Tiểu luận ĐTCS nâng cao
1. BOOST CONVERTER
Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp
đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít
nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai
1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Hình 1: Nguyên lý bộ boost converter
Hình 2: Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái switch S
Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn
dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương.
Khi switch mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này
được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu
âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.
Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện
đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa
mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và
phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải.
Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để
chống lại tụ xả điện.
Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter trình bày trong hình 2:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 1
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
•
Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm
•
Trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R. Kết quả
chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ.
1.2 CHẾ ĐỘ LIÊN TỤC
Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (I
L
) không

từ 0 đến 1), và nó tăng với D, về lý thuyết xác định D lên 1. Đó là lý do tại sao bộ chuyển
đổi đôi khi coi như bộ chuyển đổi tăng cấp.
1.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 3
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Nếu biên độ sóng của dòng quá lớn, cuộn dây xả năng lượng hết trước khi kết thúc chu
kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng trong cuộn dây giảm xuống 0 trong 1 phần
của chu kỳ. Nó có thể được tính như sau:
Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng 0, giá trị lớn nhất là (t = DT):
Trong suốt chu kỳ off, I
L
giảm xuống 0 sau :
Sử dụng 2 công thức trước, δ bằng:
Dòng tải I
0
bằng dòng trung bình qua diode I
D
. dòng diode bằng dòng cuộn dây trong
trạng thái off. Tuy nhiên dòng đầu ra có thể viết:
Thay thể I
Lmax
và δ bởi công thức tương ứng:
Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 4
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này phức tạp hơn. Hơn
nữa, trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch
mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và dòng đầu
ra.
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 5

. Dòng chạy trong cuộn dây tắng tuyến tính. Khi diode có điện áp
ngược bởi nguồn V, không có dòng qua nó
•
Khi khóa mở (chế độ off, phía dưới hình 2), diode bị phân cực ngược. Điện áp
cuộn dây là . Dòng I
L
giảm.
Năng lượng tích trữ trong cuộn dây L là
Tuy nhiên, coi như năng lượng tích lũy trong L tăng suốt thời gian On ( I
L
tăng) và giảm
khi trạng thái Off. L được sử dụng để chuyển năng lượng từ đầu vào đến đầu ra.
Tỉ lệ thay đổi I
L
có thể tính toán từ:
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 7
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Với V
L
bằng trong suốt trạng thái On và bằng trong trạng thái Off. Vì vậy,
dòng điện tăng trong suốt quá trình này được tính bởi:
Tương tự, việc giảm dòng điện trong suốt trạng thái Off được tính là:
Nếu chúng ta xem hoạt động bộ chuyển đổi trong chế độ ổn định năng lượng tích trữ
trong mỗi thành phần kết thúc chu kỳ T bằng lúc bằng đầu chu kỳ. Có nghĩa là dòng I
L

bằng nhau lúc t = 0 và lúc t = T.
Vì vậy chúng ta có thể viết lại biểu thức trên:
Trong hình 4, và . D là giá trị vô hướng của chu kỳ chuyển mạch
giữa 0 và 1.

Tiểu luận ĐTCS nâng cao
The inductor current is zero at the beginning and rises during t
on
up to I
Lmax
. That means
that I
Lmax
is equal to:
Dòng điện chạy qua cuộn dây bằng không lúc bắt đầu và tăng từ thời điểm t
on
đến giá trị
I
Lmax
. Và I
Lmax
được tính:
Thay thế giá trị I
Lmax
trong công thức trước:
Và thay thế δ bởi biểu thức trên:
Biểu thức viết lại:
Đây được xem như điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi buck trong chế độ không liên tục
phức tạp hơn trong chế độ liên tục. Hơn nữa, điện áp đầu ra bây giờ là hàm không chỉ
của điện áp đầu vào V
i
và chu kỳ chuyển mạch D, mà còn có giá trị điện cảm L, chu kỳ
chuyển mạch T và dòng điện đầu ra I
0
.

Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Hiển nhiên giá trị I
L
lúc kết thúc trạng thái Off bằng giá trị I
L
lúc bắt đầu trạng thái On.
Nghĩa là tổng sự biến thiên của I
L
trong trạng thái on và off bằng không.
Thay thế và bởi biểu thức:
Viết lại:
Từ biểu thức trên có thể xem chiều điện áp đầu ra luôn âm. Theo từng phần của chiều, bộ
chuyển đổi có cả bược tăng và bước giảm. Đó là lý do tại sao gọi là bộ chuyển đổi buck-
boost.
3.3 CHẾ ĐỘ KHÔNG LIÊN TỤC
Hình 4: Dạng sóng dòng và áp trong hoạt động bộ chuyển đổi buck-boost trong
chế độ không liên tục
Dương Tấn Quốc – TĐH K24 13
Tiểu luận ĐTCS nâng cao
Trong vài trường hợp, phần lớn năng lượng tải yêu cầu nhỏ hơn lúc chuyển đổi trong
suốt chu kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng chạy qua cuộn dây giảm về không
trong suốt chu kỳ.
Dòng chạy qua cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng không và giá trị lớn nhất là (với
) :
Suốt chu kỳ off, I
L
giảm về không sau δ.T
Sử dụng hai công thức trước, δ bằng:
Dòng tải I
0

Dòng qua cuộn dây sinh ra điện áp:
Nó được xem như giá trị trung bình của điện áp cuộn dây trong một chu kỳ chuyển mạch
và bằng không khi đến trạng thái ổn định.
Nếu chúng ta coi tụ C và C
0
đủ lớn để xung điện áp đặt lên nó không đáng kể, điện áp tụ
điện được tính:
•
trong trạng thái off, cuộn L
1
nối nối tiếp với V
i
và C. Vì vậy . L
2

nói đến điện áp đầu ra. Và
•
trong trạng thái on, cuộn L
1
nối với nguồn đầu vào. Vì vậy . Cuộn L
2

nối nối tiếp với C và tụ đầu ra, và
Bộ biến đổi hoạt động trong trạng thái on từ t = 0 đến t = D.T (D là chu kỳ chuyển mạch),
và trạng thái off từ D.T đến T. Giá trị trung bình của V
L1
và V
L2
được tính:
Cả hai điện áp trung bình này đều bằng không khi có điều kiện ổn định chúng ta viết lại: