Điện tử công suất 1
4-1
CHƯƠNG BỐN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều khiển trò trung bình điện áp một chiều ở
ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Điện áp trên tải có dạng xung tạo thành
từ quá trình đóng ngắt liên tục nguồn điện áp một chiều không thay đổi vào tải. Do đó, bộ
biến đổi còn được gọi là bộ biến đổi điện áp một chiều dạng xung.
4.1 BỘ GIẢM ÁP * Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua
công tắc S. Tải một chiều tổng quát gồm RL và sức điện động E (ví dụ động cơ một chiều).
Diode không V
0
mắc đối song với tải (hình H4.1a).
Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, hoặc từ nguồn áp xoay chiều qua bộ
chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt
được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên nên công tắc S phải là linh kiện tự chuyển
mạch, chẳng hạn transistor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoặc ở dạng kết hợp gồm
thyristor (SCR) với bộ chuyển mạch.
Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều.
Phân tích: ( hình H4.1b)
Việc phân tích thực hiện với giả thiết dòng điện qua tải liên tục. Do cấu tạo mạch chỉ
chứa công tắc S với hai trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích
mạch theo hai trạng thái cơ bản này.
Trạng thái đóng S: thời gian đóng T

Giải hệ phương trình vi phân trên, ta có nghiệm dòng điện đi qua tải dưới dạng :
Điện tử công suất 1
4-2

()
τ
−
τ
−
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
t
0
t
t
e.ie1
R
EU

thuận chiều đang dẫn của nó. Phương trình mô tả trạng
thái mạch (V
0
,RLE):
u
t
=0
u
t
= R.i
t
+
E
dt
di
L
t
+
(4.3)
Điều kiện ban đầu của (4.3): từ (4.2), dòng điện tải i
t
đạt giá trò tại thời điểm t=T
1
:

()
0
T
1t10t1
ie1

τ
−
−
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
11
Tt
1
Tt
t
e.ie1
R
E
ti (4.4)
Dòng điện có quá trình giảm theo hàm mũ:
Tại cuối khoảng thời gian T
2
, công tắc S lại được kích đóng. S dẫn điện làm điện áp

): dòng điện tải liên tục
giảm và trạng thái mạch được mô tả bởi
phương trình (4.3) và (4.4). Nghiệm dòng
điện tải theo hệ thức (4.4) giảm và đạt giá trò
0 tại thời điểm t
2
thỏa mãn điều kiện:
Điện tử công suất 1
4-3
()
0e.ie1
R
E
ti
1212
Tt
1
Tt
2t
=+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛

⎜
⎜
⎝
⎛
−τ=
τ
11e
E
U
ln.t
1
T
2
(4.6)
Giai đoạn dòng tải gián đoạn (t
2
<t<T): điện áp trên tải bằng E.
Trò trung bình điện áp trên tải: dễ dàng dẫn giải điện áp trung bình trên tải theo hệ
thức (4.7):
)
T
t
1.(E.U
T
t
T
.E
T
T
.UU

T
T
.U
T
T.0T.U
dt.u.
T
1
U
11
T
0
21
tt
=γγ==
+
==
∫
(4.8)
UU01
T
T
0Do
t
1
≤≤⇒≤=γ≤
R
E
U
I

1
). Dòng điện khép kín qua mạch
(RLE,S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng :
u
t
=0
u
t
= - R.i
t
-
E
dt
di
L
t
+
(4.10)

()
0t0t
i
)
0
(iti == - với giả thiết thời điểm đầu chu kỳ khảo sát t
0
=0.
Dòng điện qua tải i
t
tăng theo hàm mũ. Hệ thức biểu diễn dòng điện tải có dạng:

Tại thời điểm cuối khoảng đang xét, ta có t=T
1
và i
t
(T
1
)=i
t
;
R
L
=
τ

Năng lượng do sức điện động E phát ra một phần tiêu hao trên điện trở, phần còn lại
dự trữ trong cuộn kháng L.

Trạng thái V
0 –
khoảng thời gian (T
1
<t<T): Công tắc S bò kích ngắt trong khoảng thời
gian T
2
. Dòng qua công tắc S triệt tiêu. Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng
tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode V
0
và nguồn U.
Phương trình mô tả trạng thái mạch (U,V
0

R
UE
ti
1
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
=
τ
−
−
(4.13)
Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát

U
12
T
0
21
tt
=γγ−==
+
==
∫
(4.14)
UU01
T
T
0Do
t
1
≤≤⇒≤=γ≤
R
E
U
I
t
t
+−
=
(4.15)
Nếu thay đổi vai trò giữa U và tải: gọi tải U
t
là nguồn cấp năng lượng và U là tải nhận

Kỹ thuật điều khiển tỉ số
có thể thực hiện dựa vào hai tín hiệu cơ bản: sóng mang
dạng răng cưa u
γ
p
và sóng điều khiển một chiều u
dk
.
Hai dạng sóng này được đưa vào bộ so sánh và tín hiệu ngõ ra được dùng để kích đóng
công tắc S.
Sóng mang có tần số không đổi và bằng tần số đóng ngắt công tắc S. Tần số thành
phần xoay chiều hài cơ bản của điện áp tải bằng tần số cố đònh này. Do đó, sóng điện áp
tạo thành dễ lọc.
Sóng điều khiển một chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình trên tải .
Xét bộ giảm áp (hình H4.1a,b)
Gọi U
pM
là biên độ sóng mang dạng răng cưa, u
dk
là độ lớn sóng điều khiển một chiều
; U là điện áp nguồn một chiều không đổi.
Từ giản đồ kích đóng S và các quá trình điện áp ở chế độ dòng liên tục, ta dễ dàng
xác đònh hệ thức tính áp tải trung bình theo áp điều khiển:

PM
dk
t
U
u
.UU =

khâu hiệu chỉnh dòng điện.
Tuy nhiên, mạch sẽ không điều khiển được khi độ sai biệt cho phép lớn hơn giá trò
dòng điện yêu cầu. Do đó, hệ thống không hoạt động ở chế độ dòng điện gián đoạn.

4.4 - BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU KÉP

Bộ giảm áp và bộ tăng áp là các bộ biến đổi đơn, chúng chỉ cho phép tải hoạt động
trong một phần tư mặt phẳng
V-A của tải (hình H4.7). Để mở rộng phạm vi hoạt
động của tải ra các phần tư mặt
phẳng VA khác, ta sử dụng bộ
biến đổi một chiều kép.
Điện tử công suất 1
4-7

4.4.1 BỘ BIẾN ĐỔI KÉP DẠNG TỔNG QUÁT
Sơ đồ bộ biến đổi kép tổng quát dạng mạch cầu được vẽ trên hình H4.8. Mạch gồm
nguồn áp một chiều U mắc vào 4 công tắc S
1
,,S
2
,S
3
,S
4
đấu ở dạng mạch cầu .
Mỗi công tắc có một diode mắc đối song với nó. Các cặp công tắc (S

(4.19)
Bằng cách thay đổi tỉ lệ thời gian đóng và ngắt các công tắc, trò trung bình điện áp tải (
và dòng điện tải ) đổi dấu .
Đặc tính V-A của bộ biến đổi kép tổng quát vẽ trên hình H4.7
Dạng sóng áp và dòng điện khi kích các công tắc theo giản đồ H4.9 được vẽ trên hình
H4.10 Điện tử công suất 1
4-8 4.4.2 - BỘ BIẾN ĐỔI KÉP DẠNG ĐẢO DÒNG
Nếu trong mạch bộ biến đổi kép tổng quát, công tắc S
2
luôn ở trạng thái kích đóng,
dòng điện qua tải sẽ không đi qua S
3
hoặc diode D
3
nên nhánh mạch này trong quá trình
phân tích có thể loại bỏ. Do S
2
ở trạng thái kích đóng nên tùy theo chiều dòng điện tải mà
S
2
hoặc D
2
dẫn điện. Nhánh mạch này (S
2

γ== .U
T
T
.UU
1
t
(4.20)

Đặc tính V-A của bộ biến đổi kép dạng đảo dòng vẽ trên hình H4.11b

4.4.3 - BỘ BIẾN ĐỔI KÉP DẠNG ĐẢO ÁP
Nếu trong sơ đồ bộ biến đổi kép tổng quát, ta loại bỏ các diode D
1
,D
2
và công tắc
S
3
,S
4
, ta có bộ biến đổi kép dạng đảo điện áp (hình H4.14)

Do cấu trúc của các cặp công tắc cùng pha không còn ở dạng đầy đủ, tính liên tục
hoặc gián đoạn của dòng điện tải phụ thuộc vào trạng thái mạch tải (tham số R,L,E và giá
trò dòng điện i
t
) và thời gian đóng ngắt các công tắc.
Giả thiết dòng tải liên tục, một vài giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thò điện áp
trên tải được vẽ trên hình H4.15a, H4.15b.


sức điện động E được duy trì và dòng điện qua E sẽ được đảo dấu. Để làm được điều đó,
các vò trí đấu dây của tải được đảo lại khi đấu vào ngõ ra của bộ biến đổi công suất (hình
H4.16). Ở trạng thái xác lập, để có thể nhận công suất từ tải đưa về, điện áp ngõ ra của bộ
biến đổi được điều khiển đến giá trò âm tương tự như ở phương án thứ nhất.
Chiều điện áp ngõ ra có thể thực hiện đổi dấu bằng cách thay đổi thời gian đóng ngắt
các công tắc (hình H4.15b).

Đặc tính làm việc của tải bộ
biến đổi kép dạng đảo điện áp được
vẽ trên hình H4.14b