Chương 2. NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC
2.2.1. Bộ biến đổi Buck [1]
Bộ biến đổi Buck là bộ biến đổi cho điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào Vout
< Vin.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi như hình 2.1a
Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck Cấu trúc của bộ Buck bao gồm:
Nguồn áp đầu vào Vin
Diode D song song với nguồn
Khoá chuyển mạch T
Tụ lọc C song song với tải
Cuộn dây L nối tiếp giữa khoá chuyển mạch và tụ C Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Buck như sau:
c)
0
ton toff ton
iL = iout
iout
Khi đóng nguồn “t on”, dòng điện qua cuộn cảm L và tăng dần lên. Tại thời điểm này, tụ C được nạp và đồng thời cung cấp dòng điện cho tải. Chiều dòng điện như hình 2.1b.
Khi ngắt nguồn “t off” cuộn cảm L tích lũy năng lượng từ trường và tụ C tích lũy năng lượng điện trường trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm L có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều dòng điện như hình 2.1c.
Quá trình đóng cắt liên tục tạo ra trên tải một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM. Dòng điện qua tải có dạng xung tam giác như hình 2.2, đảm bảo cho dòng điện liên tục qua tải. Tần số đóng cắt khá cao, đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch.
Van công suất thường sử dụng các van Transistor có tốc độ cao, Mosfet hay IGBT.
Điện áp đầu ra của bộ biến đổi được tính như sau:
Vout=V¿. ton
ton+toff=V¿. D (2.1)
vớiD=t ton
on+toff là độ rộng xung. (2.2)
Hình 2. 2 Dòng điện dạng tam giác trong bộ biến đổi Buck Đặc điểm của bộ biến đổi Buck:
Công suất đầu ra rất lớn so với công suất đầu vào vì sử dụng cuộn cảm, tổn hao công suất thấp nên được dùng nhiều trong mạch giảm áp nguồn DC.
Đơn giản, chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và có lọc đầu ra. Điện
Vi n +
T
L D
C load
Vout +
a)
PWMcontrol
Vi
n t off
c)
Vi
n t on
b)
Bộ biến đổi Boost là bộ biến đổi cho điện áp ra lớn hơn so với điện áp vào Vout
> Vin
Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost như hình 2.3a Cấu trúc của bộ biến đổi Boost gồm:
Nguồn áp đầu vào Vin
Khóa T song song với nguồn áp vào
Điện cảm L mắc giữa nguồn vào và khóa T
Tụ C song song với tải
Diode D nối với tụ C
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi Boost như sau:
Khi đóng van “t on”, dòng điện trong cuộn dây sẽ tăng dần. Dòng điện qua cuộn cảm, qua van và xuống đất. Dòng điện không qua diode D và tụ điện C phóng điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này thì phụ tải được cấp điện bởi tụ C. Chiều dòng điện như hình 2.3b.
Khi mở van “t off”, ở cuối cuộn dây L xuất hiện một điện áp bằng điện áp đầu vào, chiều của dòng điện trong mạch như hình 2.3c.
Điện áp ra tải còn phụ thuộc vào giá trị cuộn cảm L tích lũy năng lượng và điều biến độ rộng xung PWM. Do tần số đóng cắt fc khá cao, cỡ kHz nên bộ biến đổi có khả năng triệt nhiễu công suất và làm tăng công suất đầu ra. Dòng điện qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng điện đầu ra. Van đóng cắt thường là Transistor tốc độ, Mosfet hay IGBT. Diode là diode xung, diode công suất.
Các giá trị dòng điện trong mạch được tính như sau:
iL=iout.V¿−Vout
L (2.3)
Ipk=2Iout max. Vout
V¿min (2.4) Tdon=L. Ipk
Vout−V¿ (2.5)
Vout=(TTon+1)V¿ (2.6) với: Ton- Thời gian mở cửa van, Ipk dòng điện đỉnh
Bộ biến đổi Boost cho điện áp đầu ra lớn hơn so với điện áp đầu vào, do đó công suất đầu vào phải lớn hơn công suất đầu ra. Công suất đầu ra phụ thuộc vào điện cảm L. Hiệu suất bộ biến đổi Boost khá cao, được dùng nhiều trong các mạch nâng áp do nó truyền trực tiếp nên công suất lớn. Dòng điện sinh ra cũng có dạng tam giác, tương tự như trong bộ biến đổi Buck.
Bộ biến đổi Boost có hai chế độ làm việc:
Chế độ không liên tục: Nếu điện cảm quá nhỏ, trong một chu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng nạp năng lượng cho cuộn cảm rồi giảm dần, phóng năng lượng từ cuộn cảm tới tải. Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng trong điện cảm cũng nhỏ, hết một chu kỳ, năng lượng trong điện cảm giảm về 0. Dòng điện đi từ 0 - max – 0.
Chế độ liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, dòng điện trong một chu kỳ của điện cảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình. Chế độ liên tục có hiệu suất và chất lượng tốt hơn.
Đặc điểm của bộ biến đổi Boost: chỉ dùng một van đóng cắt, điện áp ra chỉ phụ
ton toff ton
iL = iout
iout
Vin
+
T off D
load Vout +
c)
C
Vi load n +
T
D Vout
+
a)
PWMcontrol
C
Vin
+
Ton D
load Vout +
b)
C
Hình 2. 4 Giản đồ dòng điện trong bộ biến đổi Boost (chế độ liên tục)
2.2.3 Bộ biến đổi Fly – Back[1]
Fly-back là bộ biến đổi kiểu nguồn xung một chiều truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp. Điện áp ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào, có thể cho nhiều đầu ra.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi Fly –Back như hình 2.5.
Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Fly - Back Cấu trúc bộ Fly – back bao gồm:
Nguồn áp đầu vào Vin
Khóa chuyển mạch T
Biến áp xung
Tụ điện C mắc nối tiếp với tải
Diode D mắc nối tiếp giữa biến áp xung và tụ C
Biến áp xung có vai trò truyền công suất từ đầu vào sang đầu ra. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung và tỷ số biến áp.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Fly – Back như sau:
- Khi van đóng “T on”, dòng điện trong cuộn sơ cấp tăng lên, cực tính của cuộn sơ cấp có chiều như hình 2.5a và ở phía bên thứ cấp sinh ra một điện áp có cực tính dương. Điện áp ở bên sơ cấp phụ thuộc vào tỉ số các vòng dây W1/W2 của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Do diode D chặn nên tải được cấp điện bởi tụ điện C.
- Khi mở van “T off”, cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột, lúc đó bên phía thứ cấp, điện áp đảo chiều qua diode D cấp điện cho tải đồng thời nạp điện cho tụ điện C.
Đặc điểm của bộ biến đổi Fly-back
- Bộ biến đổi có thể cho nhiều điện áp đầu ra với một đầu vào kể cả đảo cực tính.
- Hiệu suất chuyển đổi cao Điện áp đầu ra được tính như sau:
Vout=V¿.W2
W1Ton. f . 1
1−Ton. f (2.7)
Trong đó: f=T1, T = Ton + Toff
Bộ biến đổi Fly-Back hoạt động ở hai chế độ, chế độ liên tục khi dòng qua thứ cấp dương, và chế độ gián đoạn khi dòng qua thứ cấp bằng 0.
2.2.4 Bộ biến đổi Push – Pull (Đẩy – kéo)[1]
Vi n +
Vout +
A B
C
PWM control GND
Np
Np NSNS
Bộ biến đổi Push - Pull là bộ biến đổi truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp và có thể cho điện áp đầu ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi Push – Pull như hình 2.6
Hình 2. 6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Push – Pull.
Bộ biến đổi đẩy kéo (Push – Pull) bao gồm:
Điện áp đầu vào Vin
Biến áp xung
Hai khóa chuyển mạch A, B
Điện cảm L
Tụ điện mắc song song với cửa ra Nguyên lý hoạt động của bộ Push – Pull:
Bộ biến đổi Push – Pull dùng hai van để đóng cắt biến áp xung và tại mỗi thời điểm chỉ cú một van dẫn, mỗi van dẫn ẵ chu kỳ.
Khi van A mở, B đóng, phía sơ cấp Np có điện và cảm ứng sang cuộn Ns
phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cùng cực tính với Np.
Việc đóng cắt liên tục làm cho luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải nên bộ biến đổi Push – Pull cho hiệu suất biến đổi cao, được dùng nhiều cho các bộ Inverter, UPS,…
Giá trị điện áp đầu ra được tính như sau:
Vout=V¿ 2 .n2
n1. f .(Ton , A+Ton, B) (2.8)
Trong đó:
+ n2 = 0,5 cuộn thứ cấp. Cuộn thứ cấp được quấn sau đó chia làm hai.
+ n1: số vòng dây cuộn thứ cấp + f: tần số đóng cắt
+ Ton,A: Thời gian mở van A + Ton,B: Thời gian mở van B
Đặc điểm của bộ biến đổi Push –Pull:
- Tại một thời điểm không được mở đồng thời hai van A, B (van A, B không cùng dẫn), mà mỗi van dẫn nửa chu kỳ.
- Thời gian mở của các van phải chính xác, giữa hai van cần có thời gian chết để đảm bảo hai van không cùng dẫn.
2.2.5 Bộ SEPIC (single-ended primary inductor converter) - bộ nguồn Fly- back cải tiến [3]
Sơ đồ của bộ SEPIC như hình 2.7
Hình 2. 7 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi sepic Cấu trúc của bộ SEPIC gồm có:
Tụ điện đầu vào Cin
Tụ điện đầu ra Cout
Tụ cách ly giữa đầu vào và đầu ra Cs
Cuộn dây L1 ở đầu vào và L2 ở đầu ra
Diode D ở phía đầu ra
- Khi Q1 đóng, cuộn dây L1 được nạp điện từ nguồn vào, cuộn dây L2 nhận năng lượng từ tụ Cs và tụ điện đầu ra cấp điện cho tải như hình 2.8.
Hình 2. 8 Mạch Sepic khi Q1 đóng
- Khi Q1 ngắt, cuộn dây L1 nạp điện cho tụ Cs dòng điện qua cuộn dây L2
có chiều như hình 2.9 qua diode D1 và cung cấp dòng điện cho tải.
Hình 2. 9 Mạch Sepic khi Q1 mở Đặc điểm của bộ SEPIC:
Bộ biến đổi SEPIC điều khiển vòng đóng cắt MOSFET và đầu ra của các diode nhằm làm giảm nhiễu điện từ và sụt áp. Trong nhiều trường hợp, việc này cho phép việc sử dụng các phần điện áp thấp hơn nên có thể giảm chi phí và hiệu quả hơn. Bộ biến đổi SEPIC cũng cung cấp điểm điều chỉnh cho nhiều đầu ra nên có thể không cần dùng đến các khâu tuyến tính.
Tụ Cs cách ly đầu vào và đầu ra và bảo vệ khi có sự cố ngắn mạch phía tải.
Hai cuộn dây giống nhau chiếm không gian nhỏ hơn và chi phí thấp hơn so với hai cuộn dây riêng biệt.
Nhược điểm của bộ SEPIC là các đặc tính điều khiển không tốt như bộ fly- back, tuy nhiên với việc lựa chọn tần số phù hợp với đặc tính biên pha tốt sẽ làm giảm tối thiểu các vấn đề của thiết kế.
Dạng sóng khi đóng ngắt mạch Sepic như sau:
Hình 2. 10 Đặc tính dòng điện khi đóng ngắt mạch Sepic 2.3 Lựa chọn cấu trúc
Từ việc phân tích kết cấu, đặc điểm của từng bộ biến đổi như ở trên ta nhận thấy các bộ biến đổi được chia làm hai nhóm: Nhóm có cấu trúc cách ly: bộ fly-back, bộ push-pull, bộ sepic và nhóm có cấu trúc không cách ly: bộ Buck, boost, buck-boost.
Số mức điện áp ra thay đổi trong các bộ biến đổi (trong đó nguồn Fly –Back cho phép tạo ra nhiều mức đầu ra cùng ổn định);
Các bộ biến đổi khác nhau về công suất biến đổi và hiệu suất. Trong đó, công suất của bộ biến đổi đẩy – kéo là cao nhất so với các bộ biến đổi cách ly nhưng thấp hơn so với các bộ biến đổi trực tiếp. Giá trị công suất truyền trên một đơn vị khối lượng lõi ảnh hưởng đến kích thước và trọng lượng bộ biến đổi. Nếu hiệu suất lõi cao thì khối lượng lõi sẽ thấp và bộ biến đổi nhẹ. Trong các loại lõi biến áp của các bộ biến đổi cách ly thì lõi Ferrit cho hiệu suất cao nhất.
Dựa vào các ưu, nhược điểm của từng bộ biến đổi và yêu cầu của đề tài là sử dụng pin mặt trời cấp nguồn cho chiếu sáng đèn đường bằng đèn Led nên ta chọn dùng bộ sepic.
So với các bộ biến đổi khác, bộ sepic có ưu điểm:
- Điện áp ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với điện áp đầu vào;
- Chỉ dùng một khóa chuyển mạch;
- Cách ly giữa đầu vào và đầu ra bằng tụ điện;
- Hiệu suất cao