Nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện áp một chiều với cấu trúc bậc cao tận dụng cảm kháng ký sinh dùng cho sạc pin Li-ion

Bài viết này sẽ trình bày một cấu trúc bộ hạ áp một chiều bậc cao ứng dụng cho các bộ sạc pin Li-ion, tận dụng cảm kháng ký sinh trong cáp USB đóng vai trò cuộn cảm. Cấu trúc này cung cấp hiệu suất chuyển đổi cao, dải chuyển đổi rộng như cấu trúc Buck truyền thống.

Nghiên cứu khoa học công nghệ Nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện áp chiều với cấu trúc bậc cao tận dụng cảm kháng ký sinh dùng cho sạc pin Li-ion Lưu Thị Thu Hồng1*, Phạm Trường1, Nguyễn Thùy Linh1, Hà Thị Phương2, Nguyễn Văn Trung1 Học viện Kỹ thuật quân sự; Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: thuhong.11@gmail.com Nhận ngày 12/01/2022; Hoàn thiện ngày 15/3/2022; Chấp nhận đăng ngày 29/3/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.78.2022.49-57 TĨM TẮT Bài báo trình bày cấu trúc hạ áp chiều bậc cao ứng dụng cho sạc pin Li-ion, tận dụng cảm kháng ký sinh cáp USB đóng vai trò cuộn cảm Cấu trúc cung cấp hiệu suất chuyển đổi cao, dải chuyển đổi rộng cấu trúc Buck truyền thống Dịng điện đầu vào có dạng liên tục giúp giảm nhiễu nhiễu điện từ (EMI) chuyển mạch Cấu trúc đề xuất đánh giá với thiết kế cho sạc pin Li-ion sử dụng cáp sạc USB type-C loại m Kết mô cho thấy hiệu suất lớn mà cấu trúc đề xuất đạt 95% cao 8% so với mạch truyền thống điều kiện Từ khoá: Bộ chuyển đổi DC-DC; Bộ chuyển đổi Buck; Bộ chuyển đổi bậc cao; Pin Li-ion, Sạc nhanh ĐẶT VẤN ĐỀ Xu hướng thiết bị di động kích thước ngày nhỏ gọn, nhiều chức phức tạp tính hợp có khả sạc pin nhanh với dịng sạc lớn Do đó, yêu cầu đặt chuyển đổi hiệu suất cao với dịng tải lớn có mật độ công suất cao Xem xét mạch sạc pin di động, chuyển đổi kiểu low dropout (LDO) [1, 2] sử dụng phổ biến gặp vấn đề tăng nhiệt nghiêm trọng cơng suất dịng điện cho sạc pin tăng lên Gần đây, cấu trúc kết hợp chuyển mạch cuộn cảm (SI – Switch Inductor), chuyển mạch tụ điện (SC – Switch Capacitor) mạch nhiều mức tập trung nghiên cứu [3-10] Các cấu trúc cho thấy hiệu suất tốt phù hợp với ứng dụng sạc pin nhanh Tuy nhiên, với cuộn cảm nằm phía đầu chuyển đổi yêu cầu dòng sạc đầu tiếp tục tăng để sạc nhanh hơn, cuộn cảm cần có dịng bão hòa đủ lớn điện trở ký sinh nhỏ để trì hiệu suất cao Hai yêu cầu địi hỏi kích thước cuộn cảm lớn Điều khắc phục cách chia dòng tải thành nhiều dòng nhỏ cấu trúc nhiều mức [7, 10] Nhưng lại đòi hỏi nhiều cuộn cảm gây vấn đề tỏa nhiệt bên mạch (a) (b) Hình (a) Cấu trúc buck truyền thống (b) Cấu trúc đề xuất HO_USB_BUCK Mặt khác, mạch chuyển đổi xuống dịng đầu vào ln thấp dòng đầu Ý tưởng di chuyển cuộn cảm từ đầu phía đầu vào để giảm tổn hao dẫn, tăng hiệu suất giảm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử yêu cầu dòng bão hòa cuộn cảm thực [11, 12] Ngoài ra, cấu trúc tương tự mạch Buck truyền thống (hình 1.a), dịng điện đầu vào có dạng xung gây nhiễu EMI lớn trình chuyển mạch Khi cuộn cảm di chuyển tới đầu vào, dịng điện đầu vào có dạng liên tục giúp làm giảm nhiễu EMI đáng kể Trong mạch chuyển đổi chiều, cuộn cảm thành phần khơng thể thiếu Trong đó, cáp sạc USB ln có giá trị ký sinh R, L, C mà thiết kế thường phải tìm cách loại bỏ Ý tưởng sử dụng cảm kháng ký sinh đóng vai trị cuộn cảm chuyển đổi thực [12] làm giảm kích thước mạch đáng kể Tuy nhiên, cấu trúc có hệ số chuyển đổi điện áp hẹp không phù hợp mở rộng dải điện áp đầu vào Trong báo này, đề xuất sử dụng cấu trúc bậc cao với cuộn cảm đặt phía đầu vào [11] sử dụng giá trị điện cảm ký sinh cáp sạc USB phần mạch (hình 1.b) Cấu trúc đề xuất gọi HO_USB_BUCK (High-order_USB_BUCK) Hình minh họa ứng dụng thiết kế Thiết bị di động Nguồn DC · · · · Cáp USB Bộ sạc AD/DC Bộ sạc DC/DC Sạc dự phịng Cổng USB máy tính Bộ chuyển đổi DC-DC chung DC-DC1 DC-DC2 Tích trữ lượng DC-DCn Các ứng dụng Hình Minh họa ứng dụng thiết kế Tiếp theo, phần trình bày cụ thể cấu trúc đề xuất, hoạt động, ưu nhược điểm, cách tính tốn thiết kế mạch Các kết mơ thảo luận phần CẤU TRÚC MẠCH HO_USB_BUCK ĐỀ XUẤT Để sử dụng cáp USB thành phần mạch, ta xem xét mơ hình đường truyền áp dụng cho cáp (Hình 3) Điện cảm ký sinh tổng cộng cáp tính theo biểu thức sau [14]: L  ( L1  Lm1 )   L2  Lm2   4.107 ln( Dl / e1/4 rl )ll (1) với Dl, rl ll khoảng cách hai dây, bán kính dây chiều dài cáp Hình dạng cáp khơng ảnh hưởng đến giá trị ký sinh cáp [13] Giá trị ký sinh cáp phụ thuộc vào chiều dài cáp đường kính cáp, kết đo giá trị ký sinh hình [12] Có thể thấy, cảm kháng cáp đáng kể điện dung shunt tương đương bỏ qua f