- ELECTRICAL ENGINEERING Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất Mô hình hóa và thiết kế các mạch vòng điều chỉnh Trần Trọng Minh 12/4/2013 Lecture notes on modelling and design of control system for power electronic converter. - 1 Table of Contents 1 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho Boost Converter Equation Chapter (Next) Section 1. - 3 1.1 Hàm truyền đạt cho Boost Converter ở chế độ dòng liên tục (CCM. - 3 1.2 Mạch vòng điều chỉnh điện áp. - 6 1.3 Thiết kế các khâu điều chỉnh trong mạch vòng điện áp. - 7 1.3.1 Chọn tụ đầu ra. - 7 1.3.2 Lựa chọn điện trở của cuộn cảm r L. - 8 1.3.3 Tách biệt tần số của cặp điểm cực và điểm zero bên phải trục ảo RHPzero. - 9 1.3.5 Khảo sát tính ổn định của thiết kế. - 11 2 MÔ HÌNH HÓA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC ĐÓNG CẮT TẦN SỐ CAOEquation Chapter 2 Section 2. - 14 2.1 Các phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi đóng cắt tần số cao. - 14 2.2 Phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái. - 14 2.2.1 Xây dựng phương trình trạng thái trung bình cho Boost Converter. - 16 2.2.2 Phương trình trạng thái trung bình cho Buck Converter. - 17 2.2.3 Phương trình trạng thái trung bình cho Buck-Boost Converter. - 19 2.3 Phương pháp trung bình hóa phần tử đóng cắt. - 20 2.3.1 Sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt. - 21 2.3.2 Mô hình tương đương trung bình phần tử đóng cắt cho Buck converter. - 24 2.4 Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt. - 26 2.4.1 Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Boost Converter. - 26 2.4.2 Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-Boost Converter. - 31 2.4.3 Hàm truyền cho bộ biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm r L và điện trở r ESR của tụ 32 2.4.4 Hàm truyền có tính tới tổn hao trên van bán dẫn và điôt. - 34 2.4.5 Mô hình trung bình tính tới tổn hao do quá trình đóng cắt. - 36 3 Mô hình các bộ biến đổi trong chế độ dòng gián đoạnEquation Section (Next. - 38 3.1 Mô hình trung bình DCM buck converter. - 38 3.2 Mô hình tín hiệu nhỏ AC đơn giản cho chế độ DCM. - 42 3.3 Mô hình tín hiệu nhỏ AC chính xác hơn cho buck converter ở chế độ DCM. - 46 4 Hệ thống điều khiển theo dòng điện Equation Section (Next. - 50 4.1 Sự mất ổn định khi D > 0,5. - 51 2 4.2 Mô hình đơn giản bậc nhất. - 55 4.3 Mô hình điều khiển bằng dòng điện chính xác hơn. - 60 4.4 Hàm truyền cho các bộ biến đổi cơ bản điều khiển bằng dòng điện trong chế độ dòng liên tục 66 4.4.1 Hàm truyền cho buck converter. - 66 4.4.2 Hàm truyền cho boost converter. - 68 4.4.3 Hàm truyền cho buck-boost converter. - 69 4.5 Điều khiển theo dòng điện trong chế độ dòng gián đoạn. - 71 4.6 Điều khiển theo dòng điện bằng bộ điều chỉnh dòng có ngưỡng. - 83 5.1 Sơ đồ chỉnh lưu lý tưởng. - 83 5.2 Các sơ đồ chỉnh lưu gần lý tưởng. - 84 5.2.1 Chỉnh lưu gần lý tưởng trên cơ sở CCM boost converter. - 90 5.3 Điều khiển dạng dòng vào xoay chiều. - 92 5.3.1 Điều khiển theo dòng trung bình. - 92 5.3.2 Điều khiển theo dòng điện đặt trước. - 96 5.3.3 Điều khiển bằng bộ điều chỉnh dòng có ngưỡng và chế độ tới hạn. - 98 5.3.4 Mô hình hóa sơ đồ điều khiển dòng có ngưỡng bằng trung bình hóa mạng đóng cắt van PWM 101 5.4 Bộ biến đổi một pha với sơ đồ chỉnh lưu gần lý tưởng. - 101 5.4.2 Mạch vòng điện áp ngoài với băng thông hẹp. - 110 3 1 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho Boost Converter Tài liệu tham khảo [2. - Voltage Mode Boost Converter Small Signal Control Loop Analysis Using the TPS61030 . - 1.1 Hàm truyền đạt cho Boost Converter ở chế độ dòng liên tục (CCM) Hình H. - 1-1 Sơ đồ Boost Converter. - Xét sơ đồ boost converter cho trên hình H.1, làm việc trong chế độ dòng liên tục (Continuous Current Mode - CCM). - Bằng một số phương pháp khác nhau như trung bình hóa phương trình trạng thái, trung bình hóa mạng khóa đóng cắt. - có thể thu được hàm truyền tín hiệu nhỏ (AC) từ đầu vào điều khiển, là hệ số điều chế d, tới điện áp đầu ra v o cho boost converter như sau: 1er 22 111 z RHPz oodv doo o s svG Gs sd Q. - (1.6) Trong hàm truyền (1.1) chứa điểm zero z 1 do điện trở tương đương nối tiếp với tụ lọc đầu ra (trở ESR) và zero z RHPzero nằm bên phải trục ảo, cặp điểm cực do mạch LC o . - Có thể thấy rằng cặp điểm cực ảo phụ thuộc vào tỷ số truyền áp giữa đầu ra với đầu vào V in /V o . - 1-2 Đồ thị Bode của khâu cặp điểm cực. - Đồ thị Bode của khâu hàm tryền chỉ có cặp điểm cực ảo cho trên hình H.2. - Từ tần số cộng hưởng f o đồ thị biên độ có độ nghiêng -40dB/dec. - Cặp điểm cực gây ra trên đồ thị góc pha thay đổi đến -180. - 1-3 Đồ thị Bode của khâu có điểm zero bên phải trục ảo (điểm zero dương). - Trên hình H.3 thể hiện đồ thị Bode của điểm zero dương (RHPzero). - Điểm zero dương đưa đến độ tăng +20dB/dec trên đặc tính biên độ và độ trễ về pha đến -90 trên đặc tính pha. - Sự thay đổi về pha bắt đầu từ tần số 0,1f RHPzero và đạt -90 tại tần số 10f RHPzero , như thể hiện trên hình H.3. - Độ trễ về pha này sẽ ảnh hưởng đến độ dự trữ ổn định về pha trong mạch vòng điện áp, là yếu tố ta cần phải tính đến như sẽ nói đến sau đây. - 1-4 Ảnh hưởng của điểm zero dương đến độ dự trữ ổn định về pha. - Xét ví dụ để thấy ảnh hưởng của điểm zero dương. - Tham số của sơ đồ H.1 cho như sau: 6. - Tính toán tần số điểm cộng hưởng của cặp điểm cực và tần số của điểm zero dương theo như sau. - Như vậy tần số f RHPzero cao hơn nhiều so với tần số f o , tuy nhiên sự giảm góc pha bắt đầu tại tần số 10 lần nhỏ hơn trước đó, từ 2 kHz, nhỏ hơn f o = 4,2 kHz, nên đã ảnh hưởng đến độ dự trữ ổn định về pha của mạch vòng điều chỉnh. - Đây là yếu tố gây mất ổn định trong mạch vòng điều chỉnh theo điện áp, trong chế độ dòng liên tục (CCM – Continuous Current Mode). - 1.2 Mạch vòng điều chỉnh điện áp Các khâu trên mạch vòng điều chỉnh điện áp cho Boost Converter thể hiện trên hình H.5, bao gồm: hàm truyền của bộ biến đổi G dv (s) (đã phân tích ở mục I trên đây). - bộ điều chỉnh G error (s). - 1-5 Mạch vòng điều chỉnh điện áp cho chế độ dòng liên tục. - Theo hình H.5 hàm truyền của hệ hở sẽ là: 7. - (1.7) 1.3 Thiết kế các khâu điều chỉnh trong mạch vòng điện áp Quá trình thiết kế các khâu trong mạch vòng điều chỉnh điện áp thể hiện trên hình H.6. - Phương pháp thiết kế bao gồm các lựa chọn: 1. - Tần số của điểm zero bên phải trục ảo f RHPzero phải chọn lớn hơn tần số của cặp điểm cực f o theo một tỷ lệ M lần (M sẽ được giải thích qua ví dụ sau đây), điều này để tránh độ trễ pha do f RHPzero ảnh hưởng đến độ dự trữ ổn định về pha. - Tần số xác định băng thông của mạch vòng f BW phải chọn thấp hơn hoặc tại tần số tạo nên độ sớm pha lớn nhất do mạch feedforward mang lại điểm zero tại tần số f z . - Các bước thiết kế tiến hành theo các mục sau đây. - 1.3.1 Chọn tụ đầu ra Hình H. - 1-6 Thiết kế bộ điều chỉnh. - Tụ lọc C phải có giá trị minimum cần thiết để đảm bảo độ đập mạch điện áp đầu ra hay độ sụt giảm điện áp xảy ra khi đóng tải vào nằm trong phạm vi cho phép. - Độ đập mạch điện áp 8 bao gồm đập mạch do điện trở nối tiếp tụ ESR sinh ra và do đập mạch do tụ lọc các xung điện áp từ đầu ra bộ biến đổi, theo các biểu thức sau đây. - (1.10) Khi tải có biến động i tran , sụt áp xảy ra trong khoảng thời gian dt khi mạch vòng điều chỉnh chưa kịp tác động. - 1.3.2 Lựa chọn điện trở của cuộn cảm r L Điện trở r L của cuộn cảm L có ảnh hưởng mạnh đến chế độ làm việc của mạch vòng điều chỉnh. - R L có tác dụng ổn định độ dự trữ pha (làm pha chậm tiến đến -180 hơn). - là hiệu suất do thiết kế mong muốn. - 1.3.3 Tách biệt tần số của cặp điểm cực và điểm zero bên phải trục ảo RHPzero Tách biệt tần số f RHPzero và f o theo tỷ số M (M = f RHPzero /f o ) là bước quan trọng nhất để đảm bảo tính ổn định của mạch vòng điều chỉnh. - Nếu dùng tụ gốm ESR rất nhỏ, cỡ vài m thì M phải lớn hơn, cỡ 15 trở lên để tách biệt hai tần số ESR và tần số của cặp điểm cực. - MÔ HÌNH HÓA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC ĐÓNG CẮT TẦN SỐ CAO 2.1 Các phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi đóng cắt tần số cao Các bộ biến đổi DC-DC thường sử dụng MOSFET là van bán dẫn, được điều khiển đóng cắt với tần số cao, từ vài chục kHz đến 1 MHz. - Nhờ đó mà các phần tử như tụ điện, điện cảm hay máy biến áp cách ly có kích thước rất nhỏ, dẫn đến kích thước của cả bộ biến đổi cũng rất nhỏ gọn (đạt được mật độ công suất trên một đơn vị thể tích W/cm 3 khá cao). - Thông thường tần số của mạng mạch dao động tự nhiên trong bộ biến đổi thấp hơn nhiều lần so với tần số đóng cắt và những giả thiết như độ đập mạch của điện áp một chiều, của dòng điện một chiều tương đối nhỏ, tùy thuộc vào yêu cầu đặt ra của thiết kế. - Chính vì vậy các phương pháp trung bình hóa để mô tả bộ biến đổi tỏ ra rất hiệu quả, trong đó có hai phương pháp chính là: phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái và phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt. - Phương pháp trung bình hóa phần tử đóng cắt là một dạng của trung bình hóa mạch đóng cắt cũng được sử dụng phổ biến. - 2.2 Phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái Trong phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái (state space – SS) mạch điện của bộ biến đổi ứng với mỗi trạng thái đóng cắt của van bán dẫn được mô tả bởi một hệ phương trình tuyến tính: x=x+=x+ d A Budt y C Du (2.1) Trong đó A, B, C, D là các ma trận của phương trình trạng thái, x là biến trạng thái. - y là biến đầu ra. - Các bộ biến đổi DC-DC cơ bản như DC-DC giảm áp, tăng áp, vừa tăng vừa giảm (Buck Converter, Boost Converter, Buck-Boost Converter) có hai trạng thái cho phép của van. - Ứng với trạng thái 1 hệ có phương trình trạng thái: 1111 x=x+=x+ d A Budt y C Du (2.2) Ứng với trạng thái 2 hệ có phương trình trạng thái: 2222 x=x+=x+ d A B udt y C D u (2.3) 15 Các ma trận A 1 , B 1 , C 1 , D 1 mô tả mạch điện tuyến tính của sơ đồ trong khoảng thời gian dT s (0 < d
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt