Nghiên cứu các bộ băm áp một chiều ứng dụng trong công nghiệp

..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

----------------------------------------

Luận văn thạc sĩ
Nghành Thiết bị điện-điện tử
Đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của các tham số trong bộ
nguồn đóng-cắt cung cấp cho thiết bị điện tử công
suất nhỏ.

Học viên : Phạm Khánh Hiệp
Nghành : Thiết bị điện-điện tử
Khoá
: 2005-2007
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Công

Hà nội, tháng 4 năm 2008


Mục lục
Giới thiệu

1

Chương I
Bộ nguồn tuyến tính
1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
1.2 Năng lượng tổn hao trong tranzito m¾c nèi tiÕp

1.3 HiƯu st bé ngn tun tÝnh
1.4 ­u, nhược điểm của bộ nguồn tuyến tính

4
4
5
6
8

Chương II
Bộ nguồn đóng-cắt không có biến áp cách ly
2.1 Nguyên lý hoạt động bộ nguồn đóng-cắt.
2.2 Sơ đồ bộ băm áp nối tiếp Buck.
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.2.2 Dạng dòng điện ra của bộ băm áp nối tiếp Buck
2.2.3 Hiệu suất bộ băm áp nối tiếp khi bỏ qua tổn hao
đóng cắt.
2.2.4 Hiệu suất bộ băm áp nối tiếp khi tính đến tổn
hao chuyển mạch.
2.2.5 Tần số tối ưu trong bộ băm áp nối tiếp
2.3 Bộ băm áp song song Boost.
2.3.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động
2.2.2 Các đặc tính của bộ băm áp song song
2.3.3 Chế độ làm việc của bộ băm áp song song
2.3.4 Phương trình quan hệ trong trường hợp chế độ
gián đoạn.
2.4 Sơ đồ bộ băm có tích luỹ năng lượng điện cảm Buck-boost
2.4.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động
2.4.2 Phương trình quan hệ của bộ băm áp Buck-boost
2.5 Kết luận

Chương III
bộ nguồn đóng-cắt có biến áp cách ly
3.1 Sơ đồ bộ băm áp Đẩy- Kéo
3.1.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động
3.1.2 Các phương trình quan hệ

10
10
11
11
13
13
14
17
18
18
19
20
21
24
24
25
26
27
27
27
29


3.1.3 Hạn chế của sơ đồ bộ băm áp Đẩy-Kéo

3.2 Sơ đồ bộ băm áp Forward
3.2.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động
3.2.2 Các quan hệ về điện áp vào/ra, thời gian đóng mạch
và tỉ số biến áp.
3.2.3 Quan hệ giữa dòng điện sơ cấp, công suất ra và điện áp vào.
3.2.4 Điện áp lúc cắt mạch lớn nhất đặt lên tranzito
3.2.5 Tỷ số điện áp vào ra và giới hạn công
36
3.2.6 Bộ băm áp forward có số vòng dây không bằng nhau
3.3 Sơ đồ bộ băm áp Nửa cầu Hafl-Bridge
3.4 Sơ đồ bộ băm áp Cầu Full-Bridge
3.5 Sơ đồ bộ băm áp Flyback
3.5.1 Giới thiệu chung
3.5.2 Nguyên lý hoạt động
3.5.3 Quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào, thời gian đóng mạch,
công suất tải
3.5.4 Các quan hệ giữa các thông số thiết kế.
3.5.5 Các nhược điểm của bộ Flyback.
3.5.6 Chế độ làm việc liên tục của bộ Flyback.
3.6 Kết luận

30
31
31
33
35
36
suất
37
40

42
44
44
45
46
46
49
50
53

Chương IV
Các thành phần cơ bản trong bộ nguồn đóngcắt sơ đồ FLyback
4.1 Tính toán một bộ nguån cho m¸y tÝnh s¸ch tay(Lap top)
4.2 M¸y biÕn ¸p trong bộ nguồn đóng-cắt
4.2.1 Vật liệu, hình dạng và mật độ từ thông đỉnh của MBA
4.2.2 Máy biến áp cho sơ đồ Flyback
4.2.3 áp dụng để tính toán cho bộ nguồn Flyback
4.3 Phần tử đóng cắt bán dẫn trong bộ nguồn đóng-cắt
4.3.1 Tranzito lưỡng cực
4.3.2 Tranzito trường
4.3.3. Tính chọn van bán dẫn cho sơ đồ bộ nguồn Flyback

54
55
55
59
61
64
64
68

73

4.4 Các sơ đồ hỗ trợ chuyển mạch Snubber
4.4.1 Khái niệm
4.4.2 Tổn hao khi không có bộ snubber
4.4.3 Hoạt động của bộ snubber
4.4.4 Lựa chọn giá trị tụ điện của bộ RCD snubber
4.4.5 Bộ snubber làm giảm điện áp xung đỉnh do cảm kháng rò

74
74
76
77
78
78


4.4.6 Tính toán bộ snubber cho sơ đồ Flyback sử dụng
tranzito trường
4.5 Mạch điều khiển chế độ dòng và mạch ®iỊu khiĨn chÕ ®é ¸p
4.5.1 Kh¸i niƯm
4.5.2 C¸c ­u ®iĨm của chế độ điều khiển dòng.
4.5.3 Mạch điều khiển chế độ dòng và mạch điều khiển chế độ áp.
4.6 Vấn đề ổn định vòng phản hồi của bộ nguồn đóng-cắt
4.6.1 Tiêu chuẩn hệ số khuếch đại để ổn định mạch ®iƯn.
4.6.2 Tiªu chn vỊ ®é dèc cđa hƯ sè khch đại biên độ
để ổn định vòng lặp phản hồi.
4.6.3 Đặc tính của bộ lọc LC có và không có điện trở
nối tiếp tương đương.
4.6.4 Hệ số khuếch đại bộ điều chế độ rộng xung

4.6.5 Tổng hệ số khuếch đại của bộ lọc LC và bộ điều chế
độ rộng xung, bộ lấy mẫu tín hiệu.
4.6.6 Đặc tính tần logarit của bộ khuếch đại sai lệch.
4.7 Kết luận
Chương V
Mô phỏng bộ nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback
bằng PESIM
5.1 Khái niệm chung
5.2 Giới thiệu phần mềm PESIM
5.3 Sử dụng chương trình PESIM để mô phỏng bộ nguồn đóng-cắt
5.3.1 Các thông số của bộ nguồn đóng cắt Flyback thiết kế
5.3.2 Mô phỏng bộ nguồn đóng-cắt Flyback khi có vòng phản

80
82
82
82
84
88
90
90
93
95
95
96
99

100
101
102

104
106

hồi ổn định điện áp ra sử dụng IC UC3844
Kết luận và hướng phát triển của đề tài

114

Tài liệu tham khảo

117


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Giới thiệu
Điện tử công suất (ĐTCS) đà được phát triển và ngày càng hoàn thiện để
sử dụng trong các bộ biến đổi tĩnh trong công nghiệp, thương mại và dân
dụng. Trong 3 thập kỷ gần đây, việc nghiên cứu để biến đổi năng lượng điện
xoay chiều 50Hz thành nhiều dạng khác nhau, yêu cầu phát triển công nghệ
điện tử công suất bao gồm thiết bị công suất, phương pháp điều khiển, thiết kế
mạch điện, kỹ thuật phân tích bằng máy tính, các phần tử thụ động, kỹ thuật
tích hợp. Do nhu cầu thực tế nên thường một sơ đồ mạch ứng dụng thường
được phổ biến ứng dụng trước khi được phân tích kỹ lưỡng. Lấy ví dụ bộ
nguồn đóng-cắt được sử dụng cách đây hơn 50 năm nhưng các phân tích,
nghiên cứu cho phép thiết kế mạch một cách có hệ thống chỉ được thực hiện
cho tới cuối những năm 1970.
Mạch ĐTCS là mạch phi tuyến, nó làm việc ở chế độ quá độ (đóng, cắt)

và luôn thay đổi theo sự phát triển của công nghệ. Vì vậy người thiết kế,
nghiên cứu cần thiết phải hoàn thiện sản phẩm của mình với chất lượng cao,
giá thành hạ, làm cho thiết bị hoạt động theo những chế độ mong muốn và tìm
ra các cách để loại trừ các hiện tượng bất thường.
Hiện nay các bộ nguồn ứng dụng điện tử công suất có mặt trong hầu hết
các thiết bị và các lĩnh vực sản xuất nhằm tạo ra những bộ nguồn có khả năng
chuyển đổi giữa các dạng năng lượng điện khác nhau như từ dòng điện một
chiều sang xoay chiều, xoay chiều sang một chiều; thay đổi tần số, điện áp
giữa đầu vào và đầu ra v.v...Trong luận văn dưới đây người thực hiện đi sâu
vào việc tìm hiểu và phân tích các bộ nguồn biến đổi dòng điện xoay chiều tần
số công nghiệp sang dạng dòng điện một chiều công suất thấp có điện áp phù
hợp và khả năng ổn định điện áp ra khi có sự biến động ở điện áp đầu vào
hoặc tải; phục vụ cho các ứng dụng về cung cấp điện cho các thiết bị điện tử
nhỏ. Ví dụ như bộ nguồn cho máy tính sách tay, ...
Đối với bộ nguồn ở trên thì hiện nay người ta đà phát triển thành khá
nhiều dạng sơ đồ có dải ứng dụng và trường hợp ứng dụng khác nhau: từ sơ đồ
bộ nguồn công suất liên tục cho đến các bộ nguồn đóng cắt có công suất từ

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

1


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

vài oát đến vài chục kilo oát, có tần số hoạt động đến vài MHz với các cấp
điện áp khác nhau.

Nội dung của luận văn cao học trình bày dưới đây gồm có các nội dung
sau:
Chương I : Bộ nguồn tuyến tính
Chương II : Bộ nguồn đóng-cắt không có biến áp cách ly
Chương III : Bộ nguồn đóng-cắt có biến áp cách ly
Chương IV : Các thành phần cơ bản trong bộ nguồn đóng-cắt sơ đồ
Flyback
Chương V : Mô phỏng bộ nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback bằng PESIM
Mục đích cđa ch­¬ng I nh»m giíi thiƯu vỊ bé ngn tun tính dùng cho
trường hợp bộ nguồn có công suất và điện áp đầu vào thấp. Các ưu nhược
điểm của sơ đồ này là tiền đề để phát triển các bộ nguồn đóng-cắt.
Chương II bắt đầu đi vào giới thiệu sơ đồ các bộ nguồn đóng-cắt cơ bản
nhất, thấy được các ưu nhược điểm và quá trình hoạt động của các bộ nguồn
này. Từ đó thấy được nguyên nhân khiến bộ nguồn đóng-cắt được sử dụng rất
rộng rÃi, từ những bộ ngn c«ng st nhá cho tíi lín víi hiƯu st và chất
lượng cao.
Chương III đề cập tới các bộ nguồn đóng-cắt có máy biến áp cách ly, đây
là những sơ đồ được sử dụng nhiều hơn trong thực tế. Trong đó tập trung đi
sâu phân tích hai sơ đồ Forward và Flyback, là hai sơ đồ được sử dụng chủ
yếu cho các bộ nguồn công suất nhỏ, các bộ nguồn di động.
Chương IV đi sâu vào việc phân tích các thành phần cơ bản trong bộ
nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback, chỉ ra khái niệm hoạt động cũng như các dặc
điểm riêng của chúng khi được sử dụng trong bộ nguồn đóng-cắt và ảnh
hưởng của chúng đến hoạt động của sơ đồ. Từ đó kết hợp với hai chương II và
III để có thể thiết kế tính toán các phần tử này một cách cụ thể.
Chương V là chương sử dụng phần mềm PESIM để mô phỏng bộ nguồn
đóng-cắt sơ đồ Flyback đà tính toán ở chương IV. Để mô phỏng được, đầu
tiên ta phải thiết lập mô hình trên PESIM và cài đặt các thông số cần thiết để
cho chương trình hoạt động. Sau đó bằng việc thay đổi các thông số chính của

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

2


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

mạch điện, ta phân tích, tổng hợp các kết quả mô phỏng để thấy được tầm ảnh
hưởng của các thông số này đến quá trình hoạt động của bộ nguồn, từ đó lựa
chọn các giá trị này một cách hợp lý để có được bộ nguồn hoạt động chất
lượng tốt, ngăn ngừa các hiện tượng bất thường có thể xảy ra trong thiết bị
điện tử.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Häc 2005-2007

3


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chương I
Bộ nguồn tuyến tính
1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Q1

T1
Vac

[5] [6]

C

Io

Vo
Khuếch đại
sai lệch

R1
Vdc

R2
Vref
KĐ dòng
(a)
Vdc
Vdc trung bình

Vr

Vmin

Vo
(b)

Hình 1.1 (a). Bé nguån tuyÕn tÝnh cã tranzito Q1 m¾c nối tiếp với tải
đầu ra, đóng vai trò bộ điều chỉnh trở kháng. Mạch phản hồi âm giúp
ổn định điện áp Vo - (b). Chênh lệch điện áp giữa đầu vµo vµ ra
Bé nguån tuyÕn tÝnh bao gåm mét biÕn trở được thể hiện bằng một
tranzito hoạt động trong chế độ tuyến tính, được mắc nối tiếp với tải. Điện áp
một chiều ra thông qua bộ phân áp R 1 và R 2 được đem so sánh với điện áp đặt
Vref và được khuếch đại tín hiệu thông qua bộ khuyếch đại sai lệch EA, tín
hiệu điện áp ra bộ EA sau đó đi qua bộ khuyếch đại dòng điện và được dùng
để điều khiển tranzito. Trong trường hợp nếu điện áp ra tăng lên do điện áp
vào tăng hoặc do giảm tải thì cực gốc của tranzito sẽ tương ứng hạ điện áp ra
xuống bằng cách tăng trở kháng giữa hai cực C-E. Sự tăng trở kháng này vì
vậy sẽ điều khiển điện áp ra giảm xuống để tín hiệu lấy mẫu bằng với tín hiệu
đặt. Vòng phản hồi âm làm việc tương tự như vậy để ổn định điện áp ra khi có
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

4


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

sự sụt giảm điện áp vào hoặc dòng tải tăng. Trong trường hợp này điện áp lấy
mẫu khiến cực gốc B trở nên dương hơn, làm giảm trở kháng giữa cực C-E và
tăng điện áp một chiều ra để điện áp mẫu bằng điện áp đặt. Tổng quát bất cứ
sự thay đổi nào của điện áp vào phụ thuộc độ nhấp nhô của điện áp xoay chiều
vào sẽ được hÊp thơ qua phÇn tư biÕn trë nèi tiÕp (tranzito) để điện áp ra được
ổn định thông qua sự quyết định của hệ số khuyếch đại trong vòng phản hồi.

Trong sơ đồ trên không có phần tử gián đoạn, tất cả các mức của dòng điện,
điện áp một chiều có thể dự đoán và tính toán. Không có biến áp trong vòng
lặp ; không có dòng, áp biến thiên đột ngột (xung áp, xung dòng). Vì không
có chế độ đóng-cắt tranzito nên không có tổn thất năng lượng do đóng cắt. Tất
cả các tổn thất đều là tổn thất vật dẫn nên dễ dàng tính toán.
1.2 Năng lượng tổn hao trong tranzito mắc nối tiếp.

[5] [6]

Hạn chế lớn nhất của bé ngn tun tÝnh lµ nã cã sù tỉn hao năng lượng
lớn trong phần tử tranzito nối tiếp. Vì tất cả dòng tải phải chạy qua tranzito
nên năng lượng tổn hao là (Vdc-Vo). Io. Giá trị chênh lệch Vdc-Vo nhỏ nhất
phụ thuộc vào loại tranzito sử dụng và thường là 2,5 V đối với tranzito lưỡng
cực NPN.
Khi điện áp một chiều vào từ chỉnh lưu dòng thứ cấp MBA, ta cần điều
chỉnh cuộn thứ cấp để có điện áp chỉnh lưu ra là V 0 + 2,5V (giả sử tại thời
điểm bộ tụ lọc đủ lớn để lọc các nhấp nhô điện áp). Nếu giá trị điện áp một
chiều đầu vào có sai số mà vẫn đảm bảo điện áp ra bằng V 0 + 2,5V thì khi
điện áp một chiều vào ở giá trị sai số thấp nhất, độ chênh lệch điện áp Vdc-Vo
sẽ lớn hơn, sự tổn hao trong phần tử tranzito nối tiếp sẽ lớn hơn và hiệu suất
năng lượng sẽ bị giảm đáng kể. Hiệu ứng hiệu suất thấp khi điện áp vào ở giá
trị sai số thấp nhất càng đáng kể khi điện áp đầu ra thấp.
Điều này có thể thấy được qua 3 ví dụ sau đây về bộ nguồn tuyến tính:
1. Điện áp ra 5V ở 10A
2. Điện áp ra 15V ở 10A
3. Điện áp ra 30V ở 10A
Giả thiết điện áp vào sai số trong khoảng 15%

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

5


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

B¶ng 1.1
Vo

Io

Vdc min

Vdc max

Vdc-Vo

V

A

(V)

(V)

max

P in max P o max

Tỉn

HiƯu

hao

st

Qimax

%P 0

(W)

P in(max)

5

10

7,5

9,75

4,75

97,5

50

47,8

51,25

15

10

17,5

22,8

7,75

228

150

78,0

65,9

30

10

32,5

42,25

12,25

423

300

123

71,0

Ta có thể nhận thấy ở điện áp một chiều ra càng cao thì hiệu suất cao hơn
đáng kể so với ở mức điện áp ra thấp. Khi tính đến độ nhấp nhô thực tế của
điện áp một chiều vào với khoảng sai số 15%, hiệu suất đối với trường hợp
điện áp ra là 5V chỉ vào khoảng 32 ÷ 35%.
1.3 HiƯu st bé ngn tun tÝnh.

[5] [6]

Khi độ nhấp nhô của điện áp vào là đáng kể thì cần có khoảng dự trữ tối
thiểu là 2,5V tại điểm thấp nhất của điện áp vào, tại đó cũng là điểm thất nhất
của điện áp xoay chiều vào. Hiệu suất của bộ nguồn được tính như sau:
Giả sử điện áp vào có khoảng sai lệch T% so với giá trị định mức, cuộn
thứ cấp máy biến áp sẽ được chọn sao cho điện áp ở đáy của thành phần nhấp
nhô sẽ lớn hơn 2,5V so với điện áp ra yêu cầu. Cho khoảng điện áp nhấp nhô
là Vr, điện áp trung bình hay điện áp một chiều đặt lên tranzito là
V 0 +2,5+(Vr/2) khi điện áp vào ở giá trị sai số thấp nhất T% như hình 1.1b.
Nhưng khi điện áp vào xoay chiều ở giá trị sai số lớn nhất +T% thì điện áp
một chiều đi vào phần tử tranzito là

Vdc (max) =

1 + 0,01.T
(Vo + 2,5 + Vr / 2)
1 − 0,01T

HiƯu st cao nhÊt x¶y ra khi điện áp vào lớn nhất hay công suất vµo lín
nhÊt:

η (max) =

Po
Pin(max)

=

Vo .I o
Vdc (max) .I o

=

Vo
Vdc (max)

(1.1)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

6

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

=


Vo
1 − 0,01T 

.
1 + 0,01T  Vo + 2,5 + Vr / 2

(1.2)

Đồ thị hình 1.2 biểu diễn quan hệ hiệu suất và điện áp ra với giả thiết độ
nhấp nhô điện là 8V

90

5%

80

10%

70

15%

Hiệu suất, %

60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

Điện áp ra (V)
Hình 1.2 Đường cong hiệu suất bộ nguồn tuyến tính phụ thuộc điện áp ra.
Có thể thấy ở hình 1.2 khi điện áp ra là 10V, hiệu suất sẽ nhỏ hơn 50%
khi điện áp vào xoay chiều có khoảng sai lệch 10%, đây là giá trị khá thấp
cùng với kích thước và trọng lượng của MBA đầu vào. Hạn chế này của bộ
nguồn tuyến tính dẫn đến sự phát triển của bộ nguồn gián đoạn đóng cắt.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

7


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1.4 ­u, nh­ỵc ®iĨm cđa bé ngn tun tÝnh.

[5] [6]

Bé ngn tun tÝnh cã ba ­u ®iĨm chÝnh sau: Có cấu tạo đơn giản, vận
hành êm và có khả năng chịu tải (Không gây ra nhiễu ở đầu ra và tự động đáp
ứng theo tải) và trong trường hợp công suất ra nhỏ hơn 10W thì nó rẻ hơn bộ
nguồn đóng cắt .
Nhược điểm bộ nguồn tuyến tính là nó chỉ có khả năng tạo ra điện áp ra
thấp hơn điện áp đầu vào. Điện áp ra luôn có dạng giống như điện áp vào,
không có sự cách ly về mặt điện giữa đầu vào và ra. Điện áp một chiều đầu
vào thường nhận được từ bộ chỉnh lưu cuộn thứ cấp MBA tần số 50ữ60Hz nên

thiết bị có trọng lượng và kích thước lớn, đây là nhược điểm lớn nhất của bộ
nguồn này. Dải làm việc của bộ ngn tun tÝnh cịng rÊt nhá.
Ngoµi ra bé ngn tun tính có hiệu suất vào khoảng 30 ữ 60%. Phần
công suất tổn hao là do khoảng chênh lệch điện áp, vì vậy nó cần thêm bộ tản
nhiệt có kích thước lớn.
Do có những nhược điểm lớn về mặt hiệu suất, kích thước nên hiện nay
các bộ nguồn đóng-cắt được phát triển với ưu thế vượt trội.
Bộ nguồn đóng-cắt có ưu ®iĨm sau: HiƯu st cao tõ 68 ®Õn 90% dÉn đến
giảm kích thước bộ tản nhiệt, giảm giá thành.
Do điện áp được băm thành các xung áp nên điện áp dao động dẫn tới nếu
ta sử dụng cuộn dây MBA sẽ tạo ra được nhiều đầu ra. Khi ta thêm MBA cách
ly thì điện áp ra độc lập với điện áp vào, có thể nâng hạ áp tuỳ ý.
ưu điểm cuối cùng là ở dải công suất ra cao hơn thì kích thước và giá

thành của bộ nguồn đóng-cắt là thấp hơn bộ nguồn tuyến tính.
Bộ nguồn đóng-cắt cũng có các nhược điểm của nó. Tuy nhiên những
nhược điểm này không phải là cơ bản và có thể dễ dàng khắc phục :
Đầu tiên là nó phức tạp hơn bộ nguồn tuyến tính.
Thứ hai là nó tạo ra nhiễu ở đầu ra, đầu vào và phát tán ra môi trường vì
vậy cần có thêm bộ lọc và bộ chống từ tính.
Thứ ba do bộ nguồn gián đoạn nên đáp ứng với thay đổi tải và điện áp đầu
vào chậm hơn bộ nguồn tuyến tính.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007

8


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Những nhược điểm này có thể được khắc phục bởi người thiết kế và tác
động của chúng đến hệ thống có thể được giảm thiểu.
Sau khi phân tích ta thấy trong thực tế do vấn đề tổn hao năng lượng qua
phần tử tranzito nối tiếp khiến bộ nguồn tuyến tính ít được dùng cho dòng
điện cỡ 5A trở lên. Vì sự tổn thất lớn nên yêu cầu kích thước tản nhiệt lớn
cộng với kích thước của MBA ở tần số 50-60Hz dẫn đến mật độ năng lượng
tải đầu ra chỉ đạt 0,02 ữ 0,03W/cm3 và không thích hợp cho hệ thống nhỏ sử
dụng mạch tích hợp.
Vì vậy từ chương II chúng ta đi vào đề cập chi tiết tới các bộ nguồn đóng
cắt, trước tiên là bộ nguồn không có MBA cách ly cho đến việc phân tích các
sơ đồ khi có MBA cách ly.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Häc 2005-2007

9


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chương II.
Bộ nguồn đóng-cắt không có biến áp cách ly.
2.1 Nguyên lý hoạt động bộ nguồn đóng-cắt.

[1] [5] [6]

Bộ nguồn đóng-cắt bắt đầu được sử dụng rộng rÃi đầu thập kỷ 60. Nó dựa
trên thành phần chủ yếu là các các bộ băm áp một chiều. Nguyên lý hoạt động
như sau: sơ đồ sử dụng một khoá K (tranzito) có tần số đóng cắt lớn để gián
đoạn điện áp một chiều đầu vào theo chu kỳ có thể điều chỉnh được. Bằng
cách thay đổi tỷ số thời gian đóng cắt trong một chu kỳ, dạng sóng ra chứa
các xung ®iƯn ¸p víi ®é réng xung cã thĨ thay ®ỉi được, có giá trị trung bình
bằng giá trị điện áp một chiều ra tải.
+

U

K

Ton

uR

E
E

R

Utb

uR
0

(a)

t

t1
T

(b)

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị điện áp của bộ nguồn đóngcắt
Khi khoá K đóng, điện áp đặt lên tải R bằng với điện áp nguồn, khi khoá
K cắt mạch thì điện áp đặt trên R bằng 0. Ta có điện áp ra trung bình là

T
U tb = E. on
T
Trong đó
T là thời gian một chu kỳ

Ton là thời gian khoá K đóng mạch trong một chu kỳ
Bằng cách cảm biến điện áp một chiều đầu ra và điều khiển chu kỳ đóng
cắt mạch bằng vòng phản hồi âm, điện áp ra một chiều có thể được điều chỉnh
để chống lại sự thay đổi điện áp vào và biến động của tải.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

T vµo mơc ®Ých sư dơng cđa bé ngn đóng-cắt mà người ta có các sơ
đồ băm áp một chiều khác nhau: Từ các sơ đồ đơn giản như các sơ đồ băm áp
không có biến áp cách ly, cho đến các sơ đồ có biến áp cách ly.
Một bộ nguồn đóng-cắt hiện nay có thể đạt được mật độ năng lượng
0,01 ữ 0,02W/cm3 và có khả năng tạo ra nhiều mức điện áp ra từ một đầu vào
duy nhất. Bộ nguồn này cũng không cần sử dụng biến áp tần số 50 (60) Hz
nên kích thước nhỏ. Một vài nhà thiết kế dự kiến mật độ năng lượng có thể đạt
tới 0,1ữ0,2W/cm3.
2.2 Sơ đồ băm áp nối tiếp (Buck).

[5] [6]

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Một trong những sơ đồ băm áp đầu tiên là bộ băm áp nối tiếp Buck có sơ
đồ như hình 2.2.
Nó bao gồm một công tắc đơn cực có dạng một tranzito được mắc nối tiếp
với điện áp vào một chiều Vdc. Tranzito được đóng mạch trong thời gian Ton
với chu kỳ đóng cắt là T. Khi tranzito Q1 đóng mạch thì điện áp ở V 1 là Vdc
(giả sử trong trường hợp đóng mạch, điện áp trên Q 1 =0 ). Khi nó cắt mạch,
điện áp ở V 1 giảm đột ngột về không và để tránh điện áp ngược lớn đặt nên
Q 1 , người ta sử dụng vòng phóng ®iƯn tù do hay diode x¶ D 1 .
Gi¶ sư khi cắt mạch, điện áp đặt lên D 1 cũng bằng 0, khi đó điện áp ở V 1
có dạng xung vuông có giá trị Vdc trong khoảng thời gian Ton. Điện áp ra một
chiều trung bình là Vdc.Ton/T. Một bộ lọc L 0 C 0 được thêm vào nối tiếp giữa
V 1 và V 0 để lọc điện áp nhấp nhô tự do một chiều.
V 0 được cảm biến bëi bé ®iƯn trë lÊy mÉu R 1 , R 2 và mang so sánh với tín
hiệu điện áp đặt Vref , tín hiệu sau so sánh được đưa tới bộ khuyếch đại sai
lệch (EA), sau đó điện áp ra Vea được đưa tới bộ điều biến độ rộng xung
(PWM). Một tín hiệu vào khác của bộ PWM là điện áp răng cưa Vt có chu kỳ

T và biên độ 3V. Bộ tạo xung điện áp điều khiển PWM tạo ra xung vuông với
sườn lên tương ứng khi bắt đầu xung tam giác và sườn xuống khi điện áp răng
cưa bằng với điện áp Vea. Dạng sóng đầu ra của PWM có độ rộng bằng Ton, tỉ
lệ với điện áp Vea của bộ khuyếch đại. Tín hiệu đi từ bộ PWM được đưa tới bộ

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Häc 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

khuyếch đại dòng và dùng để điều khiển thời gian đóng, cắt của tranzito Q 1
qua vòng phản hồi âm.
V1
Q1

I Q1

Lo

Io

Vo = Vdc(Ton/T)
Vea

R1
D1

Vdc

Co

R2

Vwm

EA

Vref
T

Bộ điều khiển
=3V
Vea
Vt
=0V
Vdc

(a)

(b)
Ton
(c)

Vt

V1

0V
Vwm
I2
I1

(d)

=dI

I Q1
I2
I1

(e)

(f)

I D1
Io

I Lo

Hình 2.2 Bộ điều chỉnh Buck và dạng sóng cơ bản
Nếu trường hợp Vdc tăng lên một lượng nhỏ thì độ lớn của điện áp Vea sẽ
giảm xuống, dẫn tới thời điểm điện áp Vea cắt điện áp răng cưa tam giác sẽ
sớm hơn và khoảng thời gian Ton sẽ giảm, dẫn tới V 0 =Vdc.Ton/T giảm theo.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12
Sinh viên: Phạm Khánh HiÖp
Cao Häc 2005-2007

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tương tự nếu Vdc giảm đi một lượng nhỏ thì thời gian đóng sẽ tăng lên tương
ứng để giữ cho V 0 là hằng số.
2.2.2 Dạng dòng điện ra của sơ đồ băm áp nối tiếp
Một ưu thế lớn của bộ băm áp Buck là nó có tổn hao bên trong nhỏ và
hiệu suất cao.
Khi Q 1 đóng giả sử thời điểm đó điện áp đặt lên nó bằng 0, có một điện
áp (Vdc V 0 ) đặt lên L 0 . Với điện áp hằng số này đặt lên cuộn dây L 0 , dòng
điện trong nó tăng lên một cách tuyến tính với tỉ lệ dI/dt = (Vdc – V 0 )/L 0
(h×nh 2.2d). Khi Q 1 cắt, dòng điện trong cuộn dây không thể thay đổi đột ngột
nên điện áp đặt lên L 0 sẽ lập tức phản ứng đảo chiều để duy trì dòng ®iƯn I 2 .
NÕu kh«ng cã diode D 1 , V 1 có thể đạt đến giá trị âm rất lớn để giữ dòng
điện trong L 0 theo hướng trước đó. Nhưng do lúc này diode D 1 đóng mạch và
giữ cho điện áp đầu trên của D1 luôn vào khoảng 1V nên Q1 không bị tình
trạng quá áp. Dòng I 2 chạy qua Q 1 được đóng lại và nó được chuyển sang đi
qua diode D 1 . Cực tính của điện áp đặt lên L 0 đảo chiều và có độ lớn V 0 +1,
dòng điện trong L 0 sÏ gi¶m tun tÝnh víi tØ lƯ dI/dt = (V 0 +1)/L 0 . ë cuèi thêi
gian Q 1 cắt, dòng điện đi qua L 0 giảm xuống I 1 và tiếp tục chạy qua D 1 . Khi
Q 1 lại được đóng trong chu kỳ tiếp theo và bắt đầu cấp dòng vào catod D 1 sẽ
thay thế dòng qua diode, khi dòng qua Q 1 tăng tới I 1 thì tất cả dòng qua D 1 sẽ
bị triệt tiêu và D1 lại bị khoá.
Dòng qua cuộn dây L 0 sẽ là tổng của dòng qua Q 1 khi nó đóng và dòng
qua D 1 khi Q 1 cắt. Dòng điện qua L 0 được thể hiện ở hình 2.2f. Nó là dòng
điện có dạng lên xuống một khoảng I 2 I 1 quanh dòng điện một chiều đầu
ra I 0 , vì vậy giá trị trung bình của dạng tín hiệu chính là giá trị I 0 .

2.2.3 Hiệu suất bộ băm áp nối tiếp khi bỏ qua tổn hao đóng-cắt.
Nếu dòng điện chạy qua Q 1 và D 1 có điện áp rơi bằng 0, thì tổn thất năng
lượng sẽ bằng 0. Khi Q 1 cắt mạch, điện áp rơi là Vdc nhưng dòng qua Q 1 bằng
0 nên cũng không tổn hao năng lượng, t­¬ng tù víi D 1 . Nh­ vËy hiƯu st của
bộ băm áp sẽ đạt 100%. Trong thực tế tổn hao trong bộ băm áp là tổn hao
trong Q 1 và D 1 cộng với tổn hao đóng-cắt trong Q 1 . Tổn hao này gọi là tổn
hao đóng-cắt trong quá trình chuyển mạch, là kết quả quá trình điện áp tăng--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13
Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

dòng điện giảm và ngược lại. Ta có thể thấy qua hình 2.2d và 2.2e dòng trung
bình qua Q 1 vµ D 1 trong thêi gian Ton vµ Toff bằng giá trị trung bình của
dòng điện ra I 0 , Dòng điện này chạy qua một điện áp vào khoảng 1V chênh
áp. Vì vậy tổn hao dẫn là:

Toff
T
= 1I o
Pdc = P (Q1 ) + P( D1 ) = 1.I o on + 1.I o
T
T
NÕu bá qua tæn hao do chuyển mạch (AC Switching losses) thì hiệu suất

P
= o

V o .I o
Vo
=
Pdc Vo .I o + 1.I o Vo + 1

sẽ là :

(2.1)

2.2.4 Hiệu suất bộ băm áp nối tiếp khi tính đến tổn hao chuyển mạch
a) Tổn hao chuyển mạch phụ thuộc vào quan hệ giữa thời gian và độ dốc
của dòng điện tăng và điện áp giảm. Trường hợp lý tưởng nhất của quan hệ
này được biểu diễn ở hình 2.3a. Đây là trường hợp ít gặp trong thực tế.
Đó là khi đóng mạch, điện áp và dòng điện bắt đầu thay đổi đồng thời và
đạt tới điểm kết thúc đồng thời. Dòng điện biến thiên từ 0 đến I 0 và điện áp
đặt lên Q 1 từ giá trị lớn nhất Vdc giảm xuống bằng 0. Tổn hao trung bình trên
công tắc Q 1 trong thời gian đóng là:

P(t on ) =

ton

I o .Vdc
=
I
Vdt
.

6

0

Năng lượng trung bình trong một chu kỳ là:

I o .Vdc t on


.
6 T
Giả sử tương tự khi Q 1 cắt, tổn hao của công tắc tranzito lµ:

P(t off ) =

toff

∫ I .V .dt =

0

I o .Vdc
6

và năng lượng tổn hao trung bình sau một chu kú lµ:

 I o .Vdc

 6

  t off
.

 T






Trong đó ton và toff là thời gian chuyển mạch

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Giả sử ton = toff = Ts thì tổng công suất tổn hao là:

V .I .T
Pac = dc o s
3T
vµ hiƯu st sÏ lµ:

η=
=

Po
V o .I o

=
Po + Pdc + Pac Vo .I o + 1.I o + Vdc .I o .Ts / 3T
Vo
Vo + 1 + Vdc .Ts / 3T

(2.2)
Vdc
Io
I Q1
VQ1

T
t on

(a)

t on

toff
Io

t off

Vdc
Io
I Q1
VQ1

Tcr

Tvf

Tvr
T
(b)

Tcf

Hình 2.3 (a) Quá trình đóng cắt lý tưởng
(b) Quá trình đóng cắt xấu nhất
Giả sử ta cần điện áp 5V từ đầu vào 48V tần số 50kHz (T = 20às). Nếu
không có tổn thất do chuyển mạch và thời gian chuyển mạch là 0,3 às thì hiệu
suất sẽ là:

5
= 83,3%
5 +1

Nếu xét đến tổn thất chuyển mạch và trong trường hợp tổn thất nh­ h×nh
2.3a th× : η =

5
5
=
= 80,1%
5 + 1 + 48.0,3 /(3 ì 20) 5 + 1,24

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
Sinh viên: Phạm Kh¸nh HiƯp
Cao Häc 2005-2007

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

b) Tr­êng hỵp xÊu nhÊt ®­ỵc biĨu diƠn ë hình 2.3b: gần với thực tế hơn và
hiệu suất sẽ thấp hơn.
Giả sử khi thời gian chuyển mạch, điện áp qua tranzito giữ nguyên giá trị
Vdc cho đến khi dòng điện đạt giá trị max I 0 . Sau đó điện áp bắt đầu giảm
xuống, thời gian điện áp giảm Tvf gần xấp xỉ thời gian dòng điện tăng lên là
Tcr. Khi đó năng lượng tổn hao trong quá trình đóng mạch là:

V .I T
I .V Tvf
P(Ton ) = dc o . cr + o dc .
2
2
T
T
vµ cho Tcr = Tvf= Ts ta có P(ton) = Vdc.Io (Ts/T)
Khi cắt mạch như hình 2.3b giả sử dòng điện giữ giá trị lớn nhất I 0 cho
đến khi điện áp tăng đến giá trị cực đại Vdc trong khoảng thời gian Tvr. Sau đó
dòng điện bắt đầu giảm xuống và đạt đến giá trị 0 trong khoảng thời gian Tcf.
Năng lượng tổn hao trong quá trình cắt mạch là:

I .V
T
V .T Tcf
P (t off ) = o dc . vr + dc o .

T
T
2
2
vµ cho Tvr = Tcf= Ts ta cã
P(toff) =Vdc.Io.(Ts/T)
Tỉng tổn hao trong quá trình chuyển mạch là:

T
Pac = 2.Vdc .I o . s
(2.3)
T
Tỉng tỉn hao (tỉng cđa tỉn hao một chiều và chuyển mạch) là
T
Pt = Pdc + Pac = 1.I o + 2.Vdc .I o . s
T
vµ hiƯu suÊt lµ :

η=
=

(2.4)

Po
Vo .I o
=
Po + Pt Vo .I o + 1.I o + 2.Vdc .I o .Ts / T
Vo
Vo + 1 + 2.Vdc .T2 / T

(2.5)

Đối với cùng tần số 50kHz, điện áp vào 48V và ra 5V, Ts = 0,3às như trên
ta có hiệu suất:

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
Sinh viên: Phạm Kh¸nh HiƯp
Cao Häc 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

η=

5
5
=
= 67,2%
5 + 1 + 2 × 48 × 0,3 / 20 5 + 1 + 1.44

NÕu dïng bé nguồn tuyến tính để tạo đầu ra 5V trực tiếp từ đầu vào 48V
thì hiệu suất có giá trị bằng:

=

Vo
Vdc max

=

5
= 10,4%
48

2.2.5 Tần số tối ưu trong bộ băm áp nối tiếp
Điện áp đầu ra của bộ băm áp là V 0 = Vdc.Ton/T phụ thuộc vào chu kỳ T.
Câu hỏi đặt ra là liệu có một tần số tối ưu và căn cứ để chọn tần số này. ý
tưởng ban đầu là tần số càng lớn càng tốt để giảm kích thước bộ lọc LC. Tuy
nhiên tần số cao hơn có khi không giảm được kích thước tổng của bộ băm áp
với các thông số khác cố định. Có thể lấy ví dụ diễn tả tổn hao chuyển mạch
như trên, tại đó tổn hao này tỉ lệ nghịch với chu kỳ đóng cắt T. Giảm T sẽ tăng
tổn hao chuyển mạch và sẽ cần bộ tản nhiệt có kích thước lớn hơn để giữ nhiệt
độ tranzito ở mức cho phép. Hơn nữa ta mới chỉ tính đến tổn hao trên tranzito
mà bỏ qua tổn hao trong diode D 1 trong khoảng thời gian phục hồi điện áp
cách điện, khi có điện áp ngược đặt lên. Thời gian phục hồi này cỡ 35 ữ 50ns,
tuy nhiên vẫn tiêu tán phần năng lượng đáng kể tỉ lệ nghịch với T. Vì vậy tăng
tần số đóng cắt sẽ không làm giảm kích thước L 0 C 0 nhiều mà còn tăng tổn
hao trong phần tử tranzito và diode, đòi hỏi cánh tản nhiệt lớn.
Thông thường ở khoảng tần số 25 ữ 50kHz kích thước của bộ băm áp
Buck giảm xuống khi tần số tăng. Nhưng với tần số lớn hơn 50kHz điều này
không còn đúng do tổn hao tăng và cánh tản nhiệt tăng.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17
Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2.3 Sơ đồ bộ băm áp song song (Boost).

[5] [6]

2.3.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động
Sơ đồ bộ băm áp song song Boost có điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào.
Nó sử dụng các phần tử giống như sơ đồ Buck nhưng chúng được sắp xếp như
hình 2.4 và có sự hoạt động khác so với sơ đồ Buck. Cuộn dây L 2 được mắc
nối tiếp với Vdc và công tắc tranzito Q 1 . Điểm cuối của cuộn dây L 1 cấp tới tụ
điện đầu ra C 0 và điện trở tải thông qua diode D 1 .
*

L1
D1

Vdc
Q1

Co

R1

Ro

Vo = Vdc k.Ro .Ton
2.L1

R2
Bé ®iỊu khiĨn
Vwm

Vea

EA

Vref

Vt
T

Vt = Vpeak

(a)

Vea
0V
Vwm

(b)
Ton

Tr
Ip
I Q1

(c)

(d)

Tr

Ip
I D1

Hình 2.4. Bộ băm áp Boost và dạng sóng đặc trưng

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp
Cao Học 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Ho¹t ®éng: Khi Q 1 ®ãng trong thêi gian Ton, D 1 có điện áp ngược và dòng
điện tăng lên tuyến tính trong L 1 đến giá trị đỉnh Ip = Vdc. Ton/L1. Năng
lượng tích luỹ trong cuộn dây:

1
E = .L1 ( I p ) 2 = 0,5 L1 I 2p
2
Trong quá trình Q1 đóng, dòng điện ra tải được cấp từ tụ đầu ra Co có điện
dung được chọn đủ lớn trong thời gian Ton.
Khi Q 1 cắt, L 1 được nạp đến giá trị điện áp lớn hơn Vdc qua diode D 1 và
cung cấp năng lượng dự trữ của nó cho tải và bổ xung năng lượng cho tụ Co.
Đồng thời năng lượng đến tải cũng được cung cấp từ nguồn điện vào Vdc

trong suốt thời gian Q 1 cắt.
Điện áp ra được điều chỉnh bởi việc điều khiển thời gian Q 1 đóng qua bộ
phản hồi âm. Nếu dòng điện tải một chiều tăng lên thì thời gian mở sẽ tự động
tăng lên để cung cấp đủ năng lượng đòi hỏi của tải. Nếu điện áp Vdc giảm thì
tương tự thời gian Ton tăng để duy trì điện áp ra cố định.
2.2.2 Các đặc tính của bộ băm áp song song.
Nếu dòng điện chạy qua D 1 tơt xng 0 tr­íc khi Q 1 ®ãng trong chu kỳ
tiếp theo, thì tất cả năng lượng tích luỹ trong L 1 trong quá trình Q 1 đóng trước
đó đà được cung cấp hết cho tải và mạch điện làm việc ở chế độ gián đoạn.
Giả sử phần năng lượng E được cấp cho tải trong thời gian chu kỳ T, vì
vậy nếu tất cả năng lượng dự trữ trong cuộn dây được cung cấp hết cho tải
trong một chu kỳ T thì phần công suất được cấp tõ L 1 lµ:

PL =

0,5.L1.( I p ) 2

(2.6)
(W )
T
Trong thời gian Tr dòng điện trong L 1 giảm tuyến tính xuống 0 thì cũng
có một thành phần dòng điện cùng chiều chạy qua Vdc và cung cấp đến cho
tải phần công suất Pdc

I p Tr
.
2 T
Tổng công suất cung cấp cho tải
Pdc = Vdc .

(2.7)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
Sinh viên: Phạm Khánh HiÖp
Cao Häc 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pt = PL + Pdc =

1 / 2.L1 ( I p ) 2

T
Trong ®ã Ip=Vdc.Ton/L1

+ Vdc .

I p Tr
.
2 T

Vdc 2 .Ton
Suy ra P t =
(Ton + Tr )
2TL1

(2.8)

(2.9)

§Ĩ đảm bảo dòng điện L 1 giảm đến 0 trước khi bắt đầu quá trình đóng
tiếp theo, đặt (Ton + Tr) = kT với k là hệ số nhỏ hơn 1 víi

 V 2 .T 
on 
Khi ®ã : Pt = dc
.(kT )
2T .L1


Với điện áp đầu ra V 0 và tải điện trở R 0
Ta có:

2
.Ton
Vdc

k .Ro .Ton
Vo2
(kT ) =
⇒ Vo = Vdc .
2 L1
2TL1
R

hay Vo = Vdc .

(2.10)

1
với <1
1

2.3.3 Các chế độ làm việc của bộ băm áp song song
Có thể thấy như ở phần trước nếu dòng điện qua D 1 trở về 0 trước chu kỳ
đóng tiếp theo thì mạch điện được gọi là đang hoạt động ở chế độ gián đoạn.
Nếu dòng điện không trở về 0 cuối thời gian cắt Q 1 thì khi đóng mạch tiếp
theo dòng điện khởi đầu bằng dòng điện còn dư trong cuộn dây do nó không
thể thay đổi tức thời. Dòng điện ở Q 1 và D 1 sẽ có dạng như hình 2.5. Mạch
điện lúc này hoạt động ở chế độ liên tục.
Lúc bình thường sơ đồ làm việc ở chế độ gián đoạn. Khi R 0 hay Vdc
giảm, vòng phản hồi sẽ tăng Ton để duy trì điện áp ra, khi R 0 hoặc Vdc tiếp
tục giảm thời gian Ton sẽ tăng đến một giá trị mà dòng điện qua D 1 không kịp
trở về 0 trước khi tranzito đóng ở chu kỳ tiếp theo (hình 2.4, 2.5) và mạch điện
chuyển sang làm việc ở chế độ liên tục.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20
Sinh viên: Phạm Khánh HiÖp
Cao Häc 2005-2007


Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

I2
I1

I2
I1

I Q1

I Q2

I2
I1

I L1

0

Hình 2.5 Bộ băm áp song song Boost: dòng điện chạy qua Q1
và D1 trong chế độ làm việc liên tục.
Mạch phản hồi khuyếch đại sai lệch có khả năng ổn định thông số mạch
vòng khi hoạt động ở chế độ gián đoạn nhưng lại không ổn định trong chế độ
liên tục và có nguy cơ bị dao dộng. Cách duy nhất để ổn định vòng phản hồi
lúc này là giảm băng tần của bộ khuyếch đại sai lệch.
2.3.4 Phương trình quan hệ trong trường hợp chế độ gián đoạn.
Từ phương trình quan hệ 2.10 ta có sự liên hệ giữa các thông số Vdc, Ton,
R 0 , L 1 vµ chu kú lµm viƯc T.
Ta thấy nếu dòng điện chạy qua D 1 giảm xuống 0 ngay trước khi quá trình
đóng tiếp theo của Q 1 như hình 2.4d, và thêm vào sự giảm của Vdc hoặc R 0
(tăng tải) sẽ khiến mạch điện chuyển sang chế độ làm việc liên tục và sự dao
động sẽ xảy ra trong vòng phản hồi nếu bộ khuyếch đại sai lệch không được
thiết kế cho chế độ này.
Để tránh điều này xảy ra T on phải được chọn sao cho giá trị của nó nằm
trong khoảng lớn nhất cho phép (khi Vdc và R 0 ở giá trị thấp nhất). Và để đảm

bảo mạch không chuyển sang chế độ liên tục, khi dòng qua D1 về 0 sẽ có một
khoảng thời gian dự trữ T dt trước lần đóng tiếp theo của Q 1 .

--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
Sinh viên: Phạm Kh¸nh HiƯp
Cao Häc 2005-2007