Đang tải... (xem toàn văn)
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH PUSH PULL CONVERTER
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 Tô Vĩnh Khiêm MSSV: 81101616 Lớp: VP11NL Lê Hoàng Anh MSSV: 41100075 Lớp: VP11VT TPHCM, tháng 5 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 Tô Vĩnh Khiêm MSSV: 81101616 Lớp: VP11NL Lê Hoàng Anh MSSV: 11111111 Lớp: VP11VT TPHCM, tháng 5 năm 2015 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại như truyền thông điện, giao thông, đường sắt, các quá trình điện phân trong công nghiệp hoá chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau… Một cách đơn giản nhất có thể hiểu điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các bộ biến đổi là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Bộ biến đổi push – pull converter là một bộ biến đổi được thiết kế theo kiểu DC – DC. Việc áp dụng nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi push-pull nói riêng và môn điện tử công suất nói chung đã góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hoá cũng như trong đời sống hàng ngày. Giúp nâng cao và cải thiện chất lượng cuộc sống. Đối với sinh viên điện điện tử, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa chúng em đã từng bước tiếp cận môn học. Để có thể nắm vững lý thuyết và áp dụng vào thực tế, ở học kì này chúng em được thầy giáo cho đồ án môn học với đề tài về việc “Sử dụng bộ biến đổi push - pull converter trong điện tử công suất”. Đây là một đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế. Với sự cố gắng của các bạn trong nhóm cùng với sự chỉ bảo của thầy trong bộ môn và đặc biệt là thầy Phan Quốc Dũng đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này. Song với lượng kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn, bản báo cáo thực tập của chúng em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô và bạn về. Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Giới thiệu Bộ biến đổi dùng hai transitor có hiệu quả đặc biệt ở điện áp thấp. Dùng hai transitor để biến đổi DC-DC .Mỗi transitor lần lượt dẫn trong mỗi nửa chu kỳ và không bao giờ cùng dẫn.Khi transitor A dẫn thì cuộn sơ cấp phía trên được cấp điện,tương tự khi transitor B dẫn thì cuôn sơ cấp bên dưới có điện .điện áp đầu ra được lấy bên sơ cấp qua diode ra tải. • Half-Brigde: Dùng 2 transitor biến đổi cho các ứng dụng offline. • Full-Brigde: Dùng 4 transitor – có thể cho công suất đầu ra cao nhất đối với tất cả các loại nguồn kể trên. Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý bộ push pull (half bridge) 1.2. Nguyên lý làm việc Chuyển đổi theo kiểu push – pull hay là chuyển đổi theo kiểu đẩy kéo • Khi chuyển đổi ở Mosfet 1 là ON (chuyển đổi ở Mosfet 2 là OFF) thì năng lượng được chuyển giao cho các phụ tải thông qua biến áp và diode D2 • Khi chuyển đổi ở Mosfet 2 là ON (chuyển đổi ở Mosfet 1 là OFF) thì năng lượng được chuyển giao cho phụ tải qua máy biến áp và diode D1 Chu kỳ cứ lặp đi lặp lại 2 trạng thái ngắt mở của mosfet 1 và 2 tạo điện áp đầu ra liên tục ở đầu ra máy biến áp. • Đặc điểm Dùng hai transitor để biến đổi DC-DC .Mỗi transitor lần lượt dẫn trong mỗi nửa chi kỳ và không bao giờ cùng dẫn. Điện áp đầu vào và đầu ra được cách ly với nhau,đảm bảo an toàn cho người và thiết bị bên đầu vào 5 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Hình 1.2 Giản đồ đóng cắt khóa • Khóa Sw1 đóng: D1 đóng, D2 ngắt • Khóa Sw2 đóng: D2 đóng, D1 ngắt 6 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter • Khóa Sw1. Sw2 ngắt : Dòng qua các cuộn sơ cấp bằng 0: Dòng qua Lx liên tục => D1, D2 đóng ( ) ( ) 0 0 0 0 1 0 2 2 x x L L ON OFF s s p x x s s p i i N V V N V DT D T L L N V V D N ∆ + ∆ = − ÷ ÷ ÷ ÷ + − = ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ⇒ = ÷ ÷ • Độ nhấp nhô áp tụ 0 2 0 1 2 32 x V D V L Cf ∆ − = Hình 1.3 Giản đồ áp ra Vo, dòng qua cuộn cảm ILx, áp cuộn thứ cấp 7 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 2. THIẾT KẾ 2.1. Yêu cầu thiết kế Yêu cầu bộ DC/DC: • Thiết kế bộ biến đổi DC/DC dạng Buck- Boost với các thông số tự chọn như sau: Tần số đóng cắt của khóa 20 s f kHz= Hệ số đóng cắt 0.4D = Các thông số linh kiện 5R = Ω , 100L H µ = , 400C F µ = Điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi 24 s V V= Dựa vào các thông số ở trên và lý thuyết được đề cập ở phần I, tính toán các giá trị điện áp đầu ra, độ nhấp nhô điện áp đầu ra, độ nhấp nhô dòng cuộn cảm, tính toán dòng L I …. Bộ chuyển đổi DC/DC dạng Buck- Boost được mô phỏng trong Psim như dưới đây: Bộ Push Pull • Thường có hiệu suất khoảng 85% ở mức 350W • Có biến áp cách ly với 3 cuộn dây, thời gian đóng cắt khóa là nửa chu kỳ • Cần phải chú ý đền thời gian nạp xả của tụ điện C, đồng thời do biến áp 3 cuộn dây nên vấn đề về từ thông trong các lỏi sắt cần phải được chú ý Sau một thời gian tìm hiểu, bộ DC/DC để cung cấp điện áp 170VDC từ nguồn điện áp 12VDC để cung cấp điện áp cho một bộ DC/AC là cần thiết. Năng lượng cần truyền tải là khoảng 250W, bộ biến đổi tốt nhất trong trường hợp này là bộ Push Pull với hiệu suất 85% và khả năng truyền tải 350W, trong khi bộ Full Bridge và Half Bridge có thể truyền tải đến 1000W và 500W tương ứng. 2.2. Tính toán thông số 8 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Để có thể thích nghi với sự thay đổi của áp đầu ra, đầu bài yêu cầu phải có một bột so sánh áp ra và áp ra mong muốn, bộ so sánh này đương nhiên phải cách ly giữa áp ra và áp vào để tránh làm ảnh hưởng đến thông số của mạch tuy nhiên vẫn phải thực hiện được nhiệm vụ so sánh áp. Mô hình mô phỏng dưới đây là bộ DC/DC chuyển áp từ 12VDC sang 170 VDC. Một pin 12V được kết nối với 2 N-Mos với vai trò là 2 khóa đóng cắt. 2 khóa này sẽ khác nhau về thời gian đóng cắt để dẫn dòng qua cuộn dây của biến áp cách ly. Nếu 2 khóa này hoạt đồng cùng thời gian, nó sẽ gây ngắn mạch nguồn và làm bão hòa biến áp. Cuộn dây biến cáp có tì số biến áp là 1:14 để biến áp từ 12VDC sang 168 VDC. Hình 2.1 Flow chart cho bộ Feed back 9 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Hình 2.2 Sơ đồ mạch push pull (bằng PSIM) Hai Diode ở cuộn thứ cấp tạo ra một mạch chỉnh lưu toàn phần. Để bảo vệ 2 diode này khỏi những gai điện áp, mỗi diode được mắc song song với một mạch bảo vệ RC. Sau đó, điện áp ra được đưa qua bộ lọc LC với vai trò là bộ lọc thông thấp, có nhiệm vụ loại bỏ các sóng hài bậc cao, chỉ cho các sóng hài với tần số nhỏ hơn tần số cắt đi qua. Cuối cùng điện áp ra được cho qua một điện trở R để đem áp ra so sánh về mức 5V Sau khi biến đổi điện áp, ngõ ra được kết nối với một bộ cách ly công suất sau đó đưa ra ngõ vào bộ điều khiển qua một bộ khuếch đại. Sai lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp mong muốn được đưa vào bộ khuếch đại. Vi sai sau khi khuếch đại tiếp tục đi vào một op-apm để phân cực. Tính hiệu phân cực này được so sánh với xung tam giác ở op-amp thứ ba để điều chỉnh thời gian đóng cắt của 2 khóa MOSFET. 2 MOSFET này được nối với nhau qua một cổng chung, để tránh trường hợp cả hai khóa cùng bật một lúc. 10 [...]... đồng bộ chu kỳ đóng cắt cho mỗi khóa 16 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Sau khi tính toán lại các thông số, kết hợp với các linh kiện để bảo vệ mạch, giảm nhiễu, độ gai áp Ta có sơ đồ cuối cùng Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ mạch push pull sau khi tính toán thông số 3.1 Giản đồ áp khóa 17 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Hình 3.3 Giản đồ đóng cắt 2 khóa... hoạt động, do có các gai điện áp, điện áp đạt khoảng 450V Khi mạch hoạt động ổn định, điện áp đạt khoảng 335 như hình 3.6 19 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 3.4 Dòng qua diode Hình 3.7 Giản đồ dòng qua diode xác lập Ban đầu, mạch bắt đầu hoạt động, dòng tăng đột biến, đạt khoảng 50A Khi mạch hoạt động ổn định, dòng đạt khoảng 1.7A như hình 3.6 20 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 4 KẾT... được các linh kiện với thông số thực tế Thiết kế bộ điều khiển khuếch đại Kiểm tra lại kết quả Nhận xét, báo cáo cuối cùng Nhưng vì nhiều lý do, thời gian hạn chế, nên nhóm chưa thực hiện thêm những bộ khác 21 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 5 ỨNG DỤNG CỦA BỘ PUSH PULL Với ưu điểm đóng cắt liên tục hai khóa thì luôn luôn xuất hiện dòng điện tải liên tục trên tải Chính vì vậy bộ Push Pull cho... trở lớn ở ngõ ra Cách thường dùng nhất để thực hiện một bộ cách ly đó là sử dụng một đèn LED và một cảm biến quang Khi đèn LED on, cảm biến quang sẽ được kích hoạt tạo ra dòng điện tương ứng với lượng sáng mà nó nhận được 2.2.6 Bộ khuếch đại vi sai Hình 2.9 Mô hình bộ khuếch đại vi sai 14 Hình 2.8 Mô hình bộ cách ly Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Tín hiệu ngõ ra sau khi được đưa về thang 5V... vào các nghiên cứu đã có, nhu cầu cho 1 bộ biến đổi điện áp 12V-170V DC-DC là cần thiết Cho bộ biến đổi điện áp 250W, mô hình push pull là hiệu quả nhất với hiệu suất lên đến 85% ở 350W Các bộ Half brigde và Full bridge hoạt động với mức năng lượng cao hơn Qua báo cáo này, nhóm đã thực hiện được những việc: • • • • • • Nghiên cứu và kiểm chứng lại lý thuyết Thiết kế được bộ DC DC converter : push pull. .. sẽ là 170 VDC Máy biến áp được sử dụng trong bộ push- pull thường dùng có nhiều cuộn dây Trong phần thiết kế này, ta chọn máy biến áp có 4 cuộn dây, trong đó 2 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp Số vòng dây cuộn thứ cấp gấp 14 lần cuộn sơ cấp 12 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Kế đến, kích thước lõi và vật liệu được chọn từ “ Magnetics Company” Lõi phải đủ lớn để có thế quấn được các sợi dây có kich... 2.2.8 Bộ điều khiển tỷ số đóng cắt 15 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Chu kì đóng cắt của các khóa được xác định dựa trên áp ra của bộ Converter Nếu điện áp ra chưa đạt được giá trị mong muốn, chu kỳ đóng cắt được tăng lên để cung cấp thêm năng lượng qua cuộn biến áp Khi điện áp ra đạt mức mong muốn, nó sẽ vượt qua mức này, lúc này chu kỳ đóng cắt lại được giảm để giữ giá trị này Ngõ vào của bộ. .. on cùng lúc Bộ bảo vệ RC giảm xóc được mắc song song để bảo vệ diode Bộ giảm xóc có tác dụng làm triệt điện áp quá độ bằng việc hạn chế sự tăng áp đột ngột, không có bộ giảm xóc, điện áp gai sẽ đi qua diode và có thể đánh thủng nó Hình 2.6 Mô hình mạch chỉnh lưu 13 Các bộ biến đổi tĩnh 2.2.4 Push Pull Converter Bộ lọc Sự kết hợp của cuộn cảm L1 và tụ C3 tạo nên bộ lọc thông thấp bậc 2 Bộ lọc thông... DC-DC Converter, Worcester Polytechnic Institute, Department of Electrical and Computer Engineering 2 PGS TS Phan Quốc Dũng, Giáo trình các bộ biến đổi tĩnh 3 Hill, C J Switch Mode Power Supplies Ed C J Hill 15 Mar 1998 29 May 2015 4 Push- pull converter 2006 Wikipedia 29 May 2015 PHỤ LỤC A: LÕI MÁY BIẾN... trong việc lựa chọn transitor đó là tốc độ đóng cắt của transitor 11 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Transior phải có khả năng đóng căt nhanh vì 2 lý do sau đây: 1 Tần số đóng cắt phải tương thích với tần số vận hành của hệ thống, trong trường hợp này là mach push- pull với tần số hoạt động là 50kHz Tuy nhiên, với mạch push- pull, mỗi transitor phải có khả năng hoạt động ở tần số gấp đôi tần . đầu vào 5 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Hình 1.2 Giản đồ đóng cắt khóa • Khóa Sw1 đóng: D1 đóng, D2 ngắt • Khóa Sw2 đóng: D2 đóng, D1 ngắt 6 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter •. ILx, áp cuộn thứ cấp 7 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter 2. THIẾT KẾ 2.1. Yêu cầu thiết kế Yêu cầu bộ DC/DC: • Thiết kế bộ biến đổi DC/DC dạng Buck- Boost với các thông số tự chọn như. 0. 2.2.8. Bộ điều khiển tỷ số đóng cắt Hình 2.10 Mô hình bộ chỉnh áp 15 Các bộ biến đổi tĩnh Push Pull Converter Chu kì đóng cắt của các khóa được xác định dựa trên áp ra của bộ Converter. Nếu