374734785 thiết kế mạch boots converter

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (621.3 KB, 7 trang )

THIẾT KẾ MẠCH BOOTS CONVERTER

1. Mô tả mạch
1.1. Yêu cầu thiết kế
Yêu cầu đặt ra là thiết kế một mạch tăng áp với thông số cụ thể
Input: Vin = 27VDC
Output: Vout = 40VDC, Iout (max)  10A , V  0,5V .
Hiệu suất : n=85%
1.2. Thơng số chính của mạch

Vin(min)  22V

 Dải điện áp đầu vào :

Vin(max)  32V

 Công suất đầu ra : Pout  40.10  400  W 
 Công suất đầu vào : Pin 

Pout 400

 470  W 

0.85

 Tần số đóng cắt : f=80kHz

2. Tính tốn mạch lực
iL

Uin

L

+
-

D

u0

rC

V

C

Load

uC

Các cơng thức được tham khảo trong tài liệu “Basic Calculation of a Boost
Converter's Power Stage” của hãng Texas Instruments.
Với các thông số trong yêu cầu ta đi tính chọn linh kiện cho mạch :
Duty :

D  1

Vin(min) .
Vout

 1

22.0,85
 0,5325
40

(1.1)

2.1 Tính chọn cuộn cảm L
Chọn độ đập mạch dịng ra là I  20%Iout  0,2.10  2  A 

I 

Vin(min) .D

L

f .L
Vin(min) .D
f .I

22.0,5325

 73  H 
80k.2

(1.2)

Ta có thể chọn sử dụng L=100 (uH).

2.2. Vấn đề quấn cuộn cảm
Xét đến độ đập mạch của dịng thì dòng điện lớn nhất qua van là 16A, dòng quá
độ lên tới 35A.
Với mật độ dẫn điện của đồng trung bình là 6 ( A / mm2 ), ta chọn dây dẫn với tiết





diện S  4 mm2 .
Chọn lõi ferrit loại: Xám (Gray) với dải tần số hoạt động 5kHz tới 500 kHz.
Hệ số tự cảm của cuộn dây được xác định qua cơng thức

4..r .n 2 .S.107
L
l
Trong đó:
n là số vòng dây quấn
S là tiết diện của lõi(m2)
l là chiều dài dây quấn (m)

 r là hệ số từ thẩm(H/m)
Ta cần lừa chọn 3 thông số là số vòng n, tiết diện lõi S và chiều dài dây l. Tại vì
hệ số từ thẩm của lõi nằm trong một dải rộng 2.105  8.104  H / m  nên rất khó
xác định chính xác các tham số, ta sẽ ước lượng và quấn. Kết quả sẽ sử dụng máy để
đo.
2.3. Tính chọn tụ đầu ra
Độ đập mạch áp đầu ra chọn là 2%Vout  0,02.40  0,8  V 
Tụ đầu ra

Cout 

Iout (max) .D
f .V



10.0,5325
 83  F 
80k.0,8

(1.3)

Chọn tụ ra với thơng số 100uF, 50V.
Độ đập mạch ra cịn phụ thuộc vào giá trị nội trở của tụ, ta có cơng thức :

I 
 I
V  ESR.  out  
1 D 2 
I 
10
2

 I
 ESR  V /  out    0,8 / 
   0,036   
1 D 2 
 1  0,5325 2 

(1.4)

Để giảm độ đập mạch điện áp ra ta cần giảm giá trị nội trở tụ thỏa mãn bé hơn
0,036Ω.
2.4 Tính chọn van MOSFET
Điện áp ngược đặt lên van là 40V.
RMS
 14,8  A 
Dịng trung bình qua van Ids

Dịng q độ theo mơ phỏng là 35 (A).
Dự kiến sử dụng mosfet IRF540.
Dịng trung bình chịu được
28 A
Điện áp chịu được lớn nhất
100 V
Xung dịng chịu được
100 A
Có thể phải sử dụng van với dịng trung bình lớn hơn vì trong thời gian q độ
dịng đi qua van khá lớn, phải kèm tản nhiệt lớn cho van để tránh tình trạng bị nóng.
2.5 Tính chọn diode
Dịng trung bình qua diode
I F  Iout (max)  10A

Điện áp ngược đặt lên diode với hệ số dự trữ chọn là 1.3

VDR  1,3.40  52  V 
Chọn loại diode fast : MUR3020
Dịng trung bình chịu được

Điện áp ngược lớn nhất

30A
200V

2.6 Tính chọn mạch snubber cho mosfet và diode
Sử dụng mạch RC là mạch hỗ trợ đóng cắt.
Chọn tụ C=10(nF) . Công suất tiêu tán trên điện trở là
PR 

1
2
C.Vout
.f  0,64W
2

Chọn điện trở là 22  /2W.
2.7. Tính chọn lọc LC đầu ra
Đơi khi dịng điện ra khơng bằng phẳng do ảnh hưởng của điện cảm kí sinh của
tụ output và điện trở ESR, từ đó ta cần bổ sung thêm bộ lọc LC ngay sau tụ output để
bù điểm không mà do ESR và tụ out gây ra.
Tần số điểm không suất hiện:

f out 

1
2Cout R ESR

(1.5)

f out  45kHz
Tính tốn giá trị cuộn cảm L và Tụ lọc C để thay thế điểm không do C output vs
ESR gây ra.

LLC

 C .R 
 out ESR

2

CLC

Chọn CLC  470F , LLC 
2.8 Tính chọn mạch phân áp
VO

i R1
R1

i FB

VFB

R2

Mạch phân áp để đưa điện áp phản hồi về vi điều khiển:
Chọn điện trở thỏa mãn giá trị i FB 

i R1
100

Ta có điện áp VFB trong dải từ 0-5V. Chọn giá trị cho R1 , R 2 :

R1  15k,R 2  1k
Điện áp phản hồi sẽ là: VFB 

Vo .R 2
40.1k

 2,5  5V
R1  R 2 15k  1k

Dòng chảy qua mạch phân áp: i R1 

Vo
40

 2.5  mA 
R1  R 2 15k  1k

3. Thiết kế bộ điều khiển
Lựa chọn phương án điều khiển trực tiếp phản hồi điện áp, với phương pháp này
ta có thể sử dụng một số dòng IC truyên dụng như UC38xx… hoặc dùng vi điều
khiển. Ở đây em lưa chọn dùng vi điều khiển để chủ động hơn trong việc thiết kế bộ
điều khiển.
3.1 Mơ hình đối tượng
Ta mơ hình hóa đối tượng sử dụng phương pháp trung bình khơng gian trạng thái.

iL

Uin

L

D

+
-

u0

rC

V

C

Load

uC

Ta thu được hàm truyền đối tượng G DT :
 Hàm truyền giữa điện áp ra và hệ số điều chế:
u0 s
d s u



in  s   0

R 1  D  U C  I L Ls 

R 1  D   Ls  RLCs 2
2

(3.1)

 Hàm truyền giữa điện áp ra và điện áp vào:

u0 s 
R 1  D 

u in  s  d s 0 R 1  D 2  Ls  RLCs 2


(3.2)

3.2 Thiết kế bộ điều khiển
Sử dụng bộ điều khiển PID là sự kết hợp của bộ bù Lead(PD) và bộ điều chỉnh
PI. Cấu trúc bộ điều khiển được cho trong công thức (3.3)


s   L 
1  1 

z  
s 


G c  s   G co

s 
1 

 p 

(3.3)

Trong đó thành phần G co được chọn sao cho biên độ hệ thống bằng 1 tại tần số
cắt, ta có:

G coG PID  j G DT  j f f  1
c

1
G PID  j G DT  j f f

 G co 

c

Các tần số z , p được chọn dựa trên độ dự trữ pha. Cụ thể ta có :
Độ dự trữ pha của hệ hở :

PM  arcG h  j   180
c

Ta lại có : arcG h  j   arcG c  j   arcG DT  j 

c

c

c

Suy ra góc pha của bộ điều chỉnh là :

  arcG c  j   PM  arcG DT  j   180
c

(3.4)

c

Từ đó ta sẽ tính được z , p :


f z  f c


f  f
 p c

1  sin 
1  sin 
1  sin 
1  sin 

f l  f c / 20

Thông thường ta sẽ chọn tần số cắt f c  fs /10 và độ dự trữ pha hệ 30  PM  60

Ta sẽ sử dụng phần mềm matlab tính tốn ra tham số bộ điều chỉnh để cài đặt lên vi
điều khiển. Trược khi cài đặt vào vi điều khiển ta cần gián đoạn và đưa về phương
trình sai phân, điều này sẽ được thực hiện nhờ sự trợ giúp của phần mềm matlab.

374734785 thiết kế mạch boots converter

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về