Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu các bộ băm áp một chiều ứng dụng trong công nghiệp Nghiên cứu các bộ băm áp một chiều ứng dụng trong công nghiệp Nghiên cứu các bộ băm áp một chiều ứng dụng trong công nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hµ néi Luận văn thạc sĩ Nghành Thiết bị điện-điện tử Đề tài: Khảo sát ảnh hưởng tham số nguồn đóng-cắt cung cấp cho thiết bị điện tử công suất nhỏ Học viên : Phạm Khánh Hiệp Nghành : Thiết bị điện-điện tử Khoá : 2005-2007 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thế Công Hà nội, tháng năm 2008 Mục lục Giới thiệu Chương I Bộ nguồn tuyến tính 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.2 Năng lượng tổn hao tranzito m¾c nèi tiÕp 1.3 HiƯu st bé ngn tuyến tính 1.4 ưu, nhược điểm nguồn tuyến tÝnh 4 Ch¬ng II Bé nguån đóng-cắt biến áp cách ly 2.1 Nguyên lý hoạt động nguồn đóng-cắt 2.2 Sơ đồ băm áp nối tiếp Buck 2.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.2.2 Dạng dòng điện băm áp nối tiếp Buck 2.2.3 Hiệu suất băm áp nối tiếp bỏ qua tổn hao đóng cắt 2.2.4 Hiệu suất băm áp nối tiếp tính đến tổn hao chuyển mạch 2.2.5 Tần số tối ưu băm áp nối tiếp 2.3 Bộ băm áp song song Boost 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 2.2.2 Các đặc tính băm áp song song 2.3.3 Chế độ làm việc băm áp song song 2.3.4 Phương trình quan hệ trường hợp chế độ gián đoạn 2.4 Sơ đồ băm có tích luỹ lượng điện cảm Buck-boost 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 2.4.2 Phương trình quan hệ băm áp Buck-boost 2.5 Kết luận Chương III nguồn đóng-cắt có biến áp cách ly 3.1 Sơ đồ băm áp Đẩy- Kéo 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 3.1.2 Các phương trình quan hệ 10 10 11 11 13 13 14 17 18 18 19 20 21 24 24 25 26 27 27 27 29 3.1.3 Hạn chế sơ đồ băm áp Đẩy-Kéo 3.2 Sơ đồ băm áp Forward 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 3.2.2 Các quan hệ điện áp vào/ra, thời gian đóng mạch tỉ số biến áp 3.2.3 Quan hệ dòng điện sơ cấp, công suất điện áp vào 3.2.4 Điện áp lúc cắt mạch lớn đặt lên tranzito 3.2.5 Tỷ số điện áp vào giới hạn công 36 3.2.6 Bộ băm áp forward có số vòng dây không 3.3 Sơ đồ băm áp Nửa cầu Hafl-Bridge 3.4 Sơ đồ băm áp Cầu Full-Bridge 3.5 Sơ đồ băm áp Flyback 3.5.1 Giới thiệu chung 3.5.2 Nguyên lý hoạt động 3.5.3 Quan hệ điện áp điện áp vào, thời gian đóng mạch, công suất tải 3.5.4 Các quan hệ thông số thiết kế 3.5.5 Các nhược điểm Flyback 3.5.6 Chế độ làm việc liên tục Flyback 3.6 KÕt luËn 30 31 31 33 35 36 suÊt 37 40 42 44 44 45 46 46 49 50 53 Chương IV Các thành phần nguồn đóngcắt sơ đồ FLyback 4.1 Tính toán bé nguån cho m¸y tÝnh s¸ch tay(Lap top) 4.2 M¸y biến áp nguồn đóng-cắt 4.2.1 Vật liệu, hình dạng mật độ từ thông đỉnh MBA 4.2.2 Máy biến áp cho sơ đồ Flyback 4.2.3 áp dụng để tính toán cho nguồn Flyback 4.3 Phần tử đóng cắt bán dẫn nguồn đóng-cắt 4.3.1 Tranzito lìng cùc 4.3.2 Tranzito trêng 4.3.3 TÝnh chän van b¸n dẫn cho sơ đồ nguồn Flyback 54 55 55 59 61 64 64 68 73 4.4 Các sơ đồ hỗ trợ chuyển mạch Snubber 4.4.1 Khái niệm 4.4.2 Tổn hao snubber 4.4.3 Hoạt động snubber 4.4.4 Lựa chọn giá trị tụ điện RCD snubber 4.4.5 Bộ snubber làm giảm điện áp xung đỉnh cảm kháng rò 74 74 76 77 78 78 4.4.6 Tính toán snubber cho sơ đồ Flyback sử dụng tranzito trường 4.5 Mạch điều khiển chế độ dòng mạch điều khiển chế độ áp 4.5.1 Khái niệm 4.5.2 Các ưu điểm chế độ điều khiển dòng 4.5.3 Mạch điều khiển chế độ dòng mạch điều khiển chế độ áp 4.6 Vấn đề ổn định vòng phản hồi nguồn đóng-cắt 4.6.1 Tiêu chuẩn hệ số khuếch ổn định mạch điện 4.6.2 Tiêu chuẩn độ dốc hệ số khuếch đại biên độ để ổn định vòng lặp phản hồi 4.6.3 Đặc tính lọc LC có điện trở nối tiếp tương đương 4.6.4 Hệ số khuếch đại điều chế độ rộng xung 4.6.5 Tổng hệ số khuếch đại lọc LC ®iỊu chÕ ®é réng xung, bé lÊy mÉu tÝn hiƯu 4.6.6 Đặc tính tần logarit khuếch đại sai lệch 4.7 Kết luận Chương V Mô nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback PESIM 5.1 Khái niệm chung 5.2 Giới thiệu phần mềm PESIM 5.3 Sử dụng chương trình PESIM để mô nguồn đóng-cắt 5.3.1 Các thông số nguồn đóng cắt Flyback thiết kế 5.3.2 Mô nguồn đóng-cắt Flyback có vòng ph¶n 80 82 82 82 84 88 90 90 93 95 95 96 99 100 101 102 104 106 håi ổn định điện áp sử dụng IC UC3844 Kết luận hướng phát triển đề tài 114 Tài liệu tham khảo 117 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Giới thiệu Điện tử công suất (ĐTCS) đà phát triển ngày hoàn thiện để sử dụng biến đổi tĩnh công nghiệp, thương mại dân dụng Trong thập kỷ gần đây, việc nghiên cứu để biến đổi lượng điện xoay chiều 50Hz thành nhiều dạng khác nhau, yêu cầu phát triển công nghệ điện tử công suất bao gồm thiết bị công suất, phương pháp điều khiển, thiết kế mạch điện, kỹ thuật phân tích máy tính, phần tử thụ động, kỹ thuật tích hợp Do nhu cầu thực tế nên thường sơ đồ mạch ứng dụng thường phổ biến ứng dụng trước phân tích kỹ lưỡng Lấy ví dụ nguồn đóng-cắt sử dụng cách 50 năm phân tích, nghiên cứu cho phép thiết kế mạch cách có hệ thống thực cuối năm 1970 Mạch ĐTCS mạch phi tuyến, làm việc chế độ độ (đóng, cắt) thay đổi theo phát triển công nghệ Vì người thiết kế, nghiên cứu cần thiết phải hoàn thiện sản phẩm với chất lượng cao, giá thành hạ, làm cho thiết bị hoạt động theo chế độ mong muốn tìm cách để loại trừ tượng bất thường Hiện nguồn ứng dụng điện tử công suất có mặt hầu hết thiết bị lĩnh vực sản xuất nhằm tạo nguồn có khả chuyển đổi dạng lượng điện khác từ dòng điện chiều sang xoay chiều, xoay chiều sang chiều; thay đổi tần số, điện áp đầu vào đầu v.v Trong luận văn người thực sâu vào việc tìm hiểu phân tích nguồn biến đổi dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp sang dạng dòng điện chiều công suất thấp có điện áp phù hợp khả ổn định điện ¸p cã sù biÕn ®éng ë ®iƯn ¸p đầu vào tải; phục vụ cho ứng dụng cung cấp điện cho thiết bị điện tử nhá VÝ dơ nh bé ngn cho m¸y tÝnh s¸ch tay, Đối với nguồn người ta đà phát triển thành nhiều dạng sơ đồ có dải ứng dụng trường hợp ứng dụng khác nhau: từ sơ đồ nguồn công suất liên tục nguồn đóng cắt có c«ng suÊt tõ Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - vài oát đến vài chục kilo oát, có tần số hoạt động đến vài MHz với cấp điện áp khác Nội dung luận văn cao học trình bày gồm có nội dung sau: Ch¬ng I : Bé nguån tuyÕn tÝnh Ch¬ng II : Bộ nguồn đóng-cắt biến áp cách ly Chương III : Bộ nguồn đóng-cắt có biến áp cách ly Chương IV : Các thành phần nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback Chương V : Mô nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback PESIM Mục ®Ých cđa ch¬ng I nh»m giíi thiƯu vỊ bé ngn tuyến tính dùng cho trường hợp nguồn có công suất điện áp đầu vào thấp Các ưu nhược điểm sơ đồ tiền đề để phát triển nguồn đóng-cắt Chương II bắt đầu vào giới thiệu sơ đồ nguồn đóng-cắt nhất, thấy ưu nhược điểm trình hoạt động nguồn Từ thấy nguyên nhân khiến nguồn đóng-cắt sử dụng rộng rÃi, từ nguồn công suất nhỏ lớn với hiệu suất chất lượng cao Chương III đề cập tới nguồn đóng-cắt có máy biến áp cách ly, sơ đồ sử dụng nhiều thực tế Trong tập trung sâu phân tích hai sơ đồ Forward Flyback, hai sơ đồ sử dụng chủ yếu cho nguồn công suất nhỏ, nguồn di động Chương IV sâu vào việc phân tích thành phần nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback, khái niệm hoạt động dặc điểm riêng chúng sử dụng nguồn đóng-cắt ảnh hưởng chúng đến hoạt động sơ đồ Từ kết hợp với hai chương II III để thiết kế tính toán phần tử cách cụ thể Chương V chương sử dụng phần mềm PESIM để mô nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback đà tính toán chương IV Để mô được, ta phải thiết lập mô hình PESIM cài đặt thông số cần thiết chương trình hoạt động Sau việc thay đổi thông số Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - mạch điện, ta phân tích, tổng hợp kết mô để thấy tầm ảnh hưởng thông số đến trình hoạt động nguồn, từ lựa chọn giá trị cách hợp lý để có nguồn hoạt động chất lượng tốt, ngăn ngừa tượng bất thường xảy thiết bị điện tử Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Ch¬ng I Bé nguån tuyÕn tÝnh 1.1 CÊu tạo nguyên lý hoạt động Q1 T1 Vac [5] [6] C Io Vo Khuếch đại sai lệch R1 Vdc R2 Vref KĐ dòng (a) Vdc Vdc trung bình Vr ∆ Vmin Vo (b) H×nh 1.1 (a) Bé nguån tuyÕn tính có tranzito Q1 mắc nối tiếp với tải đầu ra, đóng vai trò điều chỉnh trở kháng Mạch phản hồi âm giúp ổn định điện áp Vo - (b) Chênh lệch điện áp đầu vào Bộ nguồn tuyến tính bao gồm biến trở thể tranzito hoạt động chế độ tuyến tính, mắc nối tiếp với tải Điện áp chiều thông qua phân áp R R đem so sánh với điện áp đặt Vref khuếch đại tín hiệu thông qua khuyếch đại sai lệch EA, tín hiệu điện áp EA sau qua khuyếch đại dòng điện dùng để điều khiển tranzito Trong trường hợp điện áp tăng lên điện áp vào tăng giảm tải cực gốc tranzito tương ứng hạ điện áp xuống cách tăng trở kháng hai cực C-E Sự tăng trở kháng điều khiển điện áp giảm xuống để tín hiệu lấy mẫu với tín hiệu đặt Vòng phản hồi âm làm việc tương tự để ổn định điện áp cã Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - sụt giảm điện áp vào dòng tải tăng Trong trường hợp điện áp lấy mẫu khiến cực gốc B trở nên dương hơn, làm giảm trở kháng cực C-E tăng điện áp chiều để điện áp mẫu điện áp đặt Tổng quát thay đổi điện áp vào phụ thuộc độ nhấp nhô điện áp xoay chiều vào hấp thụ qua phần tử biến trở nối tiếp (tranzito) để điện áp ổn định thông qua định hệ số khuyếch đại vòng phản hồi Trong sơ đồ phần tử gián đoạn, tất mức dòng điện, điện áp chiều dự đoán tính toán Không có biến áp vòng lặp ; dòng, áp biến thiên đột ngột (xung áp, xung dòng) Vì chế độ đóng-cắt tranzito nên tổn thất lượng đóng cắt Tất tổn thất tổn thất vật dẫn nên dễ dàng tính toán 1.2 Năng lượng tổn hao tranzito mắc nối tiếp [5] [6] Hạn chế lín nhÊt cđa bé ngn tun tÝnh lµ nã cã tổn hao lượng lớn phần tử tranzito nối tiếp Vì tất dòng tải phải chạy qua tranzito nên lượng tổn hao (Vdc-Vo) Io Giá trị chênh lệch Vdc-Vo nhỏ phụ thuộc vào loại tranzito sử dụng thường 2,5 V tranzito lưỡng cực NPN Khi điện áp chiều vào từ chỉnh lưu dòng thứ cấp MBA, ta cần điều chỉnh cuộn thứ cấp để có điện áp chỉnh lưu V + 2,5V (giả sử thời ®iĨm bé tơ läc ®đ lín ®Ĩ läc c¸c nhÊp nhô điện áp) Nếu giá trị điện áp chiều đầu vào có sai số mà đảm bảo điện áp V + 2,5V điện áp chiều vào giá trị sai số thấp nhất, độ chênh lệch điện áp Vdc-Vo lớn hơn, sù tỉn hao phÇn tư tranzito nèi tiÕp sÏ lớn hiệu suất lượng bị giảm ®¸ng kĨ HiƯu øng hiƯu st thÊp ®iƯn ¸p vào giá trị sai số thấp đáng kể điện áp đầu thấp Điều thấy qua ví dụ sau nguồn tuyến tính: Điện áp 5V 10A Điện áp 15V 10A Điện áp 30V 10A Giả thiết điện áp vào sai sè kho¶ng ±15% Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - B¶ng 1.1 Vo Io Vdc Vdc max Vdc-Vo V A (V) (V) max P in max P o max Tỉn HiƯu hao st Qimax %P (W) P in(max) 10 7,5 9,75 4,75 97,5 50 47,8 51,25 15 10 17,5 22,8 7,75 228 150 78,0 65,9 30 10 32,5 42,25 12,25 423 300 123 71,0 Ta nhận thấy điện áp chiều cao hiệu suất cao đáng kể so với mức điện áp thấp Khi tính đến độ nhấp nhô thực tế điện áp chiều vào với khoảng sai số 15%, hiệu suất trường hợp điện áp 5V vào khoảng 32 ữ 35% 1.3 Hiệu suất nguồn tuyến tính [5] [6] Khi độ nhấp nhô điện áp vào đáng kể cần có khoảng dự trữ tối thiểu 2,5V điểm thấp điện áp vào, điểm thất điện áp xoay chiều vào Hiệu suất nguồn tính sau: Giả sử điện áp vào có khoảng sai lệch T% so với giá trị định mức, cuộn thứ cấp máy biến áp chọn cho điện áp đáy thành phần nhấp nhô lớn 2,5V so với điện áp yêu cầu Cho khoảng điện áp nhấp nhô Vr, điện áp trung bình hay điện áp chiều đặt lên tranzito V +2,5+(Vr/2) điện áp vào giá trị sai số thấp T% hình 1.1b Nhưng điện áp vào xoay chiều giá trị sai số lớn +T% điện áp chiều vào phần tử tranzito Vdc (max) = + 0,01.T (Vo + 2,5 + Vr / 2) − 0,01T HiƯu st cao nhÊt x¶y điện áp vào lớn hay công suất vµo lín nhÊt: η (max) = Po Pin(max) = Vo I o Vdc (max) I o = Vo Vdc (max) (1.1) Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Để mô mạch điện PESIM ta phải xác định sơ đồ cấu trúc mạch điện Sau ta mở chương trình vẽ mạch điện Schematic PESIM, vào thư viện linh kiện để chọn phần tử cần thiết, xếp nối dây liên kết chúng Tiếp ta nhập thông số phần tử cách nhấn đúp chuột vào phần tử lựa chọn Sau xác định hết thông số phần tử ta thiết lập thông sè cho viƯc ph©n tÝch nh thêi gian ph©n tÝch, bước chạy, hay thông số cho chế độ phân tích tần số Hình 5.3 Lựa chọn phần tử PESIM -103 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - H×nh 5.4 Cài đặt thông số cho trình phân tích Việc xác định kết mạch điện thông qua việc sử dụng đồng hồ vôn kế, ampe kế Sau thiết lập mô hình chương trình Schematic ta cho chạy chương trình mô Simulator Chương trình chạy xong chương trình phân tích View, ta chọn tín hiệu muốn khảo sát để hiển thị xem dạng sóng tín hiệu -104 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư - 5.3 Sư dơng chương trình PESIM để mô nguồn đóng-cắt ta ứng dụng chương trình mô để khảo sát đặc tính nguồn đóng-cắt loại nhỏ sử dụng sơ đồ băm áp Flyback Trước tiên ta phả xây dựng tính toán mô hình nguồn đóng cắt cụ thể 5.3.1 Các thông số nguồn đóng cắt Flyback thiết kế Như chương IV ta đà tính toán phần tử nguồn đóng-cắt sơ đồ Flyback với thông số sau: 1) Các thông số kỹ thuật Điện áp đầu vào: 100V đến 160V DC đầu ra: +12V DC ë 0,5A - 12V DC ë 0,5A HiÖu suÊt 0,75 2) MBA cã sè hiÖu lâi 55120, sè vòng dây sơ cấp 130 vòng, số vòng dây thứ cấp 13 vòng Điện cảm MBA 1,35mH 3) Diode có số hiệu MBR050 có dòng điện định mức 1A, điện áp ngược 50V, điện áp rơi 0,7V Tranzito trường công suất SSN1N45B có thông số dòng điện định mức 0,5A điện áp ngược 450V 4) Bộ hỗ trợ chuyển mạch snubber có tụ điện 670pF, ®iƯn trë 10,4kΩ 5) M¹ch ®iỊu khiĨn: Dïng vi m¹ch UC3844 điều khiển chế độ dòng điện - Ta xác định Rt Ct theo thông số kỹ thuật cho vi mạch với tần số làm việc 50kHz Rt=13.4k Ct=0,0022F - Điện áp đặt lên khuếch đại sai lệch 2,5V, dòng điện nhánh chạy qua lµ 0,5mA Suy Rduoi = 2,5V / 0,5 A = 4,7 kΩ Rtren = (12 − 2,5) / 0,5 A = 20kΩ -105 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - 6) Tụ điện chọn dựa độ nhấp nhô đầu dòng điện lớn thời gian tranzito đóng 9às tụ điện C phải chịu dòng điện 0,5A thời gian 11às Nó tạo điện áp chênh lệch V.Co=I.(T-Ton) Giả sử điện áp tụt xuống lượng 0,03V (2%) 0,5.11.10 giá trị C o = = 220 àF 0,03 Chọn tụ điện 470àF 5.3.2 Mô nguồn đóng-cắt Flyback có vòng phản hồi ổn định điện áp sử dụng IC UC3844 5.3.2.1 Sơ đồ mạch điện PESIM Sau đà có giá trị phần tử tính toán ta vào chương trình PESIM để thiết lập sơ đồ chạy mô hình 5.5 Hình 5.5 Sơ đồ mô nguồn Flyback PESIM Ta thiết lập chế độ phân tích độ với thời gian trích mẫu 0,05às Thời gian độ phân tích 90ms -106 Sinh viªn: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - 5.3.2.2 Dạng sóng cho điện áp vào thay đổi Với Lm=1,35mH Cho giá trị điện áp vào Vdc thay đổi từ giá trị 100V đến 160V Sau chạy chương trình ta có bảng số liệu: Bảng 5.1 Vdc Ton (às) Tr (às) I Q1 pk ( A) I D1 pk ( A) Vo12 (V) 100V 10,4 7,6 0,74 2.15 12,1 130V 7,4 7,4 0,74 2,15 12,1 160V 6,4 7,2 0,74 2,15 12,1 D¹ng sãng dòng điện điện áp: Hình 5.6a Dạng sóng điện áp điều khiển tranzito Vđk, dòng điện qua tranzito công suất I Q1 dòng điện qua diode đầu I D1 -107 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Hình 5.6b Dạng sóng điện áp đầu +12V Vo12 dạng sóng điện áp ngược đặt lên tranzito VQ1 - Nhận xét: Khi ta cho giá trị Vdc thay đổi có hệ thống phản hồi MC 3844 nên giá trị điện áp cố định 12V, giá trị dòng điện đỉnh qua tranzito diode giữ cố định Khi điện áp vào mức thấp 100V giá trị Ton lớn 10,4às lớn giá trị tính toán Điện áp vào lớn 160V giá trị Ton 6,4às 5.3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng tần số đến tổn hao chuyển mạch tranzito trường công suất Một vấn đề lớn cần giải nguồn đóng cắt ảnh hưởng tần số phát nóng nguồn Để khảo sát ảnh hưởng tần số đến tổn hao đóng-cắt tranzito công suất ta cho tần số thay đổi từ giá trị 25kHz đến 125kHz Với tần số ta có giá trị điện cảm MBA lại thay đổi tương ứng theo công thức 3.16 3.17 -108 Sinh viªn: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - f (Hz) 25kHz 50kHz 75kHz 100kHz 125kHz 150kHz Lm 2,7 1,35 0,9 0,675 0,54 0,45 (mH) VQ1 V2 I2 IQ1 V1 IQ1 I1 toff (cắt mạch) ton (đóng mạch) us Hình 5.7 Quá trình dòng điện điện áp tranzito đóng-cắt Để xác định giá trị tổn hao đóng cắt tranzito ta dựa theo công thức phần 2.2.4 Ta có tổn hao trình đóng mạch cắt mạch I V t off ∆P(on) = 1 . T I V t ∆P(off ) = 21 . on T Sau cho chạy chương trình mô PESIM ta cã b¶ng sè liƯu: B¶ng 5.2 f (Hz) 25kHz 50kHz 75kHz 100kHz 125kHz 150kHz Lm (mH) 2,7 1,35 0,9 0,675 0,54 0,45 Ton (µs) 18,4 9,6 6,8 5,6 4,4 3,6 Tr (µs) 14,8 7,6 5,2 4,4 3,2 2,8 -109 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - ton=toff=Tf 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 (µs) I1 (A) 0,05 0,05 0,06 0,06 0,07 0,075 V1 (V) 90 92 94 96 102 105 I2 (A) 0,74 0,74 0,74 0,74 0,74 0,74 V2 (V) 180 194 200 208 210 219 ∆P(on) 0,0075 0,0153 0,0282 0,0384 0,0595 0,0772 ∆P(off) 0,222 0,479 0,742 1,026 1,295 1,589 Từ bảng số liệu ta dựng đường cong tổn hao đóng-cắt theo tần số P (W) 1.6 1.4 1.2 P (off) 0.8 0.6 0.4 0.2 P (on)x2 25 50 75 100 125 150 Hình 5.8 Đồ thị tổn hao đóng-cắt tranzito công suất theo tần số làm việc Từ số liệu thống kê ta thấy tổn hao đóng cắt tranzito tần số khác Khi tần số tăng tổn hao tăng theo trở ngại cho việc tăng tần số làm việc nguồn, trở ngại cho việc giảm kích thước nguồn tần số tăng đồng nghĩa với việc giảm kích thước MBA Để lựa chọn tần số làm việc hợp lý nguồn cho vừa giảm điện cảm MBA mà hiệu suất đạt giá trị cho phép ta phải cân tổn hao công suất đóng-cắt gây -110 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Víi hiệu suất nguồn đà tính toán có hiệu suất 0,75, dựa theo bảng số liệu 5.2 ta tính toán tổn hao dẫn tổn hao đóng cắt để thoả mÃn yêu cầu Ta có tổn hao dẫn tranzito diode là: Điện áp rơi diode đầu 0,7V Tổn hao dẫn diode Pdc ( D ) = 2.VD I D = 2.0,7.0,5 = 0,7W §iƯn trë dÉn tranzito trường 4,5, dòng điện sơ cấp hiệu dụng đà tính 0,26A Tổn hao dẫn tranzito Pdc (Q1) = R ds I ds = 4,5.0,26 = 0,31W Tæng tæn hao dÉn lµ Pdc = Pdc (Q1) + Pdc ( D ) = 0,7 + 0,31 = 1,01W Như để đảm bảo hiệu suất lớn 0,75 giá trị tổn hao đóng cắt lớn 3-1,01=1,9W Giả sử tổn hao đóng cắt lúc xấu hai lần giá trị đà xác định tra bảng 5.2 ta thấy tần số chọn phải từ giá trị 75kW trở xuống có tổn hao đóng-cắt lý tưởng 0,77W Với việc dự phòng nguồn làm việc điều kiện bất thường nên lựa chọn tần số làm việc 50kHz với tổn hao đóng-cắt 0,494W 5.2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng điện cảm MBA đến tổn hao nguồn Sau đà khảo sát ảnh hưởng tần số đến tổn hao đóng-cắt nguồn ta xét ảnh hưởng điện cảm Lm máy biến áp đến phát nhiệt nguồn đóng-cắt Xét với tần số 50kHz Cho giá trị điện cảm dao động khoảng từ 0,8mH đến 1,8mH Sau cho chạy mô ta có b¶ng sè liƯu sau B¶ng 5.2 Lm (mH) 0,8 1,2 1,4 1,6 -111 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - 7,2 8,4 9,2 10 11,2 6,4 7,4 7,6 8,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 I1 (A) 0,08 0,068 0,06 0,048 0,073 V1 (V) 108 108 102 90 156 I2 (A) 0,93 0,83 0,76 0,72 0,67 V2 (V) 246 225 213 195 225 ∆P(on) (W) 0,0288 0,0245 0,0204 0,0144 0,038 ∆P(off) (W) 0,763 0,623 0,54 0,468 0,503 Ton (às) Tr (às) ton=toff=Tf (às) Từ bảng số liệu ta lập đường cong tổn hao đóng cắt phụ thuộc vào điện cảm máy biến áp P (W) 0.8 0.6 P (off) 0.4 0.2 P (on)x2 0,8 1,2 1,4 1,6 mH Hình 5.9 Đồ thị tổn hao đóng-cắt tranzito công suất theo điện cảm MBA Nhận xét: Giá trị điện cảm thông số ảnh hưởng lớn đến dạng dòng điện điện áp sơ đồ, biểu thị cho lõi sắt mật ®é tõ th«ng -112 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - làm việc máy biến áp Khi giảm Lm ta thÊy bé ngn cµng cã xu híng trë nên gián đoạn với Ton giảm dòng điện đỉnh qua tranzito diode tăng lên Khi tăng giá trị điện cảm độ dốc dòng điện qua van bán dẫn giảm dẫn tới tăng Ton Giá trị điện cảm tăng lên cần ý để mạch điện không chuyển sang chế độ làm việc không mong muốn chế độ liên tục Việc thay đổi giá trị Lm dẫn tới tổn hao đóng-cắt tranzito thay đổi theo Khi giảm Lm từ giá trị định mức tổn hao cắt mạch tăng nhanh, tổn hao đóng mạch tăng chậm Khi tăng giá trị Lm từ 1,35mH lên 1,6mH ta thấy tượng tổn hao đóng mạch tăng nhanh tổn hao cắt mạch tăng lên chậm Từ đồ thị ta thấy giá trị định mức tổn hao đóng cắt nguồn nhỏ vùng lân cận, nên chọn tính toán MBA cho giá trị Lm đạt giá trị sát với giá trị điện cảm ban đầu -113 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Kết luận hướng phát triển đề tài Kết luận Qua nội dung đà trình bày ta đà nêu nội dung sâu vào phân tích nguồn đóng cắt có điện áp đầu vào tần số công nghiệp ứng dụng chủ yếu cho nguồn thiết bị điện tử nhỏ, thiết bị điện tử di động Sau chương I đưa phân tích nguồn tuyến tính công suất thấp để so sánh ưu nhược điểm ta nhận thấy nguồn đóng-cắt có ưu điểm hẳn, với dải công suất chế tạo rộng từ vài W đến vài kW (thậm chí đến hàng MW với sơ đồ dùng tiristo), điện áp đầu vào đạt giá trị lớn đến hàng nghìn vôn ; chất lượng điện áp đầu tốt nhờ dòng điện băm thành xung điện áp có tần số cao sử dụng mạch điều khiển phản hồi tín hiệu đầu Ngoài có ưu điểm vượt trội khác tạo nhiều đầu từ đầu vào, hiệu suất đạt đến 90%, kích thước nguồn ngày thu nhỏ khiến giá thành hạ Trong sơ đồ băm xung đà giới thiệu chương II III nguồn cho dải công suất thấp 150W sơ đồ băm áp Flyback sử dụng nhiều sơ đồ đơn giản dễ chế tạo sử dụng Nó có ưu điểm so với sơ đồ biến áp cách ly điện áp đầu vào lớn, đầu vào đầu cách ly biến áp kích thước lớn không nhiều Sơ với sơ đồ có MBA khác sơ đồ Flyback lọc L đầu nên nguồn nhiều đâu kích thước nguồn hạ xuống dẫn đến hạ giá thành sản phẩm Ngoài sơ đồ Flyback sơ đồ có dải làm việc rộng sơ đồ điện áp đầu vào công suất tải thay đổi Trong chương IV ta lựa chọn việc tính toán cụ thể sơ đồ nguồn đóng-cắt Flyback, đồng thời vào tìm hiểu phân tích thành phần tạo nên nguồn Trong trình phân tích phần tử ta kết hợp việc tính toán, lựa chọn thiết bị với mục đích xây dựng mạch điện để mô chương V Sau đà nghiên cứu chuẩn bị đầy đủ, ta vào chương cốt lõi đề tài việc dùng chương trình mô máy tính để thiết lập, cho chạy -114 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị ®iƯn-®iƯn tư - khảo sát mô hình nguồn đóng cắt sơ đồ Flyback chương trình mô sử dụng chương trình PESIM với khả phân tích mạnh, thư viện linh kiện lớn Đối với nguồn đóng-cắt hai thông số ảnh hưởng lớn số làm việc điện cảm máy biến áp Việc lựa chọn hai thông số cho lý tưởng vấn đề nghiên cứu, giải Trong chương ta đưa ảnh hưởng hai thông số đến tổn hao đóng-cắt nguồn Từ dựa vào bảng số liệu đồ thị tổn hao để lựa chọn giá trị tần số tối ưu: tần số lớn nguồn làm việc mà hiệu suất thiết bị nằm giá trị cho phép Sau đà lựa chọn tần số làm việc thích hợp ta khảo sát tiếp ảnh hưởng thông số điện cảm máy biến áp Từ số liệu cụ thể thu ta lựa chọn giá trị điện cảm để giảm thiểu tổn hao đóng cắt, đồng thời phù hợp với điều kiện làm việc khác sơ đồ băm ¸p -115 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Thiết bị điện-điện tử - Hướng phát triển đề tài Bộ nguồn đóng-cắt đà đời từ lâu với ưu điểm lớn tiếp tục phát triển nhanh để nhằm hướng tới tạo nguồn có công suất lớn hơn, kích thước nhỏ hơn, chất lượng tốt giá thành sản phẩm hạ Cùng với việc tạo phần tử bán dẫn ngày có tốc độ đóng cắt lớn, tổn hao thấp dòng áp định mức tăng lên phát triển vi mạch điều khiển tích hợp nguồn đóng-cắt nghiên cứu phân tích nhiều thực nghiệm lý thuyết nhằm phục vụ cho trình phát triển Dưới người thực đưa vài phương hướng phát triển tiếp cho đề tài - Nghiên cứu nguồn đóng- cắt công suất lớn ứng dụng cho trường hợp tải động có trình động học phức tạp - Nghiên cứu nguồn đóng cắt sơ đồ băm áp sơ đồ Cộng Hưởng, phương pháp để đạt ổn định hiệu suất nguồn Trên toàn luận văn cao học với đề tài: nghiên cứu ảnh hưởng tham số nguồn đóng-cắt cung cấp cho thiết bị điện tử công suất nhỏ Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Thế Công, người đà tận tình giúp đỡ hướng dẫn thực luận văn Cao học, đồng thời cảm ơn toàn thể thầy cô giáo môn Thiết bị điện-điện tử đà tạo điều kiện cho trình thực luận văn Hà nội tháng năm 2008 -116 Sinh viên: Phạm Khánh Hiệp Cao Học 2005-2007 Tài liệu tham khảo Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh Điện tử công suất-NXB Khoa học Kỹ thuật Cyril W Lander Điện tử công suất điều khiển động (Lê Văn Doanh dịch) NXB Khoa học Kỹ thuật Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất-NXB Khoa học Kỹ thuật Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Phân tích giải mạch điện tử công suất-NXB Khoa học Kỹ thuật Abraham I Pressman Switching Power Supply Design 2ed McGraw-Hill Press Marty Brown PracticalSwitchingPowerSupplyDesign1990_muyac Newnes - Power Supply Cookbook_MAZ, Academic Press Keng C Wu Switch-Mode Power Converters, Elsevier Academic Press Chi Cong Tse Complex Behavior of Switching Power Converters CRC Press Rudy Severns Design of Snubbers for power circuits 10 John Keown MicroSim Pspice and Circuit Analysis Prentice Hall International 11 Pesim for PC’s User Manual, Lab-Volt 12 Fang Lin Luo, Hong Ye Essential DC/DC converter, CRC Press 117 ... Điện áp sơ cấp -Vdc/2 Hình 3.5 Sơ đồ băm áp Nửa cầu dạng sóng đặc trưng Bộ băm áp kiểu nửa cầu dạng khác băm áp Forward có biến áp cách ly Như hình 3.5 xếp phần tử mạch điện khác so với băm áp. .. giản sơ đồ băm áp biến áp cách ly, sơ đồ có biến áp cách ly Một nguồn đóng-cắt đạt mật độ lượng 0,01 ữ 0,02W/cm3 có khả tạo nhiều mức điện áp từ đầu vào Bộ nguồn không cần sử dụng biến áp tần số... cuộn công suất Np điện áp lớn đặt lên tranzito công suất hai lần điện áp vào chiều lớn cộng với điện áp cảm kháng rò Xung điện áp cảm kháng rò vào khoảng 30% điện áp chiều lớn Như vậy, điện áp