Thiết kế hệ thống chỉnh lưu DCDC với sơ đồ Bost Converter

BÀI TẬP LỚN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Mã: 13350
Học kỳ: 2 – Năm học: 2019 - 2020

Đề tài: Thiết kế hệ thống chỉnh lưu DCDC với sơ đồ bost converter

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:
Bộ môn:
Khoa:

Điện tự động công nghiệp
Điện – Điện tử

HẢI PHÒNG - 5/2020


ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN
THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC/DC VỚI
-

SƠ ĐỒ BOOSTCONVERTER

-

ĐIỆN ÁP VÀO (18-24)V ĐIẸN ÁP RA 36V – DÒNG TẢI 2,5A

Sinh viên thực hiện (Tất cả các SV)

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.2 MỤC ĐÍCH CỦA DỰ ÁN
CHƯƠNG 2
ĐÁNH GIÁ TỔNG QUAN VÀ TÀI LIỆU
2.1 TỔNG QUAN
2.2 ỨNG DỤNG
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP
3.1 CẤU HÌNH CHUNG CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI SÁCH
3.2 SƠ ĐỒ KHỐI
3.3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT
3.4 CÁC CHỨC NĂNG LINH KIỆN
3.5 CÁC TÍNH TỐN THÀNH PHẦN
3.5.1 MOSFET
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ QUAN SÁT


4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PSPICE
4.3 QUAN SÁT
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU SƠ BỘ
1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN
Trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, yêu cầu chuyển đổi nguồn một chiều
điện áp đặt thành
đầu ra điện áp một chiều biến thiên. Bộ chuyển đổi DC-DC chuyển
đổi điện áp trực tiếp từ DC sang
DC và được gọi đơn giản là Bộ chuyển đổi DC. Bộ chuyển đổi DC
tương đương với máy biến áp AC
với tỷ lệ vòng quay biến thiên liên tục. Nó có thể được sử dụng để
giảm hoặc nâng cấp nguồn điện áp DC,
như một máy biến áp.
Bộ chuyển đổi DC được sử dụng rộng rãi để điều khiển động cơ kéo
trong ô tô điện, ô tô đẩy,
tời hàng hải, xe nâng hàng và xe ủi đất. Chúng mang lại hiệu quả cao,
khả năng tăng tốc tốt
kiểm soát và phản ứng động nhanh chóng. Chúng có thể được sử
dụng trong quá trình hãm tái sinh của động cơ DC để quay trở lại
năng lượng trở lại nguồn cung cấp. Thuộc tính này dẫn đến tiết kiệm
năng lượng cho các hệ thống giao thông với
các bước thường xuyên. Bộ biến đổi DC được sử dụng trong bộ điều
chỉnh điện áp DC; và cũng được sử dụng, với một cuộn cảm
kết hợp với nhau, để tạo ra nguồn dòng điện một chiều, đặc biệt cho
bộ biến tần nguồn hiện tại.

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA DỰ ÁN
Hiệu quả, kích thước và chi phí là những lợi thế chính của bộ chuyển
đổi nguồn khi

so với bộ chuyển đổi tuyến tính. Hiệu suất của bộ chuyển đổi nguồn
chuyển đổi có thể chạy trong khoảng 70-80%, trong khi bộ chuyển
đổi tuyến tính thường có hiệu suất 30%. Bộ chuyển đổi tăng cường
chuyển mạch DC-DC
được thiết kế để cung cấp một phương pháp hiệu quả để lấy nguồn
điện áp một chiều nhất định và tăng cường nó lên giá trị mong
muốn. Ở đây đề cập tới ĐIỆN ÁP VÀO (18-24)V ĐIẸN ÁP RA 36V –
DÒNG TẢI 2,5A bằng sơ đồ tăng áp

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CƠ SỞ VÀ ỨNG
DỤNG
2.1 TỔNG QUAN
Nguồn cho bộ chuyển đổi tăng cường có thể đến từ bất kỳ nguồn DC
phù hợp nào, chẳng hạn như DC
máy phát điện, pin, tấm pin mặt trời và bộ chỉnh lưu. Phương pháp
thay đổi một điện áp một chiều thành một
điện áp một chiều khác nhau được gọi là chuyển đổi một chiều sang
một chiều. Nói chung, một bộ chuyển đổi tăng cường là một DC sang
DC
bộ biến đổi có điện áp ra lớn hơn điện áp nguồn. Nó đơi khi được gọi
là bước lên
bộ chuyển đổi vì nó "nâng cấp" điện áp nguồn.

2.3 ỨNG DỤNG
Các hệ thống chạy bằng pin thường xếp chồng nối tiếp các tế bào để
có được điện áp cao hơn. Tuy nhiên,không thể tạo đủ đống ô trong


nhiều ứng dụng điện áp cao do không đủ không gian. Bộ chuyển đổi
tăng cường có thể tăng điện áp và giảm số lượng tế bào. Hai pin các

ứng dụng sử dụng bộ chuyển đổi tăng áp là xe điện hybrid (HEV) và
hệ thống chiếu sáng.Mẫu NHW20 Toyota Prius HEV sử dụng 500 V.
Nếu khơng có bộ chuyển đổi tăng áp, HEV sẽ cần gần 417 tế bào để
cung cấp năng lượng cho động cơ của nó. Trên thực tế, một chiếc
Prius thực sự chỉ sử dụng 168 ô và tăng điện áp pin từ 202 V lên 500
V. Trong một ứng dụng quy mô nhỏ hơn, bộ chuyển đổi tăng cường
cũng như các thiết bị điện như hệ thống chiếu sáng di động và đèn
khẩn cấp. Một đèn LED trắng thường 3 yêu cầu 3,3 V để hoạt động
và bộ chuyển đổi tăng cường có thể tăng điện áp từ 1,5 V duy nhất ô
kiềm để cung cấp năng lượng cho ánh sáng. Nó cũng có thể tạo ra
điện áp cao hơn để hoạt động lạnh ống huỳnh quang cathode (CCFL)
trong các thiết bị như đèn nền LCD và một số đèn pin.
Một bộ chuyển đổi tăng áp được sử dụng làm cơ chế tăng điện áp
trong mạch được gọi là 'Kẻ trộm Joule',
là một cấu trúc liên kết mạch được sử dụng với các ứng dụng pin
năng lượng thấp và được sử dụng ở khả năng của một bộ chuyển đổi
tăng cường để 'ăn cắp' năng lượng còn lại trong pin. Năng lượng cịn
lại sẽ nếu khơng sẽ bị lãng phí vì điện áp thấp của pin gần như cạn
kiệt khiến nó khơng thể sử dụng được cho tải.
Phần năng lượng còn lại sẽ vẫn chưa được khai thác vì nhiều ứng
dụng khơng cho phép
đủ dịng điện để chạy qua tải khi điện áp suy giảm. Điều này xảy ra
khi pin bị xuống cấp, và là một đặc tính của pin thơng thường. Có
nhiều cách sử dụng cho bộ chuyển đổi tăng DC-DC. Ta cần mang theo
các thiết bị như vậy khi họ muốn mang đồ điện tử từ trong nước và
nguồn cung cấp dòng điện ở nước ngồi
khác với những gì có mặt tại nhà của họ. Đơi khi chỉ cần một bộ
chuyển đổi phích cắm, nhưng trong các trường hợp khác, việc cắm

thiết bị điện tử trực tiếp vào nguồn điện có thể làm hỏng thiết bị.
Một sự thúc đẩy bộ chuyển đổi cung cấp một cầu nối cho phép khách
du lịch tiếp cận điện an toàn.
Các thiết bị như vậy cũng được sử dụng với các hệ thống yêu cầu
điện áp cao, từ sân khấu chiếu sáng đến bộ máy khoa học. Trong một
số trường hợp, bộ chuyển đổi tăng cường có thể được nối trực tiếp
vào cung cấp điện vì một yêu cầu lâu dài. Trong các trường hợp khác,
cần phải cắm thiết bị theo yêu cầu, đặc biệt là trong trường hợp thiết
bị di chuyển như thiết bị được sử dụng bởi các băng tần
trên các buổi hòa nhạc. Cũng như các thiết bị điện khác, nên kiểm tra
bộ chuyển đổi tăng áp trước khi sử dụng để xác nhận rằng nó đang ở
trong tình trạng hoạt động tốt và để kiểm tra bất kỳ vấn đề nào có
thể ảnh hưởng đến
chức năng hoặc an toàn.

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU
3.1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC
Trong bộ chuyển đổi tăng áp, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu
vào - do đó có tên
"Tăng cường". Dưới đây là một bộ chuyển đổi tăng cường sử dụng
MOSFET.


Hình 3.1.1 Sơ đồ mạch của Bộ chuyển đổi Boost
Chức năng của bộ chuyển đổi tăng cường có thể được chia thành hai
chế độ, Chế độ 1 và Chế độ 2. Chế độ 1 bắt đầu khi transistor M1
được bật tại thời điểm t = 0. Dòng điện đầu vào tăng lên và chạy qua
cuộn cảm L và bóng bán dẫn M1. Chế độ 2 bắt đầu khi transistor M1
được ngắt tại thời điểm t = t1. Dòng điện đầu vào bây giờ chạy qua
L, C, tải và diode Dm. Dòng điện dẫn giảm cho đến chu kỳ tiếp theo.

Năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm L chạy qua tải.
Các mạch cho hai chế độ hoạt động được hiển thị dưới đây:


(a)

(b)

Hình 3.1.2 Hoạt động của mạch (a) Chế độ 1 và (b) Chế độ 2

Các dạng sóng cho điện áp và dòng điện được hiển thị
bên dưới


Mối quan hệ điện áp-dòng điện đối với cuộn cảm L là:
V=Ldi/dt
Đối với một xung hình chữ nhật khơng đổi:
I=vt/l + io
Khi bóng bán dẫn M1 được chuyển đổi: dentai = (Vi-Vtran)Ton/L
Và khi bóng bán dẫn bị ngắt dịng điện là:
dentai=(Vout-Vin+Vd)Toff/L


Rõ ràng là điện áp đầu ra có liên quan trực tiếp đến chu kỳ nhiệm vụ.
Thách thức chính khi thiết kế một bộ chuyển đổi là loại cuộn cảm
được sử dụng. Từ các phương trình trên, có thể thấy rằng cảm kháng
tỉ lệ nghịch với dịng điện gợn sóng. Vì vậy, để giảm gợn sóng, cuộn
cảm nên được sử dụng
3.2 SƠ ĐỒ KHỐI

cho thấy các khối cơ bản của việc xây dựng một mạch bộ chuyển đổi
tăng áp:

Nguồn điện áp cung cấp điện áp DC đầu vào cho bộ điều khiển công
tắc, và cả từ
phần tử lưu trữ hiện trường. Khối chứa điều khiển công tắc chỉ đạo
hành động của công tắc
phần tử, trong khi bộ chỉnh lưu đầu ra và bộ lọc cung cấp điện áp
một chiều có thể chấp nhận được cho đầu ra
3.3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Các kỹ sư làm việc trong môi trường công nghệ cao ngày nay phải
đối phó với sự thay đổi nhanh chóng thị trường thiết bị và sản phẩm
điện tử. Khi cơng nghệ mới được phát minh, mạch tích hợp hoạt
động nhanh hơn và có kích thước và hình dạng nhỏ hơn. Tuy nhiên,
nhiều mạch tích hợp vẫn yêu cầu điện áp
15 vôn để hoạt động. Bộ chuyển đổi DC-DC Switching Boost
Converter sẽ sử dụng điện áp DC 5 Volt cung cấp với dung sai 10%
và cung cấp 15 Volts cho tải. Dòng điện tối đa được giao cho tải sẽ là
0,4 A. Mạch hoạt động với hiệu suất cực tiểu là 94,16%.
3.4 CÁC CHỨC NĂNG LINH KIỆN


Cuộn cảm được thể hiện trong hoạt động như phần tử lưu trữ từ
trường được thể hiện trong Hình.
3.2.1. Nó lưu trữ năng lượng trong vật liệu cốt lõi của nó. PWM lý
tưởng hoạt động như điều khiển cơng tắc và
bóng bán dẫn hoạt động như phần tử chuyển mạch. Diode và tụ điện
được sử dụng để thực hiện chức năng của
bộ chỉnh lưu đầu ra và khối lọc.
3.5 TÍNH TỐN THÀNH PHẦN

3.5.1 MOSFET
Thơng số kỹ thuật MOSFET –
Điện áp đầu vào 18-24 V
Điện áp đầu ra - 30V
Tải hiện tại – 2,5A
RDS = 0,002Ω
F = 50 KHz

K

Chương 4
KẾT QUẢ VÀ QUAN SÁT


4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB:
Dưới đây là một sơ đồ mạch được sử dụng để mô phỏng MATLAB
của bộ chuyển đổi tăng cường. Mục đích của
mạch này là để đo điện áp đầu ra và dạng sóng hiện tại

Sơ đồ mạch của Bộ chuyển đổi Boost được sử dụng trong MATLAB.

Dưới đây là dạng sóng dịng điện đầu ra thu được từ mô phỏng MATLAB


(dòng điện đầu ra) so với Thời gian) trong MATLAB.
Dưới đây là dạng sóng điện áp đầu ra thu được từ mô phỏng PSPICE

4.3 QUAN SÁT:
Từ các kết quả thu được, có thể thấy rõ rằng bộ biến đổi tăng áp tăng

điện áp từ đến 15V phù hợp với các thơng số có được trước đó, đáp
ứng các điều kiện mong muốn của
dòng điện đầu ra là 2,5 A ở tần số 50kHz. Hiệu suất của bộ chuyển
đổi tăng là 94,16%.
21
Chương 5
PHẦN KẾT LUẬN
Tất cả các thông số kỹ thuật được nêu trước đây đã được đáp ứng
bởi thiết kế bộ chuyển đổi tăng cường này.
Mô phỏng MATLAB và PSPICE sử dụng các tham số được tính tốn đã
được thực hiện và tương ứng dạng sóng thu được. Điện áp đầu ra


trên tụ đầu ra là 15V với cực đại độ gợn đầu ra 1,6%. Hiệu suất
nguồn của đoạn mạch vượt quá 94%. Tuy nhiên, một bổ sung
ràng buộc cần được đặt trên tải. Tải không được vượt quá 0,75kΩ.
Điều này sẽ gây ra
hiệu suất giảm xuống dưới giá trị quy định 94,16%. Thiết kế phần
cứng của BOOST CONVERTER đã được thực hiện. Nó được quan sát,
bởi chu kỳ nhiệm vụ thay đổi điện áp đầu ra cũng thay đổi.
GIỚI THIỆU THAM KHẢO
[1] Muhammad H. Rashid, “Điện tử công suất, mạch, thiết bị và ứng
dụng”, thứ ba
Ấn bản, Pearson Education, Inc., 2004.
[2] Carl Nelson & Jim Williams, “Cơng nghệ tuyến tính, Sổ tay thiết kế
LT1070”, 1986.
[3] Marty Brown, “Thiết kế cung cấp điện chuyển mạch thực tế”,
New York: Academic Press,
Inc., 1990.