Tiểu luận điện tử công suất nâng cao

Tiểu luận ĐTCS nâng cao
1. BOOST CONVERTER
Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp
đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít
nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai
1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Hình 1: Nguyên lý bộ boost converter
Hình 2: Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái switch S
Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn
dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương.
Khi switch mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này
được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu
âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.
Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện
đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa
mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và
phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải.
Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để
chống lại tụ xả điện.
Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter trình bày trong hình 2:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 1
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
•
Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm
•
Trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R. Kết quả
chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ.
1.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC
Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (I
L
) không

bao giờ bằng 0. Điện áp đầu ra có thể tính như bên dưới trong trường hợp bộ chuyển đổi
lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định.
Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào V
S
đặt lên cuộn dây, tạo ra
thay đổi dòng I
L
xuyên qua cuộn dây trong một chu kỳ bởi công thức:
Kết thúc trạng quá On. Dòng I
L
tăng như sau:
D là chu kỳ năng suất. Nó trình bày trong phân số của chu kỳ T khi khóa ở chế độ On. Vì
vậy D nằm giữa 0 và 1 (S không bao giờ mở và S luôn mở).
Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải. Nếu điện áp zero rơi vào
diode, và điện tích trên tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng I
L
tiến triển như sau:
Vì vậy, sự biến đổi của I
L
trong chu kỳ Off là:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 2
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Khi chúng ta xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện trạng thái ổn định, phần lớn
năng lượng được lưu trữ trong mỗi thành phần của nó giống như lúc bắt đầu và kết thúc
chu kỳ. Ngoại trừ năng lượng lưu trong cuộn dây được cung cấp bởi:
Dòng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Nghĩa là sự thay
đổi toàn diện trong dòng về zero:
Thay đổi và bởi biểu thức:
Viết lại:
Công thức trên nói lên điện áp đầu ra luôn cao hơn điện áp đầu vào (chu kỳ năng lượng

từ 0 đến 1), và nó tăng với D, về lý thuyết xác định D lên 1. Đó là lý do tại sao bộ chuyển
đổi đôi khi coi như bộ chuyển đổi tăng cấp.
1.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 3
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Nếu biên độ sóng của dòng quá lớn, cuộn dây xả năng lượng hết trước khi kết thúc chu
kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng trong cuộn dây giảm xuống 0 trong 1 phần
của chu kỳ. Nó có thể được tính như sau:
Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng 0, giá trị lớn nhất là (t = DT):
Trong suốt chu kỳ off, I
L
giảm xuống 0 sau :
Sử dụng 2 công thức trước, δ bằng:
Dòng tải I
0
bằng dòng trung bình qua diode I
D
. dòng diode bằng dòng cuộn dây trong
trạng thái off. Tuy nhiên dòng đầu ra có thể viết:
Thay thể I
Lmax
và δ bởi công thức tương ứng:
Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 4
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này phức tạp hơn. Hơn
nữa, trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch
mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và dòng đầu
ra.
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 5

Tiểu luận ĐTCS nâng cao
2. BUCK CONVERTER
Bộ chuyển đổi Buck là bộ chuyển đổi bước xuống một chiều. Nó được thiết kế
như bộ chuyển đổi step up, và giống bộ boost converter khi năng lượng khóa mạch sử
dụng 2 khóa chuyển (1 transistor và 1 diode), 1 cuộn dây và 1 tụ.
Cách đơn giản để giảm điện áp DC nguồn là sử dụng điều chỉnh tuyến tính (như
7805), nhưng điều chỉnh tuyến tính tiêu tón năng lượng khi hoạt động bởi năng lượng
phát nhiệt. Bộ buck converter có thể tiết kiệm đáng kể (95% hoặc cao hơn đối với mạch
tích hợp), được sử dụng như bộ chuyển đổi điện áp máy tính (12V với máy bàn, 12-24V
với máy tính xách tay) xuống 0.8-1.8V bởi bộ xử lý.
Hình 1
Hình 2
2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:
Nguyên lý bộ buck converter khá đơn giản, với một cuộn dây, và 2 khóa (sử dụng 1
transistor và một diode) để điều khiển bộ biến đổi cuộn dây. Trong bộ biến đổi lý tưởng,
tất cả thành phần được tính toán hoàn chỉnh. Đặc biệt khóa và diode có giá trị điện áp
0 giảm xuống và dòng zero khi tắt và cuộn dây ngắn mạch điện trở nối tiếp. Tuy nhiên,
điện áp đầu vào và đầu ra không thay đổi suốt chu kỳ
2.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC
Một bộ chuyển đổi buck hoạt động trong chế độ liên tục có dòng điện chạy qua cuộn
dây I
L
không bao giờ giảm về không trong suốt chu kì chuyển mạch. Trong chế độ này,
nguyên lý hoạt động mô tả trong hình 4:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 6
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Hình 3
Hình 4
•
Khi khóa ở trên đóng (chế độ On, phía trên hình 2), điện áp trên cuộn dây là

. Dòng chạy trong cuộn dây tắng tuyến tính. Khi diode có điện áp
ngược bởi nguồn V, không có dòng qua nó
•
Khi khóa mở (chế độ off, phía dưới hình 2), diode bị phân cực ngược. Điện áp
cuộn dây là . Dòng I
L
giảm.
Năng lượng tích trữ trong cuộn dây L là
Tuy nhiên, coi như năng lượng tích lũy trong L tăng suốt thời gian On ( I
L
tăng) và giảm
khi trạng thái Off. L được sử dụng để chuyển năng lượng từ đầu vào đến đầu ra.
Tỉ lệ thay đổi I
L
có thể tính toán từ:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 7
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Với V
L
bằng trong suốt trạng thái On và bằng trong trạng thái Off. Vì vậy,
dòng điện tăng trong suốt quá trình này được tính bởi:
Tương tự, việc giảm dòng điện trong suốt trạng thái Off được tính là:
Nếu chúng ta xem hoạt động bộ chuyển đổi trong chế độ ổn định năng lượng tích trữ
trong mỗi thành phần kết thúc chu kỳ T bằng lúc bằng đầu chu kỳ. Có nghĩa là dòng I
L

bằng nhau lúc t = 0 và lúc t = T.
Vì vậy chúng ta có thể viết lại biểu thức trên:
Trong hình 4, và . D là giá trị vô hướng của chu kỳ chuyển mạch
giữa 0 và 1.

Từ công thức này, ta thấy đầu ra điện áp của bộ chuyển đổi biến thiên liên tục theo điện
áp đầu vào. Chu kỳ D gọi là tần số giữa t
on
và chu kỳ T, nó không thể lớn hơn 1. Vì vậy
. Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi được gọi là step-down converter.
Xét ví dụ, chuyển từng bước 12V xuống 3V (điện áp đầu ra bằng một phần bốn điện áp
đầu vào) yêu cầu chu kỳ 25% trong mạch lý tưởng.
2.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng yêu cầu bởi tải quá nhỏ. Trong trường hợp
này dòng chạy qua cuộn dây giảm xuống không.
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 8
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Hình 5: Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ biến đổi
buck lý tưởng trong chế độ không liên tục
Chúng ta xét sự hoạt động bộ biến đổi trong chế độ ổn định. Vì vậy, năng lượng trong
cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ. (trong trường hợp không liên tục, nó bằng
không). Điều này có nghĩa giá trị trung bình của điện áp cuộn dây (V
L
) bằng không.
Giá trị của δ
Dòng điện đầu ra nhận từ tải (I
0
) không đổi, chúng ta coi như tụ điện đầu ra rất lớn để ổn
định điện áp đặt lên chu kỳ chuyển mạch. Dẫn đến dòng qua tụ điện bằng giá trị không.
Vì vậy ta có:
Khi là giá trị trung bình của dòng cuộn dây. Như hình 5, giá trị trung bình của I
L
có
thể viết:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 9

Tiểu luận ĐTCS nâng cao
The inductor current is zero at the beginning and rises during t
on
up to I
Lmax
. That means
that I
Lmax
is equal to:
Dòng điện chạy qua cuộn dây bằng không lúc bắt đầu và tăng từ thời điểm t
on
đến giá trị
I
Lmax
. Và I
Lmax
được tính:
Thay thế giá trị I
Lmax
trong công thức trước:
Và thay thế δ bởi biểu thức trên:
Biểu thức viết lại:
Đây được xem như điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi buck trong chế độ không liên tục
phức tạp hơn trong chế độ liên tục. Hơn nữa, điện áp đầu ra bây giờ là hàm không chỉ
của điện áp đầu vào V
i
và chu kỳ chuyển mạch D, mà còn có giá trị điện cảm L, chu kỳ
chuyển mạch T và dòng điện đầu ra I
0
.

Dương Tấn Quốc – TĐH K24 10
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
3. BUCK–BOOST CONVERTER
Bộ chuyển đổi buck-boost là một loại của bộ chuyển đổi DC-DC có biên độ điện áp đầu
ra không chỉ lớn hơn mà còn nhỏ hơn đầu vào.
3.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Hình 1: Nguyên lý bộ chuyển đổi buck-boost
Hình 2: Hai trạng thái hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost
Khi khóa D đóng, điện áp đầu vào nguồn cung cấp cho cuộn dây, và dòng cung
cấp cho tụ đến điện trở. Khi khó mở, dòng cung cấp cuộn dây đến tải qua diode D
3.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 11
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Hình 3: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong
chế độ liên tục
Nếu dòng điện chạy qua cuộn L không bao giờ xuống không trong chu kỳ chuyển mạch,
thì bộ chuyển đổi này được gọi đang hoạt động ở chế độ liên tục.
Từ đến , bộ chuyển đổi hoạt động trong trạng thái On, khóa S đóng. Tần số
thay đổi dòng cuộn dây I
L
được tính:
D là chu kỳ chuyển mạch. D nằm giữa giá trị 0 và 1 (S không mở và luôn mở)
Trong suốt trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải. Nếu coi điện áp không
đặt lên diode và điện dung đủ lớn để điện áp không đổi thì I
L
được tính:
Xem xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện ổn định, phần lớn năng lượng tích trữ
trong thành phần mạch giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Năng lượng
trong cuộn dây:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 12

Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Hiển nhiên giá trị I
L
lúc kết thúc trạng thái Off bằng giá trị I
L
lúc bắt đầu trạng thái On.
Nghĩa là tổng sự biến thiên của I
L
trong trạng thái on và off bằng không.
Thay thế và bởi biểu thức:
Viết lại:
Từ biểu thức trên có thể xem chiều điện áp đầu ra luôn âm. Theo từng phần của chiều, bộ
chuyển đổi có cả bược tăng và bước giảm. Đó là lý do tại sao gọi là bộ chuyển đổi buck-
boost.
3.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Hình 4: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong
chế độ không liên tục
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 13
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng tải yêu cầu nhỏ hơn lúc chuyển đổi trong
suốt chu kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng chạy qua cuộn dây giảm về không
trong suốt chu kỳ.
Dòng chạy qua cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng không và giá trị lớn nhất là (với
) :
Suốt chu kỳ off, I
L
giảm về không sau δ.T
Sử dụng hai công thức trước, δ bằng:
Dòng tải I
0

tính bằng giá trị trung bình I
D
. Dòng đầu ra được viết:
Thay và δ bởi công thức tương ứng:
Vì vậy điện áp đầu ra có thể được viết:
So sánh với biểu thức điện áp đầu ra trong chế độ liên tục, biểu thức này phức tạp hơn.
Hơn nữa trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc chu kỳ chuyển
mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra.
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 14
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
4. ĆUK CONVERTER
Bộ chuyển đổi Cuk là một dạng của bộ chuyển đổi DC-DC có biên độ điện áp đầu ra
hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn biên độ điện áp đầu vào.
4.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ BIẾN ĐỔI CUK KHÔNG RIÊNG BIỆT
Hình 1: Nguyên lý bộ biến đổi Cuk không riêng biệt
Hình 2: Hai trạng thái hoạt động độc lập của bộ biến đổi Cuk không riêng biệt
Hình 3: Hai trạng thái hoạt động của bộ biến đổi Cuk không riêng biệt
Diode và khóa cho phép thay thế nhau bởi ngắn mạch khi chúng mở hoặc hở mạch
khi chúng tắt. Giống như trong trạng thái Off, tụ điện C nạp điện bởi nguồn đầu vào
thông qua cuộn dây L
1
. Khi trong trạng thái On, tụ điện C chuyển năng lượng đến tụ đầu
ra thông qua điện cảm L
2
.
4.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 15
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Trong trạng thái ổn định, năng lượng tích trữ trong cuộn dây còn lại giống lúc bắt đầu và
kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Năng lượng trong cuộn dây được cho bởi:

Dòng qua cuộn dây sinh ra điện áp:
Nó được xem như giá trị trung bình của điện áp cuộn dây trong một chu kỳ chuyển mạch
và bằng không khi đến trạng thái ổn định.
Nếu chúng ta coi tụ C và C
0
đủ lớn để xung điện áp đặt lên nó không đáng kể, điện áp tụ
điện được tính:
•
trong trạng thái off, cuộn L
1
nối nối tiếp với V
i
và C. Vì vậy . L
2

nói đến điện áp đầu ra. Và
•
trong trạng thái on, cuộn L
1
nối với nguồn đầu vào. Vì vậy . Cuộn L
2

nối nối tiếp với C và tụ đầu ra, và
Bộ biến đổi hoạt động trong trạng thái on từ t = 0 đến t = D.T (D là chu kỳ chuyển mạch),
và trạng thái off từ D.T đến T. Giá trị trung bình của V
L1
và V
L2
được tính:
Cả hai điện áp trung bình này đều bằng không khi có điều kiện ổn định chúng ta viết lại:

Giá trị trung bình điện áp đặt lên L
1
:
Được viết lại:
Nó được xem như liên quan gần giống như bộ biến đổi Buck-boost
4.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 16
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Giống như tất cả bộ biến đổi DC-DC Cuk dựa vào khả năng điện cảm trong mạch để
cung cấp dòng liên tục, nó giống như cách hoạt động bộ lọc chỉnh lưu cung cấp điện áp
liên tục. Nếu cuộn dây này có giá trị quá nhỏ, dòng sẻ không liên tục.
Giá trị nhỏ nhất của điện cảm như sau:
Với là tần số chuyển mạch.
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 17