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

CHƯƠNG 3: BIẾN ĐỔI DC

GIỚI THIỆU

o GIỚI THIỆU

• Dòng liên tục là dòng trong cuộn cảm lúc

o CÁC BỘ BIẾN ðỔI DÒNG LIÊN TỤC

nào cũng có trị dương trong toàn chu kỳ.

• Để có điện áp DC lớn người ta thường

1. Mạch biến ñổi giảm áp (Buck Converter)

ghép nhiều bộ nối tiếp nhau.

2. Mạch biến ñổi tăng áp (Boost Converter)

• Mạch boost converter có thể tăng điện áp

3. Mạch biến ñổi tăng giảm áp
11:53 AM

và thay thế các viên pin.
1

11:53 AM

2

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

GIỚI THIỆU

1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Sơ ñồ nguyên lý L

• Với hai viên pin ta có thể dùng mạch

S

Boost converter tăng điện áp lên để sử

+
D

+

dụng cho các xe điện và hệ thống đèn

C

Vidc

trang trí.

Vo

R

Diode Schottky
-

• Để có điện áp DC lớn người ta thường

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.

ghép nhiều bộ nối tiếp nhau.

• Các giả thiết khi phân giải:

11:53 AM

3

11:53 AM

4

1


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG 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

L
S

di L Vi − V0
=
dt
L

+
C
D1

Vidc

R

-

VL = −V0 = L

di L
di
− V0
⇒ L =
dt
dt
L

+
C

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

 L 

D1

Vidc

R

 V 
⇒ ∆i L ( swoff ) =  − 0 (1 − D )T
 L

-

(1)
5

11:53 AM

− V0
∆i L
∆i L
=
=
∆t
(1 − D )T L
(2)

6

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

TON

TOFF

TON

S

TOFF

S
t
vL

DT

t

T

vL

Vi
Vi-Vo
t

t

-Vo

-Vo
iL

ILmax
∆iL

IL=IO

iL
∆iL

IL=IO

ILmin

ILmin
t

t

iC

iC

t

11:53 AM

T

Vi

Vi-Vo

ILmax

DT

∆iC

t

7

11:53 AM

∆iC

8

2


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

1. Dạng sóng mạch biến ñổi giảm áp

TON

TOFF

TON

S

TOFF

S
t
vL

DT

t

T

vL

Vi

DT

T

Vi

Vi-Vo

Vi-Vo
t

t

-Vo
ILmax

-Vo
iL

iL

ILmax
∆iL

IL=IO

∆iL

IL=IO

ILmin

ILmin
t

t

iC

iC

t

∆iC

t

9

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Dạng sóng
TON

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:

TOFF
t

Do sự thay đổi tổng
cộng dòng điện chạy
qua cuộn cảm khi S
đóng và khi S hở là
bằng không:
∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = 0

DT

T

Vi
Vi-Vo
t
-Vo
ILmax

iL

(∆i L )swon + (∆i L )swoff

∆iL

IL=IO

=0

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

ILmin
t
iC

t

11:53 AM

10

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

S

vL

∆iC

V0 = DVi =

∆iC

t on
Vi ⇔ V0 < Vi
T

(∆i L )( swon ) =  Vi − V0  DT =  (V0
11



11:53 AM

L





D ) − V0 
V
 DT = 0 (1 − D )T
L

L


12

3


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Sơ ñồ nguyên lý D1

1. Mạch biến ñổi giảm áp
• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:
IL = IR =

L

V0
R

Diode Schottky

• Dòng điện max và min qua cuộn cảm:
 1 t off 
 1 (1 − D )
I max = V0  +
= V0  +


2 Lf 
R
 R 2L 

+

+

 1 t off 
 1 (1 − D )
I min = V0  −
= V0  −

2 Lf 
R
 R 2L 

S

Vidc

C

Vo

R

-

• Giá trị cực tiểu cuộn cảm:
Lmin =

-

(1 − D ) R = (1 − D )T R
2f

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.

2

• Độ dợn sóng ngõ ra:

∆V0
1− D
=
V0
8LCf 2

• Các giả thiết khi phân giải:
13

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Mạch biến ñổi tăng áp

• Chế ñộ ON
Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên
ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện
thế VL cho bởi:
VL = Vi = L

VL=Vi
D1

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:
VL = Vi − V0 = L

di L
di
V
⇒ L = i
dt
dt
L

VL=Vi-Vo

∆i L ∆i L Vi
=
=
∆t

DT L

C
S

C
Vidc

(∆iL )swon

V DT
= i
L

∆i L
∆i L
V − V0
=
= i
(1 − D )T
∆t
L

+

R
-

11:53 AM

diL
di
V − V0
⇒ L = i
dt
dt
L

D1

+
Vidc

14

11:53 AM

S
R

-

(3)
15

11:53 AM

(∆iL )swoff = (Vi − V0 )(1 − D )T
L

(4)

16

4


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp

2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp

TON

TON

TOFF

S

TOFF

S
t
vL

DT

t

T

vL

Vi

DT

T

Vi
t

t

Vi-Vo

Vi-Vo

iL

ILmax

∆iL

IL
ILmin

iD

t
iD

Imax

Imin

∆iL

IL
ILmin

t

Imax

iL

ILmax

Imin

t
17

11:53 AM

t

18

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp

2. Dạng sóng mạch biến ñổi tăng áp

TON

TON

TOFF

S

TOFF

S
t
vL

DT

t

T

vL

Vi

DT

T

Vi
t

t

Vi-Vo

Vi-Vo

iL

ILmax

∆iL

IL
ILmin

Imax
Imin

11:53 AM

iL

ILmax

∆iL

IL
ILmin

t
iD

Imax
Imin

t
19

11:53 AM

t
iD

t
20

5

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Dạng sóng
TON

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
2. Mạch biến ñổi tăng áp

TOFF

Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng
cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không,
theo (3) và (4) ta được:

S

t

Do sự thay đổi tổng
cộng dòng điện chạy
qua cuộn cảm khi S
đóng và khi S hở là
bằng không:
∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = 0

vL

DT

T

Vi
t

(∆iL )swon + (∆iL )swoff

Vi-Vo

ILmax

∆iL

IL
ILmin

V0 =

t
Imax

iD

t

21

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

(Vi − V0 )(1 − D )T
L

V 

Vi − i (1 − D )T
V DT
1− D 
= i
=
L
L
22

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp
• Sơ ñồ nguyên lý

2. Mạch biến ñổi tăng áp
• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:
IL =

Vi
1− D

∆i Lswoff =

Imin

11:53 AM

=0

V DT (Vi − V0 )(1 − D )T
(3) + ( 4) ⇒ i
+
=0
L
L

iL

S

Vi

D1

(1 − D )2 R

• Dòng điện max và min qua cuộn cảm:
Vi
V DT
 ∆i 
=
+ i
I max = I L +  L 
2

2L
 2  swon (1 − D ) R

Diode Schottky

+

+

Vi
V DT
 ∆i 
=
− i
I min = I L −  L 
2
2L
 2  swoff (1 − D ) R

Vidc

L

C

Vo

R

-

• Giá trị cực tiểu cuộn cảm:
(Lf )min

• Độ dợn sóng ngõ ra:
11:53 AM

• Chức năng các linh kiện: S, L, C, D1, R.

D(1 − D ) R
D(1 − D ) R
⇒ Lmin =
2
2f
2

=

-

2

∆V0
D
=
V0
RCf

• Các giả thiết khi phân giải:
23

11:53 AM

24

6


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp
• Chế ñộ ON
Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên
ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện
thế VL cho bởi:
VL = Vi = L
S

D1

VL = V0 = L

S

+

∆i L ∆i L Vi
=

=
∆t
DT L

C
Vidc

diL
di
V
⇒ L = i
dt
dt
L

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp
• Chế ñộ OFF
Khi S hở, dòng trong cuộn cảm không thay
đổi tức thời, diode phân cực thuận nên dẫn
cho dòng qua tụ và tải tạo nên điện thế của
cuộn cảm VL:
di
di
V
D1

+

L

R
-

R

(∆iL )swon = Vi DT (5)

-

(∆iL )swoff

L

25

11:53 AM

=

0

L

=

V0 (1 − D )T
(6 )
L
26

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp

3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp

TOFF

TON

S

TOFF

S
t
vL

DT

t
vL

T

Vi

DT

T

Vi
t

t

Vo
ILmax

L

dt

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
TON

⇒

∆i L
∆i L
V
=
= 0
(1 − D )T L
∆t

C
Vidc

L

L

dt

Vo
iL

ILmax
∆iL

IL
ILmin

11:53 AM

iL
∆iL

IL
ILmin

t
27

11:53 AM

t

28

7


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp
TON

3.Dạng sóng bộ biến ñổi tăng-giảm áp

TOFF

TON

S

TOFF

S
t
vL

DT

t
vL

T

Vi

DT

T

Vi
t

t

Vo
ILmax

Vo
iL

ILmax
∆iL

IL
ILmin

29

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
TON

t

DT

(∆i L )swon + (∆i L )swoff = 0
V DT V0 (1 − D )T
⇒ i
+
=0

t

Vo

iL

L

∆iL

IL

ILmin

11:53 AM

30

11:53 AM

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp
Ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng
cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không,
theo (5) và (6) ta được:

TOFF

Vi

ILmax

t

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

S

vL

∆iL

IL
ILmin

t

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp

• Dạng sóng
Tùy theo bật S đóng
T
hay mở sẽ cung cấp
điện làm diode ngưng
hay dẫn và do đó sẽ
cấp dòng cho tải. Do
cách mắc diode nên
điện thế ra V0 có trị
âm. Ta có mạch
∆i L (ON ) + ∆i L (OFF ) = 0
tương đương ở hình

iL

t

31

L

Vi D
 D 
= −Vi 

1− D
1− D 
V0 (1 − D )T
∆iLswoff =
L

 Vi D 

(1 − D )T
V DT
1− D 
=
= i
L
L
V0 = −

11:53 AM

• Nếu D > 0,5: điện thế ra
lớn hơn điện thế vào.
• Nếu D < 0,5: điện thế ra
nhỏ hơn điện thế vào.
32

8


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC
4. Bộ chuyển ñổi C’uk
• Sơ ñồ nguyên lý

3. Mạch biến ñổi tăng-giảm áp
• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:

C1

L1

2

 Vi D 


V
Vi D
1− D 
IL =
=
=
Vi RD
Vi RD
R (1 − D) 2

L2

2
0

+
+

• Dòng điện max và min qua cuộn cảm:
I max

Vi D
V DT
 ∆i 
= IL +  L 
=
+ i
2
2L
 2  swon (1 − D ) R

I min

Vidc

Vi D
V DT
 ∆i 
= IL −  L 
=
− i
2
2L
 2  swoff (1 − D ) R

(Lf )min = (1 − D )
2

R

D1

R

C2
-

(1 − D )

2

⇒ Lmin =

Vo

S

-

• Chức năng các linh kiện: S, L1, L2, C1,

• Giá trị cực tiểu cuộn cảm:
2

Diode Schottky

R

C2, D1, R.

2f

• Độ dợn sóng ngõ ra:

V DT V0 D
∆V0 = 0
=
RC
RCf

• Các giả thiết khi phân giải:
33

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

34

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

4. Bộ chuyển ñổi C’uk
• Chế ñộ ON

4. Bộ chuyển ñổi C’uk
• Chế ñộ OFF

Ta có các mạch tương đương khi S đóng như ở hình

Ta có các mạch tương đương khi S đóng như ở hình

Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định

Điện thế trung bình của tụ C1 được tính theo định

luật Kirchhoff về điện thế

luật Kirchhoff về điện thế.

Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng không

Trị số điện thế trung bình qua cuộn cảm bằng không

ở chế độ thường trực

ở chế độ thường trực.

Vc1 = Vi − V0

(ic1 )swon = − I L 2
11:53 AM

L1

iC1=-iL2

L2

Vc1 = Vi − V0

+
C2
Vs

D1

(ic1 )swoff

S
R

35

11:53 AM

L2

+
C2
Vs

= I L1

iC1=iL1

L1

S

D1
R

36

9


CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

4. Bộ chuyển ñổi C’uk

4. Bộ chuyển ñổi C’uk
• Lưu ý rằng các linh kiện L2, C2 và R có cùng cấu
hình như bộ chuyển đổi hạ thế và dòng qua cuộn
cảm có cùng dạng với bộ chuyển đổi hạ thế. Do đó,
độ dợn sóng hoặc sự thay đổi trong điện thế ra
cũng sẽ bằng với của bộ chuyển đổi hạ thế. :

Công suất hấp thụ của tải bằng với công suất
cấp điện:
[(i ) ]DT + [(i )
c1 swon

c1 swoff

](1 − D)T = 0

− I L 2 DT + I L1 (1 − D )T = 0 ⇒

Pi = P0 ⇒ Vi I L1 = −V0 I L 2

• Nếu D > 0,5: điện thế

I L1
D
=
I L2 1 − D

I
− V0
⇒ L1 =
I L2
Vi

ra lớn hơn điện thế vào.

∆V0
1− D
=
V0
8 L2 C 2 f 2

• Nếu D < 0,5: điện thế

• Độ dợn sóng ngõ ra C1:

ra nhỏ hơn điện thế vào.

∆vc1 ≈

 D 
V0 = −Vi 

1− D 
37

11:53 AM

VD
Vi  D 2 
1 T
I

 HAY ∆v c1 ≈ 0
I L1dt = L1 (1 − D )T =
C1 ∫DT
C1
RC1 f  1 − D 
RC1 f
38

11:53 AM

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÒNG LIÊN TỤC

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

4. Bộ chuyển ñổi C’uk:

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:

• Sự tăng giảm của dòng qua cuộn cảm có thể tính
bằng cách xem điện thế cuộn cảm khi bật S đóng:
v L1 = Vi = L1

T
C
+

• Dòng điện iL2 là:

-

D

Gn

E
Dr

TAI

R

Dr

L
-

di L 2
dt

∆i L 2 =

Tn

E

• Điện thế qua L2 khi bật S đóng:
v L 2 = V0 + (Vi − V0 ) = Vi = L2

S
+

V DT Vi D
∆i L1 Vi
=
⇒ ∆i L1 = i
=
DT L1
L1
L1 f

di L1
dt

G

Vi DT Vi D
=
L2
L2 f

Trạng thái ban đầu : T và Tn đều bị khoá, tụ điện C
được nạp điện, bản cực dương ở phía bên trên như
ghi trên Hình

• Với dòng liên tục trong cuộn cảm, dòng trung
bình phải lớn hơn 1/2 sự thay đổi trong dòng. Ta có
trị số cực tiểu của các cuộn cảm: L = (1 − D ) R L = (1 − D)R
2

1, min

11:53 AM

2 Df

2 , min

2f

39

11:53 AM

40

10


ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:
T

T

C
+

Tn

E
-

Gn
Dr

D

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:

G

TAI

L

Cho xung điều khiển
kích mở T. SCR này mở
cho dòng điện chạy qua,
tức là S đóng kín mạch.

C
+

Tn

E
-

Dòng điện từ nguồn E chạy qua T, qua tải và trở
về nguồn. Đồng thời tụ điện C phóng điện theo
mạch C-T-L-D-C và được nạp ngược lại. Điện áp
trên tải và Vo = E.

D

Gn
Dr
L

TAI

Nếu bây giờ cho xung

kích mở Tn, SCR này mở,
đặt điện áp giữa hai bản
cực của tụ điện C lên T
khiến T bị khoá lại và S
hở mạch, Vo=0.

Gọi T và chu kỳ băm : T = T1 + T2
T1 =DT :là thời gian S đóng mạch.
T2 = T – T1 : là thời gian S mở mạch.
D = T1/ T : là tỉ số chu kỳ.
41

11:53 AM

G

42

11:53 AM

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

ỨNG MẠCH BIẾN ĐỔI DC

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:

4. Mạch băm xung áp dùng SCR:
Thông thường mạch tải có chứa điện cảm L. Điện

Vo

io

I I1

E

io

I2

cảm này sẽ tích tụ năng lượng điện từ

W=

1 2
Lio
2

khi

dòng io tăng. thường dùng diode hoàn năng lượng

t

0

Vo =

1

T

DT

∫ Edt = DE
0

T1

T2

Dr, đấu song song ngược với mạch tải để tạo

T

đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói

Như vậy, bằng cách làm biến đổi tỉ số chu kỳ D
(trong khi giữ cho chu kỳ băm T = const ) có thể
điều chỉnh được trị trung bình của điện áp đặt trên
tải.

trên, khi dòng io suy giảm. Lúc đầu, dòng tải io=
0. Dòng io được xác lập dần. Qua một vài chu kỳ,
dòng io sẽ biến động giữa hai giá trị biên I1 và I2 .

11:53 AM

43

11:53 AM

44

11


BIẾN ðỔI DC
DÒNG KHÔNG LIÊN
TỤC
11:53 AM

45

12