bộ biến đổi xung áp một chiều

Ch−¬ng 3
Bé chuyÓn ®æi DC-DC
(BiÕn ¸p 1 chiÒu)
(B¨m xung 1 chiÒu)


Chơng 3. Chuyển đổi DC-DC
Khái quát về điều áp một chiều
Chuyển đổi DC-DC một chiều nối tiếp
Chuyển đổi DC-DC một chiều song
song
Chuyển đổi DC-DC đảo chiều
Tích luỹ năng lợng khi chuyển đổi DCDC
Chuyển đổi DC-DC tăng áp


3.1 Khái quát về điều áp một chiều
Điều áp một chiều đợc định nghĩa l bộ điều
khiển dòng điện v điện áp một chiều khi nguồn
cấp l điện môt chiều
I. Các phơng pháp điều áp một chiều
Có một số cách điều khiển một chiều nh sau:
Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một
điện trở
Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải
một transistor
Điều khiển bằng băm áp (xung áp)


Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải
Rf

I
một điện trở
d
Sơ đồ
Dòng điện v điện áp
điều chỉnh đợc tính
U1
Id =
;
Rf + Rd
U1
Ud =
Rd
Rf + Rd

U1

Ud

Rd

Nhợc điểm của phơng pháp:
Hiệu suất thấp (Pf = IC. UT)
Không điều chỉnh liên tục khi
dòng tải lớn


§iÒu khiÓn liªn tôc b»ng c¸ch m¾c nèi
tiÕp víi t¶i mét transistor
ΔU

I =I
T

• S¬ ®å vμ nguyªn lÝ ®iÒu khiÓn
• IC = β.IB

U1

d

Rd

M§K

a
T

M§K

URd=Ic.Rd=β.IB.Rd
• Nh−îc ®iÓm cña ph−¬ng
ph¸p: tæn hao trªn transistor
lín, ph¸t nhÞªt nhiÒu
transistor dÔ háng.

C

IB

• ΔUT = U1 - IC.Rd

• §iÖn ¸p qua Rd:

T

Zd

c
T

M§K

b

Zd


Điều khiển bằng băm áp (băm xung)
Băm áp một chiều l bộ biến đổi điện áp
một chiều thnh xung điện áp. Điều chỉnh
độ rộng xung điện áp, điều chỉnh đợc trị
số trung bình điện áp tải.
Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện
theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt
mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch
song song (phần tử đóng cắt đợc mắc
song song với tải).


II. nguồn cấp trong băm áp một chiều
A. Định nghĩa về nguồn dòng v nguồn áp

Nguồn áp: l nguồn m dạng sóng v giá trị điện áp
của nó không phụ thuộc dòng điện (kể cả giá trị
cũng nh tốc độ biến thiên)
Đặc trng cơ bản của nguồn áp l điện áp không đổi
v điện trở trong nhỏ để sụt áp bên trong nguồn nhỏ
Nguồn dòng: l nguồn m dạng sóng v giá trị dòng
điện của nó không phụ thuộc điện áp áp của nó (kể
cả giá trị cũng nh tốc độ biến thiên)
Đặc trng cơ bản của nguồn dòng l dòng điện
không đổi v điện trở lớn để sụt dòng bên trong
nguồn nhỏ


B. TÝnh thuËn nghÞch cña nguån
• Nguån cã tÝnh thuËn nghÞch:
• §iÖn ¸p cã thÓ kh«ng ®¶o chiÒu (acquy),
hay ®¶o chiÒu (m¸y ph¸t mét chiÒu)
• Dßng ®iÖn th−êng cã thÓ ®æi chiÒu
• C«ng suÊt p = u.i cã thÓ ®æi chiÒu khi mét
trong hai ®¹i l−îng u, i ®¶o chiÒu.


C. C¶i thiÖn ®Æc tÝnh cu¶ nguån
• Nguån ¸p th−êng cã R0, L0 , khi cã dßng ®iÖn cã R0i,
L(di/dt) lμm cho ®iÖn ¸p trªn cùc nguån thay ®æi. §Ó
c¶i thiÖn ®Æc tÝnh cña nguån ¸p ng−êi ta m¾c song
song víi nguån mét tô
• T−¬ng tù, nguån dßng cã Z0 = ∞. Khi cã biÕn thiªn
du/dt lμm cho dßng ®iÖn thay ®æi. §Ó c¶i thiÖn ®Æc
tÝnh nguån dßng ng−êi ta m¾c nèi tiÕp víi nguån mét

®iÖn c¶m.
• ChuyÓn ®æi nguån ¸p thμnh nguån dßng vμ ng−îc
l¹i:


D. Quy t¾c nèi c¸c nguån
§èi víi nguån ¸p:
• Kh«ng nèi song song c¸c nguån cã ®iÖn ¸p kh¸c
nhau
• Kh«ng ng¾n m¹ch nguån ¸p
• Cho phÐp hë m¹ch nguån ¸p
§èi víi nguån dßng:
• Kh«ng m¾c nèi tiÕp c¸c nguån dßng cã dßng
®iÖn kh¸c nhau
• Kh«ng hë m¹ch nguån dßng
• Cho phÐp ng¾n m¹ch nguån dßng


3.2. B¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp
• 3.2.1. Nguyªn lÝ b¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp
+

K
U

U1

Ud

Ud

U1
Zd
t

_
a.

0

t1

t2

TCK
b.
H×nh 3.1 B¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp; a. s¬ ®å nguyªn lÝ; b.
®−êng cong ®iÖn ¸p.


Sơ đồ nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp giới
thiệu trên hình 3.1a. Theo đó phần tử chuyển
mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải.
Điện áp một chiều đợc điều khiển bắng cách
điều khiển thời gian đóng khoá K trong chu kì
đóng cắt. Trong khoang 0 ữ t1 (hình 3.1b) khoá K
đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (Ud = U1),
trong khoảng t1 ữ t2 khoá K mở điện áp tải bằng
0.

TrÞ sè trung b×nh ®iÖn ¸p mét chiÒu ®−îc tÝnh
1 t
Ud =
∫ U 1 .dt
TCK 0
1

t1
=
U1
Tck
• nÕu coiγ =

t1
Tck

th×:

U

Ud

U1
UTB
t
0

t1

t2

TCK

• Ud = γ. U1
• f=1/TCK

b.


3.2.2. Hoạt động của sơ đồ với tải điện
cảm
W =Li /2

Sơ đồ điển hình có dạng
Dòng điện đợc xác định
bởi phơng trình vi phân






Trong đó:
i: dòng điện tải;
di
U1 = Rd .i + L d
Rd - điện trở tải;
dt
Ld - điện cảm tải

Ibđ - dòng điện ban đầu của chu kì
đang xét (mở hay đóng khoá K);
IXL: dòng điện xác lập của chu kì
đang xét
Khi khoá K đóng ; Khi khoá K mở IXL
=0
- hằng số thời gian điện từ của mạch

đt

K

2

Ld
Ud

D0
Rd

U,i

Ud

id

t


i = I bd.e

Td =

Ld
Rd

t
Td

t


+ I XL 1 e Td









Độ nhấp nhô dòng điện đợc tính:
(1 ). .U 1 .T CK
(1 ). .U 1
I =
=
2L d
2 L d .f x
Từ biểu thức thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ
thuộc vo bốn thông số: điện áp nguồn cấp (U1); độ rộng

xung điện áp (); điện cảm tải (Ld) v chu kì chuyển
mạch khoá K (TCK). Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ
rộng xung điện áp phụ thuộc yêu cầu điều khiển điện áp
tải, điện cảm tải Ld l thông số của tải. Do đó để cải thiện
chất lợng dòng điện tải (giảm nhỏ I) có thể tác động
vo TCK. Nh vậy, nếu chu kì chuyển mạch cng bé (hay
tần số chuyển mạch cng lớn) thì biên độ đập mạch
dòng điện cng nhỏ, chất lợng dòng điện một chiều
cng cao. Do đó bộ điều khiển ny thờng đợc thiết kế
với tần số cao hng chục kHz.


• Cã thÓ minh ho¹ b»ng gi¶n ®å dßng ®iÖn ®iÖn
¸p cho hai tÇn sè kh¸c nhau
U,i

Ud

id

U,i

t

t
a)

b)

3.2.3. C¸c s¬ ®å ®éng lùc cña b¨m ¸p nèi
tiÕp
• C¸c s¬ ®å ®iÓn h×nh:
• Dïng Thrysistor
h×nh a
• Dïng transistor.
l−ìng cùc h×nh b
• Dïng transistor.
tr−êng hinhg f c
• Dïng IGBT h×nh d

T1

T

M§K

Zd

Ud

b

a

T

M§K

c

T

Zd

M§K

d

Zd


3.3. Băm áp đảo chiều
Sơ đồ nh hình vẽ
Theo chiều chạy thuận, điều
khiển T1, T3, dòng điện tải iT có
chiều trên xuống nh hình vẽ,
UAB>0.
Theo chiều chạy ngợc, điều
khiển T2, T4, dòng điện tải iN có
chiều dới lên nh hình vẽ,
UAB<0.

UN

A

T1

ZT

T4
iN

iT
T2

T3
B


U,i

T1
t

U,i

T3
Chiều thuận
t

U,i

T2
t

U,i

T4

Chiều ngược
t


3.4. B¨m ¸p song song
Nguyªn lÝ b¨m ¸p song song
Tæn hao c«ng suÊt khi b¨m ¸p song
song
B¨m ¸p cã hoμn tr¶ n¨ng l−îng vÒ
nguån


3.4.1. Nguyên lí băm áp song song
Sơ đồ:
Dòng điện v điện áp
đợc tính tơng ứng khi
khoá K đóng
U1
iS =

Rhc

Rhc
U1
+

U1
U1
iT =
;Ud =

Rd
Rhc + Rd
Rhc + Rd

K

-

;Ud = 0

v khoá K hở

iS

iT
Ud
Rd

Ud
t
t1

iN

TCK
t

iS
t
0

0ữt1 - khoá K
t1ữTCK - khoá Khở


3.4.2. Tổn hao công suất khi băm áp song
song
Trờng hợp tổng quát
Rhci 2St 1 + Rhci 2T t 2
P =
t1 + t 2

U 12
U 12
t1 +
t2
R
Rhc + Rd
P = hc
t1 + t 2

Khi điều chỉnh, chu kì xung điện áp không đổi.
Khi đó, cứ tăng t1 thì giảm t2 v ngợc lại. Khi
cần giảm điện áp tải, cần tăng t1 v giảm t2,
công suất tổn hao trong biểu thức trên tăng
Do đó, băm áp song song không thích hợp khi
tải nhận năng lợng từ lới.


3.4.3. Băm áp có hon trả năng lợng về

nguồn

Trờng hợp ny chỉ xét khi tải có sức điện động
(ví dụ cấp điện một chiều về nguồn tải thuần trở)
iN

+

D

id
Ud

0

U
1

iS
K

R
d

U

Ed

d

t

0

t1

iN

TCK
t

a.

Dòng điện chạy ngợc
về nguồn chỉ tồn tại khi
Ed>U1

iS
t
0

0ữt1 - khoá K
t1ữTCK - khoá Khở

b.


Xét trờng hợp khi tải điện cảm v có sức điện
động (ví dụ động cơ lm việc ở chế độ hạ tải)

iN

+
U1

D0
iS
K

Ud

id

Ld
Ed

a.

0

Rd
Ud

iN

t
t1

TCK
t

iS

t
0

b.
0ữt1 - khoá K
t1ữTCK - khoá Khở


Băm áp nối tiếp, song song kết hợp
Trong trờng hợp tải lm
việc cả chế độ nhận năng
lợng v trả năng lợng, sơ
đồ phối hợp nối tiếp v song
đợc sử dụng.
Khi nhận năng lợng từ lới,
điều khiển KN.
Khi trả năng lợng về lới,
điều khiển KS.

D1
iN
+

id
KN

U1

KS
-

Rd

iS
D2

Ud
Ld
Ed