DC-DC converter

1. 2
NỘI DUNG BÁO CÁO
I
TỔNG KẾT
III
TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST CONVERTER
TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
II
1/28/2024

2. 3
I TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST CONVERTER
1. Giới thiệu
Mạch Boost Converter
• DC – DC boost conveter là bộ chuyển đổi nguồn DC sang DC có chức năng tăng điện áp từ
đầu vào đến tải đầu ra.
• Mạch Boost Converter bao gồm các phần tử cơ bản: Cuộn cảm để lưu trữ và truyền năng
lượng từ đầu vào đến đầu ra, Tụ điện , Van bán dẫn (Mosfet, IGBT,..), Diode.
1/28/2024
Sơ đồ mạch lực của Boost Converter

3. 4
I TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST CONVERTER
2. Nguyên lí hoạt động
 Khi van dẫn:
• MOSFET dẫn điện, đầu bên phải của cuộn cảm L được nối với cực âm của nguồn điện.
• Cuộn dây tích lũy năng lượng dưới dạng từ trường. Không có dòng điện chạy trong phần còn lại của mạch.
• Dòng điện chạy giữa cực dương và âm của nguồn điện qua cuộn dây L và tăng dần từ giá trị ban đầu nào đó.
Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn
1/28/2024

4. 5
I TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST CONVERTER
2. Nguyên lí hoạt động
 Khi van khoá:
• Mosfet bị tắt nhanh chóng, dòng điện iL giảm đột ngột làm cho cuộn dây L tạo ra một sức điện
động ngược, khi đó cực tính trên cuộn dây L ngược chiều so với thời gian Mosfet dẫn, xuất hiện
một điện áp tự cảm VL nối tiếp với Vin. Khi đó, diode D phân cực thuận với điện áp là (Vin + VL ) .
• Dòng điện tạo ra chạy qua D và nạp điện cho tụ điện C đến giá trị (Vin + VL ) trừ đi một ít điện áp
trên D, đồng thời cung cấp cho tải cho đến khi van dẫn trở lại.
Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van khoá
1/28/2024

5. 6
I TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST CONVERTER
2. Nguyên lí hoạt động
 Van dẫn trở lại
• Mosfet dẫn trở lại, diode D phân cực ngược, tải vẫn tiếp tục được cung cấp điện áp (VIN +
VL ) từ điện áp trên tụ điện C. Mặc dù tụ điện C xả điện qua tải làm cho điện áp trên tụ giảm
trong thời gian này, tụ điện C được sạc điện trở lại mỗi khi van mở, do đó duy trì điện áp ngõ
ra trên tải gần như ổn định.
Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn sau khi tụ đã được nạp
1/28/2024

6. 7
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
Bộ biến đổi DC-DC: Boost converter
Tên Giá trị
Điện áp đầu vào ( Vin ) 5 (V)
Điện áp đầu ra ( V0 ) 15 (V)
Dòng điện đầu ra ( I0 ) 5 (A)
Độ đập mạch điện áp
(∆UC /U0 )
0,2%
Độ đập mạch dòng qua cuộn
cảm (∆iL /I0 )
20%
Tần số đóng cắt (fs ) 30 (kHz)
Thông số thiết kế:
1/28/2024

7. 8
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
1. Xác định các tham số của mạch
• Xác định hệ số điều chế D (Duty ratio)
𝑓𝑠 = 30 𝑘𝐻𝑧 → 𝑇𝑠 =
1
𝑓𝑠
=
1
3
. 10−4
(𝑠)
𝑈0 = 𝑈𝑖𝑛 ×
𝑇𝑠
𝑇𝑠 − 𝑡𝑥
→ 1 −
𝑡𝑥
𝑇𝑠
=
𝑈𝑖𝑛
𝑈0
=
1
3
→ 𝐻ệ 𝑠ố đ𝑖ề𝑢 𝑐ℎế 𝐷 =
𝑡𝑥
𝑇𝑠
=
2
3
𝑡𝑜𝑛 = 𝐷𝑇𝑠 = 2,2.10−5
(𝑠) ; 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 1 − 𝐷 𝑇𝑠 = 1,1.10−5
(𝑠)
• Độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm:
∆𝐼𝐿 = 20%. 𝐼0 = 20%. 5 = 1 𝐴
• Độ đập mạch điện áp trên tụ điện:
∆𝑈𝐶 = 0.2%. 𝑈0 = 0.2%. 15 = 0.03 𝑉
1/28/2024

8. 9
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
2. Tính toán cuộn cảm L
• Điện áp trên L
+ Khi van dẫn : 𝑈𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 = 5𝑉
+ Khi van khoá:
𝑈𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉0 = 5 − 15 = −10𝑉
• Dòng trung bình qua L:
𝐼𝐿 =
𝐼0
1−𝐷
=
5
1−
2
3
= 15 (𝐴)
• Xác định L:
𝑢𝐿= 𝐿 ×
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
→ 𝑑𝑖𝐿 =
1
𝐿
× 𝑢𝐿 × 𝑑𝑡
1/28/2024
→ 0
𝑡𝑜𝑛
𝑖𝐿 𝑑𝑡 =
1
𝐿 0
𝑡𝑜𝑛
𝑢𝐿𝑑𝑡
0
→ 𝛥𝑖𝐿 =
1
𝐿
× 𝑉𝑖𝑛 × 𝑡𝑜𝑛
→ 𝐿 =
𝑉𝑖𝑛. 𝑡𝑜𝑛
𝛥𝑖𝐿
=
5 × 2, 2.10−5
1
= 0.11 𝑚𝐻

9. 10
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
3. Tính toán tụ C:
• Dòng điện qua tụ C:
+ Khi van dẫn: 𝐼𝐶 = −𝐼0 = −5𝐴
+ Khi van khoá:
𝐼𝐶= 𝐼𝐿 − 𝐼0 = 15 − 5 = 10𝐴
• Tính toán tụ C:
𝑖𝐶 = 𝐶 ×
𝑑𝑢𝐶
𝑑𝑡
→ 𝑑𝑢𝐶 =
1
𝐶
× 𝑖𝐶 × 𝑑𝑡
1/28/2024
𝑈𝐶
-→
0
𝑡𝑜𝑛
𝑢𝐶𝑑𝑡 =
1
𝐶 0
𝑡𝑜𝑛
𝑖𝐶𝑑𝑡
→ 𝛥𝑢𝐶 =
1
𝐶
× 𝑡𝑜𝑛 × 𝐼0
→ 𝐶 =
𝑡𝑜𝑛 × 𝐼0
𝛥𝑢𝐶
=
2, 2.10−5
× 5
0.03
= 370,3 𝜇𝐹
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛

10. 11
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
4. Tính toán van MOSFET
• Điện áp đặt trên van
Khi van dẫn, không có điện áp đặt lên van.
Khi van khoá, đầu van chịu một điện
áp bằng 𝑈0
• Tính toán dòng 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘qua van MOSFET:
Khi van mở, dòng đỉnh qua van chính
là 𝐼𝐿(𝑖𝐿𝑚𝑎𝑥)
Khi van đóng, không có dòng qua van
→ 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼𝐿 +
∆𝐼𝐿
2
= 15,5(𝐴)
• Dòng trung bình qua van MOSFET:
𝐼𝑇𝐵 =
1
𝑇𝑠 0
𝑇𝑠
𝑖𝑣𝑎𝑛 𝑑𝑡 =
1
𝑇𝑠 0
𝑡𝑥
𝐼𝐿 𝑑𝑡 → 𝐼𝑇𝐵 =
𝑡𝑥
𝑇𝑠
. 𝐼𝐿 = 𝐷. 𝐼𝐿 = 10(𝐴)
1/28/2024
𝑡𝑜𝑛

11. 12
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
5. Tính toán diode
• Điện áp đặt trên diode D:
+ Khi van mở, diode phân cực ngược
Với điện áp hai đầu bằng −𝑈0
+ Khi van đóng, diode dẫn nên điện áp bằng 0
• Tính toán dòng 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘(𝐷) 𝑞𝑢𝑎 𝐷:
+ Khi van mở, D không dẫn dòng
+ Khi van đóng, dòng đỉnh qua diode chính là
dòng đỉnh qua L.
→ 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼𝐿 +
∆𝐼𝐿
2
= 15,5(𝐴)
Dòng trung bình qua van MOSFET:
𝐼𝑇𝐵(𝐷) =
1
𝑇𝑠 0
𝑇𝑠
𝑖𝐷 𝑑𝑡 =
1
𝑇𝑠 0
𝑡
𝐼𝐿 𝑑𝑡 → 𝐼𝑇𝐵(𝐷) =
𝑇𝑠−𝑡𝑥
𝑇𝑠
. 𝐼𝐿 = (1 − 𝐷). 𝐼𝐿 = 5(𝐴)
1/28/2024
𝑡𝑜𝑛

12. 13
II TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
Bảng excel tính toán giá trị các phần tử mạch lực
Tên biến Kí hiệu Đơn vị Giá trị Tên biến Ký hiệu Đơn vị Công Thức Kết quả
Điện áp đầu vào Vin V 5 Cuộn cảm L H 0.000111111
Điện áp đầu ra Vout V 15 Tụ điện C F 0.003703704
Dòng điện đầu ra Io A 5 Dòng đỉnh của diode IDPeak A 15.5
Độ đập mạch dòng ΔIL/I0 0.2 Dòng điện trung bình qua diode IDtb A 5
Độ đập mạch áp ΔUc/U0 0.002 Dòng đỉnh của van mosfet IPeak A 10
Tần số fs Hz 30000 Giá trị trung bình dòng qua van Itb A
Hệ số điều chế D 0.666666667
Chu kỳ T s 3.33333E-05
Thời gian mở van ton s 2.22222E-05
Dòng điện qua cuộn cảm IL A 15
Kết quả
Đề bài
Biến trung gian
TÍNH TOÁN MẠCH LỰC BOOST CONVERTER
(1 )* L
D I

1
f
*
T D
0
0
1
I
D

*
in on
L
V t
I

0
I * on
C
t
U

2
L
L
I
I


* L
D I
(1 )* L
D I

2
L
L
I
I


Bảng tính toán thông số mạch boost converter
1/28/2024

13. 14
III TỔNG KẾT
• Nắm được cơ sở lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý hoạt động mạch Boost Converter
• Tính toán đến giá trị các phần tử thụ động của mạch
 Hoàn thành:
 Bài tập về nhà:
• Tìm hiểu cơ sở lý thuyến cấu tạo, nguyên lý hoạt động mạch Buck Converter
1/28/2024
• Tính toán đến giá trị các phần tử thụ động của mạch Buck Converter

14. HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SCHOOL OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING
Thank You!
15
1/28/2024