Giáo trình Mạch điện tử công suất và ứng dụng - Chương 4: Bộ biến đổi áp một chiều

 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 3. Khảo sát bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II: 
U
_ D2
+
S2 Uo
D1
oi
S1
 Khi io đão chiều được, không có chế 
độ dòng gián đoạn. 
 Các công thức như cũ: 
Hình IV.1.6: Các trường hợp dòng điện 
của BBĐ làm việc nhiều hơn ¼ mặt 
phẳng tải 
 ono
t UU U
T
α⋅= = . oo U EI R
−= ( )1UTI L α αΔ = − 
 io >> 0 : S1, D2 dẫn điện 
 io << 0 : S2, D1 dẫn điện 
 io quanh zero: cả 4 ngắt điện đều làm việc 
10 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Ví dụ 4.2: Khảo sát BBĐ áp một chiều hình IV.1.2 (b) vói nguồn U = 100 volt, sức 
điện động tải E = 40 volt, R = 5 ohm, L = 1 mH, T = 100 micro giây. Vẽ dạng dòng ra 
trong các trường hợp độ rộng xung tương đối α lần lượt là 0.5; 0.3; 0.2. 
Ví dụ 4.2: Sơ đồ BBĐ bao gồm D1 và S2 
(hình IV.1.7 dùng để chuyển năng lượng từ tải E 
về nguồn một chiều U có điện áp cao hơn nó còn 
gọi là BBĐ tăng áp (trường hợp (c ) của hình 
II.1.6). 
 4. Khảo sát bộ biến đổi làm việc bốn 
phần tư mặt phẳng tải: 
Hình IV.1.7: BBĐ tăng áp 
ui
S1
+
S4
S3
U
S2_
o
D3
D4
D1
D2
o
11 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 sơ đồ cầu (cầu H) sơ đồ hai nguồn 
 BẢNG TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CẦU (hình IV.3.1c) 
STT Cách điều khiển Phần tư làm 
việc 
Đặc điểm 
1 Điều rộng xung 1 4 3 2S S S S= = = 4 phần tư, thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp 
nhô dòng cao ; lưu ý trùng dẫn 
2 Điều rộng xung S1, S4 cho áp ra > 0, 
Điều rộng xung S2, S3 cho áp ra < 0 
I , hay 
III 
Điều khiển đơn giản; ít tổn hao; 
không thể trùng dẫn; không đảo 
chiều dòng tải được. 
3 Điều rộng xung 1 2S S= cho điều 
khiển áp, 
4 3S S= để chọn chiều áp 
I, II hay 
III, IV 
đảo chiều áp ra cần thay đổi luật 
điều khiển; ít tổn hao; lưu ý trùng 
dẫn 
4 Điều rộng xung 1 2, 4 3S S S S= = 
Và 1 4( )S S wt π= − 
4 phần tư, thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp 
nhô dòng thấp; lưu ý trùng dẫn; 
điều khiển phức tạp 
 Chia làm hai nhóm: 
 - Điều khiển hoàn toàn: 1, 4 
 - Điều khiển không hoàn toàn: 2, 3 
12 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Ví dụ: điều khiển 3241 SSSS === 
( )2 1max min α αΔ = − = −UTI I I L 
với α = tON/T; tON là thời gian ON của 
S1, S4: 
 ( ) ( )1 2 1o on onU U t U T t UT α= ⋅ − − = −⎡ ⎤⎣ ⎦ 
 OO
U EI
R
−= , 
, 
13 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Ví dụ: Đóng ngắt S1, S4: 
 Chỉ làm việc ở phần tư thứ I: 
 io > 0 ; Uo = α.U 
D3
U
o
_
+
S1
D2
S4
i
Uo
(b1) 
Hình IV.1.10 (a) Mạch tương đương 
 (b) áp ra tải R (a) áp ra tải RL 
 Bài tập: Khảo sát hoạt động của BBĐ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải, điều khiển 
theo thuật toán thứ 4 trong bảng phương pháp điều khiển. 
14 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 5. Khảo sát sóng hài áp dòng trên tải RLE: 
 a. Sóng hài điện áp: 
 Khai triển Fourier cho áp ra vO hình IV.1.3.b 
(trường hợp dòng liên tục): 
 ( )1
2 1
1n
n on
on on
UU nwt
n
tg nwt nwt
π
θ −
= −
⎡ ⎤= −⎣ ⎦
cos
sin / cos
U
on
T
t
t
 b. Sóng hài dòng điện tải RLE: 
Sóng hài dòng điện tải RLE được tính khi áp dụng nguyên lý 
xếp chồng, dòng hiệu dụng của thành phần bậc n : 
 ( )22
n
n
UI
R nwL
=
+ 
 BT: Tính mạch lọc LC ngỏ ra BBĐ khi tải R để có nhấp nhô áp cho trước: 
Tính bằng số: U = 24 V, f = 10 kHz, a = 0.6, R = 10 ohm và ΔU ngỏ ra yêu cầu 
bằng 20 mV. 
15 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 HD: chỉ tính với thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1) 
IV.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK: 
D
u
_
T
L2Io
i
L
CS2
UU
D
IoL
i
D
n:1
i
(a)
C
i
C
(b)
u
D
L2
i
(c)
S1
L
Ci
(d)
_
L
s Io
ii
C
+
S1
U
s
L2
L
C
C
u
+
i
u
S1
uL1
D
s
L1
Io
S1
C
C
L1
+
U
i
i
+
C Cu_
i
_C
 Hai pha hoạt động: 
16 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
Ngắt điện đóng (ON): Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn 
Ngắt điện ngắt (OFF): Cuộn dây phóng năng lượng qua tải và nạp năng lượng vào tụ. 
 1. Khảo sát sơ đồ căn bản: 
 Các giả thiết: điện áp, dòng điện đều biến thiên tuyến tính, điều kiện: 
 - Chu kỳ đóng ngắt T << chu kỳ cộng hưởng LCπ2 . 
 - Tải nguồn dòng Io. 
Io
i
_
is
S1 D
C
U
+
L
uL
CL
i
u
C
 Khảo sát chế độ tựa xác lập: 
 - Khi 0 < t < tON : S1 đóng. L nạp năng lượng từ nguồn: 
 min min( ) ( ) L on on L L on on
U Ui t t I I I i t I t
L L
= + ⇒ Δ = Δ = − = 
17 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 C phóng điện qua tải: 
 max max ( )o oC C C on on
I Iu t U U V u t t
C C
= − + => Δ = − = 
Io
i
_
is
S1 D
C
U
+
L
uL
CL
i
u
C
 - Khi t > tON : S1 ngắt, dòng qua cuộn dây phóng điện qua C và tải: 
 ; C LL C L C
du dii Io i Io C u u L
dt dt
= + = + = − = 
 Gọi là trị trung bình dòng qua L, trị trung bình áp trên tải. L CI U
 Lấy trung bình hai vế : ; C LL C
U II Io C U L
t t
Δ Δ= + =Δ Δ 
18 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
1
Thế các giá trị , vào, để ý , ta nhận được:
 ; IV.2.3
L C on
on
C L o
on on
I U t T t
t TU U U I I
T t T t
α
α
Δ Δ Δ = −
= = = − − −
 Trường hợp dòng gián đoạn: 
 Khi 2
I
tT
T
L IoI on
Δ
− ≤= 
 ta có trường hợp dòng qua L gián đoạn (hình IV.2.3): 
 Gọi tx là thời gian có dòng qua L: 
 Thời gian L nạp năng lượng vẫn như cũ: 
 on
UI t
L
Δ = , 
Thờigian tải C xả bằng (T – tx + ton): 
 o x on
IU T t t
C
Δ = − +( ) . 
trong thời gian L phóng năng lượng 
19 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Δt = (tx – ton) : 
 ; C LL C L C
du dii Io i Io C u u L
dt dt
= + = + = − = 
Hình IV.2.3: Dạng áp, dòng BBĐ hình 4.8.a 
dùng để tính toán hoạt động khi dòng gián 
đoạn 
 hay Δ= ΔΔ với 
L
C L
IU L I
t
như cũ và Δ = −x ont t t 
 Suy ra: 
1
2
2 2
 ; 
khi dòng gián đoạn, 
on x on
C L
x on x on x on x on
o
L on x on
x on on
t T t tU TU U I Io C Io Io
t t t t t t t t
L II U T TI t Io t t
L t t U t
− −Δ= = + = + =− − − −
Δ= ⇒ = ⇒ = +−
( )
( )
. . 
 khi Io Ỉ 0 (mạch không tải) áp trên tải tăng đến vô cùng. 
20 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Phương pháp khác 
tiếp cận trường hợp dòng 
gián đoạn: 
 Nguyên lý bảo toàn 
năng lượng: năng lượng 
cung cấp bằng tiêu thụ, 
2
max
2
max
1 . . .
2
.
2. .
o o
o
o
W L I U I T
L IU
I T
= =
=> = 
u
c
on
I
(a)
u
t
I
Δ
T
c
t
o
u
Δ
max
u
c1Δ
c2
S đóng S ngắt
tx
 hay 
2 2.
2. . .
on
o
o
U tU
L I T
= vì max onUI tL= . 
21 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
Mô phỏng BBĐ flyback để kiểm 
tra: 
i
u
C
Io
i
is
D
_
S1
U
Cu
+
L
CL
L
Mạch điện hình IV.2.1a với các 
thông số: U = 20V, L = 30 uH, 
C = 50 uF, T = 50 us, α = 0.3 
và Io lần lượt bằng 1.2A, 2A, 
3.5A, 6A ta có được các kết quả 
hình IV.2.3c. 
Hình IV.2.3c dạng áp dòng mô phỏng dùng PSIM BBĐ 
flyback 
Dạng áp trên tụ giống hình IV.2.3b hơn hình IV.2.3a. Tụ chỉ được nạp điện khi iL > Io. 
 Ta có chế độ biên gián đoạn ở Io = 3.5A. bằng 8.57V. 
 Khi dòng không liên tục, áp ra tăng. (lần lượt bằng 25V, 15V). 
22 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 2. Các sơ đồ khác: Sơ đồ ghép BA: 
1
1
L on
UI t
L
Δ = ; oC onIU U tCΔ = Δ = 
1 1 1
1
2
1
2 1
C
L L L
on
onL
C L C
on
du Tn i i Io C I Io
dt n T t
tdiLu u U U
n dt n T t
⋅ = = + ⇒ = −
= = ⇒ = −
( )
( )
T Io
C
L1
L1
+ i
U
C
i
u
n:1
S1
i
_
CL2
D
u
 - Ghép BA nhiều thứ cấp: 
i
Ci on
i
IU t
C
Δ = ; L onUI tLΔ = 
Trung bình áp ra mỗi cuộn dây thứ cấp: 
 i onCi
on
n tU U
n T t
⎛ ⎞= ⎜ ⎟−⎝ ⎠ 
 - Trung bình dòng điện của cuộn sơ 
cấp: 
1
L i i
ion
TI n I
n T t
⎛ ⎞= ⎜ ⎟−⎝ ⎠∑ 
L2
L1
I2
_
U
+
+
D1
_
L
+
L
i
D3
+
u
D2
I1
U2
S
C1
U3
I3C3
U1
C2
_ _
L3
L
23 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
Bài tậpï IV.2.1: 
 a. Cho sơ đồ hình IV.2.5.(c), áp nguồn U = 260 volt, tần số đóng ngắt f = 20 KHz, 
tải định mức Uo = 5 volt, Io = 5 ampe. Tính các thông số mạch để nhấp nhô áp ra ΔU = 
20 mV, nhấp nhô dòng qua ngắt điện ΔI bằng 50 % trị trung bình. 
 chọn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giây. 
 C = Io*tON/ ΔU = 5*30 E -6 / 20 E -3 = 7.5 E –3 = 7500 uF 
 n =(U * tON)/ [(T - tON )* Vo] = 78 
 IL = (Io * T)/ [(T - tON )* n] = ( 5 * 50) / [(50 – 30)*78] = 0.16 ampe 
 ΔI = 0.16 * 0.5 = 0.08 ampe. 
 => L = (260 * 30 E –6) / 0.08 = 0.0975 H. 
 Dòng cực đại qua ngắt điện S: Imax = IL + ΔI / 2 = 0.20 ampe 
24 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
IV.3 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN BBĐ ÁP MỘT CHIỀU : 
1. PWM (Điều rộng xung) và dùng bộ so sánh có trễ: 
 a. Nguyên lý điều rộng xung: 
 Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) là phương pháp biểu diễn thông 
tin Uđk bằng độ rộng xung α, dùng cho truyền tin hay khuếch đại. 
 Uđk --> Điều rộng xung --> α --> BBĐ áp MC --> lấy trung bình --> UO 
 (điều chế) (xử lý) (giải điều chế) 
25 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Nguyên lý thực hiện: 
 Uđk
uc
Dao động tam giác
 Hai tam giác Obd và Oca đồng dạng: 
max
ON đk
c
t U
T U
α = = 
Trung bình áp ra: .O đk
CMax
UU U U
U
α= = 
t
U
cmax
U
c
on
b
t
a
U
đk
d
oU
0
0
T
b. Điều khiển dùng bộ so sánh có trễ: 
26 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
Bộ so sánh so sánh ngỏ ra Phản hồi và tín 
hiệu Đặt: 
 Đặt > (Phản hồi + Δ) : 
 HT tác động ngắt điện S (đóng) để tăng ngỏ ra. 
Đặt < (Phản hồi – Δ) : 
HT tác động ngắt điện S (ngắt) để giảm ngỏ ra.
Δ: vùng trễ, xác định thời gian đóng – ngắt 
+ Đặt
S1
C
+
i
uo
o
D1
U
Phản hồi
L
_
_
 [Bộ so sánh có trễ] 
Bộ so sánh có trễ kết hợp mạch thay đổi độ rộng α và việc điều khiển hệ thống. 
Nguyên lý này còn có các tên: 
 - điều khiển dùng rơ le có trễ 
 - điều khiển theo áp (dòng) ngỏ ra. 
27 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 2. Mạch điều rộng xung loại dòng điện: 
 Cho phép cùng lúc thay đổi độ rộng xung α và hạn chế dòng qua ngắt điện 
setset
phản hồi
dòngreset
Đặt dòngreset
Dao động
lái MosFET
 RS FF : 
 - SET: đóng ngắt điện S 
 - RESET: khóa ngắt điện S trong 2 
trường hợp: 
 - độ rộng xung tối đa 
 - dòng phản hồi = dòng đặt 
 Nguyên lý thực hiện: 
Dao động
Set
Reset
Đặt dòng
Phản hồi dòng
Điều
khiển áp
R-S F F
Q
S
Shunt
Bộ điều khiển áp cho ra tín hiệu đặt dòng để điều khiển áp ra. 
28 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
3. Mạch lái nửa cầu transistor: 
 - Là thành phần quan trọng của ĐTCS hiện đại, 
 - lái 2 transistor nối nguồn làm việc ngược pha. 
+ -
V+ -
Vn
Khuếch
đại
Q2 mosFET N
Khuếch
đại
OPTO2
1
2
4
3
Q1 mosFET N
V
OPTO1
1
2
4
3
1
OUT
2
 Mạch lái nửa cầu điều khiển độc lập 
Q1
(c)Q2
Q1 Q1
Q1 Q1Q2
thời gian chết
Q2 (a)
Q2
Q1 (b)
 Hình IV.3.6 Tín hiệu điều khiển nửa cầu có 
chống trùng dẫn 
 (a) tín hiệu điều khiển lý thuyến 
 (b), (c) tín hiệu điều khiển thực tế ngắt điện 
với thời gian chết từ 1 đến vài chục micro giây 
 - hiện tượng trùng dẫn: Q1 và Q2 cùng lúc dẫn điện khi ra lệnh đóng ngắt điện khi 
ngắt điện đang dẫn chưa tắt 
 Nguyên nhân: điều khiển đão pha và toff > ton 
 Xử lý: có thời gian chết (dead time) xen kẻ giữa hai tín hiệu điều khiển đóng hai 
29 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 ngắt điện. 
 Ví dụ mạch dùng BJT: 
 - Nhiệm vụ chống trùng dẫn do R5 
phụ trách. 
 - R4, R3 có trị số rất bé làm cho 
Q1 (Q2) tắt nhanh khi Q3 (Q4) bảo hòa 
 - R5 có trị số khá lớn (hàng chục 
kohm) làm cho các mosFET mở chậm. 
 Mạch lái dùng vi mạch: họ vi 
mạch IR21xx (International Rectifier). 
R1
R4
R11
Q2
mosFET N
Q5
R5
Q1 mosFET P
R9
R6
R8
R10
Q4
Q3
R2
OUT
R7
Vn
R3
IN
30 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Mạch lái nủa cầu dùng IR2184, tự cấp điện VB 
 Mạch lái nửa cầu dùng IR2184 
 IN: ngỏ vào (logic 3 đến 5V) 
 Deadtime 0.5 micro giây 
 SD (shut down) là tín hiệu cấm 
 Dòng xung cực đại +1.8A/ – 1.4A 
 khối bảo vệ áp nguồn thấp (UV detect) UV: under voltage 
31 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
IV.4 MẠCH CẢI THIỆN HSCS CỦA BỘ CHỈNH LƯU DIOD: 
 Hệ số công suất của bộ chỉnh lưu diod khá cao ( > 80%), nhưng hạn chế 
do dòng nguồn không sin 
32 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
vC
i
C
Nguồn
i
i
n
C
C
 - Có thể cải thiện, nâng lên đến > 95% 
 Sơ đồ khối bộ nguồn diod có cos ϕ bằng 1: 
 Lưới AC Ỉ Chỉnh lưu D Ỉ [tụ bé Ỉ Mạch cải thiện HSCS Ỉ] tụ lớn Ỉ BBĐ Áp DC 
vC1
i = i
n L
Dạng dòng/áp ra chỉnh lưu 
 có cos ϕ (HSCS) bằng 1 
 Mạch cải thiện HSCS: 
33 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Là bộ nguồn Flyback nạp tụ chỉnh lưu bằng dòng hình sin có biên độ 
thay đổi theo trung bình áp ra: 
i
Nguồn
L
n
i
SC1
L
C2
Đặt dòng
Phản hồi dòng
0
Reset
1
2
3
So sánh
Dao động
S
Set
7
3
2
4
6
Q
RS - FF
Điều khiển áp
Bộ nhân
Shunt
 Ngắt điện S: điều khiển bằng bộ PWM loại dòng điện có tín hiệu đặt là 
xung hình sin có trung bình thay đổi theo áp ra. 
 Tần số đóng ngắt hàng 100 kHZ => dòng nguồn hình sin 
34 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
35 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD 
Được phép mang vào phòng thi 
 Mạch cải thiện hệ số công suất dùng vi mạch MC34262. 
IV.5 ỨNG DỤNG: (đọc tài liệu) 
 1. Ổn áp xung 
 2. Bộ nguồn DC cho thiết bị điện tử 
 3. Điều khiển động cơ DC 
 4. Nghịch lưu