Với cấu trúc mạch bao gồm một khóa bán dẫn kết hợp với các linh kiện thụ động như cuộn cảm, tụ điện và diode như hình 1.1.. Năng lượng dự trữ trên cuộn cảm khi khóa công suất được kích d
Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Hiện nay, xu hướng sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đã và đang phát triển mạnh mẽ với mục đích thay thế các nguồn năng lượng đang ngày càng cạn kiệt như năng lượng hóa thạch, khí đốt Bên cạnh đó, việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng gây ô nhiễm môi trường, tăng hiệu ứng nhà kính ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống của con người Vì vậy, giải pháp sử dụng nguồn năng lượng tái tạo đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nước phát triển Cùng với sự phát triển của năng lượng mới, các bộ chuyển đổi công suất ứng dụng năng lượng tái tạo cũng được nghiên cứu và phát triển theo Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò là bộ chuyển đổi năng lượng trung gian với các chức năng như AC-DC, DC-DC, DC-AC và AC-AC Các bộ chuyển đổi công suất được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới, các bộ nghịch lưu, xe điện (EV) Thông thường, các tấm pin có điện thấp sẽ không đủ cấp nguồn cho các bộ nghịch lưu, biến tần hoạt động [1] Lúc này, các tấm pin năng lượng sẽ được mắc nối tiếp nhau để đạt được điện áp cao hơn, nhưng giải pháp này bị hạn chế bởi điều kiện thời tiết, điện áp các tấm pin sẽ giảm khi có bóng che Hơn nữa, khi một trong các tấm pin mắc nối tiếp không hoạt động, điện áp ngõ ra sẽ bị ảnh hưởng, làm ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống
Do đó, một giải pháp đưa ra là sử dụng một biến đổi DC-DC có khả năng biến đổi nguồn điện áp thấp từ pin mặt trời sang nguồn điện áp cao cung cấp cho các bộ nghịch lưu, biến tần hoạt động Hơn nữa, các bộ biến đổi này đều có khả năng ổn định điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào có sự thay đổi, việc ứng dụng các bộ biến đổi DC-DC vào các hệ thống PV kết nối lưới, xe điện (EV) là thật sự hữu dụng và cần thiết
Các bộ biến đổi DC-DC tăng áp thông thường đã đáp ứng được những yêu cầu tăng áp cơ bản Với cấu trúc mạch bao gồm một khóa bán dẫn kết hợp với các linh kiện thụ động như cuộn cảm, tụ điện và diode như hình 1.1 Năng lượng dự trữ trên cuộn cảm khi khóa công suất được kích dẫn và xả qua tải khi khóa công suất được kích ngắt, điện áp đầu ra được nâng lên với giá trị bằng VIN+VL Có thể thấy, với những ứng dụng cần hệ số tăng áp cao hơn, mạch DC-DC tăng áp thông thường sẽ gặp phải vấn đề về độ lợi điện áp Lúc này, khóa bán dẫn bắt buộc phải hoạt động ở hệ số công tác cao hơn để đạt được điện áp ngõ ra cao Tuy nhiên, hoạt động với hệ số công tác cao đồng nghĩa với điện áp đặt trên khóa công suất tăng cao, tổn hao dẫn tăng lên làm giảm hiệu suất hoạt
2 động [2] Thêm vào đó, việc hoạt động ở hệ số công tác cao đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải thật chính xác tại thời điểm kích đóng và kích ngắt, hiện tượng ngắn mạch dễ xảy ra khi mà khóa công suất gần như dẫn hoàn toàn trong một chu kỳ chuyển mạch [3]
Hình 1.1 Cấu trúc mạch DC-DC tăng áp thông thường
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đề xuất nhằm cải thiện độ lợi điện áp của mạch DC-DC Nghiên cứu [4] đã đề xuất một cấu trúc mạch DC-DC tăng áp mới có độ lợi điện áp cao như được minh họa ở hình 1.2
Hình 1.2 Cấu trúc mạch DC-DC tăng áp ghép tầng
Bằng cách ghép nối tiếp hai tụ điện ngõ ra C1 và C2, điện áp đầu ra được tăng lên Tổng điện áp đầu ra bằng tổng điện áp đầu vào (VIN) cộng với điện áp trên tụ C1 (VC1) và điện áp trên tụ C2 (VC2) Vì vậy, độ lợi điện áp đạt được trong mạch ghép tầng này là:Điện áp đầu ra = VIN + VC1 + VC2
Trong khi đó, độ lợi điện áp của mạch thông thường chỉ bằng 1
Như vậy, với cùng một giá trị độ rộng xung D, cấu hình đề xuất
3 trong [4] đã cho độ lợi điện áp cao hơn so với cấu hình mạch tăng áp thông thường Tuy nhiên, đối với những ứng dụng đòi hỏi hệ số tăng áp cao hơn thì các cấu hình trên chưa đáp ứng được Đồ án này đề xuất một cấu hình mới với độ lợi điện áp 1 2
nhằm cải thiện nhược điểm mà các cấu hình trước đó chưa đáp ứng được
Bên cạnh vấn đề về độ lợi điện áp, vấn đề về tổn hao và kích thước của bộ chuyển đổi cũng được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm Các bộ biến đổi ngày càng được thiết kế với kích thước nhỏ gọn hơn, mật độ công suất cao hơn và hiệu suất chuyển đổi tốt hơn [5] Thông thường, để giảm kích thước, bộ chuyển đổi DC-DC yêu cầu hoạt động ở tần số cao từ hàng trăm kHz đến vài MHz Khi tần số chuyển mạch tăng lên, yêu cầu về giá trị cuộn cảm và tụ điện giảm đi, điều này cho phép sử dụng cuộn cảm và tụ điện có giá trị nhỏ, kích thước bé Tuy nhiên, việc tăng tần số chuyển mạch sẽ gặp phải vấn đề về tổn hao chuyển mạch Trên thực tế, do ảnh hưởng của điện dung ký sinh mà các khóa công suất không được kích dẫn và kích ngắt một cách tức thời [6] Điều này dẫn đến tại thời điểm chuyển mạch, dòng điện và điện áp có giá trị khác “0” như hình 1.3 Kết quả là tổn hao chuyển mạch xuất hiện khi các khóa công suất được kích đóng và kích ngắt, trạng thái chuyển mạch này được gọi là chuyển mạch cứng (hard- switching) t 1 t 2 t t v i t t
Hình 1.3 Dạng sóng điện áp và dòng điện của khóa bán dẫn ở trạng thái chuyển mạch cứng
Tổn hao này tỉ lệ thuận với tần số chuyển mạch Do đó, giá trị tổn hao này trở nên đáng kể khi các bộ chuyển đổi hoạt động với tần số hàng trăm kHz Để khắc phục nhược
4 điểm này, các khóa công suất sẽ được điều khiển chuyển mạch với giá trị dòng điện hoặc điện áp bằng hoặc gần bằng “0”, tổn hao chuyển mạch lúc này sẽ được giảm đi đáng kể [7] Kỹ thuật điều khiển chuyển mạch như trên được gọi là kỹ thuật chuyển mạch mềm (soft-switching)
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về kỹ thuật này đã được đưa ra, đề xuất với nhiều phương pháp thực hiện khác nhau Trong đó, hai kỹ thuật phổ biến nhất được nghiên cứu và ứng dụng đó là kỹ thuật Zero Voltage Switching (ZVS) và kỹ thuật Zero Current Switching (ZCS) [8] Với kỹ thuật ZVS, khóa bán dẫn được kích dẫn ở thời điểm điện áp đạt giá trị bằng không như hình 1.4.a Trong khi đó, khóa bán dẫn được kích ngắt với giá trị dòng điện bằng không với kỹ thuật ZCS như hình 1.4.b t 1 t 2 t t v i t t
Hình 1.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện của khóa bán dẫn ở trạng thái chuyển mạch mềm
Kỹ thuật chuyển mạch ZVS và ZCS đều có ưu điểm hơn chuyển mạch cứng, nhưng cũng có những hạn chế Kỹ thuật ZVS đòi hỏi dòng tải tối thiểu để duy trì điện áp cộng hưởng, khiến nó hoạt động kém ở tải nhỏ hoặc không tải Nó cũng cần thời gian chết để ngăn trùng dẫn khóa Hơn nữa, trong khi ZVS đạt chuyển mạch mềm khi kích dẫn, nó chỉ đạt trạng thái Quasi-ZVS khi kích ngắt.
Hình 1 5 Kỹ thuật ZVS ở thời điểm chuyển mạch, a) Kích dẫn, b) Kích ngắt
Trong khi đó, kỹ thuật ZCS yêu cầu điện áp tối thiểu để duy trì dòng điện cộng hưởng trên khóa bán dẫn Vì vậy, kỹ thuật này không hoạt động tốt ở những bộ biến đổi công suất có điện áp ngõ vào cao hoặc điện áp ngõ ra thấp Đồng thời, kỹ thuật ZCS đạt được trạng thái chuyển mạch mềm tại thời điểm kích ngắt, ở thời thời điểm kích dẫn khóa công suất chỉ đạt trạng thái chuyển mạch Quasi-ZCS như hình 1.6 [8]
Hình 1 6 Kỹ thuật ZCS ở thời điểm chuyển mạch, a) Kích dẫn, b) Kích ngắt
Trên thực tế, kỹ thuật ZVS được cho là phù hợp và hiệu quả hơn khi hoạt động ở tần số cao [10] Kỹ thuật ZCS đòi hỏi việc xác định chính xác giá trị dòng điện bằng “0” thông qua cảm biến tại thời điểm chuyển mạch Việc sử dụng thêm các thiết bị như cảm biến dòng, điện trở Shunt sẽ gặp các vấn đề về sai số khi đo, độ trễ phản hồi và kỹ thuật
6 điều khiển cũng phức tạp hơn [11] Trong khi đó, kỹ thuật chuyển mạch ZVS được thực hiện dễ dàng hơn bằng cách kích hoạt body diode (diode mắc song song ngược chiều với khóa bán dẫn tích cực) dẫn trước khi khóa công suất được kích dẫn Về hiệu suất hoạt động của mạch khi áp dụng hai kỹ thuật này, kỹ thuật ZVS cho kết quả tốt hơn so với kỹ thuật ZCS [12]
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là đề xuất một cấu hình DC – DC tăng áp mới có độ lợi điện áp cao sử dụng kỹ thuật ZVS Trình bày các chế độ hoạt động và phân tích cơ sở lý thuyết Kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm trên phần mềm mô phỏng PSIM và kết quả thực nghiệm được thực hiện trên mô hình thực tế để xác minh tính đúng đắn giữa lý thuyết và thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu chính của đề tài:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dựa trên kiến thức đã học và tham khảo các bài báo đã công bố trên các trang web chính thống như IEEE
- Dựa trên cơ sở tính toán lý thuyết, tiến hành kiểm tra trên phần mềm mô phỏng PSIM và xây dựng mô hình khảo sát kết quả thực tế
- Thiết kế PCB mạch công suất bằng phần mềm Altium Designer
- Lấy kết quả thực nghiệm, đưa ra đánh giá, nhận xét và đề xuất các điều chỉnh phù hợp.
Nội dung đề tài
Phần còn lại của đồ án có nội dung như sau:
Chương 2: Các mạch DC-DC tăng áp truyền thống
Trình bày sơ đồ, nguyên lý hoạt động và độ lợi điện áp của từng cấu hình
Chương 3: Mạch DC-DC tăng áp đề xuất
Trình bày sơ đồ, nguyên lý hoạt động và phân tích cơ sở lý thuyết của cấu hình DC-DC tăng áp đề xuất Tính toán, lựa chọn linh kiện, thiết kế và lắp ráp mạch phần cứng PCB Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Nhận xét kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm
Chương 5: Kết luận Đưa ra kết luận, những vấn đề còn tồn đọng và hướng phát triển của đề tài
CÁC MẠCH DC-DC TĂNG ÁP TRUYỀN THỐNG
Cấu hình mạch DC-DC tăng áp cơ bản và nguyên lý hoạt động
2.1.1 Cấu hình DC-DC tăng áp cơ bản
Cấu hình mạch DC-DC tăng áp cơ bản đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng cần chuyển đổi điện áp đầu ra cao hơn khi nguồn đầu vào có điện áp thấp Các cấu hình chuyển đổi DC-DC tăng áp mới cũng được phát triển dựa trên cấu hình mạch cơ bản này
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu hình DC-DC tăng áp cơ bản
Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC tăng áp gồm cuộn cảm L, khóa bán dẫn S, diode D và tụ điện C Khi cấp điện áp DC vào ngõ vào VIN, điện áp đầu ra sẽ tăng lên VOUT mong muốn thông qua điều khiển khóa S đóng mở ở hệ số công tác phù hợp.
Cấu hình DC-DC tăng áp bao gồm hai chế độ hoạt động tương ứng với hai khoảng thời gian khóa bán dẫn S được kích đóng (từ 0 đến DT) và kích ngắt (từ DT đến T) Hình 2.2 trình bày hai chế độ hoạt động của mạch Dạng sóng điện áp và dòng điện của cuộn cảm trong hai chế độ hoạt động được trình bày như hình 2.3 Để đơn giản hóa cho việc tính toán và phân tích các chế độ hoạt động của mạch, các giả thuyết sau được đưa ra:
- Mạch ở trạng thái xác lập
- Dòng điện Iload là hằng số trong một chu kỳ chuyển mạch và có thể xem như một nguồn dòng
- Tụ điện C có điện dung đủ lớn để giá trị điện áp trên tụ là hằng số trong một chu kỳ chuyển mạch
- Cuộn dây L hoạt động ở chế độ dòng điện liên tục
Hình 2.2 Chế độ hoạt động của mạch DC-DC tăng áp, (a) Chế độ thứ nhất (0 - DT),
(b) Chế độ thứ hai (DT - T)
Hình 2.3 Dạng sóng dòng điện và điện áp của cuộn cảm trong một chu kỳ chuyển mạch
Chế độ hoạt động thứ nhất, khi khóa S được kích dẫn, mạch tương đương như hình 2.2.a Dạng sóng điện áp và dòng điện của cuộn cảm tương ứng được biểu diễn như hình 2.3, với D là độ rộng xung và T là chu kỳ chuyển mạch Lúc này, cuộn cảm L được nạp năng lượng từ nguồn vào VIN thông qua khóa S, điện áp của cuộn cảm lúc này có giá trị bằng VIN Đồng thời VAK, D = -VC < 0, diode D phân cực ngược, tụ điện C xả năng lượng qua tải Chế độ hoạt động thứ nhất kết thúc khi khóa S được kích ngắt
Khi khóa S được kích ngắt, mạch hoạt động ở chế độ thứ hai, mạch tương đương như hình 2.2.b Dạng sóng điện áp và dòng điện của cuộn cảm tương ứng được biểu diễn như hình 2.3 Lúc này, cuộn cảm L sinh ra suất điện động cảm ứng có chiều ngược lại cộng với nguồn vào VIN làm điện áp VAK, D > 0, diode D được phân cực thuận Tụ điện
C ở chế độ này nhận năng lượng từ nguồn vào VIN và cuộn cảm Kết quả là điện áp trên tụ đạt giá trị VIN + VL, giá trị này cũng chính bằng điện áp ngõ ra trong cả hai chế độ hoạt động Chế độ hoạt động thứ hai kết thúc khi khóa S được kích dẫn, hoàn thành một chu kỳ chuyển mạch
Từ việc phân tích các chế độ hoạt động như trên, ta được biểu thức điện áp của cuộn cảm L như sau:
Trong một chu kỳ chuyển mạch, điện áp trung bình của cuộn bằng không, ta có:
Dựa vào biểu thức trên, độ lợi điện áp G được xác định như sau:
Trong đó: D là độ rộng xung hay hệ số công tác của khóa S, có giá trị thay đổi trong khoảng0D 198.75V Diode D2 Irms, D2 = 2.12A Chọn Irms, D2 > 2.12A
VRRM, D2 = 174.6V Chọn VRRM, D2 > 262V Khóa S1 VDS, S1 ≥ 620V Chọn VDS, S1 > 620V
Irms, S1 = 4.97A Chọn Irms, S1 > 4.97A Khóa S2 VDS, S2 ≥ 620V Chọn VDS, S2 > 620V
Hình 3.8 Giá trị cuộn cảm L1, L2 đo được, a) Cuộn cảm L1, b) Cuộn cảm L2 a) b)
Hình 3.9 Giá trị tụ điện C1, C2 đo được, a) Tụ điện C1, b) Tụ điện C2
Hình 3.10 Khóa bán dẫn và diode
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của linh kiện trong cấu hình đề xuất
Tên linh kiện Thông số kỹ thuật
Khóa S1 (C3M0040120D) ID: 66A (25 o C), VDS: 1200V, RDS (on): 40mΩ Khóa S2 (C3M0040120D) ID: 66A (25 o C), VDS: 1200V, RDS (on): 40mΩ Các thông số của khóa bán dẫn và diode tham khảo ở tài liệu Datasheet của từng linh kiện
Nguyên lý mạch phần cứng
Vi điều khiển được sử dụng ở mạch DC-DC đề xuất là dòng DsPIC, có tên là DsPIC30F4011 Nó có chức năng tạo xung để điều khiển khóa bán dẫn thông qua IC cách ly quang TLP250, đồng thời đọc giá trị điện áp thông qua ADC để hiển thị lên màn hình LCD tích hợp trên Board Phần mềm dùng để viết chương trình cho vi điều khiển là phần mềm PCWHD Compiler của hãng CCS, thường được gọi tắt là phần mềm CCS PIC C
Với cấu hình DC-DC tăng áp đề xuất, hai khóa bán dẫn kết nối với nhau ở cấu hình nửa cầu H Vì vậy, một trong những mạch điều khiển khóa bán dẫn phổ biến được sử dụng trong cấu hình này là mạch Boostrap
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch Boostrap
Hình 3.11 trên mô tả sơ đồ nguyên lý của mạch Boostrap, nguyên lý hoạt động như sau:
Trong khoảng thời gian S 2 dẫn, cực âm của tụ C B được nối vào âm nguồn GND, tụ
Tụ điện CB được nạp điện áp 12V thông qua một điện trở giới hạn dòng điện (RB) để tránh dòng điện quá mức qua diode D Diode DB ngăn chặn điện áp ngược từ tụ CB sau khi ngắt nguồn điện.
33 dẫn một chiều, tránh hiện tượng tụ C B xả ngược về nguồn +12V, tụ C B giúp lưu trữ năng lượng để cấp nguồn cho mạch driver ở trạng thái kế tiếp Đến khoảng thời gian S 1 dẫn, nguồn cấp cho TLP250 phía trên được nạp sẵn trên tụ
C B ở thời điểm trước đó, khi có xung tác động vào, TLP250 sẽ kích dẫn điện áp dương trên tụ C B đưa vào cực gate của khóa S 1 làm nó dẫn mà không gặp bất cứ vấn đề gì về nguồn cấp Điện trở R G nối tiếp với cực gate của khóa bán dẫn giúp hạn chế độ biến thiên lớn của dòng IG trong quá trình nạp tụ kí sinh C GS Việc mắc điện trở R GS vào cực gate và source của khóa là cần thiết, mục đích để tránh hiện tượng tự kích của mosfet khi cực gate bị hở và giúp giảm thời gian xả tụ kí sinh khi mosfet được kích ngắt Ở mạch điều khiển, hai ic cách ly quang TLP250 được sử dụng, mục đích để cách ly giữa phần công suất và vi điều khiển nhằm tránh nhiễu Hơn nữa, trong trường hợp phần công suất có sự cố, nhờ opto cách ly quang mà điện áp cao bên phần công suất không phản hồi về làm hư hỏng linh kiện phía vi điều khiển Transistor loại NPN được sử dụng để đệm dòng điện đầu ra của vi điều khiển, đảm bảo opto quang được cấp đủ dòng điện khi hoạt động
Cấu hình DC-DC tăng áp trên mô hình thực tế được xây dựng dựa trên sơ đồ nguyên lý được trình bày như hình 3.1 Khóa bán dẫn được sử dụng là loại có diode nội bên trong và có chuẩn đóng gói là TO-247-3P Một vài tụ không phân cực với giá trị nhỏ 100nF 630V được kết nối vào gần các khóa bán dẫn và Diode để hạn chế các gai nhiễu do đường mạch PCB sinh ra điện cảm và điện dung ký sinh.
Thiết kế mạch phần cứng
3.6.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Từ sơ đồ nguyên lý đã được chạy mô phỏng trên phần mềm Psim, tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý và mạch PCB trên phần mềm Altium Designer Khi thiết kế sơ đồ nguyên lý, các linh kiện của phần điều khiển được sắp xếp tách biệt với phần công suất để dễ dàng kiểm soát, sửa lỗi nếu có Nguyên lý mạch điều khiển được trình bày như hình 3.11, mạch công suất như hình 3.12, mạch ổn áp ở hình 3.13 và mạch cảm biến như hình 3.14
Hình 3.12 Sơ đồ mạch điều khiển trên phần mềm Altium Designer
Hình 3.13 Sơ đồ mạch công suất trên phần mềm Altium Designer
Hình 3.14 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp trên phần mềm Altium Designer
Hình 3.15 Sơ đồ mạch cảm biến áp trên phần mềm Altium Designer
Từ sơ đồ nguyên ta tiến hành vẽ mạch PCB Một số lưu ý khi vẽ mạch PCB:
- Các đường mạch công suất có độ rộng lớn để đảm bảo khả năng dẫn điện
- Với những vị trí cần khả năng dẫn dòng lớn có thể tạo thêm lớp bottom solder mask
- Các vị trí có điện áp cao cần tạo khoảng cách giữa các đường mạch tối thiểu là 0.25mm với điện áp 400V
- Những linh kiện công suất sinh nhiệt cần kết hợp thêm nhôm tản nhiệt
- Áp dụng kỹ thuật Starpoint khi vẽ đường mạch công suất, giúp hạn chế nhiễu
Mạch PCB sau khi hoàn thành như các hình bên dưới
Hình 3.16 Mặt trên mạch PCB trên Altium Designer
Hình 3.17 Mặt dưới mạch PCB trên Altium Designer
Hình 3.18 Sơ đồ bố trí tổng thể của mạch
Hình 3.19 Mặt trên mạch PCB ở chế độ 3D
Hình 3.20 Mặt dưới mạch PCB ở chế độ 3D
Hình 3 21 Hai cuộn cảm L1 và L2 chế độ 3D
Hình 3.22 Mạch PCB thực tế
Hình 3.23 Mạch PCB lắp ráp đầy đủ linh kiện
Từ mạch PCB chưa có linh kiện, tiến hành lắp và hàn các linh kiện vào board mạch theo đúng thông số của từng linh kiện như hình 3.23 Sau đó, kiểm tra cẩn thận trước khi cấp nguồn cho mạch Đo các giá trị điện áp trên mạch bao gồm điện áp 12V DC đầu vào, điện áp 5V từ KA7805 cho vi điều khiển, điện áp +-15V từ MORSUN cấp cho cảm biến áp LEM LV-20P Sau khi đo đạc đầy đủ các thông số, ta tiến hành lắp vi điều khiển và nạp chương trình, lúc này cần đo xung ngõ ra của vi điều khiển Nếu xung điều khiển đạt yêu cầu, ta tiến hành các bước kế tiếp lấy kết quả thực nghiệm Ngược lại, cần kiểm tra khắc phục lỗi.
Quy trình thao tác
Để tiến hành lấy các kết quả thực nghiệm, cần thực hiện theo trình tự các bước sau:Kiểm tra mạch trước khi cấp nguồn cho phần mạch điều khiển.Đo đạc các giá trị điện áp mặc định của mạch.
Bước 2: Nạp chương trình cho vi điều khiển DsPIC30F4011 thông qua phần mềm PICKit2
Bước 3: Đo xung điều khiển hai khóa bán dẫn, cần lưu ý khoảng thời gian deadtime của hai khóa, tránh xảy ra hiện tượng trùng dẫn
Bước 4: Cấp nguồn cho phần mạch công suất bằng máy cấp nguồn DC
Bước 5: Điều chỉnh giá trị điện áp và dòng điện nguồn vào để đạt được các thông số điện áp, dòng điện và dạng sóng
Bước 6: Quan sát và ghi lại các kết quả cần đo từ Oscilloscope
Bước 7: Sau khi thao tác lấy kết quả hoàn thành, tắt nguồn và di chuyển các thiết bị đo về vị trí cũ
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Cấu hình DC-DC tăng áp đề xuất được chạy mô phỏng trên phần mềm PSIM Từ những lý thuyết được phân tích và kết quả khảo sát trên phần mềm mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành chạy thử nghiệm trên mô hình thực tế để kiểm tra tính đúng đắn của những lý thuyết đã được phân tích Với cấu hình DC-DC đề xuất, mạch hoạt động với điện áp đầu vào là 100V DC, tần số chuyển mạch f = 25 kHz, điện áp đầu ra đạt giá trị xấp xỉ 310V DC với tải điện trở 300Ohm và hệ số D cố định ở mức 43.2% Bảng 3.4 trình bày thông số các linh kiện được sử dụng với cấu hình đề xuất Mô hình thực tế được trình bày như hình 4.1
Mạch điều khiển & công suất
Que đo áp cách ly Que đo áp
Hình 4.1 Mô hình thực tế cấu hình đề xuất
Hình 4.2 Đồ thị dạng sóng điện áp đầu vào, điện áp và dòng điện đầu ra, a) Mô phỏng, b) Thực nghiệm
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của điện áp, dòng điện đầu vào và đầu ra được trình bày như hình 4.2.a) và hình 4.2.b) Với điện áp ngõ vào là 100V, điện áp và dòng điện ngõ ra lần lượt đạt giá trị 308.9V và 1.03A ở kết quả mô phỏng Trong khi đó, kết quả thực nghiệm lần lượt là 299.46V và 1.01A Giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm là có sai số, tuy nhiên sai số này là không đáng kể do linh kiện trong mô phỏng là lý tưởng còn trên thực tế xảy ra tổn hao trên linh kiện, sai số các giá trị ở linh kiện
Hình 4.3 Đồ thị dạng sóng điện áp VC1, VC2 và dòng điện IL1, IL2, a) Mô phỏng, b)
Hình 4.3 trình bày dạng sóng trên hai tụ điện và hai cuộn cảm Từ trái qua phải, lần lượt là kết quả mô phỏng và thực nghiệm Điện áp trung bình trên tụ C1 và C2 lần lượt là 175.6V và 133.3V ở kết quả mô phỏng Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho giá trị thấp hơn lần lượt là 173.05V và 126.41V Điều này được giải thích là trên thực tế mạch hoạt động ở chế độ vòng hở nên xảy ra hiện tượng sụt áp khi có tải Tương tự, độ gợn dòng điện trên cuộn cảm L1 và L2 mô phỏng lần lượt là 1.44A và 18.04A Kết quả thực nghiệm cho giá trị tương ứng là 1.41A và 17.39A Với giá trị 1.2mH cho cuộn cảm L1 và 168uH cho cuộn cảm L2, độ lớn của dòng điện cực tiểu cuộn cảm L1 và L2 tương ứng là 2.29A và 6.97A Lúc này, độ lớn dòng cực tiểu IL2 lớn hơn dòng cực tiểu IL1 là 3 lần, thỏa điều kiện để đạt trạng thái chuyển mạch ZVS như đã phân tích ở chương 3 a) b)
Hình 4.4 Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa S1, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 300ns
Hình 4.5 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa
S1, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 200ns a) b)
Hình 4.6 Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa S1, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 300ns
Hình 4.7 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa
S1, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 100ns
Hình 4.5 và hình 4.7 biểu diễn kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp điều khiển
VGS, S1 điện áp rơi trên hai cực drain-source VDS, S1 và dòng điện IDS, S1 của khóa S1 Dạng sóng mô phỏng của khóa S1 như hình 4.4 và hình 4.6 cũng cho kết quả tương tự Trạng thái chuyển mạch của khóa S1 có thể được chia thành hai giai đoạn tương ứng với hai thời điểm khi khóa S1 được kích dẫn như hình 4.5 và kích ngắt như hình 4.7 Tại thời điểm thứ nhất, body diode khóa S1 dẫn làm điện áp rơi trên hai cực drain-source khóa S1 giảm về không trước khi khóa S1 được kích dẫn như hình 4.5.b Lúc này, khóa
S 1 đạt trạng thái chuyển mạch ZVS tại thời điểm kích dẫn Ở thời điểm thứ hai, khi khóa
S1 được kích ngắt như hình 4.7.b, dòng điện IDS, S1 giảm dần về không, nhờ tụ Cb1 mà điện áp rơi VDS, S1 không tăng đột ngột, khóa S 1 đạt trạng thái chuyển mạch quasi-ZVS ở thời điểm kích ngắt
Hình 4.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa S2, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 0.3us
Hình 4.9 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa
S2, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 200ns
Hình 4.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa
S2, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 0.3us
Hình 4.11 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp VGS, VDS và dòng điện IDS của khóa
S2, a) Dạng sóng ở time/div: 4us, b) Dạng sóng ở time/div: 200ns
Hình 4.9 và hình 4.11 biểu diễn kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp điều khiển
VGS, S2, điện áp rơi trên hai cực drain-source VDS, S2 và dòng điện IDS, S2 của khóa S2 Dạng sóng mô phỏng của khóa S1 như hình 4.8 và hình 4.10 cũng cho kết quả tương đồng Tương tự khoá S1, trạng thái chuyển mạch của khóa S2 cũng được chia thành thời điểm tương ứng với hai thời điểm khi khóa S2 được kích dẫn như hình 4.9 và kích ngắt
48 như hình 4.11 Tại thời điểm thứ nhất, body diode khóa S2 dẫn làm điện áp rơi trên hai cực drain-source khóa S2 giảm về không trước khi khóa S2 được kích dẫn như hình 4.9.b, khóa S2 đạt trạng thái chuyển mạch ZVS Ở thời điểm thứ hai, khi khóa S2 được kích ngắt, dòng điện IDS, S2 giảm dần về không như hình 4.11.b, nhờ tụ Cb2 mà điện áp rơi
VDS, S2 của khóa S2 không tăng đột ngột, khóa S2 đạt trạng thái chuyển mạch quasi-ZVS tại thời điểm kích ngắt
Bảng 4.1 Kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn hiệu suất mạch đề xuất theo công suất tải
Hiệu suất chuyển đổi của mạch DC-DC đề xuất được trình bày như hình 4.12 Các giá trị được phân tích bởi máy phân tích hiệu suất WT3000E Có thể thấy, hiệu suất của cấu hình đề xuất tăng khi công suất tải tăng Tuy nhiên, mạch đạt hiệu suất chuyển đổi cao nhất ở mức công suất tải xấp xỉ 475W Sau đó, hiệu suất bắt đầu giảm khi công suất
Công Suất ( W ) Đồ thị công suất - hiệu suất
49 tải tiếp tục tăng đến giá trị xấp xỉ 575W và mất đi trạng thái chuyển mạch ZVS ở khóa
S 1 Đồ thị 2.7 bên dưới trình bày kết quả so sánh tỷ lệ tăng áp giữa ba cấu hình ở các giá trị độ rộng xung khác nhau (cấu hình DC-DC tăng áp truyền thống – cấu hình DC
DC tăng áp ghép tầng và cấu hình DC-DC tăng áp đề xuất)
Hình 2.7 Đồ thị so sánh độ lợi điện áp và độ rộng xung các cấu hình
Dựa vào đồ thị hình 2.7, có thể thấy cấu hình được đề xuất cho hệ số tăng áp (với cùng giá trị độ rộng xung) cao hơn so với hai cấu hình còn lại Với giá trị độ rộng xung D=0.5, mạch tăng áp cơ bản cho hệ số tăng áp hai lần, mạch tăng áp ghép tầng cho hệ số tăng áp là ba lần Trong khi đó, mạch tăng áp đề xuất cho hệ số tăng áp đến bốn lần Như vậy, mạch tăng áp đề xuất đã có sự cải thiện về độ lợi điện áp so với hai cấu hình còn lại
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Đ ộ lợ i đ iện áp Độ rộng xung D
So sánh tỉ lệ chuyển đổi điện áp
Cấu hình mạch ghép tầng