Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Biến đổi DC (P2)

GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC
o GIỚI THIỆU

Ở trên ta xét đến trường hợp dòng liên

o CÁC BỘ BIẾN ðỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

tục: là dòng trong cuộn cảm lúc nào cũng

1. Mạch biến ñổi giảm áp

có trị dương trong toàn chu kỳ.

(Buck Converter)

Dòng liên tục không phải là điều kiện cần

2. Mạch biến ñổi tăng áp

để bộ chuyển đổi hoạt động. Một cách phân

(Boost Converter)
11:55 AM

giải khác cần thiết là trường hợp dòng
không
liên tục.
11:55 AM

1

GIỚI THIỆU

2

GIỚI THIỆU

• Sơ ñồ dạng sóng
Trong trường hợp năng lượng điện tích
trữ trong cuộn dây cung cấp không đủ cho
tải trong giai đoạn Toff thì sẽ có một khoảng
thời gian dòng điện đi qua cuộn dây bằng 0.
Điểm khác biệt so với trường hợp trên là
Dạng sóng dòng điện và điện áp của
mạch Boost converter hoạt động ở chế độ
không liên tục.
11:55 AM

cuộn dây xả hết trong giai đoạn cuối của
chu kỳ.
3

11:55 AM

4

1

GIỚI THIỆU

GIỚI THIỆU
• Từ hai phương trình trên ta tính được:

Mặc dù nhỏ nhưng nó cũng tạo nên sự

Io = I D =

bắt đầu chu kỳ là bằng 0, dòng ILmax (với
I L max =

• Rút gọn ta được:

Trong trạng thái OFF, dòng IL giảm về 0
I L max +

(V

i

o

=

Vi DT Vi D
Vi 2 D 2T
=
2 L Vo − Vi 2 L(Vo − Vi )

Vo
V D 2T
= 1+ i
Vi
2 LI o

• Từ biểu thức trên ta thấy điện áp Vout của chế độ
không liên tục không những phụ thuộc vào chu kỳ
mà còn phụ thuộc vào giá trị của cuộn dây, điện áp
Vin và Io.

− Vo )δT
=0
L

11:55 AM

I L max
2

• Thay ILMax và δ ở trên vào ta được: I

Vi DT
L

sau khoảng thời gian δ.T :

Vi D
Vo − Vi

• Dòng Io đi qua tải bằng với dòng đi diode D:

khác biệt. Dòng điện đi qua cuộn dây lúc

t=D.T) là:

δ=

5

GIỚI THIỆU

11:55 AM

6

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC
1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Sơ ñồ nguyên lý L

• Giới hạn của Boost converter hoạt động ở
chế độ liên tục và không liên tục:

S
+
D

+

C

Vidc

Vo

R

Diode Schottky
-

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.
• Các giả thiết khi phân giải:
11:55 AM

7

11:55 AM

8

2


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Chế ñộ ON

1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Chế ñộ OFF
Khi bật hở, diode trở nên phân cực thuận nên
dẫn, và do đó cho dòng điện cuộn cảm chạy
qua hình. Điện thế qua cuộn cảm khi bật hở:

Khi S đóng, do diode phân cực nghịch nên
ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm.
Điện thế cuộn cảm bằng:
Vi = VL + V0 ⇒ V L = Vi − V0 = L

L
S

di L
dt

∆i L
∆i
= L
∆t TOFF

+

+

C

C
D1

Vidc

R

-

di L ∆i L ∆i L Vi − V0
=
=
=
∆t
dt
DT
L
V
 i − V0 
⇒ (∆i L )(swon ) = 
 DT
 L 

D1

Vidc

Thời gian OFF chỉ có
giá tri trong khoảng δ:

R

-

 V 
⇒ ∆i L ( swoff ) =  − 0 δT
 L

(1)
9

11:55 AM

di L
di
− V0
⇒ L =
dt
dt
L
− V0
=
L

VL = −V0 = L

L
S

(2)
10

11:55 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

TON

S

δT

TON

S

δT

t
vL

DT

t
vL

T

vi
vi-vo

ILmax

t
-Vo

iL

IL

ILmax

iL

IL

t

ii

t

ii
t

11:55 AM

T

vi
vi-vo
t

-Vo

DT

t
11

11:55 AM

12

3


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

TON

S

δT

TON

S

δT
t

t
vL

DT

vL

T

vi
vi-vo

DT

T

vi
vi-vo

t

-Vo

ILmax

t
-Vo

iL

ILmax

IL

iL

IL

t

ii

t

ii
t

t
13

11:55 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC
1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Dạng sóng
Hệ thức giữa dòng
cuộn cảm và dòng
nguồn
được
tính
trước hết là cho điện
thế trung bình của
cuộn cảm bằng không
cho chu kỳ hoạt
động. Điện thế cuộn
cảm theo hình:
TON

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC
1. Mạch biến ñổi giảm áp
Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện
cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán bằng với
trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng
cộng trong dòng cuộn cảm trên 1 chu kỳ là
bằng không:

δT

S

vL

DT

t
T

vi

vi-vo

t

-Vo

ILmax

iL

(∆i L )swon + (∆i L )swoff

=0

V 
 V − V0 
(1) + ( 2) ⇒  i
 DT −  0 δT = 0
L
 L 

IL

t

(Vi − V0 )DT − V0δT = 0 ⇒ (Vi − V0 )DT

ii

11:55 AM

14

11:55 AM

= V0δT

V0  D 
=

Vi  D + δ 

t

15

11:55 AM

16

4


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

1. Mạch biến ñổi giảm áp

1. Mạch biến ñổi giảm áp

• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:

• Thay Imax vào (3):

1 1
1
 1
I L =  I max DT + I max δT  = I max (D + δ )
T 2
2
 2

V
IL = IR = 0
R

V
1
I max (D + δ ) = 0

2
R

(3)
Kết hợp lại:
• Vì dòng bắt đầu bằng không, dòng cực đại bằng
với sự thay đổi dòng trong suốt thời gian bật S đóng.
Khi bật đóng, điện thế cuộn cảm là:

v L = Vi − V0 kết quả là:

• Dòng Imax:

di L Vi − V0 ∆i L ∆i L I max
=
=
=
=
dt
L
∆t
DT DT



2D
 D 
được: V0 = Vi  D + δ  = Vi 
8L
 D + D2 +

RT


V δT
 V − V0 
I max = ∆i L =  i
 DT = 0
L
 L 

Giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục xảy
ra khi δ = (1 – D). Nhớ lại rằng điều kiện xảy ra tại

=0
17

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

18

11:55 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Sơ ñồ nguyên lý

2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Chế ñộ ON

D1

L

Diode Schottky

Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên
ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện
thế VL cho bởi:

+

+
S

C

Vo

R

VL = Vi = L

VL=Vi

-

D1

+

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.
• Các giả thiết khi phân giải:

di L
di
V
⇒ L = i
dt
dt
L

∆i L ∆i L Vi
=
=
∆t
DT L

C
Vidc

S
R

-

(∆iL )swon = Vi DT
L

11:55 AM








giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục là Imin

11:55 AM

Vidc

Giải phương trình ta

V
1
1  V δT 
I max (D + δ ) =  0 (D + δ ) = 0
2
2 L 
R

19

11:55 AM

( 4)
20

5


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Chế ñộ OFF
Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho
dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của
cuộn cảm VL:
di
di
V − V0
VL = Vi − V0 = L L ⇒ L = i
dt
dt
L

t

S

(∆iL )swoff

R
-

=

(Vi − V0 )δT
L

t

t

ii

(5)
t
21

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

22

11:55 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp
S

iL
IL

11:55 AM

TON

T

vi

∆iL ∆iL Vi − V0
=
=
∆t δT
L

C

δT

DT

vL

ILmax

D1
+

TON

S

Vi-Vo

VL=Vi-Vo

Vidc

2. Mạch biến ñổi tăng áp

2. Mạch biến ñổi tăng áp

δT

TON

S

δT

t
vL

DT

t

T

vL

vi

DT

T

vi
t

t

Vi-Vo

Vi-Vo

iL

ILmax

IL

iL

ILmax

IL

t

ii

ii
t

11:55 AM

t

t
23

11:55 AM

24

6


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp
TON

S

2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Dạng sóng
TON

δT

δT

S

t

t
vL

DT

T

Do sự thay đổi tổng
cộng dòng điện chạy
qua cuộn cảm khi S
đóng và khi S hở là
bằng không:

vi
t
Vi-Vo

iL

ILmax

IL

t

vL

T

vi
t
Vi-Vo

ILmax

∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = 0

ii

DT

iL

IL
t

ii

t

t
25

11:55 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp

2. Mạch biến ñổi tăng áp

Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng
cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không,
theo (4) và (5) ta được:
(∆iL )swon + (∆iL )swoff
(4) + (5) ⇒

• Dòng điện trung bình qua diode:
• Dòng điện Imax: I max = ∆i L =
• Thay Imax vào ID: I D =

=0

Vi DT (Vi − V0 )δT
+
=0
L
L

27

11:55 AM

1 1
 1
 I max δT  = I max δ
T 2
 2

Vi DT
L

 2 L 


 RDT 

2

  V0  D 2 RT
 −   −
=0
2L
  Vi 

V0 1 
2 D 2 RT
= 1+ 1+
Vi 2 
L

 D +δ 
V0 = Vi 

 δ 

ID =

V
V
1  Vi DT 

δ = 0 ⇒ δ =  0
2 L 
R
 Vi

 V0
 Vi

• Thay D1 và rút gọn: 

Vi DT + (Vi − V0 )δT = 0

11:55 AM

26

11:55 AM





28

7


ỨNG DỤNG

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG KHÔNG LIÊN TỤC

Là thiết bị cung cấp nguồn một chiều thay đổi

Giới hạn giữa dòng liên tục và không liên
tục khi δ =1 – D. Điều kiện khác tại giới hạn
là khi Imin = 0.
Khi bộ chuyển đổi tăng thế hoạt động
theo kiểu dòng liên tục hay không liên tục
tùy thuộc vào sự tổ hợp thông số mạch bao
gồm tỉ số định dạng D. Khi D thay đổi với
một bộ chuyển đổi tăng thế cho sẵn thay
đổi có thể đi vào hay đi ra khỏi kiểu không
liên tục.
11:55 AM

được, các tải của bộ biến đổi xung áp một chiều
cũng chính là tải của sơ đồ chỉnh lưu nhưng bộ
biến đổi lại làm việc với nguồn một chiều. Vì vậy,

phạm vi ứng dụng của hai bộ biến đổi thật sự
không trùng nhau. Các ứng dụng của bộ biến đổi
xung áp một chiều có thể chia làm hai nhóm:
Sử dụng nguồn một chiều áp không đổi
Sử dụng nguồn một chiều chỉnh lưu diode từ
29

ẢNH HƯỞNG LINH KIỆN LÊN DẠNG SÓNG

lưới
11:55 AMxoay chiều công nghiệp

30

ẢNH HƯỞNG LINH KIỆN LÊN DẠNG SÓNG
Sử dụng mạch sửa dạng sóng

Khi linh
kiện không

R1
1k

S

lý tưởng

L

G

L1
1uH

D3

R2
1k

D2

dạng sóng

R
C

D1

ra có dạng

C1
1uF

như hình

11:55 AM

31

11:55 AM

32

8


ẢNH HƯỞNG LINH KIỆN LÊN DẠNG SÓNG
Dạng sóng ra sau khi qua mạch sửa
dạng sóng

BỘ CẤP ðIỆN DC
CƠ BẢN

11:55 AM

33

11:55 AM

34

9