Giáo trình Mạch điện tử công suất và ứng dụng - Chương 6: Bộ nguồn bán dẫn một chiều

Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
CHƯƠNG 6 BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU 
6.1 BBĐ và Bộ nguồn bán dẫn 
6.1 Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu 
6.2 Bộ nguồn xung 
 6.2.1 Sơ đồ bộ nguồn xung dùng nghịch lưu 
 6.2.2 Sơ đồ bộ nguồn xung flyback 
 6.2.3 Điều khiển bộ nguồn xung. 
6.3 Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ: 
Đọc thêm 6 tiết, bài tập 2 
2/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 BBĐ VÀ BỘ NGUỒN BÁN DẪN: 
 Bộ nguồn bán dẫn ≡ BBĐ nhưng đứng trên quan điểm sử dụng 
 SƠ ĐỒ KHỐI: 
 - Mạch công suất: bộ lọc đầu 
vào, bộ biến đổi (mạch điện tử 
công suất) và bộ lọc ngỏ ra. 
 - Khối đo lường 
 - Mạch phát xung, điều khiển 
vòng kín và bảo vệ. 
BÀI TOÁN THIẾT KẾ: 
 - Hai phương án: tải tổng quát 
hay tải cụ thể (ví dụ động cơ) . 
Tải
Lọc
đầu vào
(*)
Phản hồi
Đặt
Lọc
đầu ra
(*)
Bộ
Biến đổi
Mạch
Phát xung
Điều khiển
vòng kín
(*)
Lưới
Bảo vệ
 khối có dấu (*) là có thể không cần 
 - Điều khiển ngỏ ra, hạn chế dòng/áp. 
 - Hạn chế nhiễu: ngỏ vào, ngỏ ra, vô tuyến. 
 - Bài toán khởi động / dừng (soft start). 
3/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
VI.1 BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU BÁN DẪN: 
 Là bộ nguồn cung cấp điện một chiều 
 Có cấu trúc giống nhau cho các loại tải 
 2. Phân loại bộ nguồn một chiều: 
- Theo bộ biến đổi: 
Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ điều khiển pha: 
1. (Biến áp) --> Chỉnh lưu (điều khiển pha) 
2. BBĐ áp AC --> Biến áp tần số lưới--> Chỉnh lưu D 
 Còn gọi là bộ nguồn chỉnh lưu, trong đó ( ) là khối có thể không cần 
 Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ áp một chiều: 
3. [Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ 
4. [Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D 
 Khi dùng nguồn một chiều, các khối [ ] không có. 
4/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Còn gọi là bộ nguồn xung hay cấp điện đóng ngắt (switching power supply) 
 So sánh hai loại: 
Nhóm Ưu Nhược 
Điều khiển pha công suất lớn (MW) tần số đóng ngắt bé (tần 
số lưới) => mạch lọc ngỏ 
ra có trị số lớn 
BBĐ áp một 
chiều 
Tần số làm việc cao nên 
ảnh hưởng hài bậc cao nhỏ
công suất đến 100kw nếu 
dùng transistor 
- Phân loại theo dạng tải: động cơ một chiều, tải điện hóa, điện công 
nghệ, các mạch điện tử . 
Có thể chia làm hai nhóm: 
• tải áp: Tải cần áp ra phẳng, tiêu biểu là thiết bị điện tử. 
• tải dòng: gồm các tải còn lại - không cần áp ra phẳng. 
 - Yêu cầu cách ly nguồn – tải khi dùng điện lưới: 
 Sử dụng biến áp (ghép bằng từ trường). 
5/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Ví dụ bộ nguồn DC: 
VI.2 BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU: 
 1. Các bước thiết kế bộ nguồn bán dẫn: 
 - Thiết kế sơ bộ mạch động lực: 
 yêu cầu => sơ đồ => tính chọn gần đúng các thông số mạch động lực. 
 - Tính toán chính xác để kiểm tra sơ đồ đã chọn: 
 Dùng giải tích – mô phỏng – thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ. 
 Có thể thực hiện nhiều thiết kế sơ bộ và sẽ chọn ra thiết kế tối ưu 
 - Tính toán hệ thống điều khiển và bảo vệ, lập bản vẽ lắp đặt và xây 
dựng quy trình thi công, thử nghiệm, hiệu chỉnh. 
 2. Thiết kế sơ bộ chỉnh lưu điều khiển pha (ĐKP): Gồm các bước sau: 
 - Chọn sơ đồ chỉnh lưu 
 - Tính toán chế độ hoạt động: điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR 
 - Tính chọn chỉnh lưu và biến áp 
6/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 - Tính chọn mạch lọc ngỏ ra 
 a. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: xem xét các yếu tố 
• Có sử dụng biến áp (BA) hay không: 
• Một pha hay nhiều pha: 
• Sơ đồ tia hay cầu: 
 Cầu điều khiển hoàn toàn (SCR) hay không hoàn toàn (SCR + D): 
• Sử dụng các sơ đồ đặc biệt: 
 - nối tiếp, song song các bộ chỉnh lưu: 
 - Sơ đồ 6 pha có kháng cân bằng 
 - Sử dụng BBĐ áp AC ở phiá sơ cấp biến áp và dùng chỉnh lưu diod ở 
thứ cấp: 
¾ Áp ra bé (chục V) và dòng tải lớn (hàng nghìn A): 
¾ Áp ra lớn (chục nghìn V), dòng ra bé (chục A) 
7/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
b. Tính toán điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR: 
• áp ngỏ ra phụ thuộc áp cung cấp và góc kích SCR 
• Sụt áp trong mạch bao gồm: 
 - Sụt áp trên chỉnh lưu: 1 V/ Diod và 2 V / SCR 
 - Sụt áp do chuyển mạch khi dòng liên tục. 
 - Sụt áp nguồn hay biến áp 
 Khi tính toán sơ bộ, sụt áp tổng cộng 15% - 20%, góc kích SCR tối thiểu 
là 10 – 15o. 
Nếu sơ đồ không dùng biến áp: góc điều khiển pha tối thiểu αmin < (40 
- 50O) 
Góc kích tối đa: Thường chọn khoảng 150 O 
Ví dụ 1: Chọn sơ đồ và tính thông sớ cơ bản của bộ chỉnh lưu 
220VDC/100A dòng cho điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập, lưới 
công nghiệp 380VAC ba pha. 
8/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
c. Tính chọn chỉnh lưu và biến áp: 
- Định mức áp chỉnh lưu: giá trị max của áp dây. 
 - Định mức dòng chỉnh lưu và dòng qua BA (nếu có): 
 Để tính dòng, cần chọn dạng dòng theo loại tải nhằm nâng cao độ chính 
xác cho thiết kế sơ bộ. 
 Ví dụ tính toán: 
1. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 400 V/ 
200A từ lưới điện 3 pha 380V (áp dây): chọn sơ đồ, tính toán các thông số hoạt 
động của bộ chỉnh lưu điều khiển pha, tính dòng trung bình, áp ngược cực đại 
SCR, dòng hiệu dụng qua các phần tử mạch khác. 
2. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 180 V/ 
20A từ lưới điện công nghiệp 220V/380V: 
9/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
d. Tính chọn mạch lọc ngỏ ra: 
 Một số bộ nguồn một chiều có mạch lọc: 
 - Bộ cấp điện cho các mạch điện tử : lọc LC hình Γ. 
 - Các bộ nạp accu công suất lớn lọc L nối tiếp. 
 - Một số trường hợp bộ nguồn xi mạ kim loại có lọc LC. 
3. Điều khiển bộ nguồn chỉnh lưu: 
Bao gồm: 
- Mạch phát xung + giới hạn góc kích max/min 
 + định góc kích ban đầu (150o nếu làm việc 1 cực tính) 
- Khối bảo vệ: dòng / áp (vào – ra) 
- Khối điều khiển vòng kín 
10/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
VI.3 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY): 
 1. Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính: 
Mạch ổn áp đóng ngắt có những đặc điểm: 
- Ưu: hiệu suất cao, giảm được kích thước tản nhiệt và giá thành. 
- Nhược: có nhấp nhô áp ra. 
oV
V
Điều khiển
oI
ΔV
+
_
Q1
Tải
 Hình VI.3.1 Ổn áp tuyến tính 
i
v
V
o
o
Io
C
S1
D1
+
_
L
 Hình VI.3.2 Ổn áp đóng ngắt 
bộ nguồn xung = chỉnh lưu diod đầu vào + ổn áp đóng ngắt. 
Sơ đồ khối: 
3. [Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ 
11/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
4. [Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D 
2. Cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung) sử dụng nghịch lưu: 
V
S1
+
_ S2
D1
D2
C1
C2
T1
T1
L1
C3
mạch động lực 
Uđk
u
ĐB
S1
S2
Dao động tam giác
1
2
3
4
5
6
2
CLK
Q
- Q
 mạch điều khiển điều rộng xung dẩy kéo 
12/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Ví dụ tính toán: Tính toán mạch động lực bộnguồn xung: ngỏ ra 5V/20 A, 
ngỏ vào 260 VDC. 
V
S1
+
_ S2
D1
D2
C1
C2
T1
T1
L1
C3
oI
Thứ cấp biến áp
sau chỉnh lưu
áp Sơ cấp biến áp
vo
io
- Chọn tần số ngỏ ra 20 Khz, độ rộng xung tương đối α = ton/T= 0.5. 
=> biên độ sau chỉnh lưu 5/0.5 = 10 V. 
=> biên độ thứ cấp: 10 + 0.6 = 10.6 V; tỉ số biến áp: 260 / (2 * 10.6) = 12.3. 
- trị trung bình dòng qua L1 (chính là dòng tải Io) = 20 A. 
- dòng trung bình qua D: kat. Io = 1.5 * 20 = 30 A; 
- áp qua D > 10 V: chọn 25 V, loại diod: Schotky. 
- Dòng hiệu dụng thứ cấp 20 / 2 14 A= ; sơ cấp: 14 / 12.3 = 1.2 A 
13/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Chọn ngắt điện nghịch lưu: theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A 
Chọn transistor đóng ngắt công suất, dòng định mức 5 A / 600 V. 
 5. Sơ đồ bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx: 
14/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 6. Sơ đồ bảo vệ quá áp cho ngắt điện trong bộ nguồn xung Flyback: 
R
Q
v
D
V
D
C
C
Tv
Q on
v
C
Q off
D
t
v
2V
V
 Bài tập: Từ mô tả hoạt động của bộ bảo vệ xung áp, biện luận sự ảnh 
hưởng lên điện áp vD lúc Q khóa của việc thay đổi giá trị điện trở R. 
7. Sơ đồ bộ nguồn xung dùng BBĐ áp một chiều loại Forward: 
15/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Bài tập: Vẽ dạng dòng áp trên các phần tử 
mạch điện hình VI.3.4 bên, hãy cho biết 
nguyên lý để chọn số vòng cuộn dây trả năng 
lượng 
V+
T1
Q
L1
D2
D1
C1
VI.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU: 
 1. Bài toán điều khiển bộ biến đổi (BBĐ): 
- đảm bảo chất lượng ngỏ ra trong chế độ tĩnh (xác lập) và động (quá 
độ) 
- Hạn chế dòng điện qua BBĐ. 
- Điều khiển quá trình khởi động và dừng BBĐ (soft start/stop): 
=> Sử dụng hệ thống điều khiển (HTĐK) nhiều vòng (điều khiển trạng 
thái hay tọa độ) 
16/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng 
 Nạp accu: Ổn dòng hạn áp 
I
U
U
I
lv
gh
2. HTĐK tọa độ: 
+ P2 _ PID 
ĐKx1
x2 PID 
x1
P1
Đối tượng 
+ 
phản hồi 
_
ĐKx2
đặt1 đặt2 
17/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Hệ thống điều khiển bao gồm: 
- đối tượng điều khiển: nhiều khối quán tính nối tiếp P1, P2,  có ngỏ ra 
là những thông số x1, x2,  cần điều khiển. 
- Các bộ điều khiển hay hiệu chỉnh (HC) nối tiếp ĐKx1, ĐKx2,  có 
ngỏ ra bão hòa tạo thành nhiều vòng phản hồi âm. 
Bình thường, ĐKx2 xác định ngỏ ra HT là x2 theo đặt2. Khi nó bão 
hòa, ĐKx1 sẽ giữ ngỏ ra tương ứng (là x1) ở giá trị mong muốn là mức bão 
hòa của ĐKx2. 
 Ví dụ 1: Với bộ nguồn một chiều: 
 Vòng ngoài là điều khiển điện áp x2 = U, 
vòng trong là điều khiển dòng điện x1 = I. 
 Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng 
 Nạp accu: Ổn dòng hạn áp 
I
U
U
I
lv
gh
18/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
+ P2 _ PID
ĐKx1
x2 PID
x1
P1
Đối tượng 
+
phản hồi 
_
ĐKx2
đặt1 đặt2 
Quan sát: Hai bộ nguồn ổn áp có hạn dòng (bộ cấp điện ổn áp) và ổn dòng có 
giới hạn áp (bộ nạp accu) có cùng sơ đồ điều khiển, chỉ khác cách vận hành. 
 Ví dụ 2: HT điều khiển nhiệt 
 Ví dụ 3: HT truyền động điện 
 3. Hiệu chỉnh HT hệ thống điều khiển tọa độ: 
 a. Nguyên lý hiệu chỉnh: 
19/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
+ P2_ PID 
ĐKx1 
x2PID 
x1
P1
Đối tượng
+ 
phản hồi
_
ĐKx2 
đặt1 đặt2 
Đối tượng công nghiệp: 
1
. ( 1)=
= +∏n ii
KW
s T s
 (khối quán tính ) 
=> sử dụng hiệu chỉnh PID. 
( 1)( 1)/ a bp i d
i
T s T sHC K K s K s
T s
+ += + + =
- hiệu chỉnh PID lần lượt các vòng từ trong ra ngoài 
- Các vòng trong không được phép hiệu chỉnh thành đặc tính có dao 
động nếu dùng PP khử cực – zero. 
b. Hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ): 
có dạng: 
Ki: khác zero làm cho HT vô sai, 
quá bé kéo dài thời gian xác lập, 
20/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
( 1)( 1)/ a bp i d
i
T s T sHC K K s K s
T s
+ += + + = tăng cao gây dao động. Kp: quyết định sai số HT khi Ki = 0, 
cùng với Kd chỉnh định chất lượng 
động học HT. 
Khi cho các hệ số bằng 0, ta nhận được các sơ đồ điều khiển P, PD, I, PI: 
Hiệu chỉnh P 
1= =p
i
HC K
T Hiệu chỉnh I 
1/= =i
i
HC K s
T s 
Hiệu chỉnh PD 
( 1)+= + = ap d
i
T sHC K K s
T 
hiệu chỉnh PI 
( 1)/ += + = ap i
i
T sHC K K s
T s 
Hiệu chỉnh PI dùng cho các HT có mức nhiễu lớn. 
Bài tập: chứng minh có thể ổn định đối tượng có hàm truyền 
1
. ( 1)=
= +∏n ii
KW
s T s
 bằng bộ hiệu chỉnh PID bất chấp bậc n của mẫu số 
Ví dụ ứng dụng hiệu chỉnh PI mạch điện tử: 
MẠCH TẠO HÀM DỐC Thiết kế mạch PI dùng OPAM: 
21/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
R1
D1 R3
Vo
U1
7
3
2
4
6
U2
7
3
2
4
6
R4
V
POT1
0.01uF 10k
POT2
--V
C1
wđ
 wđ
0 tkđ t
Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP 
VR1
Uđặt
R1
R2 1/sC
-Ufhồi
U3B
5
6
7
T4
 1 2
=>Uđặt = Ufhồi
R R=
 bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx 
c. Các bước để tìm thông số PID thực nghiệm: 
22/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
bước 1: Cho Ki, Kd = 0, tăng dần Kp đến khi HT gần có dao động 
bước 2: tăng Ki đến khi HT có đáp ứng dao động 
bước 3: tăng Kd (nếu có sử dụng) và/hay tinh chỉnh Kp, Ki (nếu cần) để 
HT có đáp ứng mong muốn. 
d. Ý nghiã thực tiễn của hiệu chỉnh tọa độ: 
- Các máy móc công nghiệp (thường là các khối quán tính nối tiếp) chỉ 
cần hiệu chỉnh PID. 
- Bộ hiệu chỉnh PID có sẵn trong các bộ biến đổi hay điều khiển công 
nghiệp, chỉ cần chỉnh thông số (bằng cách quan sát đáp ứng). 
- hiệu chỉnh tọa độ (nhiều vòng) cho phép điều khiển nhiều thông số 
của quá trình, đáp ứng yêu cầu của máy móc công nghiệp 
e. Bộ tạo hàm dốc (RAMP): 
23/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Nguyên lý hoạt động: 
R1
D1 R3
Vo
U1
7
3
2
4
6
U2
7
3
2
4
6
R4
V
POT1
0.01uF 10k
POT2
--V
C1
wđ
 wđ
0 tkđ t
Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP 
 - luôn có trong các BBĐ, thực hiện chức năng soft start (khởi động mềm) 
 - điều khiển quá trình khởi động 
 - Chống vọt lố trong các HT điều khiển có tích phân.