Thiết kế bộ biến đổi push pull conveter

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (358.65 KB, 27 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO

Thiết kế bộ biến đổi Push-Pull Boost công suất lớn

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Chương 1: Phân loại và lựa chọn bộ biến đổi nguồn DC-DC...4

1.1 Phân loại bộ biến đổi DC-DC...4

1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly...4

1.1.2 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC...4

1.2 Sơ đồ cấu tạo bộ biến đổi 2 bộ push-pull song song...7

1.2.1 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi push-pull...8

1.2.2 Hệ số tăng áp bộ biến đổi...11

Chương 2: Tính tốn tham số mạch lực...12

2.1 Tính chọn van bán dẫn...12

2.2 Biến áp xung...16

2.2.1 Chọn lõi biến áp xung...MỤC 16 2.2.2 Tính tốn số vịng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp...17

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

2.5.3 Tổn hao Diode...22

2.5.4 Tổn hao máy biến áp...22

Chương 3: Kết quả mơ phỏng...24

TÀI LIỆU THAM KHẢO...27

Danh mục hình ảnh Hình 1. 1 Cấu trúc bộ biến đổi Boost Converter...5

Hình 1. 2 Cấu trúc bộ Push-Pull Converter...5

Hình 1. 3 Sơ đồ bộ biến đổi Push-Pull...6

Hình 1. 4 Dạng đồ thị xung, dịng điện và điện áp...7

Hình 1. 5 Sơ đồ tương đương khi van Q1 ON...8

Hình 1. 6 Sơ đồ tương đương khi van Q2 ON...8

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Chương 1: Phân loại và lựa chọn bộ biến đổi nguồn DC-DC1.1 Phân loại bộ biến đổi DC-DC

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm:

1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC khơng cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ từ dịng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van cơng suất được mắc hợp lý tùy thuộc vào từng sơ đồ.

Các sơ đồ nguyên lý này gồm có: - Sơ đồ biến đổi Buck,

- Sơ đồ biến đổi Boost,

- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost. -Sơ đồ biến đổi Boost song song

Các sơ đồ không cách ly phù hợp với công suất nhỏ. Sơ đồ đơn giản và dễ dàng nối song song với nhau để giảm dòng điện đi qua van. Tuy nhiên dải điện áp còn bị hạn chế

1.1.2 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC

a, Bộ biến đổi Boost DC-DC

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Hình 1. 1 Cấu trúc bộ biến đổi Boost Converter

Bộ biến đổi Boost Converter có cấu trúc đơn giản tuy nhiên với cơng suất lớn dịng điện đầu vào lớn làm tăng độ lớn dòng điện đầu vào và gây tổn hại van trong bộ chuyển đổi. Đồng thời điện áp đầu ra bị hạn chế bởi hệ số điều chế

b, Bộ biến đổi Push-Pull

Hình 1. 2 Cấu trúc bộ Push-Pull Converter

Trong 1 thời điểm cả hai van Q1 và Q2 không được cùng dẫn. Mỗi van chỉ được dẫn trong 1 nửa chu kì. Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngược lại. Thời gian mở các van phải chính xác, giữa 2 van cần phải có thời gian chết để đảm bảo cho hai van không dẫn cùng lúc Với việc đóng cắt liên tục hai van này thì ln

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

ln xuất hiện dịng điện liên tục trên tải. Đồng thời mạch Push-Pull thường tạo được công suất cao hơn so với dạng khác. Chính vì ưu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi cao và được dùng nhiều trong các bộ nguồn. Điện áp đầu vào và đầu ra được cách ly với nhau,đảm bảo an toàn cho người và thiết bị bên đầu vào

Căn cứ vào nhu cầu ứng dụng thực tế, giá thành, hiệu suất ta sẽ chọn ra sơ đồ phù hợp. Với yêu cầu bài toán nâng điện áp một chiều 20-30V lên 200-250V có cách ly với cơng suất lớn hơn 2500W nên topology của bộ biến đổi DC-DC là 2 bộ Push- Pull mắc song song đầu vào và đầu ra máy biến áp mắc nối tiếp, đồng thời trên mỗi nhánh van mắc 2 van song song tạo thành một cặp van có tác dụng giảm độ lớn dòng điện chảy qua mỗi van.

Bộ Push Pull có những ưu điểm như sau:

 Cấu trúc đơn giản: Cấu trúc push pull là một cấu trúc rất đơn giản, cấu trúc này chỉ yêu cầu diode chỉnh lưu, tụ điện, van đóng cắt và máy biến áp. Ngồi ra khơng cần thiết kế để ổn định vòng lặp

 Hiệu suất cao: bộ biến đổi push pull sử dụng máy biến áp để truyền tải từ thứ cấp sang sơ cấp. Một hoặc một trong số các van được bật trong toàn bộ thời gian của chu kỳ chuyển đổi, ngoại trừ thời gian deatime. Kết quả là dòng điện cực đại qua các van nguồn và cuộn dây máy biến áp chỉ cao hơn một chút so với dòng điện tải so với các loại topologies khác. Dòng điện cực đại thấp hơn dẫn đến tổn thất dẫn điện thấp hơn (tỷ lệ với bình phương dịng điện), dẫn đến hiệu suất cao hơn.

 Khả năng chống nhiễu tốt  Lượng khí thải thấp

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

1.2 Sơ đồ cấu tạo bộ biến đổi 2 bộ push-pull song song

- Vi: Là dải điện áp phía đầu vào

- Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8 là van công suất được điều khiển để đóng mở tạo ra điện áp xung đặt lên cuộn sơ cấp biến áp.

- Hai Biến áp xung mắc song song đầu vào và nối tiếp dầu ra: để nâng áp với tỷ lệ

cuộn sơ cấp trên thứ cấp là N1: N2 và để cách ly điện áp giữa đầu vào và điện áp

đầu ra của hệ thống.

- Cầu chỉnh lưu gồm 4 Diot cao tần D1, D2, D3, D4 để chỉnh lưu điện áp phía thứ cấp biến áp xung

- L: Cuộn cảm lọc phía đầu ra

- C0: Tụ lọc đầu ra bộ biến đổi, điện áp sau bộ lọc sẽ là điện áp một chiều Vo.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

1.2.1 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi push-pull

Chuyển đổi theo kiểu push – pull hay là chuyển đổi theo kiểu đẩy kéo  Xét trên một bộ Push-Pull

 Khi cặp vam mosfet Q1, Q2 ON (Mosfet Q3, Q4 OFF) thì cuộn dây Np ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính. Dịng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải

 Khi chuyển đổi ở Mosfet Q3, Q4 là ON (Mosfet Q1, Q2 OFF) thì cuộn dây Np ở phía dưới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính

 Chu kỳ cứ lặp đi lặp lại 2 trạng thái ngắt mở của mosfet Q1, Q2 và Q3, Q4 tạo điện áp đầu ra liên tục ở đầu ra máy biến áp. Với việc đóng cắt liên tục hai cặp van này thì ln ln xuất hiện dịng điện liên tục trên tải. Mỗi cặp van lần lượt dẫn trong mỗi nửa chi kỳ và không bao giờ cùng dẫn.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

 Cặp van Q1, Q2 và Q3, Q4 OFF: Dòng qua các cuộn sơ cấp bằng 0:

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Chương 2: Tính tốn tham số mạch lực

Bộ biến đổi push

Thông số mạch lực bộ biến đổi push pull

Đập mạch điện áp đầu ra được chọn: ∆ uC = 1%(Uout) Đập mạch dòng điện trên cuộn cảm: ∆ iL = 30%(Iout) Dòng tải đầu ra; Io =UoP =2500250 = 10 (A)

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Để đạt được điện áp xoay chiều ở sơ cấp biến áp xung có tần số 100KHz, điều này yêu cầu tần số đóng ngắt của van cơng suất phía sơ cấp cần có tốc độ tương đương. Dịng điện lớn nhất được chọn là

IKi.I 250(A)

Để giảm dòng qua van, mắc 2 bộ Push-Pull song song và mỗi nhánh van mắc 2 van song song nên dịng trung bình qua mỗi van giảm được 4 lần

Dịng trung bình qua mỗi van là I =1v 4 =62,5(A)

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Thông số mosfet

Ta chọn Mosfet IRFB3710PBF để tính tổn hao

Tính toán nhiệt độ mosfet:

RJC(Thermal resistance. Junction – case) = 0.75 °C/W Nhiệt độ trên thân mosfet cực đại:

 Tmosfet(max)=Ploss×RJC=13.52×0.75=8.8°C Giả sử nhiệt độ mơi trường cao nhất: Tmt= 60°C

Nhiệt độ lõi mosfet max : T=Tmosfet + Tmt = 8.8+ 60 = 68.8°C < 85°C

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

 Switching noise (ringing)  gây ra nhiễu EMI

 High voltage spike  gây ra quá điện áp đánh thủng van và tụ lọc

Để giải quyết vấn đề đó, thường ta phải sử dụng mạch snubber – mạch hỗ trợ đóng cắt.

+ Thiết kế:

- Tụ ký sinh trên MOSFET Crss = 72 pF - Tần số đóng cắt van là f = 100kHz

- Thời gian mở từng van ton = 0,4.Ts = 0,4/f

- Từ các thông số trên, tính tốn được các giá trị của RC + Lựa chọn giá trị tụ, điện trở cho mạch snubber:

CDS=Coss−Crss, giá trị các tụ điện Coss, Crss tra trong datasheet của van bán dẫn. • Rs≤ton

10 Cs với ton=minimum duty cycle=0.4 Ts, với Ts là chu kì đóng cắt. • Tra datasheet của MOSFET sử dụng có

CDS=Coss−Crss=410 pF−72 pF¿338 pF (2.4)

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Theo yêu cầu đặt ra, công suất của biến áp xung phải đạt được 2500W trở lên. Đây là một yêu cầu rất khó đối với các lõi biến áp xung, đặc biệt là trên thị trường Việt Nam. Vì vậy, em chọn phương án mắc 2 biến áp xung (2 cuộn dây sơ cấp và 2 cuộn dây thứ cấp) song song cuộn sơ cấp, nối tiếp cuộn thứ cấp. Như vậy, mỗi biến áp xung cần thiết kế với những yêu cầu sau:

- Công suất đầu ra bằng 2500/4 = 625 (W) tương ứng với 1250W một MBA - Tần số 100KHz,

- Điện áp sơ cấp là 20V, - Điện áp thứ cấp là 250V.

Các bước thiết kế biến áp xung với những yêu cầu ở trên:

2.2.1 Chọn lõi biến áp xung

Qua tìm hiểu các lõi biến áp xung trên thị trường Viêt Nam, em nhận thấy lõi ferrit E65 thõa mãn cơng suất đặt ra. Lõi E65 có thể thiết kế được với công suất

- Wa,Ac là thiết diện lõi (cm4)

- Dcma là mật độ dòng điện (mils/amp)

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

- Bmax là mật độ từ thơng (gauss) - Kt là hằng số bộ push-pull

- Dịng bão hịa trên MBA:Isat=Hsat.d=124A

- Tính tốn điện cảm sơ cấp: Lpri = (Vin-min * Dmax)/(Ipk * f) = (20 * 0.45) / (125*100000) =72 (uH)

- Tính tốn điện cảm thứ cấp: Lpri = (Vin-min * Dmax)/(Ipk * f) = (250 * 0.45) / (10*100000) = 112 (uH)

- Hệ số điện cảm AL=7200nH nH/T2

Sử dụng 2MBA lõi E65 mắc song song đầu thứ cấp và mắc nối tiếp đầu thứ cấp với điện áp đầu vào ra 20/250V ta có cơng suất mỗi máy biến áp là:

2.2.2 Tính tốn số vịng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Để tính tốn số vịng dây cuộn sơ cấp, ta áp dụng định luật Faraday. Định luật Faraday phát biểu như sau:

- E là suất điện động sinh ra trong lõi, tính bằng Volt. - N là số vịng của cuộn dây.

- Ae=5,35 là điện tích của lõi, tính bằng cm2

- dB/dt là độ biến thiên của từ thơng trong một đơn vị thời gian, tính bằng Gauss/giây.

Từ đây ta có cơng thức tính số vịng dây của cuộn sơ cấp như sau:

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

E = Vin và do có thời gian deadtime, các van chỉ mở tối đa khoảng 40% nên dt = 04.T/2, với T là chu kỳ băm xung. Mặt khác, với dB có thể lấy bằng 1800G. Từ đó ta tính được số vịng của cuộn sơ cấp Np=2 vịng.

Điện áp trung bình sau cầu diode được tính theo công thức sau:

- ton là thời gian mở của từng van.

Từ đó ta có cơng thức tính số vịng cuộn thứ cấp như sau:

Lựa chọn dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp với Ipmax là dòng điện cực đại chạy qua cuộn sơ cấp.

=> Ipmax =Po/ Vin. Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn sơ cấp là:

max. 0,8 0,89.1250 / 20 55.6( )

Để tránh sử dụng dây kích thước lớn, dẫn đến hiệu ứng mặt ngồi có thể ghép nhiều dây kích thước nhỏ lại với nhau. Do việc sử dụng 4 đồng lá, kích thước

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

30mmx0,3mm làm dây sơ cấp vì khi dùng lá đồng sẽ khép kín phần lõi trụ, khi đó tồn bộ dịng điện sinh ra từ thông đi qua tiết diện sẽ đi hết phần sơ cấp, nên sẽ không sinh ra từ thông tản dẫn vì nó sẽ đến tổn hao bên ngồi và làm giảm hiệu suất của mạch.

Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn thứ cấp là:

Vì vậy, dây 60x0.1mm 1 dây lizt bao gồm 60 sợi dây 0.1mm được sử dụng làm dây cuốn phía thứ cấp

2.3 Tính chọn diode chỉnh lưu

Điện áp ra sau biến áp xung là điện áp xoay chiều có biên độ 200-250V và tần số bằng 100KHz

Do thiết kế công suất khoảng 2500W nên dòng điện đầu ra lớn nhất Imax = P/U = 2500/200 = 12.5(A).

Dựa vào ba thông số trên đưa ra 3 diode chỉnh lưu với các thông số như sau:

IRFB3710PBF NTP6412ANG IPP126N10N3GXKSA1

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Ta chọn diode E5TH1506 để tính tổn hao

- Vo là điện áp đầu ra, tính theo Volt.

- T = 1/ f là chu kỳ dịng điện chạy qua cuộn cảm, tính bằng giây

- Idc là dòng điện nhỏ nhất chạy qua cuộn cảm, tính bằng Ampe. Thơng thường Idc bằng 1/10 dịng điện trung bình Ion .Với Vo = 250V, T = 1/100000, Idc = 1.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Công suất hao tổn 1 mosfet : PHS(1 mosfet )=13.54 W

Công suất hao tổn tất cả mosfet trên mạch là : Ploss (8 mosfet)=108.32W

2.5.2 Tổn hao quạt tản nhiệt (option)

Pfan_loss= 3.7W

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

-5Fee

ΔBP =V .P=7,865.10 .1250=0.1W

 Tổn hao trên MBA ΔBPMBA=2.(ΔBP +ΔBP )=86.6Wcufe

 Ploss=Tổn hao trên Mosfet + Tổn hao quạt tản nhiệt + Tổn hao trên Diode + Tổn hao Máy biến áp = 213.7W

 Hiệu suất bộ biến đổi

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">