Thiết kế, thi công mô hình bộ chuyển đổi DC/DC Boost :Khóa luận tốt nghiệp khoa Công nghệ Điện

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH BỘ

CHUYỂN ĐỔI DC/DC BOOST

SINH VIÊN MSSV

1.VŨ CẢNH CHÂU 14140721

2.ĐỖ VĂN LINH 14051761

3.PHẠM TRUNG HIẾU 14124011

4.HOÀNG TRÚC TÂN 14054911

LỚP : DHDKTD10C

GVHD : THS.PHẠM QUỐC KHANH

TP. HCM, NĂM 2018

i

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài

(1): Đỗ Văn Linh MSSV : 14051761

(2): Hoàng Trúc Tân MSSV : 14054911

(3): Vũ Cảnh Châu MSSV : 14140721

(4): Phạm Trung Hiếu MSSV : 14124011

2. Tên đề tài

THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BOOST

3. Nội dung

Nghiên cứu bộ chuyển đổi DC/DC boost

Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC boost

Thi công mô hình

4. Kết quả

Hoàn thành mô hình chuyển đổi DC/DC BOOST

Tp. HCM, ngày….tháng….năm 2018

Giảng viên hƣớng dẫn

Tp. HCM, ngày….tháng….năm 2018

Sinh viên

ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

iii

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ........................................... i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN.............................................. ii

MỤC LỤC.......................................................................................................... iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................. vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH............................................................................... viii

CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU ...................................................................................1

1.1. Lí do lựa chọn đề tài ..................................................................................1

1.2. Mục tiêu và nội dung của đề tài.................................................................2

1.2.1. Mục tiêu tổng quát ...............................................................................2

1.2.1. Mục tiêu cụ thể.....................................................................................2

1.2.2. Nội dung...............................................................................................2

1.3. Phƣơng pháp thực hiện ..............................................................................3

1.4. Tiến trình thực hiện ...................................................................................3

1.5. Ý nghĩa thực tế của đề tài ..........................................................................3

CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN .................................................................................5

2.1. Giới thiệu về mạch BOOST ......................................................................5

2.1.1. Boost Converter là gì ?.........................................................................5

2.1.2. Nguyên lí hoạt động.............................................................................5

2.2. Các mạch BOOST trong thực tế trên thị trƣờng........................................9

2.2.1. Mạch Tăng Áp HT016 .........................................................................9

2.2.2. Moudule BOOST 150W ....................................................................10

2.2.3. Mạch Tăng Áp 1200w 20A................................................................10

2.3. Giới thiệu về MOSFET ...........................................................................11

2.3.1. Khái niệm...........................................................................................11

iv

2.3.2. Phân loại.............................................................................................11

2.3.3. Cấu tạo MOSFET...............................................................................11

2.3.4. Nguyên lí hoạt động...........................................................................12

2.3.5. Ứng dụng............................................................................................13

2.4. Giới thiệu về DIODE...............................................................................13

2.4.1. Khái niệm...........................................................................................13

2.4.2. Cấu tạo, ký hiệu .................................................................................13

2.4.3. Nguyên lý hoạt động..........................................................................14

2.4.4. Đặc tuyến Voltage – Ampere.............................................................14

2.4.5. Ứng dụng của diode ...........................................................................15

2.4.6. Các loại diode thƣờng dùng ...............................................................16

2.4.7. Kiểm tra Diode...................................................................................17

2.5. Giớithiệuvềmạch drive cho MOSFET.....................................................18

2.5.1. Khái niệm...........................................................................................18

2.5.2. Mạch drive cho MOSFET thông dụng...............................................18

2.5.3. Cách kiểm tra MOSFET ....................................................................23

2.6. Cuộn cảm.................................................................................................26

2.6.1. Cấu tạo của cuộn cảm ........................................................................26

2.6.2. Các đại lƣợng đặc trƣng của cuộn cảm..............................................27

2.6.3. Ứ ng dụng...........................................................................................29

2.7. Tụ điện .....................................................................................................29

2.7.1. Khái niệm...........................................................................................29

2.7.2. Cấu tạo ...............................................................................................29

2.7.3. Đặc tính cơ bản ..................................................................................30

2.7.4. Ký hiệu...............................................................................................30

2.7.5. Đơn vị của tụ điện..............................................................................30

v

2.7.6. Cách đọc giá trị điện dung trên tụ điện ..............................................30

2.7.7. Giá trị điện áp trên thân tụ .................................................................31

2.7.8. Phân loại tụ điện.................................................................................32

2.7.9. Phƣơng pháp kiểm tra tụ điện ............................................................33

2.7.10. Ứng dụng của tụ điện.......................................................................34

2.8. Giới thiệu về Ardruino.............................................................................34

2.8.1. Môi trƣờng lập trình bo mạch Arduino..............................................34

2.8.2. Các ứng dụng nổi bậc của Arduino....................................................35

CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM...............37

3.1. Sơ đồ khối mạch thí nghiệm....................................................................37

3.2. Chức năng từng khối ...............................................................................38

3.3. Lựa chọn linh kiện cho mô hình thí nghiệm............................................38

3.3.1. Tính toán lựa chọn tụ .........................................................................39

3.3.2. Tính toán lựa chọn tụ C......................................................................42

3.3.3. Vi xử lí ...............................................................................................43

3.3.4. MOSFET............................................................................................51

3.3.5. Diode ..................................................................................................56

3.3.6. Drive...................................................................................................61

3.4. Mô phỏng chạy thử trên phần mềm Matlab ............................................63

3.4.1. Giới thiệu ...........................................................................................64

3.4.2. Mô phỏng mạch BOOST dùng Matlab..............................................65

3.5. Sơ đồ nguyên lí mạch BOOST trên phần mềm Altium...........................72

3.6. Sơ đồ PCB BOOST trên Altium..............................................................74

3.7. Bố trí các thành phần trong mô hình thí nghiệm.....................................76

3.8. Kết quả thi công mô hình ........................................................................78

3.9. Kết quả thí nghiệm trong mô hình...........................................................79

vi

3.9.1. Dạng sóng điện áp qua các linh kiện .................................................79

3.9.2. Kiểm tra dòng.....................................................................................89

CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................93

4.1. Kết luận....................................................................................................93

4.2. Kiến nghị về hƣớng phát triển .................................................................93

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................94

vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1. 1 Tiến trình thực hiện..............................................................................3

Bảng 2. 1. Mô tả các chân IR2153 .....................................................................19

Bảng 2. 2. Thông số IR2153(D)(S) ....................................................................19

Bảng 2. 3. Giới hạn công suất tuyệt đối .............................................................20

Bảng 2. 4. Thông số hoạt động IR2153(D)(S) ...................................................20

Bảng 2. 5. Giá trị đề xuất điện trở và tụ điện .....................................................20

Bảng 2. 6. Chức năng các chân ..........................................................................22

Bảng 2. 7. Thông số IR2011...............................................................................22

Bảng 3. 1. Bảng chọn giá trị L (uH)...................................................................41

Bảng 3. 2. Bảng chọn C (uF)..............................................................................42

Bảng 3. 3. Thông số cơ bản của Mạch Arduino Nano V3.0 ..............................44

Bảng 3. 4. Giới hạn trên và dƣới qua cuộn dây..................................................53

Bảng 3. 5. Dòng trung bình qua MOSFET.........................................................54

Bảng 3. 6. Dòng đỉnh xung.................................................................................54

Bảng 3. 7. Giá trị

min I

và

max I .............................................................................59

Bảng 3. 8 Dòng trung bình qua Diode................................................................59

Bảng 3. 9. Giá trị định mức Diode .....................................................................59

Bảng 3. 10. Chức năng các chân IR2011 ...........................................................62

Bảng 3. 11 Giá trị IR2011 ..................................................................................63

Bảng 3. 12. Thông tin linh kiện..........................................................................72

Bảng 3. 13. Thông tin linh kiện..........................................................................73

Bảng 3. 14. Thông tin linh kiện..........................................................................75

Bảng 3. 15. Thông tin linh kiện..........................................................................76

viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2. 1. Hai chế độ của bộ BOOST Converter.................................................5

Hình 2. 2. Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục .......................................6

Hình 2. 3. Boost converter hoạt động ở chế độ không liên tục ............................8

Hình 2. 4. Mạch tăng áp HT 016 ..........................................................................9

Hình 2. 5. Moudule BOOST 150W....................................................................10

Hình 2. 6. Mạch Tăng Áp 1200w 20A ...............................................................10

Hình 2. 7. Cấu tạo MOSFET..............................................................................11

Hình 2. 8. Ký hiệu MOSFET..............................................................................12

Hình 2. 9. Lớp tiếp giáp P - N Diode .................................................................14

Hình 2. 10. Một số kí hiệu của DIODE..............................................................14

Hình 2. 11. Đặc tuyến Voltage - Ampere của Diode..........................................15

Hình 2. 12 Cách kiểm tra Diode .........................................................................17

Hình 2. 13 Kiểm tra Diode schottky...................................................................18

Hình 2. 14. IR2153 (D) và (S)............................................................................19

Hình 2. 15. Sơ đồ kết nối đặc trƣng IR2153(D)(S) ............................................21

Hình 2. 16. Gíá trị điện trở RT với tần số (f)......................................................21

Hình 2. 17. IR2011 .............................................................................................22

Hình 2. 18. Sơ đồ kết nối đặc trƣng IR2011.......................................................23

Hình 2. 19. Đo giữa G và S ................................................................................23

Hình 2. 20. Đo giữa G và D................................................................................24

Hình 2. 21. nối tắt G vào D để thoát điện tích trên cực G..................................24

Hình 2. 22. Đo giữa D và S ................................................................................24

Hình 2. 23. Đo giữa G và S ................................................................................25

Hình 2. 24. Đo giữa G và D................................................................................25

Hình 2. 25. Chập chân G D ................................................................................26

Hình 2. 26. Đo giữa D và S ................................................................................26

Hình 2. 27. Cuộn dây lõi không khí ...................................................................26

Hình 2. 28. Cuộn dây lõi Ferit............................................................................27

Hình 2. 29. Kí hiệu cuộn dây trên sơ đồ.............................................................27

ix

Hình 2. 30. Thí nghiệm về cảm kháng của cuộn dây với dòng điện xoay chiều28

Hình 2. 31. Thí nghiệm về tính nạp xả của cuộn dây.........................................29

Hình 2. 32. Ký hiệu của tụ điện trong mạch điện...............................................30

Hình 2. 33. Tụ hóa 1000uF 25V.........................................................................31

Hình 2. 34. Tụ gốm.............................................................................................31

Hình 2. 35. Các loại tụ không phân cực ............................................................32

Hình 2. 36. Các loại tụ hóa phân cực..................................................................32

Hình 2. 37. Các loại tụ xoay ...............................................................................33

Hình 2. 38. Giao diện IDE của Arduino.............................................................35

Hình 2. 39. Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega2560 ............36

Hình 2. 40. Robot di động tránh vật cản dùng Arduino .....................................36

Hình 2. 41. Sơ đồ PCB BOOST trên Altium......................................................74

Hình 2. 42. Khối công suất.................................................................................74

Hình 2. 43. Khối điều khiển ...............................................................................75

Hình 2. 44. Sơ đồ thiết kế Auto CAD ...............................................................77

Hình 2. 45. Mô hình BOOST đã đƣợc thi công .................................................78

Hình 3. 1. Sơ đồ khối mạch BOOST..................................................................37

Hình 3. 2. Khi khóa K đóng................................................................................39

Hình 3. 3. Khi khóa K mở ..................................................................................39

Hình 3. 4. . Cuộn dây L = 100 uH/10A ..............................................................41

Hình 3. 5. Tụ phân cực 1000 uF-100V...............................................................43

Hình 3. 6. Arduino nanoV3 ................................................................................45

Hình 3. 7. Ảnh lập trình trên giao diện chính.....................................................47

Hình 3. 8. Dạng xung tại f = 10kHz , D = 20%..................................................47

Hình 3. 9. Dạng xung tại f = 10 kHz , D = 20%.................................................48

Hình 3. 10. Dạng xung tại f = 10 kHz , D = 80%...............................................48

Hình 3. 11. Dạng xung tại f = 10 kHz , D = 80%..............................................49

Hình 3. 12. Dạng xung tại f =50 kHz , D = 50%...............................................49

Hình 3. 13. Dạng xung tại f = 50 kHz , D = 80%...............................................50

Hình 3. 14. Mô hình chuyển đổi DC-DC BOOST .............................................51

Hình 3. 15. Dạng sóng qua qua các linh kiện trong mạch..................................51