Chuong 4 bbda1c ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG

BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU

CHƯƠNG 4

Bộ biến đổi áp một chiều (BBĐA1C) hay gọi đầy đủ là bộ biến đổi xung điện áp một
chiều, sử dụng các ngắt điện bán dẫn ở sơ đồ thích hợp để biến đổi áp nguồn một chiều thành
chuỗi các xung áp (dòng), nhờ đó sẽ thay đổi được trị trung bình áp Uo ở ngỏ ra (hình IV.0.1). Vì
thế BBĐA1C còn được gọi là bộ băm điện áp (hacheur hay chopper). Dạng áp ra BBĐA1C theo
chu kỳ T bao gồm thời gian có áp ton và khoảng nghỉ T – ton.
U

Vào

t on

Ra

BBĐ Áp
Một chiều
t

t
T

Uo

t

Hình IV.0.1 Nguyên lý hoạt động BBĐA1C

Có các nguyên lý điều khiển:

- Điều chế độ rộng xung (PWM – viết tắt của Pulse – Width – Modulation) khi chu kỳ T
không đổi, thay đổi thời gian đóng điện ton. Tỉ số α = ton/T gọi là độ rộng xung tương đối.
- Điều chế tần số khi ton không đổi, chu kỳ T thay đổi.
- Điều khiển hổn hợp, khi cả T và ton đều thay đổi.
Hai phương pháp sau ít thông dụng trong thời gian gần đây, nó gắn liền với những mạch
điện cụ thể, thường là đơn giản. Chất lượng của chúng thường không cao với nhược điểm lớn nhất
là tần số làm việc của hệ thống bị thay đổi.
Trong một số tài liệu, các bộ biến đổi xung điện áp một chiều đóng ngắt nguồn điện cung
cấp cho tải như đã định nghiã trên được xếp vào nhóm FORWARD (trực tiếp), phân biệt với các
bộ biến đổi làm việc qua trung gian cuộn dây gọi là FLYBACK (gián tiếp). Ngoài ra, còn có một
số sơ đồ có độ tổng quát không cao, không được trình bày trong chương này.
IV.1 KHẢO SÁT BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FORWARD:
1. Khái niệm về mặt phẳng tải:

U

Bộ biến đổi áp một chiều loại FORWARD được phần tư
phần tư
phân loại theo số phần tư mặt phẳng tải mà nó có thể hoạt
thứ II
thứ I
động. Mặt phẳng tải là tập hợp các điểm làm việc của Uo >0, Io <0 Uo, Io, >0 I
BBĐ, có hai trục tọa độ là trị trung bình dòng, áp trên tải
phần tư
phần tư
(Io, Uo), gồm 4 phần tư như ở hình IV.1.1. Ở phần tư thứ I
thứ III
thứ 4
và III, áp dòng cùng dấu tương ứng với công suất
Uo, Io <0

Io >0; Uo<0
Po = Uo.Io có giá trị dương: bộ biến đổi cung cấp năng
lượng cho tảiï. Ở phần tư thứ II và IV, công suất âm tương Hình III1.1: Các phần tư mặt phẳng tải
ứng với dòng năng lượng đảo chiều.
Ví dụ: Bộ chỉnh lưu diod hay bộ chỉnh lưu điều khiển không hoàn toàn (SCR + D) chỉ có thể
làm việc ở phần tư thứ I hay III , khi mà áp, dòng trên tải cùng dấu trong khi bộ chỉnh lưu điều
khiển pha (chỉ dùng SCR) làm việc được ở phần tư I và IV (hay III và II) vì nó có thể cung cấp áp ra
chuong 4 BBDA1C.doc

Page 1 of 30


Hình IV.1.2 cho ta các sơ đồ bộ biến đổi áp một chiều loại FORWARD.
+

io

S

R

+

D

U
_

L
E

(a)

D1

S1

io

U
_

+

D2

S2

D1

io uo

U
Uo

_

D3

S1

D2

(b)

D4

S2

S3

S4

(c )

Hình III1.2: Sơ đồ các bộ biến đổi (a) một phần tư; (b) hai phần tư; (c) bốn phần tư

2. Khảo sát bộ biến đổi làm việc một phần
tư mặt phẳng tải:
Trên hình III1.2.(a) ngắt điện bán dẫn một
chiều S1, như ta đã biết chỉ có thể dẫn điện một
chiều từ đầu + của nguồn. Vì thế trị số tức thời áp,
dòng ra uO, iO và trị số trung bình của chúng Uo,
Io chỉ có thể dương, và bộ biến đổi như vậy chỉ làm
việc được ở phần tư thứ nhất của mặt phẳng tải.
Xét chu kỳ tựa xác lập – khi mà các dạng
sóng sẽ lập lại ở mỗi chu kỳ. Hình IV.1.3. (a) giới
thiệu tín hiệu điều khiển ngắt điện S1. Tín hiệu cao
(hay 1) tương ứng ngắt điện đóng, thấp (hay 0) là
ngắt.

Tại t = 0, S1 đóng. Phương trình vi phân mô
tả hệ thống:
di
U = Rio + L o + E , với điều kiện đầu io (0) = Imin
dt

Hình IV.1.3: Dạng sóng của BBĐ một ¼ tải RLE

<IV.1.1>

U−E
L
,τ =
<IV.1.2>
R
R
τ : thời hằng điện từ, Ixl1 : dòng qua mạch khi xác lập (khi t Ỉ ∞ ).

Giải ra :

io ( t ) = I xl1 − ( I xl1 − I min ) e− t / τ với I xl1 =

io (ton ) = I max = I xl1 − ( I xl1 − I min )e − ton / τ <IV.1.3>
Khi t > ton , S1 ngắt, dòng tải không thay đổi tức thời, khép mạch qua diod phóng điện D2.
Phương trình vi phân mô tả hệ thống khi chọn lại gốc thời gian:
di
0 = Rio + L o + E , với điều kiện đầu io (0) = Imax <IV.1.4>
dt
Giaûi ra : io (t) = I x 2 − ( I xl 2 − I max )e − t / τ với I xl 2 = − E <IV.1.5>
R

Vaø

io (T − ton ) = I xl 2 − ( I xl 2 − I max )e − (T − ton )/ τ = I min <IV.1.6>

<IV.1.3> vaø <IV.1.6> cho phép tính ra Imax, Imin và dạng của iO theo t như hình IV.1.3.(b).

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 2 of 30


Imax

(
(

)
)

(
(

)
)

− ton / τ
ton / τ
−1 E
U 1− e
E

U e
=
−
I
=
−
;
min
R 1 − e− T / τ
R
R eT / τ − 1
R

và nhấp nhô dòng ra:

ΔI = ( Imax − Imin )

<IV.1.7>

ton ⋅ U
t
U −E
= α .U , với α = on <IV.1.8> , và dòng ra Io = o
khi
T
T
R
sử dụng nguyên lý xếp chồng cho thành phần một chiều của áp ra vO.

Trị trung bình áp ra: U o =

Tính gần đúng: Khi T << τ , có thể tính gần đúng khi thay các đại lượng tức thời của vế
phải trong <IV.1.1> bằng giá trị trung bình để tính đạo hàm dòng:
di
L o = U − ( E + RIo ) = U − U o = U (1 − α ) . Từ đó tích phân để có:
dt
U (1 − α )
U (1 − α )
io =
t + Imin ⇒ i ( ton ) = Imax =
ton + Imin
L
L
cho iO thay đổi theo đường thẳng, ta có:
I + Imin αU − E
<IV.1.9>
trị trung bình dòng Io = max
=
2
R
UT
và nhấp nhô dòng ΔI = Imax − Imin =
(1 − α ) α <IV.1.10>
L
1
UT
giá trị này cực đại khi α = , lúc đó ΔI =
<IV.1.11>
2
4L

Nhận xét: nhấp nhô dòng không phụ thuộc trị trung bình dòng tải Io và điện trở tải R. Khi
E hay R tăng, Io giảm trong khi ΔI không đổi. Vì Imin = Io – ΔI/2, đòng điện sẽ gián đoạn
khi Io < ΔI/2 [ hình IV.1.3.(c)]. Khi dòng gián
đoạn, trong một chu kỳ có khoảng thời gian iO = 0,
uO = E, trị trung bình áp ra Uo sẽ tăng, bằng :
1
U o = ⎡⎣Uton + ( T − tx ) E ⎤⎦ <IV.1.12>
T
với tx : khoảng thời gian có dòng

Có thể tính được tX khi áp dụng các công thức
từ <4.7> đến <4.10> cho chu kỳ giả định bằng tX
(hình IV.1.4) và điều kiện Imin = 0:

α xU − E

Hình IV.1.4: Dạng sóng với chu kỳ giả định tX

t
URton + 2 LE
ΔI Uton
và
Iox =
=
=
(1 − α x ) ⇒ α x = on =
R
tx URton + 2 LU
2
2L

URton + 2 LU
<IV.1.13>.
hay tx = ton
URton + 2 LE

Công thức này cũng cho ta điều kiện để bộ biến đổi có dòng gián đoạn: đó là chu kỳ
T ≥ tx với tX tính theo <IV.1.13>.
Ví dụ 4.1:
a. Tính các thông số và vẽ dạng dòng áp trên tải của BBĐ áp làm việc1/4
mp tải. U = 100 V, T = 100 microgiaây, tON = 30 microgiaây, R = 5 ohm,L = 0.01 henry, E = 20V
Giả sử dòng liên tục: α = 30/100 = 0.3, suy ra:
ΔI = (100*30*10-6*(1-0.3))/(1*10-3)= 0.21A
Uo = 100.(30/100)= 30 volt; Io = (30 – 20)/5 = 2 A.
chuong 4 BBDA1C.doc

Page 3 of 30


Imax = Io + ΔI/2 = 2.105 A.
Imin = Io – ΔI/2 = 1.895 A > 0 , giả thuyết dòng liên tục là đúng.
Kiểm tra lại: τ = 0.01 / 5 = 0.002 giây, từ <IV.1.7>,

(e30 E−6 / 2 E−3 −1) − 20 = 1.8953546 A
5 (e100 E −6 / 2 E −3 −1) 5
(1− e −30 E−6 / 2 E−3 ) − 20 = 2.1053454 A , suy ra ΔI = 0.20991 A .
= 100
5 (1− e −100 E −6 / 2 E −3 ) 5

Imin = 100
Imax

Nhö vậy sai số giữa hai cách tính là không đáng kể.
Kiểm tra các thời hằng: T = 100 E-6 << τ = 0.002 giây phù hơp với giả thuyết.
b. Giả sử E thay đổi, tính giá trị E để dòng trở nên gián đoạn.
Biết rằng ΔI không thay đổi theo E, trường hợp giới hạn của dòng liên tục xảy ra khi
Imin = 0 vaø Io = ΔI/2 = 0.105 A. <IV.1.9> cho ta :
E = αU – R.Io = 30 – 5*0.105 = 29.475 volt.
Kiểm tra lại, thế giá trị E này vào <IV.1.13>, tX = 100 micro giây = T. Vậy khi E > 29.475
volt thì tX < 100 micro giây và dòng bắt đầu gián đoạn.
Bài tậpï 4.1: Suy ra <IV.1.10> từ <IV.1.7> .
Đặt T/τ = σ và đã có tON/T = α , thế vào <IV.1.7> khi lưu ý e
Imax

(
(

)
)

(
(

ton

τ

= e α .σ ; e

T

τ

= eσ :

)
)

−α .σ
α .σ
U 1− e
E
U e −1 E
<BT3.1.1>
=
− ; Imin =
−
R 1 − e−.σ
R
R eσ − 1
R

2
Vì T << τ nên sử dụng gần đúng : e − x = 1 − x + x cho các hàm mũ của <BT3.1.1>:

2!

Imax =

U ⎡1 − 1 + α .σ − (α 2σ 2 / 2) ⎤ E U ⎡1 − (α .σ / 2) ⎤ E U ⎡ σ − α .σ ⎤ E
− = α ⋅ 1+

−
⎢
⎥− = α
2 ⎥⎦ R
R ⎣ 1 − 1 + σ − (σ 2 / 2) ⎦ R R ⎢⎣ 1 − (σ / 2) ⎥⎦ R R ⎢⎣

Imin =

tương tự :

U ⎡ σ − α .σ ⎤ E
α 1−
−
,
R ⎢⎣
2 ⎥⎦ R

U
UT
α .σ [1 − α ] =
α (1 − α ) vì τ = L/R
R
L

suy ra ΔI =

Bài tậpï 4.2: Biện luận chế độ dòng điện BBĐ làm việc ¼
mặt phẳng tải theo sức phản điện E và α :
Khi tON giảm hay E tăng, dòng điện giảm. Với tON = tGH
,ứng với αgh = tGH / T, ta có trường hợp giới hạn giữa dòng liên

tục và gián đoạn khi Imin = 0. Khi tON < tGH hay E tăng, dòng
gián đoạn và ngược lại.
Khi Imin = 0, <BT3.1.1> cho ta phương trình:
Egh
U

(e
=

α gh ⋅σ

= qgh

(e

σ

) ≈α

−1

)

−1

gh

⎛ σ − α ghσ
⎜1 −
2

⎝

⎞
⎟.
⎠

Hình IV.1.5 cho ta quan hệ qgh(αgh) với σ là thông số,

chuong 4 BBDA1C.doc

Hình IV.1.5: Biện luận dòng gián
đoạn (tính toán chính xác)

Page 4 of 30


biểu thức gầøn đúng áp dụng khi σ = T/ τ << 1.
Cùng αgh, σ khi q > qgh dòng sẽ gián đoạn. Và ngược lại, cùng giá trị σ, q khi α < αgh,
dòng cũng sẽ gián đoạn.

Bài tậpï 4.3: Tính bề rộng xung tX của BBĐ làm việc ¼ mặt phẳng tải, tải RL trong chế độ
dòng điện gián đoạn: (hình IV.1.4)

(

)

<IV.1.3> với Ibđ = 0 cho ta Imax = UR− E 1 − e− ton / τ . Thế kết quả này vào <IV.1.6>, để ý phải
thay T bằng tX vì đây là dạng xung của dòng gián đoạn, kết quả nhận được:

{

(

)}

tx = τ ⋅ ln eσ .α ⋅ ⎡⎣1 + U E− E 1 − e−σ .α ⎤⎦

Thử lại: với τ = 0.01 giây, T = 100 microgiaây, tON = 30 microgiaây, E = 44 V, U = 100 V, tính
được tX = 68 microgiây, cùng kết quả với <IV.1.13>, để ý τ = L/R.
3. Khảo sát bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II:

Để làm việc được ở hai phần tư I và II, dòng tải iO và trị số trung bình Io có thể đảo chiều.
Ngắt điện S2 và diod D1 cho phép dòng tải iO < 0 .
Trong hình IV.1.2.(b), hai ngắt điện bán dẫn một chiều làm việc ngược pha nhau: khi S1
đóng trong thời gian tON, S2 ngắt (ký hiệu: S1 = S2 ) và S2 dóng trong thời gian T – tON.
Khi S1 đóng, S1 dẫn dòng iO > 0 và D1 dẫn dòng iO < 0 , áp ra uO = U. Tương tự, S2
đóng, S2 dẫn dòng iO < 0 và D2 dẫn dòng iO > 0, áp ra uO = 0. Vậy bộ biến đổi có áp ra
dương giống như ở BBĐ làm việc ¼ mặt phẳng tải nhưng dòng tải có thể đảo chiều: BBĐ có thể
làm việc ở phần tư thứ nhất và hai.
Việc đóng ngắt đảo pha hai ngắt điện mắc nối tiếp không dễ dàng trong thực tế khi ta để ý
thời gian turn on của ngắt điện bán dẫn bao giờ cũng bé hơn thời gian turn off. Khi đó có thể xảy
ra ngắn mạch nguồn tạm thời khi ngắt điện turn off chưa kịp OFF trong khi ngắt điện turn on đã ON
(sự trùng dẫn). Để tránh hiện tượng này ta cần thêm vào một khe thời gian đủ lớn cả hai ngắt điện
đều khoá làm trung gian cho quá trình chuyển mạch.

Khảo sát như với sơ đồ BBĐ làm việc một
phần tư cho kết quả không thay đổi, các công thức
từ <IV.1.1> đến <IV.1.11> đều có thể áp dụng.
Nhưng vì các dòng điện đều có thể lớn hay nhỏ

hơn zero, ta không có chế độ dòng gián đoạn.
Các dạng dòng áp được vẽ trên hình IV.1.6:
Dạng dòng iO hình (a) tương ứng với
trường hợp trị trung bình dòng ra Io >> 0. Diod
D1 và ngắt điện S2 không có dòng, thực tế mạch
Hình IV.1.6: Các trường hợp dòng điện của BBĐ
hoạt động như bộ biến đổi một phần tư thứ I.
làm việc nhiều hơn ¼ mặt phẳng tải

Dạng dòng (b) xảy ra khi sức phản điện tải E xấp xỉ trị trung bình áp ra Uo, trị trung bình
tiến về 0 và cả 4 linh kiện công suất đều tham gia dẫn điện.
Dạng dòng (c) xảy ra khi trị trung bình dòng ra Io << 0 tương ứng với Uo < E. Thực vaäy:
Io =

Uo − E
< 0 ⇒ Uo < E
R

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 5 of 30


Lúc đó chỉ có D1 và S2 làm việc. Khi S2 đóng, dòng iO qua R, L, S2 về E có biên độ tăng
dần. Cuộn dây được nạp năng lượng. Khi S2 ngắt, dòng qua L không thay đổi tức thời phóng qua
D1 về nguồn. Như vậy tải E dù có sức điện động bé hơn nguồn U nhưng vẫn có thể đưa năng
lượng về nguồn nhờ năng lượng tích trữ vào L khi S2 đóng.
Ví dụ 4.2: Khảo sát BBĐ áp một chiều hình IV.1.2 (b) vói nguồn U = 100 volt, sức điện
động tải E = 40 volt, R = 5 ohm, L = 1 mH, T = 100 micro giây. Vẽ dạng dòng ra trong các trường
hợp độ rộng xung tương đối α lần lượt là 0.5; 0.3; 0.2.

a. α = 0.5.

ΔI/2 = 100*0.0001*0.5(1 – 0.5)/(2*0.001)= 1.25 ampe.

Trung bình áp ra Vo = 0.5*100 = 50 volt => Io = (50 – 40)/5 = 2 ampe.
Vaäy Imin = 2 – 1.25 = 0.75 ampe; . Imax = 2 + 1.25 = 3.25 ampe, tương ứng với trường hợp
dòng điện dạng (a) của hình IV.1.6.
b. α = 0.4

ΔI/2 = 100*0.0001*0.4(1 – 0.4)/(2*0.001)= 1.2 ampe.

Trung bình áp ra Vo = 0.4*100 = 40 volt => Io = (40 – 40)/5 = 0 ampe.
Vaäy Imin = 0 – 1.2 =– 1.2 ampe; . Imax = 0 + 1.2 = 1.2 ampe, tương ứng với trường hợp
dòng điện dạng (b) của hình IV.1.6.
b. α = 0.3

ΔI/2 = 100*0.0001*0.3(1 – 0.3)/(2*0.001)= 1.05 ampe.

Trung bình áp ra Vo = 0.3*100 = 30 volt => Io = (30 – 40)/5 = – 2 ampe.
Vaäy Imin =– 2 – 1.05 =– 3.05 ampe; . Imax =– 2 + 1.05 = – 0.95 ampe, tương ứng với
trường hợp dòng điện dạng (c) của hình IV.1.6.
Ví dụ 4.2: Sơ đồ BBĐ bao gồm D1 và S2 (hình
IV.1.7 dùng để chuyển năng lượng từ tải E về nguồn một
chiều U có điện áp cao hơn nó còn gọi là BBĐ tăng áp
(trường hợp (c ) của hình II.1.6).
Ở BBĐ tăng áp, ta định nghiã tON là thời gian dẫn điện
của S2, công thức tính trị trung bình VO sẽ thay đổi, tương
ứng với việc thay thế α bằng (1 - α) trong <IV.1.8>
Ta coù VO = V .(1 - α)

<IV.1.8*>

dòng qua tải IO = (VO – E)/R < 0 tương ứng VO < E.

Hình IV.1.7: BBĐ tăng áp

Cần lưu ý <IV.1.8*> chỉ đúng khi dòng tải iO liên tục, nhờ vào khả năng tích trữ năng lượng
ở dạng dòng điện của tự cảm L. Có thể nhận xét là BBĐ tăng áp làm việc nhờ sức điện động cảm
ứng trên L, nhờ nó mà dòng điện có thể chạy từ tải E có điện áp bé về nguồn V lớn.
BBĐ tăng áp là một sơ đồ trong nhóm BBĐ áp một chiều dạng
FLYBACK, có khả năng tăng-giảm áp với tự cảm L được xem như là một
thành phần của BBĐ.
4. Khảo sát bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải:

Hình IV.1.2.(c) cho ta sơ đồ cầu (còn gọi là cầu H) của bộ biến
đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải. Ta cũng có thể sử dụng sơ đồ
với hai nguồn như hình IV.1.8. Trong sơ đồ cầu, các ngắt điện S1, S4
cung cấp điện áp dương và các ngắt điện S2, S3 cung cấp điện áp âm Hình IV.1.8: BBĐ làm việc
cho tải. Các diod song song ngược với ngắt điện đảm bảo dòng điện lưu bốn phần tư mặt phẳng
chuong 4 BBDA1C.doc

Page 6 of 30


thông hai chiều. Có thể lý luận tương tự để chứng minh khả năng làm

tải, sơ đồ hai nguồn

việc ở bốn phần tư mặt phẳng tải của sơ đồ sử dụng hai nguồn: S1 cung cấp điện áp dương cho tải
và S2 cho điện áp âm. Có nhiều cách điều khiển BBĐ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải như trong

bảng sau:
BẢNG TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CẦU (hình IV.3.1c)

STT

Cách điều khiển

Phần tư làm Đặc điểm
việc

1

Điều rộng xung S1 = S4 = S3 = S2

4 phần tư, Cho phép thay đổi liên tục dòng, áp
phụ thuộc độ ra; nhấp nhô dòng cao làm tăng tổn
rộng xung hao; lưu ý trùng dẫn
tương đối α

2

Điều rộng xung S1, S4 cho aùp ra > 0,

I cho aùp ra > Điều khiển đơn giản; ít tổn hao;
0,
không thể trùng dẫn; không đảo
III cho áp ra chiều dòng tải được.

Điều rộng xung S2, S3 cho áp ra < 0

<0
3

Điều rộng xung S1 = S2 cho điều I, II cho áp Làm việc được ở 4 phần tư; đảo
ra < 0, III,IV chiều áp ra cần thay đổi luật điều
khiển áp,
khiển; ít tổn hao; lưu ý trùng dẫn
áp ra < 0
S4 = S3 để chọn chiều áp

4

Điều rộng xung S1 = S2, S4 = S3
Vaø S1 = S4(wt − π )

4 phần tư, Cho phép thay đổi liên tục dòng, áp
phụ thuộc độ ra; nhấp nhô dòng thấp; lưu ý trùng
rộng xung dẫn; sơ đồ điều khiển phức tạp nhất
tương đối α

Chia làm hai nhóm:
- Điều khiển hoàn toàn: Đặc điểm nhận dạng của nhóm này là ở mỗi nhánh cầu (nữa cầu),
luôn có một ngắt điện làm việc. Kết quả là dòng trên tải có thể đảo chiều tùy theo quan hệ nguồn
– tải.
Ví dụ nguyên lý điều khiển S1 = S4 = S2 = S3 (Một số tài liệu gọi sơ đồ cầu với điều
khiển như vậy là BBĐ một chiều tổng quát). Áp ngỏ ra luôn có hai cực tính: uO dương khi S1 đóng
và âm khi S1 ngắt – dạng sóng hình IV.1.9. Xung áp ra có biên độ thay đổi trong khoảng –U đến
+U, làm cho nhấp nhô dòng điện tăng gấp đôi so với dạng xung một cực tính.

ΔI = I max − I min =

2UT
(1 − α ) α <IV.1.14>
L

với α = tON/T; tON là thời gian ON của S1, S4.
Sơ đồ này cho phép thay đổi liên tục áp ra từ âm
sang dương khi thay đổi độ rộng xung tương đối tON/T :
1
U o = ⎡⎣U ⋅ ton − U ( T − ton ) ⎤⎦ = U ( 2α − 1) <IV.1.15>
T

Hình IV.1.9 dạng sóng áp ra ĐK chung

Dòng tải có thể dương hay âm phụ thuộc vào tương quan giữa trung bình áp ra UO và sức
điện động tải E (theo nguyên lý xếp chồng).
chuong 4 BBDA1C.doc

Page 7 of 30


UO − E
,
R
Bài tập: Khảo sát hoạt động của BBĐ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải, điều khiển theo
thuật toán thứ 4 trong bảng phương pháp điều khiển.
IO =

- Điều khiển không hoàn toàn: Là những sơ đồ điều khiển còn lại.
Tiêu biểu là nguyên lý điều khiển sau: mỗi lúc chỉ đóng ngắt một trong hai nhóm: hoặc S1,

S4 cung cấp áp dương hoặc S2, S3 cung cấp áp âm cho tải. Khi đó, BBĐ chỉ có thể làm việc ở
phần tư I và III.
Mạch điện tương đương khi đóng ngắt S1, S4 vẽ
trên hình IV.1.10.a.

+

Khi tải thuần trở, mạch làm việc như tính toán:
S1, S4 cung cấp áp dương hoặc S2, S3 cung cấp áp âm
cho tải (hình IV.1.10.b). Trị trung bình áp ra:

U

U o = α .U

S1

_

α: độ rộng xung tương đối

D2

D3

io
Uo

S4

Dòng qua tải RL và đóng ngắt S1, S4 vẽ trên
(b1)
hình IV.1.10.c. Khi S1, S4 khóa, dòng qua L không thay
Hình IV.1.10 (a) Mạch tương đương
đổi tức thời sẽ phóng qua S2, D3 tạo thành một xung áp
âm. Trị trung bình áp ra UO thay đổi theo đặc tính tải, bé hơn trường hợp tải trở.
Vậy, một cách chính xác hơn, sơ đồ cầu điều khiển đóng ngắt S1, S4 có thể làm việc ở
phần tư thứ I và IV vì dòng tải luôn dương và áp ra cũng có thể âm trong một điều kiện cụ thể.

(b) áp ra tải R

(a) áp ra tải RL

Hình IV.1.10 Khảo sát điều khiển không hoàn toàn: Sơ đồ cầu khi đóng ngắt S1, S4

Bài tập: Khảo sát BBĐ làm việc 4 phần tư khi điều khiển chung. Nguoàn U = 100 volt, E = 50V,
R = 1 ohm, L = ∞ để nhấp nhô dòng ΔI bằng không. Tính dòng trung bình qua S1, nguồn, công suất
nguồn cung cấp trong hai trường hợp độ rộng xung tương đối có giá trị thích hợp để dòng tải lần
lượt là 20A và -10A
Bài giải:
- Khi Io = 20A:
Uo = E + R.Io = 50 + 1*20 = 70 volt => Uo = U(2α – 1) => α = 0.85
Dòng trung bình qua S1: I1= Io*ton/T = Io*α = 17A
Tích phân dòng trung bình qua nguồn: In=[ Io*ton – Io(T – ton)]/T = Io*(2α − 1) = 14A

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 8 of 30

Có thể tính trị trung bình In của dòng nguồn
in khi cân bằng năng lượng cung cấp và tiêu thụ:

S1, S4

ÑK
0

1 T
U T
Pn = ∫ U .in .dt = ∫ in .dt = U .In
T 0
T 0
Pn = Po = U*In = Uo*Io => In = Io*Uo/U
- Khi Io = – 10A: tính toán tương tự, ta có: α
= 0.7; I1 = – 7A (khi S1 đóng, dòng chạy qua D1
IS1 = 0); Pn = – 400W tương ứng với dòng nguồn
trung bình In = – 4A.

S2,
S3
0.85

1

t/T

+U

uo

0

t/T
-U

in

S1, S4

0

20A
t/T

-20A
LƯU Ý: Nguyên lý bảo toàn năng lượng cung cấp –
D2, D3
tiêu thụ chỉ được thỏa mãn khi tính toán chính xác
hay trường hợp lý tưởng L tải bằng vô cùng như ví Hình IV.1.11 áp trên tải và dòng nguồn khi dòng tải
dụ trên.
bằng 20A
Giả thiết dòng tải tam giác dù tạo nhiều thuận lợi cho khảo sát nhưng chỉ là gần đúng, không đảm
bảo nguyên lý bảo toàn năng lượng cung cấp - tiêu thu,ï làm xuất hiện các kết quả không giống nhau khi tính
toán năng lượng trên các phần tử của hệ thống như bài tập số 4 ở cuối chương.
Vì thế dạng dòng tam giác có thể được dùng để tính toán nhấp nhô dòng tải nhưng khi tính toán năng
lượng, người ta lại giả sử là dòng tải phẳng để chỉ sử dụng trị trung bình dòng tải cho mọi tính toán.

5. Khảo sát sóng hài áp dòng trên tải RLE:

a. Sóng hài điện áp:

Có thể phân làm hai trường hợp: dòng liên tục và gián đoạn. Khi dòng liên tục, dạng áp ra
chỉ phụ thuộc độ rộng xung tương đối α. Khi dòng gián đoạn, dạng áp ra còn phụ thuộc sức phản
điện E. Tuy nhiên chỉ cần khảo sát trường hợp dòng điện gián đoạn, trường hợp dòng liên tục tương
ứng với bề rộng xung dòng tX bằng chu kỳ T . Khai triển Fourier cho áp ra vO hình IV.1.3.c:
uo = U o + ∑ n =1 ( An sin nω t + Bn cos nω t ) = U o + ∑ n =1 ⎡⎣U n sin ( nω t + θ n ) ⎤⎦ với
∞

Un =

∞

An2 + Bn2

,θ n = tg −1 ( An / Bn ) và

ω = 2π /T

Uo được tính bằng <IV.1.12>; An, Bn có thể tích phân theo dạng sóng uO hình IV.1.3.c, khi
để ý chu kỳ T tương ứng với 2π:
An =
An =

1

π

∫

2π

0

uo ⋅ sin nω t ⋅ d ωt =

1

π

(∫

ton ⋅2π /T

0

U ⋅ sin nωt ⋅ d ω t + ∫

U
E
(1 − cos nwton ) − (1 − cos nwtx ) ;
nπ
nπ

2π

t x ⋅2π /T

Bn =

E ⋅ sin nωt ⋅ d ω t

)

U
E
( sin nwton ) − ( sin nwtx )
nπ
nπ
<IV.1.16a>

Biên độ và độ lệch pha của sóng hài bậc n ở trường hợp dòng liên tục tX = T là:
Un =

2U
1 − cos nwton ;
nπ

chuong 4 BBDA1C.doc

θ n = tg −1 ⎡⎣ sin nwton / (1 − cos nwton ) ⎤⎦ <IV.1.16b>

Page 9 of 30


b. Sóng hài dòng điện tải RLE:
Sóng hài dòng điện tải RLE được tính khi áp dụng nguyên lý
xếp chồng, dòng hiệu dụng của thành phần bậc n :

In =

Un

R2 + ( nwL )

2

6. Sự làm việc song song các bộ biến đổi:

Hình IV.1.12 Mạch điện đối với
sóng hài bậc n (tải RLE)

Sử dụng song song các bộ biến đổi có 2 tác dụng:
- Tăng công suất ngỏ ra thay vì nối song song các ngắt điện để tăng công suất BBĐ: Khi
công suất tải lớn vượt quá khả năng của các ngắt điện có sẵn, việc song song nhiều ngắt điện để
đáp ứng công suất có nhiều hạn chế: mạch thực tế phức tạp, sản xuất đơn chiếc, hệ số an toàn khi
tính chọn ngắt điện tăng… Trong công nghiệp, người ta thường chế tạo các khối mạch công suất
được chuẫn hóa với khả năng nối song song ở ngỏ ra.
- Tăng chất lượng áp ra và hiệu quả sử dụng nguồn điện: BBĐ áp DC làm cho dòng nguồn
không phẳng, dòng hiệu dụng nguồn cung cấp tăng từ đó giảm khả năng của đường dây và/hay
nguồn cấp điện. Khi cung cấp cho tải bằng hai BBĐ ta có thể giảm nhấp nhô dòng nguồn khi cho
các BBĐ làm việc lệch pha. Cũng bằng cách này, nhấp nhô áp ra cũng giảm làm tăng chất lượng
điện áp cung cấp cho tải.
Để thấy được các kết quả trên, ta quan sát hình IV.1.13a. Đây là sơ đồ hai BBĐ cung cấp
cho một tải có thông số hoạt động giống nhau: cùng UO, cùng khả năng tải dòng… nhưng làm việc
lệch pha ½ chu kỳ. Chúng được nối chung ngỏ vào và chung ngỏ ra qua các cuộn kháng có nhiệm
vụ rơi phần áp chênh lệnh xoay chiều. Mỗi BBĐ sẽ dẫn ½ dòng tải.
Áp ngỏ ra mỗi BBĐ: u01 = u02 (wt – π) => U01 = U02 = U0
AÙp trên cuộn kháng L: uL = (u01 - u02 )/2
Suy ra áp trên tải: uO = u01 – uL = (u01 + u02 )/2

Hình IV.1.13a: Hai BBĐ cung cấp cho một tải

Có thể chứng minh dễ dàng là áp trên Hình IV.1.13b: Sơ đồ động lực nhìn từ ngỏ vào: Cải
tải chỉ có hài bội chẵn, nghiã là sẽ nhấp nhô ở thiện dòng nguồn bằng bộ lọc ngõ vào và điều khiển
tần số góc 2w và áp trên cuộn kháng L chỉ có lệch pha các BBĐ
các hài bội leû 1, 3, 5…

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 10 of 30


Hình IV.1.14 cho thấy dòng nguồn sẽ
nhấp nhô ít hơn với tần số gấp đôi tần số đóng
ngắt của 1 BBĐ. Điều này có thể thấy được
một cách dễ dàng khi cộng dòng nguồn của hai
BBĐ làm việc giống nhau lệch pha nửa chu kỳ.

Io
t
Dòng nguồn một BBĐ thực tế (nét nhỏ), gần đún g
(nét đậm)

in1 = in2 (wt – π)
dòng qua nguồn: in = in1 + in2

t

suy ra:

dòn g nguồn khi làm việc song song hai BBĐ

trung bình dòng nguồn in In = 2.In

Hình IV.1.14: Dạng dòng nguồn in của một và hai
BBĐ giống hệt nhau làm việc song song, lệch pha
180O.

và in không có hài bội lẻ.

IV.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK:
S1
+

D

+

i
L

is

U

C
L

u
L

_

is

Io

u
C

_

U
_

i
C

S2

D

Io

u
C

(b)

S1

D

i
L1

C

U

i
C

(a)

+

D

S1
L

L2

i
L2
T

u
L1
n:1

i
C

C

Io

+

U
u
C

(c)

_

is

L1

D

i
L2

i
L
S1

C

i
C

Io

u
C

(d)

Hình IV.2.1: Các sơ đồ BBĐ dạng Flyback:

Bộ biến đổi áp một chiều xếp vào loại flyback khi chu kỳ hoạt động gồm hai pha:
Pha 1: Ngắt điện đóng (ON). Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn, tải sử dụng năng
lượng tích trử trong tụ điện song song (tụ điện ngỏ ra).
Pha 2: Ngắt điện ngắt (OFF). Cuộn dây chuyển (phóng) năng lượng qua tải và nạp năng
lượng vào tụ điện.
Như vậy, nguyên tắc hoạt động bộ biến đổi loại FLYBACK đối nghịch với các bộ biến đổi
dạng FORWARD, là khi ngắt điện đóng (ON) khi tải được nối nguồn.
Có 4 sơ đồ được trình bày trên hình IV.2.1:
(a) : Bộ biến đổi đảo cực tính: được dùng cho khảo sát cơ bản vì có số phần tử là ít nhất.
(b) Sơ đồ tăng giảm áp.
(c) Sơ đồ tăng giảm áp có biến aùp.
chuong 4 BBDA1C.doc

Page 11 of 30

(d) Sơ đồ tăng áp.
Sơ đồ (a) có số phần tử ít nhất, (b) có cùng hoạt động với (a) nhưng không đảo cực tính, (c)
tương tự (b) nhưng sử dụng biến áp và (d) tăng áp.
1. Khảo sát sơ đồ căn bản: [Hình IV.2.1.a]

Để khảo sát gần đúng, ta giả thiết các điện áp, dòng điện đều biến thiên tuyến tính, điều
này có thể đạt được khi:
- Chu kỳ đóng ngắt T rất bé với chu kỳ của mạch cộng hưởng LC ( bằng 2π LC ).
- Tải là nguồn dòng Io, chính là giá trị trung bình của dòng tải khi bỏ qua các nhấp nhô .
Các giả thiết này cũng được sử dụng trong các phần khảo sát tiếp theo.
Xem hình IV.2.1 trình bày các dạng áp, dòng của mạch ở chế độ tựa xác lập, khi các tín
hiệu thay đổi có chu kỳ.
- Khi 0 < t < tON : S1 đóng.
L nạp năng lượng từ nguồn:
di
U
U = L L ⇒ iL = t + Imin
dt
L
Ibđ là giá trị ban đầu, khi t = 0

U
ton + Imin
L
U
⇒ ΔI = ΔI L = iL (ton ) − Imin = ton < III.2.1 >
L
Diod D không dẫn điện vì phân cực Hình IV.2.2: Dạng áp, dòng BBĐ hình IV.2.1.a
ngược: anod có điện thế âm trong khi catod
dương.

t = ton :

iL (ton ) =

C phóng điện qua tải:
du
I
Io = −C C ⇒ uC = − o t + U max
U max là giá trị ban đầu, khi t = 0
dt
C
I
I
t = ton : uC (ton ) = − o ton + U max ⇒ ΔU = ΔU C = Vmax − uC (ton ) = o ton < IV.2.2 >
C
C
- Khi t > tON : S1 ngắt, dòng qua cuộn dây không thể mất đi vì nó biểu hiện năng lượng tích
trữ trong cuộn dây, khép mạch qua D, phóng điện qua C và tải:
du
di
iL = Io + iC = Io + C C ;
uL = −uC = L L
dt
dt
Gọi I L là trị trung bình dòng qua L, U C trị trung bình áp qua C, cũng là trị trung bình áp trên tải.
ΔU C
ΔI
; UC = L L
Δt
Δt

Thế các giá trị ΔI L , ΔU C vào, để ý Δt = T − ton , ta nhận được:

Lấy trung bình hai vế phương trình trên: I L = Io + C

UC =

ton
T
α
U=
U ; IL =
Io < IV.2.3 >
T − ton
T − ton
1−α

Như vậy, dòng qua cuộn dây iL thay đổi tuyến tính trong khoảng I L − ΔI , I L + ΔI , aùp uC
2

chuong 4 BBDA1C.doc

2

Page 12 of 30


trên tụ C thay đổi trong khoảng U C − Δ2U ,U C + Δ2U . Áp ra có thể lớn hay bé hơn áp nguồn phụ thuộc

tON / T, nhấp nhô áp ra chỉ phụ thuộc dòng tải Io và tụ lọc C, nhấp nhô dòng ra phụ thuộc áp nguồn
U và tự cảm cuộn dây L.

Trường hợp dòng gián đoạn:
Giả sử ta giữ ton không đổi khi giảm Io. ΔI không đổi trong khi I L giảm theo Io. Dòng iL
không đổi dạng nhưng biên độ thấp dần. Khi I L = T Io ≤ ΔI ta coù trường hợp dòng qua L
T − ton

2

gián đoạn (hình IV.2.3):
Trong khoảng ton, dòng qua L được nạp từ 0
đến giá trị cực đại. Khi S1 khóa, L phóng điện qua tải
và C nhưng dòng sẽ về 0 trước khi S1 đóng trở lại.
Gọi tx là thời gian có dòng qua L. Thời gian L
nạp năng lượng vẫn như cũ: ΔI = UL ton , nhưng thờigian
tải sử dụng năng lượng tích trữ trong tụ tăng lên, theo
hình 3, bằng (T – tx + ton) và nhấp nhô áp
ΔU = Io
(T − tx + ton ) .
C
Thời gian L phóng năng lượng thay đổi, bằng

Δt = (tx – ton) làm cho các quan hệ điện áp và dòng

trung bình thay đổi. Nếu xem C được nạp năng lượng
trong thời tx – ton , ta vẫn có:
Hình IV.2.3: Dạng áp, dòng BBĐ hình 4.8.a
duC
diL
dùng để tính toán hoạt động khi dòng gián ñoaïn
iL = Io + iC = Io + C
uL = −uC = L

;
dt
dt
hay U C = L

UC =

ΔI L
với ΔI L như cũ và Δt = tx − ton . Từ dó suy ra:
Δt

ton
tx − ton

U;

khi dòng gián đoạn, IL =

I L = Io + C txΔ−Uton = Io(1 +
ΔI
2

⇒

T − ( tx − ton )
tx − ton

) = Io( tx −Tton )

T

t = Io( tx −Tton ) ⇒ tx = ton + 2.LU.Io ton

U
2 L on

<IV.2.4>

Nhận xét là khi dòng gián đoạn, trị số trung bình của áp ra tăng, theo lý thuyết sẽ đến vô
cùng khi Io bằng 0 (mạch không tải). Có thể giải thích hiện tượng này là do năng lượng chỉ có thể
truyền một chiều: nguồn Ỉ cuộn dây Ỉ tụ ngỏ ra và áp trên tụ sẽ tăng đến vô cùng theo năng
lượng nạp vào. Trong thực tế, luôn luôn có tổn hao trong mạch, tổn hao này tăng theo điện áp và
ngay khi không tải, năng lượng nạp vào sẽ cân bằng với tổn hao ở một giá trị hữu hạn của áp ra.

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 13 of 30


Cách tính như trên chỉ có
giá trị gần đúng khi đã cho C
được nạp trong suốt thời gian L
phóng điện. Thực tế là khi
iL < Io tụ điện C phải phóng
điện, cùng với L cung cấp năng
lượng cho tải Io (so sánh hai hình
IV.2.3 và IV.2.3b). Áp ngỏ ra sẽ
bé hơn trị số tính bởi <IV.2.4>
khá nhiều. Cũng từ lý luận này,
<IV.2.4> sẽ chính xác hơn khi Io
tiến về 0.

tx

Δ uc1
uc

(a)

Δ uc
ton

Δ uc2

Imax
Io

S đó ng

t

S ngắ t

T
Phương pháp khác tiếp
cận trường hợp dòng gián đoạn: Hình IV.2.3b dạng áp dòng chính xác hơn hình IV.2.3 khi dòng gián
đoạn. (a) là áp trên tụ hình IV.2.3 vẽ lại để so sánh

Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, trong chế độ tựa xác lập, năng lượng cung cấp bằng
năng lượng tiêu thụ, Năng lượng nạp vào cuộn dây W bằng năng lượng tải tiêu thụ trong chu kỳ T:

W=

2
2
L.Imax
U 2 .ton
U
1
2
L.Imax
= U o .Io .T => U o =
hay U o =
<IV.2.4a>, vì Imax = ton .
L
2
2.Io .T
2.L.Io .T

Công thức tính áp ra theo <IV.2.4a> chính xác hơn <IV.2.4>. Từ đây có thể xác định điều
kiện của ton để dòng biên liên tục (tx = T) khi lưu ý đến <IV.2.3>:

Uo =

2
U 2 .ton
t
2.L.Io .T
= on U => ( T − ton ) ton =
<+>
U

2.L.Io .T T − ton

<+> là phương trình bậc 2 có 2 nghiệm dương, chỉ nhận kết quả ton < T (giá trị bé hơn).
Điều đặc biệt là khi cho (tx = T) trong <IV.2.4>, ta cũng có <+>.
Để tính nhấp nhô áp ra ΔuC và tx , để ý iC = C
nạp – xả tụ, từ hình IV.2.3b, ta có:

dvC
Δv
hay IC = C C trong từng giai ñoaïn
dt
Δt

Imax − Io
Δu
I − Io
I −I
I −I
suy ra ΔuC = max o (tx − ton ) max o
= C C với Δt1 = (tx − ton ) max
Imax
Imax
2
2C
Δt1
Io
Δu
I
I
I

= C C1 với Δt2 = (tx − ton ) o suy ra ΔuC1 = o (tx − ton ) o
Imax
Imax
2
2C
Δt2
Vaø Io = C

ΔuC 2
I
với Δt3 = T − (tx − ton ) suy ra ΔuC 2 = o (T + ton − tx )
C
Δt3

Vì ΔuC = ΔuC1 + ΔuC 2 , ta coù
ΔuC =

( Imax − Io ) 2
I
I
I
(tx − ton ) = o (tx − ton ) o + o (T + ton − tx ) suy ra tx baèng:
Imax C
2C.Imax
2C

( I − I ) Io T <IV.2.4b>
2 Io
T+ton vaø ΔuC = max 2 o
Imax

CImax
2

tx =

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 14 of 30


thế giá trị Imax vào:

tx =

2 Io L
2I L
2
T+ton < T => ton
− T.ton + o T<0
Uton
Uton

Ta tìm lại được biểu thức tính tx và khi cho (tx = T), ta cũng có lại <+>.
Mô phỏng BBĐ flyback để kiểm tra:
Sử dụng PSIM để mô phỏng mạch điện
hình IV.2.1a với các thông số:U = 20V,
L = 30 uH, C = 50 uF, T = 50 us,
α = 0.3 vaø Io lần lượt bằng 1.2A, 2A,
3.5A, 6A ta có được các kết quả hình
IV.2.3c. Dạng áp trên tụ giống hình

IV.2.3b hơn hình IV.2.3a. Tụ chỉ được
nạp điện khi iL > Io.

Ta có chế độ biên gián đoạn ở
Io = 3.5A. Khi đó áp ra cũng có trị số
của trường hợp dòng liên tục (Io = 6A),
bằng 8.57V. Khi dòng không liên tục,
áp ra tăng. Áp ra phù hợp theo tính
toán bằng <IV.2.4a> (lần lượt bằng Hình IV.2.3c dạng áp dòng mô phỏng BBĐ flyback dùng PSIM
25V, 15V).
2. Các sơ đồ khác:

a. Sơ đồ hình IV.2.1.b: Hoạt động hoàn toàn giống như sơ đồ căn bản hình 1.(a) nhưng áp ra
không đảo dấu. S1 và S2 được điều khiển bằng cùng tín hiệu, đóng mạch để nạp năng lượng vào
cuộn dây và khi ngắt, cuộn dây sẽ phóng điện qua hai diod D1 và D2, cung cấp dòng nạp tụ và
cho tải Io.Cách nối này còn giảm điện áp đặt vào ngắt điện ở trạng thái khóa so với sơ đồ
IV.2.1(a).
b. Sơ đồ hình IV.2.1.c: Là sơ đồ thường gặp nhất trong các bộ nguồn. Biến áp T có hai
nhiệm vụ: cách ly nguồn và tải, làm cuộn dây tích trữ năng lượng cho bộ biến đổi. T là biến áp
không bảo hòa, tỉ số vòng dây sơ/thứ là n, L1 và L2 lần lượt là tự cảm cuộn dây sơ và thứ cấp.
Với cùng giả thiết của khảo sát sơ đồ căn bản, các kết qua nhận được cũng có dạng tương
tự. Ta có các quan hệ của biến áp:

n 2 L2 = L1 ; nI L1 = I L2 ; vL1 = n ⋅ vL2
- Khi S1 đóng: 0 < t < tON L1 được nạp năng
lượng, dòng iL1 tăng; C xả qua tải,áp giảm:

ΔI L1 =

I

U
ton ; ΔU C = ΔU = o ton <IV.2.5>
L1
C

- Khi S1 ngaét: tON < t < T , lưu ý giả thiết
dòng liên tục:
iL2 = Io + iC và uL1 = n uL2 = n uC ,
thế các giá trị tương ứng và lấy trung bình: Hình IV.2.4: Dạng áp, dòng BBĐ hình IV.2.1.b

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 15 of 30


n ⋅ iL1 = iL1 = Io + C
uC = uL 2

duC
ΔU
1
T
) Io
⇒ n ⋅ I L1 = Io +
⇒ I L1 = (
dt
n T − ton
Δt

di

1 t
L2 diL1
L2 ΔIL1
= L2 L 2 =
⇒ UC =
⇒ U C = ( on )U
dt
n dt
n Δt
n T − ton

<IV.2.6>

Biểu thức tính giá trị trung bình các áp ra và dòng qua cuộn dây giống như trường hợp căn
bản nhưng có thêm tỉ số biến áp n.
Nhấp nhô dòng tỉ lệ nghịch với giá trị tự cảm cuộn dây, nhưng cần lưu ý là các tự cảm
không được lớn quá để biến áp bị bảo hòa, khi mà dòng nạp cuộn dây chính là dòng từ hóa cho
biến áp. Khảo sát trường hợp dòng gián đoạn cũng nhận được những kết quả tương tự.
c. Sơ đồ tăng áp hình IV.2.1.d:
Khi biến áp T nối ở dạng tự ngẫu, tỉ số 1:n và nối tiếp với áp vào, ta nhận được sơ đồ tăng
áp. Các thông số:
L2 = n2 L1 ; I L1 = nIL 2 ; n ⋅ uL1 = uL 2 . Chứng minh tương tự và để ý khi S1

ngắt, cuộn dây phóng điện:

ΔI L1
ton
)] <IV.2.7>
⇒ U C = U [1 + n(
T − ton

Δt
Ta cũng có : ΔI L1 = LU1 ton ; ΔU C = ΔU = Io
C ton
ta coù: uC = U + uL 2 ⇒ U C = U + nL2

và trị trung bình dòng điện cuộn dây trong pha nạp điện I L1 = n T Io
T − ton
3. Khi bộ biến đổi có nhiều ngỏ ra: (hình IV.2.5 )

Các bộ nguồn xung thường cần nhiều cấp điện áp ở ngỏ ra, có thể cách điện với nhau như ở
hình IV.2.5. Sơ đồ thường dùng biến áp có nhiều cuộn thứ cấp.
Giả sử biến áp có một cuộn sơ cấp vàø n cuộn thứ cấp. Các cuộn dây có thông số n, L; n1, L2; …;
n, L là thông số của cuộn sơ cấp.
Các tự cảm quan hệ với nhau:
D1
L
L1
L2
L3
=
=
=
= ..
_
2
2
2
2
( n ) ( n1 ) ( n2 ) ( n3 )
C1

I1
U1
L1
quan hệ các điện áp cảm ứng:
+
U U1 U 2 U 3
S
=
=
=
= ... ;
D2
n n1
n2
n3
+
+
I2
i
và dòng điện trên cuộn dây nI = ∑ ni Ii
L2
C2 U2
L
_
i

Từ đó, suy ra ở chế độ dòng liên tục với
i là chỉ số cuộn dây:
- nhấp nhô áp ở mỗi cuộn dây thứ cấp:
I

ΔU Ci = i ton ;
Ci
- nhấp nhô dòng ở cuộn sơ cấp:
U
ΔI L = ton
L

U
_

D3

L

L3

C3

_
+

U3

Hình IV.2.5: BBĐ Fly back nhiều ngỏ ra

- Trung bình áp ra mỗi cuộn dây thứ cấp: U Ci =

chuong 4 BBDA1C.doc

u

L

ni ⎛ ton ⎞
⎜
⎟U
n ⎝ T − ton ⎠

<IV.2.8>

Page 16 of 30

I3


- Trung bình dòng điện của cuộn sơ cấp: I L =

1⎛ T ⎞
⎜
⎟ ∑ ni Ii <IV.2.9>
n ⎝ T − ton ⎠ i

Để ý là khi S1 ngắt, dòng điện chỉ cần phóng liên tục trên một cuộn dây thứ cấp là đảm
bảo hệ thống làm việc ở chế độ dòng liên tục.
Lưu ý: Mặc dù chế độ dòng liên tục là cơ sở của khảo sát lý thuyết, các bộ nguồn thực tế
làm việc ở dòng gián đoạn. Để đảm bảo ổn định áp ra, cần có có phản hồi áp để chỉnh tON tự động.
Tuy nhiên, các bộ nguồn flyback đều vẫn không thể làm việc ở chế độ không tải, và nhà sản
xuất phải dùng một điện trở làm tải giả, đề phòng trường hợp ngỏ ra không tải hay tải quá bé.
Ví dụ IV.2.1:
a. Cho sơ đồ hình IV.2.5.(c), áp nguồn U = 260 volt, tần số đóng ngắt f = 20 KHz, tải định
mức Uo = 5 volt, Io = 5 ampe. Tính các thông số mạch để nhấp nhô áp ra ΔU = 20 mV, nhấp nhô

dòng qua ngắt điện ΔI bằng 50 % trị trung bình.
T = 1/f = 50 micro giây, choïn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giaây.
<IV.2.2> suy ra C = Io*tON/ ΔU = 5*30 E -6 / 20 E -3 = 7.5 E –3 = 7500 uF
<IV.2.3> suy ra tỉ số biến áp n =(U * tON)/ [(T - tON )* Vo] = 78 và trị trung bình dòng qua L
(trong khoảng nạp điện)
IL = (Io * T)/ [(T - tON )* n] = ( 5 * 50) / [(50 – 30)*78] = 0.16 ampe
nhấp nhô dòng ΔI = 0.16 * 0.5 = 0.08 ampe.
<IV.2.2> => L = (260 * 30 E –6) / 0.08 = 0.0975 H.
Dòng cực đại qua ngắt điện S: Imax = IL + ΔI / 2 = 0.20 ampe
b. Với hệ thống tính được ở câu a., độ rộng xung tương đối bé nhất cho phép
tính dòng tải tối thiểu để hệ thống có dòng liên tục lúc này:

tON/Tø= 0.1,

tON = 0.1 * 50 = 5 micro giây.
Nhấp nhô doøng ΔI = 260*5 E –6 / 0.0975 = 0.0133 ampe.
Để có dòng liên tục, trị tối thiểu Imin = 0 hay trung bình dòng qua sơ cấp biến áp IL phải
lớn hơn một nửa nhấp nhô dòng ΔI, bằng 0.00667 ampe và dòng tải tương ứng :
<IV.2.3> => Io = IL * n *(T – tON) / T = 0.00667 * 78*(50 – 5)/50 = 0.468 ampe
Bài tập IV.2.1: Tính toán chính xác cho sơ đồ hình 4.8.a (sơ đồ cơ bản): Khảo sát chu kỳ tựa
xác lập (khi các dạng sóng lập lại ở mỗi chu kỳ).
- Khi ngắt điện S đóng, các biểu thức không đổi, có dạng của <IV.2.2>.
diL
⇒ iL = UL t + Imin
Imin là giá trị ban đầu, khi t = 0
dt
t = ton :
iL (ton ) = UL ton + Imin
⇒ ΔI = ΔI L = iL (ton ) − Imin = UL ton

U=L

duC
I
⇒ uC = − o t + U max
U max là giá trị ban đầu, khi t = 0
dt
C
I
I
t = ton : uC (ton ) = − o ton + U max ⇒ ΔU = ΔU C = Vmax − uC (ton ) = o ton < III.2.2 >
C
C
Io = −C

- Khi S ngaét:

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 17 of 30


có các phương trình iL = Io + iC = Io + C
iL ( 0 ) = Imax = Imin + ΔI

< baitapII.5.1 >

duC
;
dt

uL = −uC = L

diL
điều kiện ban ñaàu
dt

; uC ( 0 ) = Vmin = U max − ΔU < baitapII.5.2 > .

Hệ phương trình này có thể đổi lại thành phương trình bậc 2 theo vC như sau:

LC

d2 uC
+ uC = 0 với các điều kiện ñaàu:
dt2

uC ( 0 ) = U min ;

duC
1
1
( 0 ) = iC ( 0 ) = ( Imax − Io )
dt
C
C

nghiệm vC có dạng uC = A sin wt + B cos wt với w = 1 / LC , A và B là hằng số tích phân
phụ thuộc hai điều kiện đầu. Có thể tính được:

và

uC = Z ( Imax − Io ) sin wt + U min cos wt với Z = L C là tổng trở sóng mạch cộng hưởng LC.
U
iL = iC + Io = − min sin wt + ( Imax − Io ) cos wt + Io
Z

Với giả thiết dòng liên tục, thế t = T – tON vào, ta có lại các giá trị áp dòng ở đầu chu kỳ
uC = Umax và iL = Imin nhö sau:
U max = Z ( Imax − Io ) X + U min Y <baitapIV.2.3> vaø
U min
X + ( Imax − Io ) Y + Io <baitapIV.2.4> với X = sinw(T – tON), Y = cosw(T – tON)
Z
Bốn phương trình từ <baitapIV.2.1> đến <baitapIV.2.4> cho phép ta tính được Vmin, Vbđ,
Imax, Ibđ, viết được biểu thức mô tả dạng sóng áp trên tụ và dòng qua cuộn dây:
I
I
1
⎡
⎤
U min =
U ⋅ wton ⋅ X − o ton (1 − Y ) ⎥ ; U max = U min + o ton
2
2 ⎢
C
C
⎦
(1 − Y ) + X ⎣
Imin = −

Imax = Io +

1

(1 − Y )

2

⎡U
⎤
⎢ L ton (1 − Y ) − Io ⋅ wton ⋅ X ⎥ ;
⎦
+X ⎣
2

Imin = Imax −

U
ton
L

Dạng sóng áp trên tụ và dòng qua L có dạng dao động trong khoảng L phóng điện qua C
thay vì đường thẳng như trong khảo sát gần đúng. Trong thực tế, do C thường rất lớn, chu kỳ T của
mạch thường rất bé so với chu kỳ dao động LC, do đó các đường cong có thể xem là đường thẳng.
Các công thức gần đúng có thể suy ra trở l khi khai triển Taylor các hàm lượng giác: sin x xấp xỉ
(x – x3/3) cos x bằng 1 – x2/2.
Bài tập IV.2.1 cho thấy sự phức tạp của việc tính toán chính xác, sẽ tăng lên khi khi khảo sát
trường hợp dòng gián đoạn. Tính toán gần đúng luôn được sử dụng trong thực tế.
IV.3 MẠCH TẮT SCR:

Để thực hiện các ngắt điện bán dẫn một chiều, ngoài họ transistor hay GTO có thể đóng
ngắt theo mạch lái, ta có thể sử dụng SCR cùng với mạch phụ, gọi là mạch tắt SCR. Quá trình tắt
SCR còn được gọi là quá trình đảo lưu hay chuyển mạch vì khi đó dòng tải được chuyển sang
mạch điện khác do/để dòng qua SCR bằng không.
Nguyên lý tổng quát của mạch tắt SCR là tạo ra một đường dẫn điện tạm thời thay thế
SCR, làm cho dòng qua nó về không trong thời gian đảm bảo tắt tq lớn hơn thời gian tắt toff được

ghi ở sổ tay sử dụng linh kiện.
chuong 4 BBDA1C.doc

Page 18 of 30


1. Ví dụ mạch tắt SCR: Mạch hai trạng thái bền dùng SCR (hình IV.3.1).

Tại t = 0, kích T1. T1 dẫn điện và C được nạp qua T1 và R2 đến áp nguồn U với cực tính
như hình vẽ. T2 có điện áp phân cực là uC , bằng áp nguồn V khi dòng nạp tụ tiến về 0 .

+

R1

u
C

U

C
_

bảo tắt SCR, cần phải lớn hơn
toff là thời gian cần thiết cho
SCR phục hồi khả năng khóa.

T1

R2

+
-

Khi kích T2, T2 dẫn điện
và tụ điện C đặt áp âm vào T1.
T1 không thể dẫn điện và phục
hồi trạng thái khóa. Tụ điện C
được nạp qua R1 đến giá trị áp
nguồn U với dấu ngược lại,
chuẩn bị làm tắt T2 khi T1 được
kích. Thời gian T1 bị đăït áp âm
được gọi là tq - thời gian đảm

T2

Hình IV.3.1: Mạch hai trạng thái bền dùng SCR

Như vậy để tắt SCR, người ta có thể dùng tụ điện có tích điện với dấu thích hợp, tạo đường
dẫn điện tạm thời làm cho dòng qua SCR bằng không trong thời gian tq > toff , đủ để SCR phục
hồi khả năng khóa.

Bài tập: Tính phương trình mô tả dạng áp trên tụ C trong một chu kỳ tựa xác lập theo các

thông số mạch và chu kỳ T. Suy ra tq (thời gian đãm bảo tắt SCR) của mạch.
2. Sơ đồ đảo lưu (chuyển mạch) cứng các SCR.

Việc tắt SCR bằng cách dùng tụ điện đặt áp âm vào AK như ví dụ trên được gọi là chuyển
mạch cứng các SCR.
Để khảo sát ta xem sơ đồ tổng quát hình IV.3.2 với giả thiết dòng tải Io không đổi trong
thời gian chuyển mạch, U là áp trên tụ ban đầu. Khi khóa K đóng, uT = uC ( 0 ) = −U laøm T tắt,
dòng tải Io chuyển qua mạch C. Phương trình cho uC khi chuyển mạch:
dvC
; uC ( 0 ) = −U
dt
I
⇒ uT = uC ( t ) = o t − U
C

khi t = tq là thời gian đảm bảo tắt T1, áp trên tụ
bằng 0 :

T
C

K

uc

Df

u
T

uC ( tq ) = 0 ⇒ C.U = Io .tq

Khi C nạp đến giá trị nguồn, dòng qua nó về 0,
T2 tự tắt, dòng tải khép mạch qua Df. Tụ điện C đã có

Io

u
T

Io = C

tq

t

năng lượng cho chu kỳ làm việc mới. Như vậy, điện
-U
lượng C.U tích trữ trong C phải duy trì được dòng tải
Hình IV.3.2 mạch điện để khảo sát đảo lưu
trong thời gian đảm bảo chuyển mạch tq hay
tq = U .C / IO <IV.3.1>

chuong 4 BBDA1C.doc

cứng và dang áp treân SCR T

Page 19 of 30

3. Bộ biến đổi làm việc một phần tư dùng SCR (hình IV.3.3.a):

Trong mạch hình
IV.3.3.a, T1 là SCR chính
dẫn dòng điện tải, T2 là
SCR phụ, chỉ làm nhiệm
vụ tắt (chuyển mạch) SCR
chính. Để khảo sát mạch,
ta có giả thuyết dòng tải
không thay đổi:
iO = Io = hằng số

+

C

u
C

U

_

+ T1
_

io
T2
Dp

L

uo

Df

R

trong thời gian mạch tắt
Hình IV.3.3: (a)BBĐ ¼ mặt phẳng tải dùng SCR; (b) các dạng sóng
SCR hoạt động.
Nguồn được nối vào đủ lâu để C được nạp đến áp nguồn U theo cực tính như hình vẽ qua
điện trở R. R có giá trị rất lớn, không ảnh hưởng đến hoạt động sau này của mạch.
Tại t = 0, kích T1. T1 dẫn điện. dòng qua nó gồm dòng tải Io và dòng phóng điện của tụ C

qua T1, Dp và L. Đây là mạch cộng hưởng LC không có tổn hao khi ta xem các linh kiện là lý
tưởng. Dòng phóng điện của C là hình sin và áp qua nó có dạng cos.
Khi điện áp trên tụ điện đảo cực tính (ngược với dấu trên hình IV.3.3.a), diod Dp không
cho phép nó xả theo chiều ngược lại và như vậy tụ điện C đã chuẩn bị được điện tích có dấu thích
hợp để tắt T1 khi T2 được kích, như sơ đồ nguyên lý hình IV.3.2. Thời gian đảo cực tính tụ điện là
½ chu kỳ dao động T 2 = π LC cũng chính là thời gian on tối thiểu của BBĐ.
Khi kích T2, T2 dẫn vT1 = vC < 0 : T1 tắt vì dòng tải Io chuyển qua C. C được nạp bằng
dòng tải Io,như nguyên lý chuyển mạch cứng như đã khảo sát. Điều kiện để có sự chuyển mạch
I o .tq

, tq > toff là thời gian tắt của SCR T1.
U
Khi C nạp đến giá trị nguồn U, dòng qua nó về 0, T2 tự tắt, dòng tải khép mạch qua Df .

cho áp trên tụ có thể thay đổi từ

– U đến + U, đảm bảo tắt được
SCR chu kỳ tiếp.

T
T1

T2
C

u
C

T3

+
_

Tụ điện C đã có năng lượng cho
chu kỳ làm việc mới. Thời gian
off tối thiểu của BBĐ là 2.tq, dể

T1

T11
C

u
C
T4

T2

+
_

thành công là C >

T22

Nhược điểm lớn của mạch
(b)
(c)
này là phải có pha đảo cực tính
áp trên tụ điện, điều này làm Hình IV.3.3.b và c: Các mở rộng của mạch tắt hình IV.3.3.a
tăng tổn hao năng lượng, giảm
tần số làm việc cho phép của mạch. Cùng họ chuyển mạch cứng còn có các mạch trên hình IV.3.3.b
và 5.3.3.c không sử dụng cuộn dây và cũng không có pha đảo cực tính áp trên tụ điện. Tụ tắt C nằm
giữa cầu SCR, chúng được kích ở theo chu trình thích hợp để cung cấp áp âm tắt SCR chính (sơ đồ
b). Sơ đồ (c) có điều khiển phức tạp hơn khi dòng tải lần lượt chạy qua các nhánh của cầu SCR.
Trong thực tế, trong mạch còn nhiều tự cảm nối tiếp với SCR, có thể là tự cảm của nguồn
điện, dây dẫn hay là cuộn dây được thêm vào để chống những đột biến dòng làm ảnh hưởng kết quả

chuong 4 BBDA1C.doc

Page 20 of 30