Chương 2. NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC
2.4 Lựa chọn thiết bị động lực
Với cấu trúc SEPIC đã chọn như ở trên (hình 2.8), thành phần mạch động lực của cấu trúc bao gồm:
- Tụ đầu vào, đầu ra Cin, Cout; - Cuộn dây đầu vào, đầu ra L1, L2; - Tụ cách ly Cs giữa đầu vào và đầu ra - Diode D ở đầu ra
- Khóa chuyển mạch, ở đây sử dụng Mosfet Các thông số của mạch SEPIC
- Công suất đầu ra………. 250W
- Điện áp đầu vào nhỏ nhất……….... 12V - Điện áp đầu vào lớn nhất ……….20V - Dòng điện đầu ra lớn nhất ………10A
- Điện áp đầu ra ………. 15V
- Tần số đóng cắt……… 330kHz
- Độ nhấp nhô dòng điện cuộn cảm………... 40%Ipk - Hiệu suất của bộ biến đổi……… 90%
Để chiếu sáng đường, ta sử dụng bộ đèn Led công suất 24W, từ đó tính ra công suất của acquy.
Acquy cung cấp dòng định mức 2A (24/12) cho bộ đèn trong thời gian làm việc 8 giờ, liên tục trong 3 ngày – đây là hệ số dự trữ của hệ thống trong trường hợp thời tiết khắc nghiệt, không có nắng để sạc điện vào acquy. Dung lượng acquy cần dùng là:
2.8.3 = 48Ah.
Chọn sử dụng acquy AGM MK 8A22NF – 63 Ah, đây là loại acquy có thể không sạc trong vòng 100 giờ, phù hợp với yêu cầu thiết kế. Acquy AGM là loại kín, khối lượng gọn nhẹ, hiệu suất sạc acquy cao với đặc tính làm việc tương tự như acquy Gel Chì.
Bảng 2. 1 Các thông số cơ bản của bộ sạc acquy
Các thông số cơ bản Kí hiệu Giá trị
Công suất hệ thống pin P 250W
Điện áp hệ thống Acquy VBAT 12V
Điện áp đầu vào bộ biến đổi Vin 12-20V
Dòng sạc tối đa Imax 10A
Tần số switching Fsw 330kHz
Phương pháp điều khiển PWM
Hiệu suất bộ biến đổi H 90%
Tính chọn kết cấu bộ SEPIC
Để tính toán cho bộ biến đổi Sepic, ta biết rằng điện áp đầu ra của bộ biến đổi chính là điện áp nạp cho acquy nên Vout = 15 V và điện áp đầu vào là điện áp từ pin mặt trời. Tùy theo từng điều kiện mà điện áp pin mặt trời có thể thay đổi. Điện áp của pin mặt trời phải lớn hơn điện áp của acquy để acquy có thể được nạp điện. Thông thường, điện áp ở vào khoảng từ 12 – 20V, tùy vào cường độ nắng. Do đó, điện áp vào của bộ biến đổi là Vin min = 12V, Vin max = 20V.
Ta lựa chọn LM3478 để điều khiển đóng cắt mosfet. LM3478 có tần số đóng cắt là 330 kHz.
2.4.1 Tính hệ số D
Giả thiết rằng điện áp ngược đặt lên diode là Vd = 0,5V
D= Vout+Vd
V¿+Vout+Vd (2.9)
Dmax khi điện áp đầu vào nhỏ nhất.
Với Vout = 15V, Vin min = 12V, ta có Dmax = 0,56 2.4.2 Tính chọn cuộn dây L1, L2
Độ gợn sóng giữa các đỉnh dòng điện max – min qua cuộn dây là 40%.
Độ gợn sóng dòng điện qua cuộn dây L1 là:
∆ IL1=Iout. Vout
V¿min.40 % (2.10)
¿2.15
1240 %=1A
Giá trị cuộn dây L1, L2 được tính như sau:
L1=L2=L= V¿∈¿
∆ IL1. fsw
. Dmax¿ (2.11)
¿2,04. 10−5H
Chọn cuộn dây L1 = L2 = L = 22μHH
Dòng điện lớn nhất đi qua cuộn dây L1, L2 lần lượt là:
IL1p=Iout.V+Vd
U¿min (1+40 %2 ) (2.12)
¿2.15+0,5
12 (1+40 %2 )=3,1A
IL2p=Iout(1+40 %2 ) (2.13)
¿2.(1+40 %2 )=2,4A
Do bộ biến đổi làm việc ở chế độ liên tục nên tổn hao trên dây quấn của cuộn dây là rất nhỏ, do đó hình dáng và kích thước lõi không quan trọng.
2.4.3 Tính chọn MOSFET Dòng điện lớn nhất Mosfet là:
IQ1 = IL1p + IL2p = 3,1 + 2,4 = 5,5 A Dòng điện hiệu dụng là:
IQ1(rms)=Iout.√(Vout+V¿minV+V¿min2 d)(Vout+Vd) (2.14)
IQ1(rms)=2.√(12+15+0,5122)(15+0,5)
¿3,44A
Cực máng phải chịu được điện áp lớn hơn điện áp Vin + Vout (27-32V) Ta chọn mosfet WFP630.
2.4.4 Chọn Diode đầu ra
Điện áp ngược định mức của diode phải lớn hơn tổng điện áp Vin + Vout
và dòng điện trung bình qua diode phải bằng dòng điện ở chế độ đầy tải.
Ở đây ta chọn diode Mbr 1060 có Iđm = 10A, Uđm = 60V.
2.4.5 Chọn tụ cách ly Chọn tụ sứ 10uF
Dòng điện hiệu dụng (RMS) của tụ Cs là:
Ics(rms)=Iout.√VVd+¿(min)Vout (2.15)
¿2.√0,5+1512 =2,73A
Độ gợn sóng của điện áp:
∆ Vcs=Iout. Dmax
Cs. fs (2.16)
¿ 2.0,56
10.10−6.330 .103=0,342V
Với tụ đã chọn thì độ gợn sóng của điện áp qua tụ thỏa mãn yêu cầu ∆V =< 5%.
2.4.6 Chọn tụ đầu ra:
Dòng điện hiệu dụng của tụ đầu ra ICout = Ics(rms) = 2,73 A
Giả thiết rằng độ gợn sóng của điện áp đầu ra là 2%. Điện trở trong (ERS) của tụ đầu ra là:
ERS ≤ Vr.0,5 IL1+IL2
=0,02.15 .0,5
3,1+2,4 =0,0272Ω=27,2mΩ(2.17) Điện dung của tụ là:
Cout≥ Iout. Dmax
Vr.0,5. fsw= 2.0,56
15.0,02 .0,5.330000(2.18)
V = 1,4.Vout = 1,4.15 = 21V.
Do đú chọn tụ cú C = 22àF và điện ỏp chịu đựng là 35V.
2.4.7 Chọn tụ đầu vào
Dòng điện RMS của tụ đầu vào là:
ICin=∆ IL
√12(2.19)
¿ 1
√12=0,29A
Chọn tụ đầu vào cú giỏ trị Cin = 10àF.