Nghiên cứu thiết kế mạch dc dc tỉ số cao, không cách ly

Tôi quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài: Nghiêncứu thiết kế mạch DC-DC tỉ số cao, không cách li.Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân tôi dướisự hướng d

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG QUANG HIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DC-DC TỈ SỐ CAO,

KHÔNG CÁCH LY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DC-DC TỈ SỐ CAO,

KHÔNG CÁCH LY GVHD: PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Trường ĐHSPKT TP.Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: TS NGUYỄN PHAN THANH

Thạc Sĩ

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2020 đến 2022

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố

Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Điện

Tên luận văn: Thiết kế mạch DC-DC tỉ số cao không cách ly

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: ngày 27/09/2023, tại Trường Đại học Sưphạm Kỹ thuật Thành phố

Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh - Bậc 4

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

1/2020 – 09/2021 Công ty TNHH thiết bị công

nghiệp và tự động hoá AUMI Automation engineer

Giới tính: NamNơi sinh: TP.HCMDân tộc: Kinh

Điện thoại di động: 0389.275.710

Họ & tên: Trương Quang Hiệp

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1997

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong bộ môn Hệ thốngđiện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh và các bạn bè đồngnghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn.Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo PGS TS.TrươngViệt Anh, người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng vàhoàn thành luận văn này.

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 28 tháng 06 năm 2023

Người thực hiện

Trương Quang Hiệp

Tôi là Trương Quang Hiệp học viên lớp KDD 2020 khóa 2020-2022 Sau hainăm học tập và nghiên cứu tại khoa sau đại học trường Đại Học Sư Phạm KỹThuật TP Hồ Chí Minh Tôi quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài: Nghiêncứu thiết kế mạch DC-DC tỉ số cao, không cách li.

Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân tôi dưới

sự hướng dẫn của thầy PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 06 năm 2023

( ký tên và ghi rõ họ tên )

Trương Quang Hiệp

Trong thế giới hiện nay, khi việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và việcứng dụng động cơ điện vào lĩnh vực chế tạo xe cơ giới ngày càng phổ biến thìviệc tối ưu hoá tỉ số cùng hiệu suất của bộ chuyển đổi điện áp trong các ứngdụng điện tử công suất ngày càng quan trọng Mạch DC-DC tỉ số cao, khôngcách ly sẽ là một trong những giải pháp được sử dụng phổ biến để đáp ứng nhucầu này Ứng dụng điển hình mà ta có thể thấy là trong các mạch sạc pin củađiện thoại và nhiều thiết bị điện tử khác, giúp tăng áp đầu vào từ nguồn điện ápthấp lên mức cần thiết để sạc pin giúp tăng tốc độ sạc và giảm thời gian sạc.Mạch DC-DC cũng ứng dụng trong các mạch điều khiển động cơ hoặc cácmạch công suất giúp tăng hiệu suất và độ bền của thiết bị Ngoài ra, một ứngdụng khác mà ta không thể không kể đến, đó chính là ứng dụng trong các hệthống điện có nguồn là năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, gópphần ổn định điện áp và công suất của hệ thống Tóm lại, đây là một thànhphần quan trọng, có thể được ứng dụng trong nhiều hệ thống, giúp tăng hiệusuất và độ bền của thiết bị Luận văn này sẽ tạo ra một cấu hình mạch tăng ápDC-DC có tỉ số cao, phạm vi điều khiển rộng và dự phòng được sự cố.

In today's world, when the use of renewable energy sources and the application

of electric motors in the field of motor vehicle manufacturing are becomingmore and more popular, optimizing the ratio and efficiency of the powerconverter is important voltage in power electronics applications is increasinglyimportant High ratio, non-isolated DC-DC circuits will be one of thecommonly used solutions to meet this need A typical application that we cansee is in the battery charging circuits of phones and many other electronicdevices, helping to increase the input voltage from a low voltage source to thelevel needed to charge the battery, increasing the charging speed and reducingthe charging time DC-DC circuits are also used in motor control circuits orpower circuits to help increase the performance and durability of the device Inaddition, another application that we cannot ignore is the application in powersystems with renewable energy sources such as solar power and wind power,contributing to stabilizing the voltage and capacity of the system system Inshort, this is an important component that can be applied in many systems,helping to increase the performance and durability of the device This thesiswill create a DC-DC booster circuit configuration with high ratio, wide controlrange and fault prevention

MỤC LỤC i

DANH SÁCH BẢNG BIỂU iii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Mục đích và lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1

1.3 Phạm vi nghiên cứu 1

1.4 Các bước tiến hành 1

1.5 Điểm mới của luận văn 2

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 2

1.7 Nội dung dự kiến 2

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MẠCH BOOST DC-DC 3

2.1 Tổng Quan về mạch boost áp DC-DC 3

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 5

2.3 Tính toán lựa chọn thiết bị 7

2.4 Đặt vấn đề 9

2.5 Chọn ra cấu hình tối ưu 10

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 18

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 18

3.1.1 Phần công suất 18

3.1.2 Phần điều khiển 21

3.2 Thuật toán điều khiển 23

3.3 Tính toán các phần tử 25

3.3.1 Tính toán chọn khoá bán dẫn 25

3.3.2 Tính toán chọn cuộn cảm 26

3.3.3 Tính toán chọn tụ 28

3.3.4 Tính toán chọn Diod 29

3.4 Kết quả mô phỏng ở điều kiện bình thường 29

3.5 Kết quả mô phỏng ở các trường hợp sự cố 30

3.5.1 Trường hợp hư khoá bán dẫn S1 31

3.5.2 Trường hợp hư khoá bán dẫn S2 32

3.5.3 Trường hợp hư khoá bán dẫn S3 33

3.5.4 Trường hợp hư khoá bán dẫn S1 và S2 35

3.5.5 Trường hợp hư khoá bán dẫn S1 và S3 35

3.5.6 Trường hợp hư khoá bán dẫn S2 và S3 36

3.6 Kết luận 38

CHƯƠNG 4 MẠCH THỰC NGHIỆM 39

4.1 Lựa chọn linh kiện 39

4.2 Mạch điều khiển 45

4.4 Nguồn đầu vào 48

4.5 Kết quả đo 49

4.5.1 Trường hợp hoạt động bình thường 49

4.5.2 Trường hợp hư khoá bán dẫn S1 50

4.5.3 Trường hợp hư khoá bán dẫn S2 52

4.5.4 Trường hợp hư khoá bán dẫn S3 54

4.5.5 Trường hợp hư khoá bán dẫn S1 và S2 56

4.5.6 Trường hợp hư khoá bán dẫn S1 và S3 58

4.6 Kết luận 60

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

5.1 Kết luận chung 61

5.2 Hướng Phát Triển 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 64

Bảng 2.1 Trạng thái hoạt động của mạch chi tiết cho tất cả các tầng 11

Bảng 3.1 Các thông số cài đặt cho phần tử trên mô hình mô phỏng 30

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng 38

Bảng 4.1 Các thông số cơ bản theo Datasheet của khoá bán dẫn 40

Bảng 4.2 Các thông số cơ bản theo datasheet của Diod 41

Bảng 4.3 Thông số của mạch thực nghiệm 50

Bảng 4.4 Kết quả thực nghiệm 60

MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – Transitor bándẫn có hiệu ứng trường.

UPS: Uninterruptible Power Supply – Nguồn cung cấp điện liên tục

MPPT: Maximum Power Point Tracker – Bộ theo dõi điểm công suất tối đaIGBT: insulated-gate bipolar transistor – Transitor có cực điều khiển cách lyPID: Proportional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

PSO: particle swarm optimization – Phương pháp tối ưu bầy đàn

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của một mạch boost DC-DC 3

Hình 2.2 Vai trò của mạch boost DC-DC tích hợp thuật toán MPPT 4

Hình 2.3 Vai trò của mạch boost DC-DC đối với bộ inverter 4

Hình 2.4 Một số ứng dụng thường thấy của mạch boost DC-DC 5

Hình 2.5 Trạng thái tích luỹ năng lượng khi mosfet đóng 6

Hình 2.6 Trạng thái xả năng lượng khi mosfet mở 6

Hình 2.7 Trạng thái tích luỹ và cấp điện cho tải 7

Hình 2.8 Kỹ thuật PWM 8

Hình 2.9 Mối liên hệ giữa Uds trên khoá bán dẫn và Uload 9

Hình 2.10 Cấu hình ghép tầng với 4 khoá bán dẫn 11

Hình 2 11 Giai đoạn 1 hoạt động 13

Hình 2.12 Giai đoạn 2 hoạt động 14

Hình 2.13 Giai đoạn 3 hoạt động 15

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng cho phần công suất của mạch 18

Hình 3.2 Tổng thời gian và bước nhảy cho một bài mô phỏng 19

Hình 3.3 Mosfet dùng cho bài mô phỏng 19

Hình 3.4 Tụ dùng cho bài mô phỏng 19

Hình 3.5 Diod dùng cho bài mô phỏng 20

Hình 3.6 Cuộn cảm dùng cho bài mô phỏng 20

Hình 3.7 Tải dùng cho bài mô phỏng 20

Hình 3.8 Các thiết bị đo áp nguồn DC đầu vào trên bài mô phỏng 21

Hình 3 9 Mô hình mô phỏng cho phần điều khiển của mạch 21

Hình 3.10 Khối điều khiển dùng trong bài mô phỏng 22

Hình 3.11 Khối so sánh dùng trong bài mô phỏng 22

Hình 3.12 Cổng NOT dùng trong bài mô phỏng 22

Hình 3.13 Cổng AND dùng trong bài mô phỏng 23

Hình 3.14 Cổng OR dùng trong bài mô phỏng 23

Hình 3.15 Chương trình khi được nhập vào khối điều khiển 25

Hình 3.16 Mức điện áp chịu đựng cài đặt cho 4 khoá bán dẫn 26

Hình 3.17 Tầng số phát xung của mạch 27

Hình 3.24 Cấu trúc tổng quan của mạch 31

Hình 3.25 Tín hiệu điều khiển cho 4 Mosfet ở trường hợp hư Mosfet S1 32

Hình 3.26 Điện áp đầu vào trong bài mô phỏng hư khoá S1 32

Hình 3.27 Điện áp ra vào trong trường hợp hư khoá S1 32

Hình 3.28 Tín hiệu điều khiển cho 4 Mosfet ở trường hợp hư Mosfet S2 33

Hình 3.29 Điện áp đầu vào trong bài mô phỏng hư khoá S2 33

Hình 3.30 Điện áp ra vào trong trường hợp hư khoá S2 33

Hình 3.31 Tín hiệu điều khiển cho 4 Mosfet ở trường hợp hư Mosfet S3 34

Hình 3.32 Điện áp đầu vào trong bài mô phỏng hư khoá S3 34

Hình 3.33 Điện áp ra vào trong trường hợp hư khoá S3 34

Hình 3.34 Tín hiệu điều khiển 4 Mosfet ở trường hợp hư Mosfet S1 và S2 35

Hình 3.35 Điện áp đầu vào trong bài mô phỏng hư khoá S1 và S2 35

Hình 3.36 Điện áp ra vào trong trường hợp hư khoá S1 và S2 35

Hình 3.37 Tín hiệu điều khiển 4 Mosfet ở trường hợp hư Mosfet S1 và S3 36

Hình 3 38 Điện áp đầu vào trong bài mô phỏng hư khoá S1 và S3 36

Hình 3.39 Điện áp ra vào trong trường hợp hư khoá S1 và S3 36

Hình 3.40 Tín hiệu điều khiển 4 Mosfet ở trường hợp hư Mosfet S2 và S3 37

Hình 3.41 Điện áp đầu vào trong bài mô phỏng hư khoá S2 và S3 37

Hình 3.42 Điện áp ra vào trong trường hợp hư khoá S2 và S3 37

Hình 4.1 Khoá bán dẫn dùng trong mạch thực tế 39

Hình 4 2 Diod dùng trong mạch thực tế 40

Hình 4.3 Tụ hoá ở các tầng 1,2 và 3 của mạch 42

Hình 4.4 Tụ hoá ở các tầng thứ 4 của mạch 42

Hình 4.5 Các cuộn cảm dùng trong mạch thực tế 42

Hình 4.6 IC CD4081 dùng trong mạch thực tế 43

Hình 4.7 IC CD4069 dùng trong mạch thực tế 43

Hình 4.8 IC CD4071 dùng trong mạch thực tế 44

Hình 4.9 Vị trí của các IC logic trong mạch điều khiển 44

Hình 4.10 ARDUINO IDE và chương trình điều khiển 45

Hình 4.18 Điện áp ngõ ra ở điều kiện bình thường 50

Hình 4.19 Tín hiệu điều khiển trong điều kiện hư 1 khoá bán dẫn S1 51

Hình 4.20 Điện áp ngõ ra ở điều kiện hư 1 khoá bán dẫn S1 52

Hình 4.21 Tín hiệu điều khiển trong điều kiện hư 1 khoá bán dẫn S2 53

Hình 4.22 Điện áp ngõ ra ở điều kiện hư 1 khoá bán dẫn S2 54

Hình 4.23 Tín hiệu điều khiển trong điều kiện hư 1 khoá bán dẫn S3 55

Hình 4.24 Điện áp ngõ ra ở điều kiện hư 1 khoá bán dẫn S3 56

Hình 4.25 Tín hiệu điều khiển trong điều kiện hư 2 khoá bán dẫn S1 và S2 57

Hình 4.26 Điện áp ngõ ra ở điều kiện hư 2 khoá bán dẫn S1 và S2 58

Hình 4.27 Tín hiệu điều khiển trong điều kiện hư 2 khoá bán dẫn S1 và S3 59

Hình 4.28 Điện áp ngõ ra ở điều kiện hư 2 khoá bán dẫn S1 và S3 60

Hình 5.1 Các hệ thống sử dụng trong xe hybrid 62

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Mục đích và lý do chọn đề tài

Trong thế giới hiện nay, khi dầu mỏ và nhiên liệu hoá thạch dần thay thế bằngviệc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, Động cơ điệncũng được ứng dụng ngày càng nhiều vào xe cơ giới Trong các phương tiện đómột thành phần linh kiện không thể thiếu làcác bộ chuyển đổi điện áp DC-DC

Do đó yêu cầu về tối ưu hoá tỉ số cùng hiệu suất của bộ chuyển đổi điện áptrong các ứng dụng điện tử công suất trở nên ngày càng quan trọng Mạch tăngđiện áp DC-DC tỉ số cao, không cách ly sẽ là một trong những giải pháp đượcđưa ra để đáp ứng các nhu cầu này Tuy nhiên việc thiết kế mạch tăng điện ápDC-DC tỉ số cao, không cách ly vẫn đang gặp rất nhiều thách thức do yêu cầu

về độ chính xác, độ ổn định và hiệu suất rất cao, cùng với đó là các sự cố có thểxảy ra trên mạch trong quá trình vận hành thiết bị Vì vậy, trong đề tài luận vănnày, tôi sẽ tập trung vào việc thiết kế một cấu hình mạch và bộ điều khiển tối

ưu cả về độ chính xác, độ ổn định cùng khả năng tự động điều chỉnh để dựphòng sự cố trong một số trường hợp Tìm ra cấu hình ổn nhất và phương pháptối ưu để điều khiển góc pha cho các khoá bán dẫn Đồng thời cũng đảm bảoduy trì được hoạt động của mạch tăng điện áp DC-DC trong ngay cả các trườnghợp sự cố

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Phân tích các cấu hình mạch tăng điện áp DC-DC điển hình với thành phầnchính là các khoá bán dẫn (MOSFET), Diod và cuộn cảm Dựa trên đó ta sẽchọn ra cấu hình tối ưu cho mục tiêu vừa duy trì được hệ số khuếch đại, giảmtổn, có thể vừa đảm bảo hiệu suất và tính ổn định trong trường hợp bị hư hỏngtại các khoá bán dẫn Khi chọn được cấu hình phù hợp, ta sẽ tổng hợp cácthông số để tính toán, thực hiện mô phỏng trên phần mềm PSIM với các thông

số đó Các kịch bản về sự cố sẽ được thực hiện để đánh mức độ tối ưu của cấuhình mạch, hiệu suất của mạch Từ đó đưa ra được phương pháp tối ưu để cóthể tự động điều chỉnh góc pha trong các trường hợp sự cố Từ việc đánh giákết quả thử nghiệm trên mô hình mô phỏng, ta thi công mạch thực tế và tiếp tụcthực hiện các thử nghiệm để đánh giá hiệu suất cùng độ tin cậy của mạch

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Tìm ra cấu hình tối ưu của mạch tang điện áp DC-DC (boost DC-DC) tỉ sốcao không cách ly, giải thích nguyên lý hoạt động Thiết kế mạch tang điện ápDC-DC (boost DC-DC) tỉ số cao không cách ly với thông số đáp ứng được yêucầu sử dụng Mô phỏng, đánh giá cấu hình mạch qua phần mềmPowersim-PSIM Đánh giá và so sánh hiệu suất của nhiều cấu hình mạch khácvới cấu hình mạch tối ưu mà ta đã chọn Thi công mạch thực tế và thử nghiệmmạch với tải 180W, có thể tăng tỉ lệ lên hơn 10 lần Đề xuất hướng phát triển

 Từ cấu hình mạch tang điện áp DC-DC cơ bản, ta sẽ tìm ra được cấu hìnhmạch tối ưu nhất với yêu cầu luận văn Dựa trên công thức tính toán và cácthông số của mỗi loại linh kiện Ta thực hiện các tính toán để kết nối chúngphù hợp.

 Mô phỏng và kiểm tra bằng phần mềm PSIM bao gồm mạch điều khiển,mạch động lực, thuật toán điều khiển Xây dựng kịch bản sự cố để đánh giáviệc dự phòng sự cố

 Xây dựng mạch thực tế và thực hiện các thí nghiệm để đánh giá hiệu suấtcùng độ tin cậy của mạch

 Đánh giá kết quả thử nghiệm của mạch, đưa ra kết luận dựa trên các thông

số thử nghiệm

1.5 Điểm mới của luận văn

Ngoài việc sử dụng cấu hình mạch tăng điện áp 4 tầng thích hợp để duy trì tỉ

số cao trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất cho mạch Luận văn đã xây dựng đượckịch bản cho các trường hợp hư hỏng tại các khoá bán dẫn Trong trường hợp

đó, ta có thể mất một hoặc một số khoá bán dẫn trong hệ thống Tuy nhiên bộđiều khiển cùng thuật toán mà ta thiết kế có thể duy trì tỉ số và hiệu suất củamạch ngay cả trong điều kiện xảy ra những sự cố đó

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn

Luận văn đã xây dựng được cấu hình tối ưu cho cả phần công suất và phầnđiều khiển của mạch tang điện áp DC-DC tỉ số cao không cách ly Cả trong môhình mô phỏng trên PSIM và trong mạch thực tế Từ kết quả mô phỏng ta tạo

ra được thực toán có thể dùng để tự điều chỉnh góc pha của các khoá bán dẫnkhi xảy ra sự cố

Luận văn có giá trị tham khảo cho những ai quan tâm đến việc tạo ra một cấuhình mạch tang điện áp DC-DC tỉ số cao, không cách ly với chức năng tự điềuchỉnh góc pha, dự phòng được những tình huống sự cố trên mạch Rất phù hợpcho các ứng dụng cho hệ thống năng lượng tái tạo với các bộ biến đổi điện ápnằm ở những vị trí khó khăn cho việc sửa chữa, bảo trì, mạch này cũng rất phùhợp cho các loại máy móc tự động vốn được đặt ở vị trí khó tiếp cận Tại đâymạch sẽ phá huy giá trị ở những tình huống sự cố, giúp duy trì hệ thống thêmmột thời gian trước khi đội bảo trì có thể tiếp cận và sửa chữa

1.7 Nội dung dự kiến

Chương 1.Tổng Quan

Chương 2.Giới thiệu về mạch boost DC-DC

Chương 3.Mô phỏng và kết quả thử nghiệm.

Chương 4.Mạch thực nghiệm

Chương 5.Kết luận và hướng phát triển.

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MẠCH BOOST DC-DC

2.1 Tổng Quan về mạch boost áp DC-DC.

Mạch tăng điện áp DC-DC (hay DC-DC step-up converter) là bộ chuyển đổinguồn 1 chiều DC, có chức năng tăng điện áp (trong khi giảm dòng điện) từđầu vào (nguồn cung cấp) đến đầu ra (tải) Mạch này có nguyên lý dựa trênviệc lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường (ở cuộn cảm) và điện trường (ở tụđiện) kết hợp với việc đóng cắt các phần tử chuyển mạch (MOSFET vàDIOD) Cấu hình cơ bản của mạch bao gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó làcuộn dây L, khóa chuyển mạch Mosfet, diode D và tụ điện C

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của một mạch boost DC-DC

Để cấp guồn cho mạch tăng áp, ta có thể dung bất kỳ nguồn DC nào, chẳng hạnnhư các loại pin lithion, pin mặt trời, turbin gió, ắc quy Ứng dụng của mạchcũng rất đa dạng Nhiều nhất là trong cách mạch nguồn, bao gồm nguồn xung,nguồn UPS Ngoài ra mạch tăng điện áp DC-DC cũng được dung rộng rãi bộchuyển đổi điện áp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, pin nhiên liệu, xe điện,xehybrid nhằm mục đích tăng điện áp đến ngưỡng thích hợp trước khi đưa vàomạch nghịch lưu nối lưới (mạch inverter) Đặc biệt đối với thuật toán tìm điểmcông suất cực đại MPPT rất cần một mạch tăng điện áp DC-DC tỉ số cao đểgiảm tối đa tổn hao về công suất Khi đó hệ thống PV sẽ tối ưu hơn

Hình 2.2 Vai trò của mạch boost DC-DC tích hợp thuật toán MPPT

Để phân tích rõ hơn, ta cũng cần biết về vai trò của mạch tăng điện áp DC-DCđối với mạch nghịch lưu inverter Như đã biết, mạch nghịch lưu sẽ đóng vai trò

là bộ chuyển đổi DC-AC dung để cung cấp điện áp AC ở mức hiệu dụng chocác tải AC Ngõ vào của mạch là DC, tuy nhiên đối với nhiều nguồn DC cho dù

là pin hay ắc quy cũng sẽ cho điện áp DC ở mức thấp dưới mức điện áp hiệudụng của phổ biến của lưới điện dân dụng (thường là 110V hoặc 220V) Do đó

ta cần phải tang điện áp DC lên ở một mức phù hợp trước khi đưa vào mạchnghịch lưu

Hình 2.3 Vai trò của mạch boost DC-DC đối với bộ inverter

Hình 2.4 Một số ứng dụng thường thấy của mạch boost DC-DC

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

Mạch tăng áp được dung nhiều nhất với khả năng điều chỉnh điện áp để điện ápđầu ra lớn hơn đầu vào (VOUT>VIN) Điện áp một chiều được mắc nối tiếp vớicuộn cảm sẽ đóng vai trò là nguồn dòng Khóa chuyển mạch sẽ được mắc songsong Khoá chuyển mạch sẽ đóng mở theo chu kỳ Tụ điện sẽ được mắc gầnnhư song song với khoá chuyển mạch với chức năng chính là lọc điện áp đầu ranhư Hình 2.1 Dưới đây ta sẽ giới thiệu về cấu hình cơ bản của mạch tăng điện

áp DC-DC một tầng

Dựa trên thời điểm khoá chuyển mạch S đóng và mở ta có thể chia các giaiđoạn làm việc của mạch tăng áp thành luân phiên ở 2 trạng thái khác nhau Cụthể hơn ta sẽ chia thành 3 giai đoạn hoạt động cụ thể như sau

Giai đoạn 1: Đây là thời điểm mosfet đóng ( do được kích vào chân G ) từ đó

cuộn cảm sẽ được nạp năng lượng Lúc này trên cuộn cảm xuất hiện một điện

áp L = Vin (giả thiết van là lý tưởng tức khi thông dòng trở CE bằng 0 ) Đồngthời diode D1 ngắt do bị phân cực ngược và cắt mạch tải ra khỏi nguồn Vin.MOSFET sẽ dẫn điện trong khoảng thời gian này, khi đó phía bên phải củacuộn cảm L sẽ được nối trực tiếp với cực âm của nguồn điện Lúc này sẽ cómột dòng điện chạy giữa cực dương và âm của nguồn điện qua cuộn dây L.Dòng điện này sẽ tăng dần từ giá trị ban đầu nào đó Tuy nhiên nhờ tụ C đóngvài trò là nguồn ( Tụ C phóng ) dòng điện qua tải được cũng sẽ duy trì

Hình 2.5 Trạng thái tích luỹ năng lượng khi mosfet đóng

Giai đoạn 2: Đây là thời điểm mosfet mở (do không được kích vào chân G ở

chu kì cạnh xuống của xung điều khiển) năng lượng từ cuộn cảm qua đó đượcphóng đến tải và tụ điện, Trong giai đoạn này vì MOSFET bị ngắt nhanhchóng gây nên hiện tượng dòng điện giảm đột ngột trên cuộn dây L, qua đó tạo

ra một sức điện động ngược Cực tính của điện áp trên cuộn dây L lúc này sẽđảo ngược so với khoảng thời gian MOSFET dẫn (2 cực âm và dương trêncuộn dây L sẽ bị đảo so với giai đoạn 1), tuy nhiên điều này lại cho phép dòngđiện chạy qua Hệ quả là xuất hiện đồng thời hai điện áp trong toàn mạch Baogồm điện áp cấp đầu vào mạch VIN và điện áp tự cảm VL trên cuộn cảm (vốnxuất hiện để chống lại sự giảm dòng ILqua cuộn cảm) Do đó ở tải sẽ xuất hiện

có điện áp VIN+VL Điện áp cao hơn này phân cực thuận cho diode D, dòngđiện sẽ chạy qua diode D và nạp điện cho tụ điện C đến giá trị VIN + VL trừ đimột ít điện áp trên D, qua đó cung cấp cho tải một hiệu điện thế

Giai đoạn 3: Lúc này lặp lại giai đoạn nạp năng lượng cho cuộn cảm, nhưng

đồng thời cũng năng lượng từ tụ điện phóng đến tải trong điều kiện MOSFETđóng (do đã được kích vào chân G ở chu kì cạnh lên của xung điều khiển) Tuynhiên khi MOSFET dẫn điện trở lại sau giai đoạn trước kết hợp với điện áp trên

tụ C gây ra một hiệu điện thế tại cực cathode của diode D dương hơn điện thếtại cực anode Do diode D sẽ ngắt và làm ngõ ra của mạch bị cách ly với ngõvào Tuy nhiên tải vẫn tiếp tục được cung cấp điện áp VIN + VLtừ điện áp trên

tụ điện C vốn đã được tích điện trước đó, lúc này tụ C sẽ đóng vai trò là nguồncho tải Tụ C sẽ phóng điện với điện áp lớn hơn VIN Mặc dù xả điện qua tảicũng làm cho điện áp trên tụ C giảm trong thời gian này nhưng tụ C cũng sẽnhanh chóng được sạc điện trở lại mỗi khi MOSFET dẫn, qua đó ta sẽ duy trìđiện áp ngõ ra gần như ổn định trên tải

Hình 2.7 Trạng thái tích luỹ và cấp điện cho tải

Quá trình 3 giai đoạn này cứ lặp đi lặp ra và ta có được điện áp cấp cho tải lớnhơn điện áp ngõ vào ban đầu

2.3 Tính toán lựa chọn thiết bị

Dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng sóng của điện áp và dòng điện ta có thểthiết lập được mối liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra trong cấu hìnhmạch cơ bản như sau:

Trong đó, ��� là thời gian khoá bán dẫn đóng (ON) do được kích với xungcạnh lên của PWM Ngoài ra, thời gian đóng khoá bán dẫn cũng có thể đượcxác định thông qua kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM bằng cách tham chiếugiữa điện áp điều khiển Ux với tín hiệu sóng mang là một xung tam giác vớitần số f, biên độ đỉnh - đỉnh là 1 như trong hình 2.8

Hình 2.8 Kỹ thuật PWM

Ngoài ra giá trị của D rất quan trọng, để có thể tăng được hệ số khuếch đại củamạch lên mức điện áp ngõ ra cao, ta phải tăng giá trị của D lên Tuy nhiên mứctăng của D để mạch đạt đến một giá trị điện áp ngõ ra phụ thuộc vào nhiều yếu

tố Hơn nữa tăng D lên ở mức quá cao, vượt quá tầng số đóng cắt cho phép củakhoá bán dẫn thì có thể làm cháy khoá bán dẫn Do đó mức tăng cho độ rộngxung D để đạt đến cùng một giá trị điện áp ở những cấu hình mạch khác nhauthì sẽ khác nhau

Để thiết kế được mạch, ta sẽ dựa theo các công thức như sau để chọn linh kiệnphù hợp với yêu cầu thiết kế:

Chọn cuộn cảm: Để chọn được cuộn cảm phù hợp, ta cần dựa trên công thức.

fS: Tần só chuyển mạch nhỏ nhất

ΔIL: Độ gợn ước tính của dòng điện trên cuộn cảm

Chọn tụ đầu ra: Để chọn được tụ ngõ ra phù hợp, ta cần dựa trên công thức.

�out =Iout (max)f.ΔV ⋅D (2.3)

ΔV là độ gợn điện áp ngõ ra được xác định bằng ΔV=n% x Vout với n% là %

độ gợn điện áp mà ta mong muốn

Cout: Điện dung tụ ngõ ra

Iout(max): Dòng ngõ ra lớn nhất

fs: Tần số chuyển mạch nhỏ nhất

ΔVOUT: Độ gợn sóng điện áp ngõ ra mong muốn

Chọn Diod: Để lựa chọn được diod phù hợp ta phải dựa trên 2 thông số, đó là

dòng trung bình chịu được và điện áp ngược lớn nhất

Trong đó:

Dòng trung bình qua diod IF= Iout(max)

Điện áp ngược đặt lên diod với hệ số dự trữ chọn là 1.3 VDR=1.3 U0

Chọn khoá bán dẫn: Khoá bán dẫn được sử dụng phổ biến trong mạch ở mọi

cấu hình thường là MOSFET hoặc IGBT Trong mạch ta sẽ chọn MOSFETbằng cách dựa vào điện áp ngược lớn nhất giữa 2 cực DS trên mosfet, dòngtrung bình qua mosfet, xung dòng chịu được Đối với cấu hình mạch này, theo

lý thuyết ta có Uds=Uload (Như hình 2.9) Tuy nhiên dựa trên nguyên lý hoạtđộng của mạch khi chuyển mạch, MOSFET tạo ra gai điện áp khi nó đóng và

mở theo chu kì hoạt động Hơn nữa trên Diod cũng sẽ xuất hiện điện áp rơi Do

đó ta sẽ chọn mức điện áp chịu đựng của MOSFET, sẽ được xác định bằng giátrị của Udscộng với giá trị điện áp rơi và gai điện áp kể trên

tối đa là 1 Tuy nhiên, thời gian ngắt của khóa khi quá ngắn khi chu kỳ tăngdẫn đến việc tăng dòng điện ngắn mạch qua khoá có thể dẫn đến quá nhiệt hoặccháy nổ trên khoá bán dẫn, do mỗi khoá chỉ có 1 giới hạn nhất định về chu kìđóng cắt Hơn nữa, điện áp trên khoá bán dẫn và Diode sẽ bằng điện áp đầu ratrong các ứng dụng cần điện áp ngõ ra cao Giá thành cho các khoá chuyểnmạch với mức điện áp đặt sẽ rất đắt, cao hơn khoá chuyển mạch có mức điện

áp đặt thấp Những mạch cần điện áp ngõ ra lớn sẽ cần khoá bán dẫn có mứcđiện áp đặt lớn hơn qua đó gây ra tổn hao cả về chi phí và tổn thất công suấtkhi chuyển mạch

2.5 Chọn ra cấu hình tối ưu

Từ những vấn đề trên thông qua đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCHDC-DC TỈ SỐ CAO, KHÔNG CÁCH LY ta sẽ có được một giải pháp toàndiện nhằm khắc phục những nhược điểm của các vấn đề trên Mục tiêu là nângcao tỉ số chuyển đổi và phạm vi điều khiển, nâng cao hiệu suất, giảm tổn hao,lập được công thức tính toán cho mạch, tìm ra cách dự phòng trường hợp hưhỏng của khoá bán dẫn Để làm được điều này, dựa trên cấu hình cổ điển với 1khoá bán dẫn, ta sẽ tạo ra cấu hình ghép tầng với 4 khoá bán dẫn và cuộn cảmtheo mỗi tầng như hình 3.0, ta sẽ chia ra thành 4 tầng với 4 bậc khuếch đại Với

bộ chuyển đổi được xếp chồng lên nhau ta sẽ đạt được nhiều mục đích, vừa đểtăng cường hệ số chuyển đổi trong điều kiện không cần phải tăng độ rộng xunglên quá cao, có thể giảm gợn sóng của điện áp đầu vào, đồng thời cũng giảmtổn thất về điện Cấu hình mạch tăng điện áp DC-DC tối ưu với đầu vào xen kẽthay đổi, tỷ lệ trần đại cao và điều khiển linh hoạt theo các chức năng được tối

ưu hóa và số nhân ít hơn Hai tham số có thể được điều chỉnh để đạt được mứctăng điện áp mong muốn là chu kỳ làm việc D và hệ số nhân điện áp N Hơnnữa phương pháp điều khiển cho mạch cũng rất linh hoạt với phạm vi điềukhiển rộng, có hai biến thể của phương pháp điều khiển là điều chỉnh chu kỳlàm việc D và hệ thống nhân điện áp N

Hình 2.10 Cấu hình ghép tầng với 4 khoá bán dẫn

Các cấu hình trên cho phép có được hệ số tăng áp khá lớn với độ rộng xungphù hợp hơn so với cấu hình tăng truyền thống vốn chỉ có 1 tầng khoá bán dẫnvốn rất hạn chế khi tăng điện áp lên ở mức cao do hạn chế về chu kì làm việc(độ rộng xung D không được quá lớn) đối với mạch chỉ có 1 khoá Cấu hìnhnày có thể giảm gợn song đầu vào với việc bố trí cấu hình xen kẽ 2 pha với cácđầu vào song song và bộ tăng áp song song Không những thế với 4 tầng khoábán dẫn, cấu hình này cũng thích hợp cho việc dự phòng sự cố hư hỏng Vớiviệc thiết kế mạch điều khiển thích hợp và linh động ta có thể cho phép mạchvẫn duy trì được hệ số khuếch đại khi một hoặc nhiều khoá bán dẫn trong mạch

bị sự cố Bên cạnh đó, với khả năng đạt đến công suất lớn và mức điện áp đầu

ra lớn giúp tối ưu hoá hiệu suất chuyển đổi đồng thời tiết kiệm năng lượng khimức điện áp ngõ ra có thể đạt đến ngưỡng gần với điện áp hiệu dụng cần cấptải do đó khi qua mạch nghịch lưu (inverter) ta sẽ không cần thêm một máybiến áp nâng điện áp AC lên mức điện áp hiệu dụng có thể dùng được cho tải

Nguyên lý hoạt động:

Ta sẽ chia thời gian hoạt động của mạch thành 4 thời điểm là t1, t2, t3, t4 với 3quãng thời gian tương ứng với 3 giai đoạn hoạt động Các phần tử trên mạch

đoạn Khoá mở Khoá đóng Thời gian Kết quả

1 S1, S2, S3, S4 D1, D2, D3, D4 t1–t2 Tất cả cuộn cảm điều tích năng

lượng TụC4 phóng điện đến tải

2 S2, S4, D1, D3 S1, S3, D2, D4 t1–t2 Tụ C1 và C3 nạp điện, tụ C2 phóng

điện, tụ C4 phóng điện cho tải

3 S1, S3, D2, D4 S2, S4, D1, D3 t3–t4 Tụ C2 và C4 tích điện, tụ C1 và C3

xả điện đến tải

Giai đoạn 1: [t1 => t2] Tất cả các MOSFET điều bật, 4 Diod ngắt trong khi 4

cuộn cảm tích trữ năng lượng từ nguồn đầu vào, khi đó do hiện tượng từ hoá,dòng điện được nạp vào cuộn cảm sẽ tăng tuyến tính Do trong giai đoạn nàytất cả Diod ngắt làm tải bị cắt ra khỏi phần còn lại của mạch (Hình 2.11) nên tụđiện đầu ra (C4) sẽ đóng vai trò cung cấp năng lượng cho tải

Hình 2 11 Giai đoạn 1 hoạt động

Giai đoạn 2: [t2 => t3]: Trong giai đoạn hoạt động này, hai khoá bán dẫn S1và

S3 ngắt trong khi 2 khoá bán dẫn còn lại (S2, S4) vẫn được bật (Hình 2.12).Bằng năng lượng được tích trữ ở cuộn cảm L1từ nguồn điện, tụ C1sẽ được tíchđiện, tương tự như thế là tụ C3 tại cuộn cảm L3 Cuộn cảm ở tầng 2 và 4 củamạch nhờ vào hiện tượng từ cảm diễn ra trên 2 cuộn cảm L vẫn bị nhiễm từ đểdòng điện chạy qua thông qua S2 và S4, đây là tổng của dòng điện từ hóa củacuộn cảm và dòng điện nạp của tụ điện Do Diod D2 và D4 vẫn bị ngắt tronggiai đoạn này cho nên tải vẫn bị cắt ra khỏi phần còn lại của mạch (Hình 2.12),

tụ điện đầu ra (C4) vẫn đóng vai trò cung cấp năng lượng cho tải:

�

Hình 2.12 Giai đoạn 2 hoạt động.

Giai đoạn 3: [t3 – t4] trạng thái này giống trạng thái 2 tuy nhiên ngược lại đối

với khoá bán dẫn Khoá bán dẫn ở tầng 1 và 3 (S1 và S3) sẽ bị ngắt trong khi ởtầng 2 và 4 (S2 và S4) vẫn được bật Cả hai tụ C1 và C3 lần nạp năng lượngcho các tụ tương ứng là C2 và C4 Đầu ra tụ C4 vẫn cấp cho tải Ở trạng tháinày, dòng điện qua S1 là dòng điện từ hóa của cuộn cảm L1 và dòng điện quaS4 là dòng điện từ hoá của cuộn cảm L4

Hình 2.13 Giai đoạn 3 hoạt động.

Do đó, hệ số tăng điện áp phụ thuộc vào mức độ hoạt động (N) Tỷ lệ tăng điện

áp lý tưởng B * có thể được xác định theo công thức bên dưới

�∗=���

� in =1−�� =�in

�� tại � = 1,2, …, �max (2.7)Mức điện áp chịu đựng trên mỗi khoá bán dẫn sẽ là

�

Phân tích tổn thất điện năng sẽ là

Các điện trở RD, RL, RS có thể được mô tả là điện trở của diode, cuộn cảm vàcông khoá bán dẫn

Tổn thất công suất trên Diod:

Tất cả các điốt được bật trong khoảng thời gian (1 − �)� với dòng điện bằngvới dòng điện mức ở giai đoạn tương ứng Do đó, tổn thất dẫn điện trên diode

có thể được tính bằng công thức:

Δ�� = �(1 − �)����2 = ���1−��� (2.10)trong đó N là số mức hoạt động và Iolà dòng tải

Tổn thất công suất trên cuộn cảm

Tổn thất điện năng trong cuộn cảm bao gồm hai tổn thất chính: tổn thất đồng vàlõi Tổng của hai tổn thất có thể được biểu thị bằng một điện trở Các dòng điện

đi qua cuộn cảm trong tất cả các giai đoạn có thể được trình bày dưới dạngdòng điện trung bình trên cấp độ Do đó, tổn thất trong cuộn cảm N có thể đượctính như sau:

�� = �����2 = ��� ��

(1−�)2 (2.11)

Tổn thất công suất trên khoá bán dẫn

Để xác định tổn thất về công suất trên khoá bán dẫn ta cần xác định theo từnggiai đoạn hoạt động và theo từng khoá bán dẫn ở các tầng khác nhau của cấuhình mạch

Tổn thất về công suất trong khoá S1 (ở tầng 1) có thể được tính tương tự nhưmạch tăng truyền thống bằng công thức:

Δ���(�1) = (2� − 1)����(�1)2 = (2� − 1)�� ��

(1−�)2, � = 2…4 (2.13)Tuy nhiên, ở giai đoạn hoạt động 2 và 3, trong thời gian (1 − �)�, dòng điệntrên khoá bán dẫn được từ hóa và tích điện cho tụ điện ở phía trước Do đó, tổnthất điện năng trong các công tắc trong các giai đoạn này có thể được tínhtương ứng như sau:

Tổn thất công suất trên tụ ngõ ra

Tụ điện đầu ra (C4) không chỉ dùng để lưu trữ năng lượng mà còn cung cấpnăng lượng cho tải Dòng điện đầu ra của tụ điện có hai thành phần, đó là dòngđiện nạp và dòng điện phóng điện Dòng điện phóng ra của C4 là dòng tải vàdòng nạp là sự khác biệt giữa mức cuối cùng và dòng điện đầu ra Do đó, điềunày có thể được tính như công thức sau

��4= ��� ��

1−� (2.16)

Tổn thất công suất trên tụ

Các tụ theo từng cấp (C1 đến C3) chỉ hoạt động ở giai đoạn 2 và 3 Cả việc tích

và phóng điện của chúng đều tham gia vào chuỗi dòng điện dẫn Do đó, tổnthất điện năng cho tụ điện cấp có thể được tính như

Δ��� = 2��1−��� (2.17)Theo công thức tính tổn thất về công suất cho tụ ngõ ra, tổn thất dẫn điện thấpkhi chuyển đổi tần số dưới 100 kHz, điều này có thể dẫn đến việc bỏ qua tổnthất chuyển mạch Do đó, tổng tổn thất điện năng trong mạch đề xuất có thểđược tính bằng công thức sau

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

Nội dung trọng tâm của chương này là nghiên cứu thông qua việc mô phỏng cấu hình mạch tăng điện áp DC-DC (boost DC-DC) với 4 tầng khuếch đại mà ta đã chọn Mô hình được xây dựng trên phần mềm power PSIM với các các thành phần mô phỏng cho linh kiện, bộ điều khiển và kết quả đo trong thực tế Bộ điều khiển ứng dụng thuật toán PID, kết hợp với cổng logic giúp mạch hoạt động ổn định và duy trì điều đó trong cả trường hợp bị sư cố Nội dung được thể hiện bằng các mục sau:

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

Cấu trúc của mô hình mô phỏng trên phần mềm power PSIM mà ta xây dựngcho cấu hình mạch này gồm có 2 thành phần, đó là phần công suất và phần điềukhiển

3.1.1 Phần công suất

Mô hình mô phỏng cho phần công suất có cấu tạo gồm nhiều thành phần.Nguồn DC đầu vào, mạch tăng điện áp DC-DC theo cấu hình ghép 4 tầng, tảingõ ra và các thiết bị đo để theo dõi các thông số cần thiết cho mạch

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng cho phần công suất của mạch

Chi tiết các thành phần trong mô phỏng của phần công suất, sẽ bao gồm cáclinh kiện tương tự như trong mô hình ở phần lý thuyết, tích hợp thêm nguồn vàtải Các linh kiện này có thể được cài đặt thông số phù hợp với yêu cầu củamạch

Hình 3.2 Tổng thời gian và bước nhảy cho một bài mô phỏng

Hình 3.3 Mosfet dùng cho bài mô phỏng

Hình 3.4 Tụ dùng cho bài mô phỏng

Hình 3.5 Diod dùng cho bài mô phỏng

Hình 3.6 Cuộn cảm dùng cho bài mô phỏng

Hình 3.7 Tải dùng cho bài mô phỏng