Các mạch chopper

Các mạch chopper

Trong lĩnh vực điện tử công suất, mạch chopper sử dụng bán dẫn công suất unidirectional. Nếu các thiết bị bán dẫn này được sắp xếp một cách phù hợp, một mạch chopper có thể hoạt động trong bất kỳ trong bốn phần tư nào. Chúng ta có thể phân loại các mạch chopper theo cách chúng hoạt động trong các phần tư này thành các loại A, B, C, D và E. Hãy cùng xem xét các phân loại này và đặc điểm của chúng.

Chopper loại A hoặc Chopper góc phần tư thứ nhất

Loại chopper được mô tả trong hình vẽ được gọi là chopper ở góc phần tư thứ nhất hoặc chopper loại A. Khi chopper được bật, điện áp đầu ra (v0) bằng điện áp nguồn (VS), dòng đi chảy theo hướng của tải. Nhưng khi chopper được tắt, v0 trở thành không, nhưng dòng (I0) vẫn tiếp tục chảy theo cùng hướng thông qua diode freewheeling (FD). Do đó, giá trị trung bình của điện áp và dòng, được ký hiệu là V0 và I0, luôn duy trì giá trị dương, như được minh họa trong đồ thị đi kèm.

Cấu hình này thể hiện các đặc tính độc đáo của chopper loại A, nhấn mạnh việc duy trì giá trị trung bình dương của điện áp và dòng ngay cả khi chopper ở trạng thái tắt, nhờ vào hoạt động của diode freewheeling.

Trong chopper loại A, luồng điện luôn luôn chảy từ nguồn đến tải. Vì giá trị trung bình của điện áp V0 nhỏ hơn điện áp đầu vào DC Vs.

Chopper loại B hoặc Chopper góc phần tư thứ hai

Trong chopper loại B hoặc chopper ở góc thứ hai, tải phải luôn bao gồm một nguồn DC, được ký hiệu là E. Khi chopper ở trạng thái bật, v0 bằng không, nhưng điện áp tải E thúc đẩy dòng đi qua cuộn tự L và chopper. Trong khoảng thời gian (Ton) hoạt động của chopper này, L tích trữ năng lượng. Khi chopper tắt, v0 trở thành (E + L . di/dt), vượt qua điện áp nguồn Vs. Do đó, diode D2 trở nên chuyển tiếp và dẫn, khởi đầu dòng điện trở lại nguồn. Bất kể chopper có ở trạng thái bật hay tắt, dòng điện I0 chảy ra khỏi tải và được coi là âm. Với V0 là dương trong khi I0 là âm, hướng dẫn của luồng điện là từ tải về nguồn. Điện áp tải V0 = (E + L .di/dt) vượt qua điện áp Vs, dẫn đến việc phân loại chopper loại B là một loại chopper tăng áp.

  Chopper loại -C hoặc Chopper hai góc phần tư loại A

Chopper loại C được tạo ra bằng cách kết nối chopper loại A và chopper loại B song song. Chúng ta luôn thu được một điện áp đầu ra dương V0 do diode freewheeling FD được đặt qua tải. Khi chopper bật, diode freewheeling bắt đầu dẫn và điện áp đầu ra v0 sẽ bằng Vs. Hướng dòng tải i0 sẽ đảo ngược. Dòng i0 sẽ chảy về nguồn và nó sẽ là dương bất kể chopper có bật hay FD dẫn. Dòng tải sẽ là âm nếu chopper tắt hoặc diode D2 dẫn. Chúng ta có thể nói rằng chopper và FD hoạt động cùng nhau như một chopper loại A trong góc thứ nhất. Trong góc thứ hai, chopper và D2 sẽ hoạt động cùng nhau như một chopper loại B.

Điện áp trung bình luôn duy trì giá trị dương, nhưng dòng tải trung bình có thể là dương hoặc âm. Luồng điện có thể giống như hoạt động trong góc thứ nhất, chuyển từ nguồn đến tải, hoặc như hoạt động trong góc thứ hai, chuyển từ tải về nguồn. Việc bật cả hai chopper cùng một lúc nên được tránh để ngăn chặn tình trạng ngắn mạch có thể xảy ra trong các đường nguồn. Đối với phanh tái tạo và động cơ, cấu hình chopper này thường được sử dụng.

Chopper loại D hoặc Chopper loại hai góc phần tư –B  

Sơ đồ mạch của chopper loại D được thể hiện trong hình trên. Khi cả hai chopper được kích hoạt, điện áp đầu ra v0 bằng Vs. Trong tình huống v0=−Vs, cả hai chopper đều tắt, nhưng cả hai diode D1 và D2 đều bắt đầu dẫn điện. Điện áp đầu ra trung bình (V0) duy trì giá trị dương khi chopper được bật, trong đó thời gian bật (Ton) vượt quá thời gian tắt (Toff), như được biểu diễn trong biểu đồ sóng dưới đây. Vì diode và chopper chỉ dẫn dòng điện theo một hướng, hướng dòng tải luôn là dương.

Công suất chảy từ nguồn đến tải khi giá trị trung bình của cả V0 và I0 đều là dương. Phân tích hình dạng sóng cho thấy giá trị trung bình của V0 là dương, điều này chỉ ra một hoạt động ở góc tư thứ tư cho một chopper loại D.

Xem xét hình dạng sóng, giá trị trung bình của điện áp đầu ra có thể được biểu diễn như sau.

V0= (V_s T_on-V_sT_off)/T  = V_s.(T_on-T_off)/T

Chopper loại –E hoặc Chopper góc phần tư thứ tư

Chopper loại E hoặc chopper góc tư thứ tư bao gồm bốn công tắc bán dẫn và bốn diode được sắp xếp theo kiểu antiparallel. Bốn chopper này được đánh số dựa trên góc tư mà chúng thuộc về. Mỗi chopper chỉ hoạt động trong góc tư tương ứng của nó và hoạt động của chúng được tối ưu hóa để chỉ hoạt động trong góc tư đó.

Góc phần tư thứ nhất

Trong quá trình vận hành ở góc tư đầu tiên, chopper CH4 sẽ được kích hoạt, trong khi CH3 sẽ tắt và CH1 sẽ hoạt động. Khi cả CH1 và CH4 đều hoạt động, điện áp tải (V0) sẽ bằng điện áp nguồn (Vs), khởi động dòng điện tải (I0) chảy qua. Cả V0 và I0 đều là dương trong quá trình vận hành ở góc tư đầu tiên này. Khi CH1 được tắt, dòng điện tích cực tự do chảy qua CH4 và diode D2. Trong cấu hình này, chopper loại E hoạt động như một chopper giảm điện áp trong góc tư đầu tiên.

Góc phần tư thứ hai

Trong trường hợp này, chopper CH2 sẽ được kích hoạt, trong khi ba chopper còn lại được tắt. Khi CH2 hoạt động, dòng điện âm bắt đầu chảy qua cuộn tụ L, CH2, E, và D4. Năng lượng được lưu trữ trong cuộn tụ L khi CH2 hoạt động. Khi CH2 tắt, dòng điện được đưa trở lại nguồn thông qua các diode D1 và D4. Trong tình huống này, (E + L.di/dt) vượt quá điện áp nguồn (Vs). Ở góc tư thứ hai, chopper hoạt động như một chopper tăng điện áp, khi có sự chuyển nguồn từ tải về nguồn.

Góc phần tư thứ ba

Trong quá trình vận hành ở góc tư thứ ba, CH1 sẽ được tắt, CH2 sẽ được kích hoạt và CH3 sẽ hoạt động. Đối với quá trình vận hành trong góc tư này, cực của tải cần được đảo ngược. Khi chopper CH3 hoạt động, tải sẽ được kết nối với nguồn Vs, và v0 cũng như i0 sẽ mang giá trị âm, điều này tạo điều kiện cho quá trình vận hành ở góc tư thứ ba. Trong chế độ này, chopper hoạt động như một chopper giảm điện áp

Góc phần tư thứ tư

Chopper CH4 sẽ được kích hoạt, trong khi CH1, CH2 và CH3 sẽ được tắt. Khi chopper CH4 được bật, dòng điện tích cực bắt đầu chảy qua CH4, D2, E và cuộn tụ L sẽ lưu trữ năng lượng. Khi CH4 tắt, dòng điện được phản hồi vào nguồn thông qua các diode D2 và D3. Hoạt động diễn ra ở góc tư thứ tư, do điện áp tải là âm nhưng dòng tải là dương. Trong cấu hình này, chopper hoạt động như một chopper tăng điện áp, khi có sự chuyển nguồn từ tải về nguồn.