BÀI GIẢI bài tập CHƯƠNG 3 p1 p2 điện tử công suất

BÀI TẬP CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Phần 1: Bộ biến đổi DC-DC cơ bản
Lưu ý:

(a): Bộ biến đổi và tải

(b): Mạch tương đương với Vo, Io
Hình 1

Cho bộ biến đổi với tải như hình 1a, mạch tương đương với trị trung bình điện áp ngõ ra Vo và dịng trung
bình ngõ ra Io như hình 1b. Mạch tương đương này có thể áp dụng cho các bộ biến đổi DC-DC khác nhau, ở
chế độ dòng liên tục hoặc gián đoạn. Từ mạch tương đương hình 1b, ta có:

Vo  RI o  E
Lưu ý là trong trường hợp mạch ở chế độ dịng liên tục, điện áp trung bình ngõ ra Vo là một hàm chỉ phụ
thuộc vào điện áp ngõ vào Vd và tỉ số điều chế D: Vo  f (Vd , D ) .
Bài 3.1:
a. Tính tỉ số điều chế D và dịng tải trung bình Io để Vo = 150V

Do mạch hoạt động ở chế độ dịng liên tục nên điện áp trung bình ngõ ra có thể tính theo cơng thức:

Vo  DVd , suy ra tỉ số điều chế cần thiết là:
Vo  DVd  D  150 200  0.75
Từ biểu thức: Vo  RI o  E , suy ra dòng tải trung bình Io là:

Io 

Vo  E 150  100

 50 A
R

1

1


b. Tính tỉ số điều chế D để Io = 40A

Để Io = 40A, điện áp ngõ ra cần thiết của bộ biến đổi là:

Vo  RI o  E  1  40  100  140V
Suy ra: D  140 200  0.7
Sinh viên tham khảo các slides bài giảng để vẽ các dạng sóng của áp tải và dòng tải với các trị số của D như
trên.
Bài 3.2:

Vẽ dạng dòng tải io và áp trên tải vo

(a): Mạch giảm áp và tải R+E

(b): Dạng sóng áp và dịng ngõ ra của mạch
Hình 2

Sinh viên tự tìm hiểu tại sao dạng sóng vo và io có dạng như hình 2b. Dạng sóng này có khác với
dạng sóng trong bài 3.1 không? Lý do của sự khác biệt này (nếu có)?
Trị trung bình Io và Vo
Tính trị trung bình điện áp ngõ raVo:
T

1
1

Vo   vo dt  TV
1 d  (T  T1 ) E   DVd  (1  D ) E
T 0
T
Trong đó: D  T1 / T

2


Tính trị trung bình dịng ngõ ra Io:

Io 

Vo  E DVd  (1  D ) E

R
R

Thay các giá trị đã cho vào các biểu thức trên, ta được:

Vo  DVd  (1  D ) E  0.75  200  (1  0.75)100  175V

Io 

Vo  E 175  100

 37.5 A
R
2

Bài 3.3:

Mạch tương đương của bộ tăng áp với trị trung bình điện áp ngõ ra Vo và dịng trung bình ngõ ra Io như hình
dưới đây (lưu ý về chiều quy ước của io trong hình 3(a) của mạch tăng áp).

(a): Bộ tăng áp và tải

(b): Mạch tương đương với Vo, Io
Hình 3

Từ đây suy ra: Vo  E  RI o  100  1  10  90V
Từ giả thiết là dòng tải liên tục, ta có: Vo  (1  D )Vd
Từ hai đẳng thức ở trên và dữ liệu của bài, có thể tính ra: D  1 

Vo
90
 1
 0.55
Vd
200

Chiều truyền cơng suất: tải  nguồn (s/v tự tìm hiểu lý do).
Bài 3.4:
a. Tính tỉ số điều chế D để dịng tải trung bình là 20A

Mạch tương đương của bộ biến đổi với Vo và Io có dạng như hình 1a, tương ứng:

Vo  E  RI o  100  2  20  140V

3

Với bộ biến đổi kiểu đảo dòng: Vo  DVd  D 

Vo 140

 0.7
Vd 200

Công suất của nguồn sức điện động E: PE  E  I o  100  20  2000W  0
Do PE  0 và E ở phía tải nên nguồn E nhận cơng suất.
b. Tính tỉ số điều chế D để dịng tải trung bình là -20A

Tính tốn tương tự câu a, ta có:

Vo  E  RI o  100  2  ( 20)  60V
Suy ra: D 

Vo
60

 0.3
Vd 200

Công suất của nguồn sức điện động E: PE  E  I o  100  ( 20)   2000W  0
Do PE  0 và E ở phía tải nên nguồn E phát công suất.
Bài 3.5:
a. Vẽ dạng điện áp trên tải vo

Dạng điện áp vo như hình 4.

Kích
T1, T2

T
T1

t

Kích
T3, T4

t

vo
vd

t

-vd

Hình 4

4


b. Quan hệ giữa trị trung bình áp tải Vo và tỉ số điều chế D

Từ hình 4 có thể suy ra:
T

Vo 

1
1
vo dt  TV
1 d  (T  T1 )( Vd )   (2 D  1)Vd

T 0
T

c. Tính giá trị tỉ số điều chế D cần thiết để dịng tải trung bình Io = 20A

Để Io = 20A, ta cần có:

Vo  E  RI o  100  2  (20)  140V
 1  140 
1 V
 1  0.85
D   o  1  
2  Vd
2
200




Phần 2: BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU KIỂU ĐÓNG NGẮT
Bộ nguồn kiểu giảm áp (Buck converter)
Bài 3.6:
a. Tỉ số điều chế D cần thiết

Với thông số đã cho trong bài, tính được dịng tải ngõ ra là: I o 

Po 125W

 5A
Vo 25V

Nếu thiết kế mạch thỏa điều kiện I L  0.25 A như đề bài thì có thể chứng minh được (SV tự làm) là mạch sẽ
ở chế độ dịng liên tục. Do đó, quan hệ giữa điện áp ngõ vào và ngõ ra lúc này sẽ là:

Vo  DVd
Suy ra: D 

Vo 20V

 0.4
Vd 50V

b. Giá trị cần thiết của điện cảm L
Ta có: iL 

Vo
(1  D )Ts
L

Để đảm bảo I L  0.25 A , cần chọn L thỏa điều kiện:
L  Lmin 

Vo

1
25
1
(1  D ) 
(1  0.4)
 6  103 H  6mH
0.25 A
f s 0.25
10  103

5


c. Giá trị cần thiết của tụ điện C để Vo Vo  0.5%
Ta có:

Vo (1  D )

Vo
8LCf s2

Chọn L = 6mH, để thỏa điều kiện Vo Vo  0.5% ta cần chọn C như sau:

Vo (1  D )
1 (1  D )

 0.5%  C  Cmin 
 25.106 F  25 F
2
Vo

8LCf s
0.5% 8Lf s2
(Có thể chọn L với giá trị khác miễn là thỏa điều kiện L  5mH , khi đó sẽ có giá trị Cmin khác)

d. Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dịng trung bình qua các linh
kiện này
Khi mạch ở chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu và chứng minh các quan hệ sau):
Điện áp đặt lên transistor khi tắt (khi đó diode dẫn) là: VCE = Vd = 50V.
Dịng trung bình qua transistor = dịng trung bình Id của nguồn = DIo = 0.5x5A = 2.5A,
Điện áp đặt lên diode khi tắt (khi đó transistor dẫn) là: VAK = -Vd = -50V
Dịng trung bình qua diode (ID): I D  I o  I d  5 A  2.5 A  2.5 A
Bài 3.7:

Giả thiết chọn L đủ lớn để mạch luôn hoạt động ở chế độ dịng liên tục.
Ta có: Vo  DVd
Suy ra khi điện áp ngõ vào biến thiên trong khoảng 50V đến 60V, để giữ cho ngõ ra Vo = 20V, tỉ số

điều chế D cần biến thiên trong khoảng:
Dmin  0.333( khi Vd  60V )  Dmax  0.4 ( khi Vd  50V )
Ngoài ra, cơng suất ngõ ra tính bởi cơng thức: Po V02 R (R là điện trở tải)
Vậy khi Po biến thiên trong khoảng 250W đến 75W sẽ ứng với R biến thiên trong khoảng:

Rmin  1.6  Rmax  5.33
Điều kiện của L để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục:

Lf s 

(1  D ) R
2

 L

(1  D ) R
2 fs

6


Như vậy, để đảm bảo mạch luôn hoạt động ở chế độ dòng liên tục khi Vd và Po biến thiên trong dải
như trên, cần chọn L thỏa điều kiện (SV tự suy ra):

L

(1  Dmin ) Rmax (1  0.333)5.33

 89  106 H  89  H
3
2 fs
2  20  10

Bộ nguồn kiểu tăng áp (Boost converter)
Bài 3.8:
a. Điện áp ngõ ra Vo.

Với các thông số đã cho trong bài tập, sinh viên kiểm tra lại điều kiện để mạch hoạt động ở chế độ
dòng liên tục theo công thức:

D(1  D ) 2 R
( Lf s ) 
2

Điều kiện này thỏa, vì thay các giá trị đã cho trong đề bài vào các biểu thức trên, ta có:
0.6(1  0.6) 212.5
2
2.6  0.6

 (65  106  40  103 ) 


Do mạch hoạt động ở chế độ dịng liên tục, ta tính được:

Vo 

Vd
20

 50V
1  D 1  0.6

b. Giá trị IL, ILmax và ILmin

Dòng ngõ ra: I o 

Vo 50V

 4A
R 12.5 

Dòng trung bình qua cuộn L = dịng trung bình ngõ vào Id nên:

I L  Id 

Io
4

 10 A
1  D 1  0.6

Dợn sóng dịng: iL 

Vd D
20  0.6

 4.6 A
Lf s 65  106  40  103

Từ đó tính ra được:

I L max  I L 

I L
4.6 A
 10 A 
 12.3 A
2
2

I L min  I L 

I L
4.6 A

 10 A 
 7.7 A
2
2

7


c. Dợn sóng điện áp ngõ ra

Ta có:

Vo
D
D
0.6

 Vo Vo
 50
 0.3V
Vo RCf s
RCf s
12.5  200  106  40  103

d. Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dịng trung bình qua các linh
kiện này.

Khi mạch ở chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu và chứng minh các quan hệ sau):
Điện áp đặt lên transistor khi tắt (khi đó diode dẫn) là: VCE = Vo = 50V.
Dịng trung bình qua transistor = dịng trung bình Id của nguồn – dịng tải Io = 10A-4A = 6A

Điện áp đặt lên diode khi tắt (khi đó transistor dẫn) là: VAK = -Vo= -50V.
Dịng trung bình qua diode (ID): I D  I o  4 A
Bài 3.9:

Theo đề bài I L min  50% I L  I L min  0  Mạch ở chế độ dòng liên tục.
Suy ra giá trị tỉ số điều chế tương ứng với thông số mạch đã cho là: D  1 

Dòng ngõ ra: I o 

Vd
5
 1   0.67
Vo
15

Po 20W

 1.33 A
Vo 15V

Dòng ngõ vào trung bình: I d 

Pd Po 20W


4A
Vd Vd
5V

Giá trị cần thiết của tỉ số điều chế D

Ta có: I L min  I L  I L 2 . Theo điều kiện của đề bài: I L min  50% I L , suy ra:

I L min  I L  I L 2  0.5I L  I L  I L
Mà: iL 

Vd D
và: I L  I d  4 A , nên ta có thể tính được giá trị cần thiết của L để thỏa điều kiện yêu
Lf s

cầu của bài như sau:

iL 

Vd D
VD
5  0.67
 I L  L  Lmin  d 
 0.028  103 H  28 H
3
Lf s
I L f s 4  30  10

8


Giá trị cần thiết của tụ C để Vo Vo  1%

Ta có:

Vo
D
D
0.67

 1%  C  Cmin 

 198  106 F  198 F
3
0.01  Rf s 0.01  11.25  30  10
Vo RCf s

Bộ nguồn kiểu tăng/giảm áp (Buck-Boost converter)
Bài 3.10:

Kiểm tra điều kiện để mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục: ( Lf s ) 

(1  D ) 2 R
với các thông số đã
2

cho của bài:
( Lf s  50  106  40  103  2 ) > (

(1  D ) 2 R (1  0.6) 210

 0.8 )
2
2

Như vậy, mạch đã cho sẽ hoạt động ở chế độ dòng liên tục.
a. Điện áp ngõ ra của mạch

Vo  Vd

D
0.6
 12
 18V
1 D
1  0.6

b. Dịng trung bình, cực đại và cực tiểu qua điện cảm (IL, ILmax và ILmin)

IL 

Vo R 18 10

 4.5 A
1  D 1  0.6

I L 

Vd D
12  0.6

 3.6 A
Lf s 50  106  40  103

I L max  I L 

I L
 6.3 A
2

I L min  I L 

I L
 2.7 A
2

c. Dợn sóng điện áp ngõ ra Vo Vo

Vo
D
0.6


 7.5  103  0.75%
Vo RCf s 10  200  106  40  103

9


Bài 3.11:
a. Giá trị cần thiết của L để I L min  40% I L

Với L được thiết kế thỏa điều kiện trên thì I L min  0 nên mạch sẽ ở chế độ dịng liên tục.
Từ đó tính ra được:

Vo
D

 D  0.6
Vd 1  D

Ta có: I L min  I L  I L 2 . Theo điều kiện của đề bài: I L min  40% I L , suy ra:

I L min  I L  I L 2  0.4 I L  I L  1.2 I L
Với: I L 

L  Lmin 

Vd D
V R 36 10
, và I L  o

 9 A , có thể suy ra giá trị cần thiết của L là:
1  D 1  0.6
Lf s

Vd D
24  0.6

 0.022  103 H  22  H
1.2 I L fs 1.2  9  60  103

b. Giá trị của tụ C để dợn sóng điện áp ngõ ra Vo Vo  0.5%

Vo

D
D
0.6

 0.5%  C  Cmin 

 0.2  103 F  200 F
3
0.005  Rf s 0.005  10  60  10
Vo RCf s
c. Điện áp đặt lên transistor và diode khi mạch hoạt động và dịng trung bình qua các linh kiện
này.

Khi mạch ở chế độ dòng liên tục (SV tự tìm hiểu và chứng minh các quan hệ sau):
Điện áp đặt lên transistor khi tắt (khi đó diode dẫn) là: VCE =Vd +Vo = 60V.
Dịng trung bình qua transistor = dịng trung bình Id của nguồn (SV tự tính dịng này)
Điện áp đặt lên diode khi tắt (khi đó transistor dẫn) là: VAK = -(Vo+Vd) = -60V.
Dịng trung bình qua diode (ID): I D  I o (SV tự tính ra dịng này).

10