TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CLC VIỆT-PHÁP CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH PUSH PULL CONVERTER GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG SVTH: Nguyễn Hoàng Long MSSV: 41101906 Lớp: VP11NL Nguyễn Vũ Bảo Huy MSSV: 21101370 Lớp: VP11NL Tơ Vĩnh Khiêm MSSV: 81101616 Lớp: VP11NL Lê Hồng Anh MSSV: 41100075 Lớp: VP11VT TPHCM, tháng năm 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CLC VIỆT-PHÁP CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH PUSH PULL CONVERTER GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG SVTH: Nguyễn Hoàng Long MSSV: 41101906 Lớp: VP11NL Nguyễn Vũ Bảo Huy MSSV: 21101370 Lớp: VP11NL Tơ Vĩnh Khiêm MSSV: 81101616 Lớp: VP11NL Lê Hồng Anh MSSV: 11111111 Lớp: VP11VT TPHCM, tháng năm 2015 LỜI NĨI ĐẦU Ngày điện tử cơng suất ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp đại truyền thông điện, giao thông, đường sắt, q trình điện phân cơng nghiệp hố chất, nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng khác nhau… Một cách đơn giản hiểu điện tử công suất công nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác biến đổi đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Bộ biến đổi push – pull converter biến đổi thiết kế theo kiểu DC – DC Việc áp dụng nguyên lý hoạt động biến đổi push-pull nói riêng mơn điện tử cơng suất nói chung góp phần giải tốn kĩ thuật phức tạp lĩnh vực tự động hoá đời sống hàng ngày Giúp nâng cao cải thiện chất lượng sống Đối với sinh viên điện điện tử, môn học điện tử công suất môn quan trọng Với giảng dạy nhiệt tình thầy cô khoa chúng em bước tiếp cận mơn học Để nắm vững lý thuyết áp dụng vào thực tế, học kì chúng em thầy giáo cho đồ án môn học với đề tài việc “Sử dụng biến đổi push - pull converter điện tử công suất” Đây đề tài có nhiều ứng dụng thực tế Với cố gắng bạn nhóm với bảo thầy môn đặc biệt thầy Phan Quốc Dũng giúp chúng em hoàn thành đề tài Song với lượng kiến thức cịn hạn chế thời gian có hạn, báo cáo thực tập chúng em không tránh khỏi sai sót hạn chế mong bảo góp ý thầy bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu 1.2 Nguyên lý làm việc .1 THIẾT KẾ 2.1 Yêu cầu thiết kế 2.2 Tính tốn thông số .4 2.2.1 Khóa đóng cắt (Switching) 2.2.2 Máy biến áp 2.2.3 Chỉnh lưu 2.2.4 Bộ lọc .9 2.2.5 Bộ cách ly 2.2.6 Bộ khuếch đại vi sai 2.2.7 Bộ chỉnh áp 10 2.2.8 Bộ điều khiển tỷ số đóng cắt 10 2.2.9 Bộ điều khiển đóng cắt .11 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 12 3.1 Giản đồ áp khóa 13 3.2 Áp ngõ 13 3.3 Áp diode 14 3.4 Dòng qua diode 15 KẾT LUẬN 16 ỨNG DỤNG CỦA BỘ PUSH PULL .17 5.1 Bộ nguồn UPS 17 5.2 Bộ nguồn Inverter ( Biến tần ) 17 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý push pull (half bridge) Hình 1.2 Giản đồ đóng cắt khóa Hình 1.3 Giản đồ áp Vo, dòng qua cuộn cảm ILx, áp cuộn thứ cấp Hình 2.1 Flow chart cho Feed back Hình 2.2 Sơ đồ mạch push pull (bằng PSIM) Hình 2.3 Sơ đồ mạch khuếch đại điều khiển Hình 2.4 Khóa đóng cắt dùng Mosfet diode zener Hình 2.5 Mơ hình loại máy biến áp Hình 2.6 Mơ hình mạch chỉnh lưu Hình 2.7 Mơ hình lọc Hình 2.8 Mơ hình cách ly Hình 2.9 Mơ hình khuếch đại vi sai Hình 2.10 Mơ hình chỉnh áp 10 Hình 2.11 Mơ hình điều khiển khóa .10 Hình 2.12 Mơ hình điều khiển đóng cắt 11 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển 12 Hình 3.2 Sơ đồ mạch push pull sau tính tốn thơng số 13 Hình 3.3 Giản đồ đóng cắt khóa .13 Hình 3.4 Giản đồ áp ngõ 13 Hình 3.5 Giản đồ áp diode chưa xác lập 14 Hình 3.6 Giản đồ áp diode xác lập 15 Hình 3.7 Giản đồ dịng qua diode xác lập 15 Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu Bộ biến đổi dùng hai transitor có hiệu đặc biệt điện áp thấp Dùng hai transitor để biến đổi DC-DC Mỗi transitor dẫn nửa chu kỳ không dẫn.Khi transitor A dẫn cuộn sơ cấp phía cấp điện,tương tự transitor B dẫn cn sơ cấp bên có điện điện áp đầu lấy bên sơ cấp qua diode tải   Half-Brigde: Dùng transitor biến đổi cho ứng dụng offline Full-Brigde: Dùng transitor – cho công suất đầu cao tất loại nguồn kể Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý push pull (half bridge) 1.2 Nguyên lý làm việc Chuyển đổi theo kiểu push – pull chuyển đổi theo kiểu đẩy kéo   Khi chuyển đổi Mosfet ON (chuyển đổi Mosfet OFF) lượng chuyển giao cho phụ tải thông qua biến áp diode D2 Khi chuyển đổi Mosfet ON (chuyển đổi Mosfet OFF) lượng chuyển giao cho phụ tải qua máy biến áp diode D1 Chu kỳ cứlặp lặp lại trạng thái ngắt mở mosfet tạo điện áp đầu liên tục đầu máy biến áp  Đặc điểm Dùng hai transitor để biến đổi DC-DC Mỗi transitor dẫn nửa chi kỳ không dẫn Điện áp đầu vào đầu cách ly với nhau,đảm bảo an toàn cho người thiết bị bên đầu vào Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter Hình 1.2 Giản đồ đóng cắt khóa  Khóa Sw1 đóng: D1 đóng, D2 ngắt V p 1=V S ; V s 1=V S ( ) V Lx=V x −V 0=V S ( ) VS ¿> ( ∆ i Lx ) ON =  ( ) ( ) NS N N ; V S 2=V S S ;V P 2=V S ;V SW 2=2 V S ;V x =V s 2=V S S ; NP NP NP NS −V NP ( ) NS −V NP Lx DT Khóa Sw2 đóng: D2 đóng, D1 ngắt V P 2=−V S ; V p 1=−V S ; V s 1=−V S V x =−V s 2=V S VS ( ∆i Lx ) ON = ( ) ( ) ( ) NS N ; V S 2=−V S S ; V SW 1=2 V S ; NP NP ( ) NS N ;V Lx =V x −V 0=V S S −V NP NP ( ) NS −V NP Lx DT Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter  Khóa Sw1 Sw2 ngắt : Dòng qua cuộn sơ cấp 0: Dòng qua Lx liên tục => D1, D2 đóng  Độ nhấp nhơ áp tụ Hình 1.3 Giản đồ áp Vo, dòng qua cuộn cảm ILx, áp cuộn thứ cấp Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter THIẾT KẾ 2.1 Yêu cầu thiết kế Yêu cầu DC/DC:  Thiết kế biến đổi DC/DC dạng Buck- Boost với thông số tự chọn sau: Tần số đóng cắt khóa Hệ số đóng cắt Các thơng số linh kiện , , Điện áp đầu vào chuyển đổi Dựa vào thông số lý thuyết đề cập phần I, tính tốn giá trị điện áp đầu ra, độ nhấp nhô điện áp đầu ra, độ nhấp nhơ dịng cuộn cảm, tính tốn dịng … Bộ chuyển đổi DC/DC dạng Buck- Boost mô Psim đây: Bộ Push Pull    Thường có hiệu suất khoảng 85% mức 350W Có biến áp cách ly với cuộn dây, thời gian đóng cắt khóa nửa chu kỳ Cần phải ý đền thời gian nạp xả tụ điện C, đồng thời biến áp cuộn dây nên vấn đề từ thông lỏi sắt cần phải ý Sau thời gian tìm hiểu, DC/DC để cung cấp điện áp 170VDC từ nguồn điện áp 12VDC để cung cấp điện áp cho DC/AC cần thiết Năng lượng cần truyền tải khoảng 250W, biến đổi tốt trường hợp Push Pull với hiệu suất 85% khả truyền tải 350W, Full Bridge Half Bridge truyền tải đến 1000W 500W tương ứng 2.2 Tính tốn thơng số Để với thay đầu ra, đầu phải có áp áp muốn, so đương nhiên thích nghi đổi áp yêu cầu bột so sánh mong sánh phải cách Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter ly áp áp vào để tránh làm ảnh hưởng đến thông số mạch nhiên phải thực nhiệm vụ so sánh áp Mơ hình mơ DC/DC chuyển áp từ 12VDC sang 170 VDC Một pin 12V kết nối với N-Mos với vai trị khóa đóng cắt khóa khác thời gian đóng cắt Hình 2.1 Flow chart cho Feed back để dẫn dòng qua cuộn dây biến áp cách ly Nếu khóa hoạt đồng thời gian, gây ngắn mạch nguồn làm bão hòa biến áp Cuộn dây biến cáp có tì số biến áp 1:14 để biến áp từ 12VDC sang 168 VDC Các biến đổi tĩnh 2.2.4 Push Pull Converter Bộ lọc Sự kết hợp cuộn cảm L1 tụ C3 tạo nên lọc thông thấp bậc Bộ lọc thông thấp cho phép tín hiệu có tần số thấp tần số cắt qua, mạch tần số cắt là: 25265 Hz Tuy nhiên lọc lý tưởng, dải thông sau tần số cắt có độ dốc -40dB/Dec 2.2.5 Bộ cách ly Hình 2.7 Mơ hình lọc Để giữ mức điện áp ngõ 170VDC, cần phải điều khiển thời gian đóng cắt switches Bước phải chia nhỏ cách ly điện áp ngõ Điện áp 170 VDC ngõ cần chia nhỏ xuống độ chia 5VDC Để làm điều cần có điện trở lớn ngõ Cách thường dùng để thực cách ly sử dụng đèn LED cảm biến quang Khi đèn LED on, cảm biến quang kích hoạt tạo dịng điện tương ứng với lượng sáng mà nhận 2.2.6 Bộ khuếch đại vi sai Hình 2.8 Mơ hình cách ly Hình 2.9 Mơ hình khuếch đại vi sai Tín hiệu ngõ sau đưa thang 5V nối vào chân (-) op-amp số để so sánh với điện áp chuẩn 5V nối vào chân (+), vi sai sau khuếch đại, tỉ lệ khuếch đại tính tốn dựa điện trở R 10 Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter 2.2.7 Bộ chỉnh áp Sau có tính hiệu sai lệch ngõ ra, cần thiết phải điều chỉnh độ rộng xung điều khiển để tăng giảm thời gian đóng cắt khóa, phải bảo vệ IC khỏi gai điện áp mạch cách ly Dịng điện vào chỉnh áp có quan hệ trực tiếp đến điện áp ngõ ra, từ có mối liên hệ trực tiếp đến điện áp op-amp Điện áp độ lệch mà điện áp cần thay đổi để đạt điện áp mong muốn Tại Hình 2.10 Mơ hình chỉnh áp thời điểm này, vi sai khuếch trả tính hiệu cách nhanh chóng Tuy nhiên, độ lợi thấp, nhiều thời gian để đạt ổn định, độ lợi cao, mạch không ỗn định Sau vi sai khuếch đại, điện áp phân cực cộng vào tín hiệu Điện áp xác định chu kì đóng cắt để đạt áp mong muốn, vi sai 2.2.8 Bộ điều khiển tỷ số đóng cắt Chu kì đóng cắt khóa xác định dựa áp Converter Nếu điện áp chưa đạt giá trị mong muốn, chu kỳ đóng cắt tăng lên để cung cấp thêm lượng qua cuộn biến áp Khi điện áp đạt mức mong muốn, vượt qua mức này, lúc chu kỳ đóng cắt lại giảm để giữ giá trị Ngõ vào điều khiển chu kỳ sóng tam giác tần số 50kHz Sóng tam giác tạo sau cho xung vào omp-ap điện trở tụ điện Hai tín hiệu, tín hiệu điều khiển sóng tam giác đưa vào chân so sánh op-amp, sóng tam giác nối vào chân (-), sóng điều khiển nối vào chân (+).Chân cộng định điện áp để làm Hình 2.11 Mơ hình điều khiển khóa bão hịa khóa MOSFET, tín hiệu điều khiển nhỏ xung tam giác, chu kỳ đóng cắt MOSFET không bật, điến áp điều khiển tăng lên, phần điện áp điều khiển lớn xung tam giác, làm cho so sánh đạt tích cực cao với MOSFET Khi điện áp điều 11 Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter khiển lớn hẳn xung tam giác, chu kỳ đóng cắt 100% Trong mạch push pull, cần tránh chu kỳ đóng cắt 100% để lõi dây khởi động lại 2.2.9 Bộ điều khiển đóng cắt Mục đích việc chuyển mạch điều khiển, làm thay đổi trạng thái MOSFET nhanh tốt Đầu vào mạch điều khiển xung PWM với chu kì đóng cắt hoạt động Điện áp xung đầu vào dựa yêu cầu Mosfet Hầu hết MOSFETs sử dụng thiết kế cần điện áp cổng từ 3,6-6 volt Một yêu cầu quan trọng chuyển mạch điều khiển khả đưa trễ (delay) vào tín hiệu Lý có tín hiệu PWM sinh từ vòng điều khiển (control loop) hai khóa phải Hình 2.12Mơ hình điều khiển đóng cắt phản ứng xác T/2 Việc hai tín hiệu nói vịng điều khiển đạt sớm, kết hợp với thời gian trễ tín hiệu tín hiệu vào khóa Điều đảm bảo tốt việc đồng chu kỳ đóng cắt cho khóa 12 Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Sau tính tốn lại thơng số, kết hợp với linh kiện để bảo vệ mạch, giảm nhiễu, độ gai áp Ta có sơ đồ cuối Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ mạch push pull sau tính tốn thơng số 13 Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter 3.1 Giản đồ áp khóa Hình 3.3 Giản đồ đóng cắt khóa 3.2 Áp ngõ Hình 3.4 Giản đồ áp ngõ Áp ngõ với kết 168V, thơng số tính tốn thực tế, làm sụt áp Tuy nhiên kết xác với lý thuyết với giản đồ lý thuyết Nhận thấy ta tăng giá trị cuộn cảm Lm để ổn áp giai đoạn độ Giá trị lọc LC xác định công thức 14 Các biến đổi tĩnh Push Pull Converter ∆V = 1−2 ( Duty Cycle ) Vout 32 f LC Chọn L= 20uH, C=20uF, điện áp ngõ gần ổn định sau 4ms Điều thể ∆ V thấp Do giá trị LC hồn thành mục tiêu 2% gợn theo mô 3.3 Áp diode Hình 3.5 Giản đồ áp diode chưa xác lập Hình 3.6 Giản đồ áp diode xác lập 15