1/21/2013
Ho Chi Minh City University of
Technology
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường Đại Học Bách Khoa
TP HỒ CHÍ MINH
Contact info:
Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh
Telephone: 84-08-38647256 (5722)
Mobile: 0988572177
E-mail: ;
1
Power Electronics
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường ĐHBK TPHCM
TPHCM
2012
2
1
1/21/2013
Contents – Nội dung
1. Tổng quan về Điện tử công suất
2. Các linh kiện bán dẫn cơ bản
3. Mô phỏng Matlab-Simulink
4. Bộ chỉnh lưu
5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều
6. Bộ biến đổi điện áp một chiều
7. Bộ nghịch lưu –biến tần
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
3
References
1. MÔ PHỎNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG
MATLAB/SIMULINK - Lê Minh Phương, Phan
Quốc Dũng – Nhà xuất bản ĐHQG 2011
2. POWER ELECTRONICS HANDBOOK –
Muhammad H. Rashid
3. MATLAB/SIMULINK - Mathworks.
/>4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 – Nguyễn Văn Nhờ
Nhà xuất bản ĐHQG
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
4
2
1/21/2013
Power Electronics
Chương 5
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
DC/DC CONVERTER
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường ĐHBK TPHCM
TPHCM
2012
5
Contents – Nội dung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1/21/2013
Tổng quan về bộ biến đổi điện áp một chiều
Bộ chopper dạng giảm áp (Step-down)
Bộ chopper dạng tăng áp (Step-up)
Bộ chopper dạng đảo dòng
Bộ chopper dạng đảo áp
Bộ chopper dạng tổng quát
Transformer Versions of Buck Converter
1. Buck converter
2. Boost Converter
3. Fly Back Converter
4. Cu’k Converter
PGS.TS Le Minh Phuong
6
3
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Chức năng
Chức năng: điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ngõ ra với
nguồn một chiều ngõ vào không đổi
U1average=const,I1,f1
DC input
f1=0Hz
1/21/2013
U2average=var,I2,f2
DC output
f2=0Hz
PGS.TS Le Minh Phuong
7
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Đặc điểm chung
Các linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng ngắt hồn toàn
(IGBT, MOSFET, BJT)
Power electronic switches are usually implemented with power
MOSFETs,
IGBTs, MCTs, power BJTs, or GTOs
Mật độ công suất lớn
Hoạt động ở tần số cao
Hiệu suất cao .
Thường sử dụng phương pháp điều khiển PWM
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
8
4
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
9
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
10
5
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
11
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
12
6
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
13
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
14
7
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
15
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tổng quan
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
16
8
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Ứng dụng
- Điều khiển động cơ điện DC
- Dùng làm nguồn DC dạng switching
- Ứng dụng trong năng lượng tái tạo (Solar inverter)
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
17
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Ví dụ ứng dụng
- Điều khiển động cơ điện DC
- Dùng làm nguồn DC dạng switching
- Ứng dụng trong năng lượng tái tạo (Solar inverter)
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
18
9
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Các dạng bộ DC/DC converter
DO
iS
iZ
R
DC
L
S
UDC
uZ
E
S1
DC
D1
R
UDC
L
S1
E
iZ
DC
uZ
S4
1/21/2013
R
UDC
D4
S3
D1
L
D3
iZ
E
uZ
S4
D4
S2
D2
PGS.TS Le Minh Phuong
19
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Các thơng số cơ bản
Tần số đóng ngắt f (Hz)
Chu ký đóng ngắt T=1/f
Tỷ số thời gian đóng (duty circle) k=T1/T
Độ nhấp nhơ dịng điện cảm IL;
Tần số đóng ngắt cực đại fmax;
Điều kiện để dòng điện cảm liên tục;
Giá trị điện cảm lớn nhất để dòng điện cảm liên tục;
Thành phần nhấp nhơ của điện áp và dịng điện tải, THD;
Thành phần nhấp nhơ của dịng điện nguồn, THD;
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
20
10
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
DC-choppers
Để đơn giản hóa việc phân tích, ta
giả thiết tải là thuần trở.
Khi khóa S đóng trong khoảng thời
gian T1, điện áp nguồn xuất hiện
trên tải.
Khi khóa S ngắt, điện áp trên tải
bằng 0.
t
VO
t
1 1
vo dt 1 Vs ft1Vs kVs
T
T
0
IO
VO kVs
R
R
1/2
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
1 kT
V0 _ RMS v02 dt
T
0
k Vs
21
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Phương pháp điều khiển
Tỷ số thời gian đóng (Duty cycle) được tạo ra bằng các so sánh
sóng điều khiển (tham chiếu) vcr và sóng răng cưa vr
vr
Vr
t
T
Vcr
Vr
kT
T
k
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
Vcr
Vr
22
11
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bô giảm áp - Step-down (Buck) Converter
Tải RL
1. Xét trường hợp dòng tải liên tục
Hoạt động của bộ giảm áp với tải RL có thể chia làm hai chế độ.
Trong chế độ 1, khóa S đóng và dịng điện từ nguồn cung cấp đến tải.
Trong chế độ 2, khóa S ngắt và dịng điện tải tiếp tục chạy qua diode
Dm
Dịng điện tải chỉ có một chiều từ nguồn về tải
1/21/2013
23
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL
1. Chế độ 1 (0 ≤ t ≤ t1 (= kT))
di
Vs Ri1 L 1 E
dt
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
i1 (t ) I1e
t
t
Vs E
1 e
R
24
12
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL
1. Chế độ 2 (0 ≤ t ≤ t2 (= (1 – k)T))
0 Ri2 L
1/21/2013
di2
E
dt
i2 (t ) I 2e
t T1
E
(1 e
R
t T1
)
25
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bô giảm áp - Step-down (Buck) Converter
Tải RL: Giải các phương trình dịng điện
I 2 I1e
1/21/2013
DT
DT
Vs E
(1 e )
R
I 3 I1 I 2 e
I1 I min
DT
DT
Vs e 1 E Vs e 1 E
R R T
R
R T
e 1
e 1
I 2 I max
DT
DT
Vs e 1 E Vs e 1 E
R R T
R
R T
e 1
e 1
PGS.TS Le Minh Phuong
(1 D )T
(1 D )T
E
(1 e)
R
L
R
26
13
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL
I
Vs1 e kz e z e (1 k ) z
1 e z
Để I đạt giá trị cực đại
d (I )
0
dk
ekz e(1k ) z 0
k=0.5
I max
1/21/2013
VsT
4L
27
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dòng tải liên tục
Gs
gT
wt
0
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
0
iS1
T1
T
T+T1
2T
0
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
V0
Vs
wt
0
i0
I0max
I0min
wt
wt
VS1
wt
0
iD
wt
0
VD
0
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
-Vs
wt
28
14
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dòng tải liên tục
T
T
V0
T
1
1 1
v
dt
Vs dt 1Vs kVs
s
T 0
T 0
T
I0
I1 I min
I 2 I max
1/21/2013
kVs E
R
kT
Vs ekz 1 E Vs e 1 E
z
R e 1 R R T
R
e
1
kT
Vs e kz 1 E Vs e 1 E
z
R e 1 R R T
R
e 1
29
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.1
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
30
15
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.1
Cho bộ biến đổi điện áp một chiều giảm áp. Tải RLE với R=10
, E=50V, L=0.005(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có giá trị
U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp
tần số đóng cắt khố khơng đổi có giá trị là f sw = 1000Hz. Khoá
bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng g= 0.75. Mạch ở trạng
thái xác lập và dòng tải liên tục
1. Vẽ giản đồ áp tải uz và tính trị trung bình áp tải ứng với g đã
cho.
2. Tính dịng Izmax, Izmin; Vẽ giản đồ dịng tải iz,
3. Tính trị trung bình dịng tải
4. Tinh L de dong lien tuc
1/21/2013
32
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bô giảm áp - Step-down (Buck) Converter
Tải RL
1. Xét trường hợp dòng tải gián đoạn
Hoạt động của bộ giảm áp với
tải RL có thể chia làm ba chế
độ.
Trong chế độ 1, khóa S
đóng và dịng điện từ nguồn
cung cấp đến tải.
Trong chế độ 2, khóa S ngắt
và dòng điện tải tiếp tục chạy
qua diode Dm
Chế độ 3, dòng điện bằng 0
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
33
16
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL
1. Chế độ 1 (0 ≤ t ≤ t1 (= kT)) I1=0
I1
I3
t2
Vs Ri1 L
1/21/2013
i1 (t )
di1
E
dt
PGS.TS Le Minh Phuong
i1 (kt ) I 2
Vs E
1 etR / L
R
kT
Vs E
V E
1 e kz s
1 e 34
R
R
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL
2. Chế độ 2 (0 ≤ t ≤ t2 (= (1 – k)T))
I1
0 Ri2 L
di2
E
dt
i2 (t ) I 2etR / L
1/21/2013
E
(1 etR / L )
R
PGS.TS Le Minh Phuong
I3
t2
i2(t = t2) = I3 = I1 = 0
t2
t1
L Vs E
ln 1
1 e
R E
35
17
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL
1. Chế độ 3 (t2 ≤ t ≤T )
I1
I3
t2
V0 E
1/21/2013
i0(t ) = 0
36
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn
Điều kiện để dòng điện tải liên tục
wt
0
T1
0
T1
T
T+T1
2T
T
T+T1
2T
E
wt
i0
e kz 1 E
z
e 1 V 0
s
wt
0
T1
T
T+T1
2T
0
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
wt
D
E
ln (e 1) 1
T Vs
T
wt
0
iD
wt
0
VD
0
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
T1
T
T+T1
2T
wt
37
18
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn
V0 _ dis kVs
I 2 I max
T tx
E kVs
T
I0
kT
Vs E
(1 e )
R
V0 _ dis E
R
I1 I min 0
t
1
L Vs E
t2 ln 1
1 e
R E
tx
1/21/2013
t
L
1
ln e
R
t
Vs E
1
1
1
e
E
38
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dịng tải gián đoạn. Tìm tx=t2+t1
I3 I 2e
I2
DT
Vs E
1 e
R
t2
t
2
RI
E
(1 e ) 0 t2 ln(1 2 )
R
E
t
1
Vs E
1 e
R
t
V E
1
t2 ln 1 s
e
1
E
t
V E
1
t x t1 t2 t1 ln 1 s
e
1
E
t
t
1
1 Vs E
t x t1 t2 ln e 1
1 e
E
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
39
19
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.3
Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp . Tải RLE với
R=10 , E=50V, L=0.005(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có
giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương
pháp tần số đóng cắt khố khơng đổi có giá trị là f sw = 500Hz.
Khố bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng D = 0.5. Mạch ở
trạng thái xác lập
1. Xác định chế độ làm việc: dòng điện tải liên tục hay gián
đoạn
2. Vẽ giản đồ áp tải và dịng điện tải uz
3. Tính trị trung bình áp tải và dịng điện tải ứng với D đã
cho.
1/21/2013
41
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.2
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
42
20
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.3
Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp . Tải RLE với
R=10 , E=50V, L=0.005(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có
giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương
pháp tần số đóng cắt khố khơng đổi có giá trị là f sw = 500Hz.
Khố bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng D = 0.5. Mạch ở
trạng thái xác lập
1. Xác định chế độ làm việc: dòng điện tải liên tục hay gián
đoạn
2. Vẽ giản đồ áp tải và dịng điện tải uz
3. Tính trị trung bình áp tải và dịng điện tải ứng với D đã
cho.
1/21/2013
45
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bơ tăng áp - Step-up Converter
Giả thiết dịng tải liên tục
DO
iS
iZ
R
DC
UDC
S
L
uZ
E
Bộ tăng áp có 2 chế độ
Trong chế độ 1, khóa S đóng.
Trong chế độ 2, khóa S ngắt
Dịng điện chỉ có thể dẫn theo một chiều từ tải về nguồn
Làm việc ở góc phần tư thứ 2
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
46
21
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bô tăng áp - Step-up Converter
Khi S dẫn (0 - kT)
diL
RiL E
dt
0L
iL (t ) I1e
Bộ tăng áp có 2 chế độ
t
t
E
(1 e )
R
Trong chế độ 1, khóa S đóng.
1/21/2013
v0 0
Trong chế độ 2, khóa S ngắt
PGS.TS Le Minh Phuong
L
R
47
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bô tăng áp - Step-up Converter
Khi S ngắt (kT-T)
v0 Vs
L
diL
RiL E Vs 0
dt
iL I 2e
Bộ tăng áp có 2 chế độ
Trong chế độ 1, khóa S đóng.
1/21/2013
Trong chế độ 2, khóa S ngắt
PGS.TS Le Minh Phuong
t
t
E Vs
1 e
R
L
R
48
22
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Gs
kT
wt
0
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
V0
Vs
wt
0
i0
0
Tải RL: Khi dòng tải liên tục
T2
(1 k )T
VS e 1 E VS e 1 E
I2
T
R R
R T
e 1 R
e
1
I1
wt
I2
iS1
wt
0
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T
T1
T
T+T1
2T wt
VS1
wt
0
iD
T2
(1 k )T
U DC e 1 E U DC e 1 E
I1
R
R
R T
R T
e 1
e 1
T T1
1
Vs dt
VS (1 k )VS
T T1
T
T
V0
wt
0
VD
0
IL
-Vs
1/21/2013
(1 k )VS E
R
49
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.3
Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tăng áp. Tải RLE với
R=10 , E=100V, L=0.01(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có
giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương
pháp tần số đóng cắt khố khơng đổi có giá trị là f sw = 500Hz.
Khoá bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng g = 0.75. Mạch ở
trạng thái xác lập và dòng tải liên tục
1. Vẽ giản đồ áp tải uz và tính trị trung bình áp tải ứng với g đã
cho.
2. Tính thời gian đóng ngắt khố T1, T2
3. Tính dịng Izmax, Izmin; Vẽ giản đồ dịng tải iz,
4. Tính trị trung bình dịng tải
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
50
23
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dòng tải gián đoạn
V0 _ dis
T tx
t2
Vs
E (1 D)Vs
T
T
t
I 2 I max
DT
1
E
E
(1 e ) (1 e )
R
R
I0
V0 _ dis E
R
I1 I min 0
t
E
1
1
t2 ln 1
e
E Vs
t
1
t x t1 t2 ln e
1/21/2013
t
E
1
1
1
e
E Vs
56
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Tải RL: Khi dịng tải gián đoạn. Tìm tx=t2+t1
I3 I 2e
I2
DT
E
1 e
R
t2
t
2
E Vs
RI 2
(1 e ) 0 t2 ln(1
)
R
E Vs
t
1
E
1 e
R
t
E
1
t2 ln 1
1 e
E Vs
t
E
1
1
t x t1 t2 t1 ln 1
e
E Vs
t
1 E
t x t1 t2 ln e 1
E Vs
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
t
1
1 e
57
24
1/21/2013
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bài tập 4.3
Cho bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tăng áp. Tải RLE với
R=10 , E=100V, L=0.01(H); Nguồn áp ngõ vào bộ biến đổi có
giá trị U=200VDC. Bộ biến đổi được điều khiển theo phương
pháp tần số đóng cắt khố khơng đổi có giá trị là f sw = 500Hz.
Khố bán dẫn được điều khiển với tỷ số đóng D = 0.5. Mạch ở
trạng thái xác lập
1. Xác định chế độ làm việc: dòng điện tải liên tục hay gián
đoạn
2. Vẽ giản đồ áp tải và dịng điện tải uz
3. Tính trị trung bình áp tải và dịng điện tải ứng với D đã
cho.
1/21/2013
58
PGS.TS Le Minh Phuong
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
Bơ đảo dịng
Kết hợp hai bộ: giảm áp (S1,D4) và tăng áp (S4,D1)
Dịng điện tải có 2 chiều: từ nguồn đến tải và từ tải đến nguồn
1/21/2013
PGS.TS Le Minh Phuong
59
25