rc được gọi là điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ điện, dùng để chỉ ra tổn
thất năng lượng trên tụ điện. Cuộn cảm được thay thế bằng một cuộn cảm lý tưởng
mắc nối tiếp với điện trở RL.

Hình 2.1: Bộ biến đổi Buck
- Với:
+ Rds,on: là điện trở tương đương của MOSFET khi dẫn.
+ Vd,on: là điện áp rơi trên Diode khi dẫn.
+ rL: là điện trở thuần của cuộn dây L.
+ ESR: là điện trở tác dụng của tụ, là phần tổn hao khiến tụ nóng lên.

7


Chương 3: Tính tốn mạch lực
- Khi Q dẫn, D khóa, ta có:

Hình 3.1: Mạch Buck khi Q dẫn
- Khi Q khóa, D dẫn, ta có:

Hình 3.2: Mạch Buck khi Q khóa

- Với điện áp trên tụ đạp mạch rất nhỏ, giả thiết Uo= Const. Ta có điện áp trung
bình trên cuộn dây L trong 1 chu kỳ đóng cắt của Q phải bằng khơng nên ta có:

- Sau khi biến đổi ta có:

8


- Với các thông số đã biết:
- Ta chọn thông số các van trên mạch:
+ MOSFET: IPP042N03L, hãng Infineon:
ThơngsốRds,on= 0.0045Ω

Hình 3.3: Mosfet
+ Diode Schottky: RB218T-30, hãng: Rohm:
Thơngsố Vd,on= 0.58V

Hình 3.4: Diode
- Chọn thông số điện trở thuần cuộn dây: rL=0.1Ω
- Từ đó ta tính được hệ số điều chế: D=
- Tính tốn thơng số cuộn cảm L và tụ điện C:
- Tần số đóng cắt của MOSFET: 100kHz để giảm kích thước cuộn cảm và tụ điện
- Chọn độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm L là:
- Chọn độ đập mạch điện áp trên tụ:
9


Từ cơng thức:
Từ đó ta có
- Chọn van theo dịng điện đỉnh qua van Ipeak=IL+ΔIL/2 và dịng trung bình qua van

+ Ipeak = 7 + 10%.7/2 = 7.35 (A)
+ Dòng ước tính qua diode: Id = (1-D).IL = (1- 0,25567).7 = 5,21031 (A)
+ Dịng trung bình qua MOSFET: Iv = D.IL = 0,25567.7 = 1.78969 (A)
- Thời gian đóng, mở van:
ton = D.Ts = 0,25567.10-5 = 2,5567.10-6 (s)
toff = (1-D)Ts = (1-0,25567).10-5 = 7,4433.10-6 (s)

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển
Trong phạm vi môn học em đưa ra phương án điều khiển: Thay đổi hệ số
điều chế D tác động vào MOSFET thông qua điều chỉnh độ rộng xung điều khiển
trong những chu kì lặp khơng đổi thơng qua các IC chuyên dụng.

10


Hình 4.1: Độ rộng xung PWM

Chương 6: Mơ phỏng mạch lực
- Với các thơng số đã tính tốn, tiến hành mô phỏng mạch lực trên LTspice:

11


- Kết quả mô phỏng
+ Điện áp đầu ra trên tải thuần trở:
Điện áp trung bình: Uo= 5.02V

+ Dịng điện 1 chiều trên tải thuần trở:
+ Dịng điện trung bình: Io=7.03 A

12


+ Dòng điện đập mạch trên cuộn cảm:

+ Điện áp đập mạch trên tụ điện:

13


14


Tổng kết
Kết thúc đề tài môn học đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu
đề ra, một số kiến thức thu được :
-

Mơ hình hóa được đối tượng.

-

Tính tốn được thơng số của mạch lực

-

Đã mơ phỏng mơ hình được bằng Psim.

Em đã trau dồi thêm kinh nghiệm về thiết kế mạch và tiếp cận với các phần
mềm mô phỏng Psim và Matlab. Nắm được cơ bản về mạch điều chỉnh điện áp DcDc buck converter. Trong suốt q trình làm việc khơng thể thiếu được các ý kiến

hướng dẫn của thầy Phạm Việt Phương. Em xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của
thầy và các bạn trong nhóm trong suốt q trình làm đề tài. Trong suốt quá trình
thực hiện mặc dù cố gắng hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, em còn nhiều thiếu sót
và rất mong được sự đóng góp, góp ý từ phía thầy để em hồn thiện hơn.

15


Tài liệu tham khảo
[1] Giáo trình điện tử cơng suất- Trần Trọng Minh
[2] Fundamentals of Power Electronics - Erickson.

16