HCMUTE: Xây Dựng Bộ Chuyển Đổi DC-DC 1.6kW 320V 5A

Tài liệu nghiên cứu Hcmute xây dựng bộ chuyển đổi dc dc 1 6kw 320v 5a, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Trương Thị Bích Ngà
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện-Điện Tử
• Đề tài: Bộ Chuyển Đổi DC-DC 1.6kW 320V 5A Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở nước ngoài
• 1.3. Nghiên cứu bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC
• 2.1. Tổng quan về mạch tăng áp
• 2.2. Tổng quan về các mạch tăng áp DC-DC truyền thống
• 2.3. Nguyên lý hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC
• 3.1. Mô hình toán học, phương trình toán bộ chuyển đổi DC-DC
• 3.2. Phương trình toán học bộ chuyển đổi DC-DC
• 3.3. Phương pháp điều khiển PWM cho bộ tăng áp DC-DC
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 4.1.1. Thi công hệ thống
• 4.1.1.1. Mô hình tổng thể
• 4.1.1.2. Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm
• 4.1.2. Sơ đồ chi tiết từng khối
• 4.1.2.1. Nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển
• 4.1.2.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển
• 4.1.2.1.2. Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển
• 4.1.2.1.3. Sơ đồ thực tế mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển
• 4.1.2.2. Nguồn DC cung cấp cho mạch công suất
• 4.1.2.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC cung cấp cho mạch công suất
• 4.1.2.2.2. Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch công suất
• 4.1.2.2.3. Sơ đồ mạch nguồn DC thực tế cung cấp cho mạch công suất
• 4.1.2.3. Thi công mạch kích
• 4.1.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch kích
• 4.1.2.3.2. Mạch khuếch đại và cách ly
• 4.1.2.3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch kích và cách ly
• 4.1.2.3.4. Sơ đồ mạch in mạch kích và cách ly
• 4.1.2.3.5. Sơ đồ mạch kích và cách ly
• 4.2. Mạch công suất
• 4.3. Mạch điều khiển
• 4.4. Mô hình hoàn thiện
• 4.5. Lập trình hệ thống
• 4.5.1. Lưu đồ giải thuật chương trình chính
• 4.5.2. Lưu đồ giải thuật chương trình con
• 4.6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• 4.6.1. Kết quả mô phỏng
• 4.6.2. Kết quả thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 5.1. Những đóng góp của đề tài
• 5.2. Hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển đề tài
• LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Bộ chuyển đổi DC DC 1

Tài liệu này trình bày nghiên cứu và phát triển bộ chuyển đổi DC-DC 1.6kW (320V/5A) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE). Nghiên cứu tập trung vào thiết kế, mô phỏng và chế tạo một bộ chuyển đổi DC-DC công suất cao, hiệu quả cao. Bộ chuyển đổi DC-DC 1.6kW này được kỳ vọng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các nguồn điện áp cao trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu. Tài liệu bao gồm các phần chính: tổng quan về bộ chuyển đổi DC-DC, cơ sở lý thuyết, thiết kế mạch, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm công suất 1.6kW, điện áp đầu ra 320V và dòng điện đầu ra 5A. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho giảng dạy và nghiên cứu tại HCMUTE. Việc ứng dụng Arduino để điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC cũng là một điểm nhấn đáng chú ý.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu và tính mới

Mục tiêu chính là xây dựng một bộ chuyển đổi DC-DC 1.6kW hoạt động ổn định và hiệu quả. Tính mới của nghiên cứu nằm ở việc kết hợp lý thuyết điều khiển hiện đại và ứng dụng Arduino để điều khiển hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng phương trình toán, mô hình toán và thuật toán điều khiển cho bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp. Việc ứng dụng Arduino giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong quá trình điều khiển. Nghiên cứu cũng hướng đến việc xây dựng một mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng. Bộ chuyển đổi DC-DC được thiết kế với hiệu suất cao, giảm thiểu tổn thất năng lượng. Giá bộ chuyển đổi DC-DC 1.6kW cũng được xem xét trong quá trình nghiên cứu và phát triển.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm: (1) Nghiên cứu lý thuyết về bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp; (2) Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng bằng phần mềm PSIM; (3) Thiết kế mạch điện và lựa chọn linh kiện; (4) Chế tạo mô hình thực nghiệm; (5) Thử nghiệm và phân tích kết quả. Phần mềm PSIM được sử dụng để mô phỏng hoạt động của bộ chuyển đổi DC-DC. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của bộ chuyển đổi DC-DC. Thử nghiệm bộ chuyển đổi DC-DC bao gồm đo đạc các thông số như điện áp, dòng điện và hiệu suất. Sửa chữa bộ chuyển đổi DC-DC nếu có lỗi trong quá trình thử nghiệm.

1.3. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu bao gồm: mô hình toán học, mô phỏng bằng PSIM, mạch điện thiết kế, mô hình thực nghiệm và báo cáo thử nghiệm. Mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định và đạt được các thông số kỹ thuật đề ra. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cao. Ứng dụng của bộ chuyển đổi DC-DC 1.6kW rất rộng rãi, bao gồm: nguồn điện cho các thiết bị công suất lớn, hệ thống năng lượng tái tạo, các thiết bị điện tử công nghiệp. Việc mua bộ chuyển đổi DC-DC tương tự trên thị trường có chi phí cao hơn. Nghiên cứu này cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí và hiệu quả cao. Nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở dữ liệu và kinh nghiệm quý báu cho việc nghiên cứu bộ chuyển đổi DC-DC trong tương lai. Đào tạo bộ chuyển đổi DC-DC cho sinh viên cũng được xem xét.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc sử dụng các bộ chuyển đổi DC-DC ngày càng phổ biến trong công nghiệp và đời sống. Bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp (boost converter) có vai trò quan trọng trong việc nâng cao điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào, đặc biệt trong các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió. Nhu cầu thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC công suất lớn, hiệu suất cao và ổn định là cấp thiết nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành của các thiết bị công nghiệp và máy điện một chiều.

Luận văn tập trung xây dựng bộ chuyển đổi DC-DC công suất 1.6KW với điện áp đầu vào 320V và dòng điện 5A, thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm xây dựng cơ sở lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm PSIM và nhúng chương trình điều khiển vào card Arduino để điều khiển bộ chuyển đổi.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển mô hình toán học, giải thuật điều khiển hiện đại cho bộ chuyển đổi DC-DC, đồng thời có giá trị thực tiễn khi ứng dụng Arduino điều khiển, giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Kết quả nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm phương pháp giảng dạy và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mạch điện tử công suất và lý thuyết điều khiển PID (Proportional Integral Derivative).

• Lý thuyết mạch điện tử công suất: Nghiên cứu cấu hình mạch tăng áp DC-DC truyền thống và cấu hình ghép tầng tăng áp hiện đại nhằm giảm điện áp stress trên linh kiện, tăng hiệu suất chuyển đổi. Các khái niệm chính bao gồm: cuộn cảm, tụ điện, diode, khóa bán dẫn (MOSFET, IGBT), và nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp với hai trạng thái đóng/ngắt khóa.

• Lý thuyết điều khiển PID: Bộ điều khiển PID được sử dụng để giảm thiểu sai số giữa giá trị đo và giá trị đặt, bao gồm ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Mỗi thành phần có vai trò điều chỉnh khác nhau nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, nhanh chóng đạt giá trị mong muốn và giảm dao động.

Các khái niệm chuyên ngành như kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation), mô hình toán học bộ chuyển đổi DC-DC, và thuật toán điều khiển nhúng trên Arduino cũng được áp dụng để thiết kế và vận hành bộ chuyển đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm từ mô hình vật lý bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW và kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh với các linh kiện điện tử công suất và mạch điều khiển được thiết kế, thi công và kiểm tra kỹ lưỡng.

Phương pháp phân tích gồm:

• Mô hình hóa toán học và xây dựng phương trình trạng thái cho bộ chuyển đổi DC-DC.
• Mô phỏng hệ thống trên PSIM để đánh giá hiệu suất và đặc tính hoạt động.
• Thiết kế và lập trình bộ điều khiển PID nhúng trên card Arduino.
• Thực nghiệm mô hình vật lý để so sánh và đánh giá kết quả mô phỏng.
• Phân tích số liệu thực nghiệm và mô phỏng, sử dụng biểu đồ dòng điện, điện áp và tỷ số ngắn mạch để minh họa.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 3 đến tháng 12 năm 2018, bao gồm các giai đoạn: xây dựng lý thuyết, mô phỏng, thi công mô hình thực nghiệm, lập trình điều khiển và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học và phương trình điều khiển: Đã xây dựng thành công mô hình toán học cho bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW với điện áp đầu vào 290V và điện áp đầu ra mong muốn 350V. Chu kỳ ngắn mạch (duty cycle) được xác định là 0.15, giúp giảm điện áp stress trên các linh kiện.

2. Kết quả mô phỏng: Dòng điện trên cuộn dây L1 và L2 lần lượt đạt 8.5A và 5A, dòng điện ngõ ra đạt 4.2A, điện áp ngõ ra ổn định ở 350V với tần số sóng mang 20kHz. Điện áp trên các tụ điện C1 và C2 lần lượt là 50V và 10V, điện áp đặt trên khóa S1 và S2 là 341V và 60V.

3. Kết quả thực nghiệm: Dòng điện cuộn dây L1 và L2 đo được lần lượt là 8A và 5A, điện áp ngõ ra đạt 350V khi điện áp ngõ vào là 305V, dòng điện ngõ ra là 5A. Tỷ số ngắn mạch D thực tế đạt gần bằng mô phỏng, chứng tỏ tính chính xác của mô hình.

4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng cao, chỉ có sự chênh lệch nhỏ ở dòng điện cuộn dây L2 do tổn hao trên linh kiện thực tế. Điều này khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của mô hình và thuật toán điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân kết quả thực nghiệm gần với mô phỏng là do việc thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện phù hợp, cùng với thuật toán điều khiển PID hiệu quả giúp duy trì ổn định điện áp và dòng điện. Việc sử dụng cấu hình ghép tầng tăng áp giúp giảm điện áp stress trên các linh kiện, kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất chuyển đổi.

So với các nghiên cứu trước đây, đề tài đã cải tiến cấu hình mạch và áp dụng điều khiển nhúng Arduino, tạo ra sản phẩm có tính ứng dụng cao trong thực tế. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ dòng điện và điện áp theo thời gian, bảng so sánh các thông số mô phỏng và thực nghiệm để minh họa sự phù hợp và hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng thực tế: Đề xuất các doanh nghiệp và cơ sở nghiên cứu ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW trong các hệ thống điện công nghiệp và năng lượng tái tạo nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng.

2. Nâng cao công suất và hiệu suất: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng công suất bộ chuyển đổi và tối ưu hóa thuật toán điều khiển PID để giảm tổn hao năng lượng, hướng tới công suất lớn hơn 2KW trong vòng 1-2 năm.

3. Phát triển mô hình đào tạo: Áp dụng mô hình và phần mềm mô phỏng vào giảng dạy tại các trường đại học kỹ thuật, giúp sinh viên tiếp cận công nghệ hiện đại và thực hành trực quan. Thời gian triển khai trong 1 năm.

4. Chuyển giao công nghệ: Hỗ trợ các doanh nghiệp trong việc chuyển giao công nghệ thiết kế và điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC, đồng thời cung cấp tài liệu hướng dẫn và đào tạo kỹ thuật viên. Thời gian thực hiện 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và giảng viên ngành điện – điện tử: Nghiên cứu và giảng dạy về mạch điện tử công suất, điều khiển tự động và ứng dụng Arduino trong hệ thống điện.

2. Kỹ sư thiết kế mạch điện tử công suất: Áp dụng mô hình và thuật toán điều khiển để thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC công suất cao, nâng cao hiệu suất và độ ổn định.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ linh kiện thông qua ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC cải tiến.

4. Nhà nghiên cứu năng lượng tái tạo: Ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC trong các hệ thống điện mặt trời, điện gió để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi và lưu trữ năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Bộ chuyển đổi phù hợp với các hệ thống điện công nghiệp, năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, và các thiết bị điện một chiều công suất lớn. Ví dụ, trong các dây chuyền sản xuất hoặc xe điện.

2. Lý do chọn Arduino làm bộ điều khiển là gì?
   Arduino có ưu điểm dễ lập trình, chi phí thấp và khả năng nhúng thuật toán điều khiển PID hiệu quả, giúp điều chỉnh chính xác điện áp và dòng điện đầu ra.

3. Hiệu suất của bộ chuyển đổi đạt được là bao nhiêu?
   Theo kết quả mô phỏng và thực nghiệm, bộ chuyển đổi hoạt động ổn định với điện áp đầu ra 350V từ điện áp đầu vào 290-305V, dòng điện ngõ ra đạt 4.2-5A, cho thấy hiệu suất cao và ổn định.

4. Có thể mở rộng công suất bộ chuyển đổi không?
   Có thể, bằng cách tối ưu hóa thiết kế mạch và thuật toán điều khiển, công suất có thể nâng lên trên 2KW để đáp ứng nhu cầu công nghiệp lớn hơn.

5. Làm thế nào để giảm điện áp stress trên linh kiện?
   Sử dụng cấu hình ghép tầng tăng áp giúp phân phối điện áp đều trên các linh kiện, giảm điện áp đặt trên từng phần tử, từ đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy của bộ chuyển đổi.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học và phương trình điều khiển cho bộ chuyển đổi DC-DC công suất 1.6KW.
• Mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm mô hình vật lý cho kết quả tương đồng, chứng minh tính khả thi của giải pháp.
• Ứng dụng điều khiển PID nhúng trên Arduino giúp duy trì điện áp và dòng điện ổn định, giảm sai số và tăng hiệu suất.
• Bộ chuyển đổi có ưu điểm giảm điện áp stress trên linh kiện, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy.
• Đề xuất tiếp tục phát triển công suất, ứng dụng thực tế và chuyển giao công nghệ trong các lĩnh vực điện công nghiệp và năng lượng tái tạo.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW, đồng thời mở rộng nghiên cứu nâng cao công suất và hiệu suất trong tương lai gần.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời).

Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Xây dựng bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW (320V/5A)” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định. Gần đây, nhiều bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC đã đề xuất để có được hệ số tăng áp cao trong cấu trúc cách ly và không cách ly.

Ở cấu hình không cách ly, cấu trúc nâng áp qua nhiều chặng, cấu trúc chuyển cuộn cảm, cấu trúc chuyển tụ điện hay kết hợp cả chuyển cuộn cảm và chuyển tụ điện đã được đề xuất để chuyển đổi DC-DC. Tuy cấu hình này cho hệ số tăng áp cao và hiệu suất chuyển đổi cao nhưng nó không có sự cách ly giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra nên nó không đáp ứng được tiêu chuẩn an toàn. Chính vì vậy, một số bộ chuyển đổi DC-DC cách ly đã được đề xuất. Những bộ chuyển đổi này dựa trên kỹ thuật boost và kết hợp biến áp tần số cao để có được hệ số tăng áp cao nhưng hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh của mạch không thể vừa đóng mạch hoặc vừa hở mạch cùng lúc.

Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở nước ngoài − Các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm của các nước Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc…cũng chỉ theo hai hướng trên. Các công trình tiêu biểu cho hướng nghiên cứu có thể kể đến là công trình của các tác giả sau: 8 Luan van Theo [3] các Tác giả S. Chen “A cascaded high step-up dc-dc converter with single-switch for micro-source applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. Tác giả giảm điện áp stress trên tụ và các khóa bán dẫn nên ghép tầng để chia các áp đặt trên bán dẫn.

Để đạt điện áp cao và giảm điện áp stress the bán dẫn các tác giả [5] Y. Barbi, “A new quadratic, three-level, DC-DC converter suitable for fuel cell application”. IEEE Power Conversion Conference – Nagoya, 2007, pp. Để phân nhiều cell nhằm giảm điện áp trên các bán dẫn các Tác giả [7] K.

Liang, “Novel high-efficiency step-up converter”. IEEE Proceedings Electric Power Applications, United Kingdom, vol. Nghiên cứu bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở Việt Nam Bộ biến đổi DC-DC đã được nhiều Tiến sỹ đầu ngành thực hiện nghiên cứu nhưng trong thực nghiệm chỉ nghiên cứu biến đổi DC-DC ở dạng giảm áp, còn thực nghiệm ở dạng tăng áp thì áp cao, dòng nhỏ, qua biến áp tăng áp, điều khiển vòng hở nên điện áp ra bị sụt áp khi tăng tải. Nhóm sinh viên thực hiện luận văn tốt nghiệp.

- Nguyễn Khanh Vương – Nguyễn Quốc Dương ”Nghịch lưu 3 pha 2 bậc điều khiển máy bơm nước bằng năng lượng mặt trời“ Nhóm sinh viên sử dụng tăng áp với 2 IGBT xen kẽ và sử dụng biến áp cách ly để tăng áp. Tuy nhiên với phương pháp trên làm tăng dòng đầu vào rất lớn. − Cao Nhật Tân “Bộ chuyển đổi DC-DC giảm tỷ số máy biến áp cách ly” bài báo đăng trên tạp chí tự động hóa ngày nay số 14 tháng 12/2015. Tác giả chuyển đổi tăng áp DC-DC thông qua máy biến áp để cách ly nhằm giảm tỷ số của máy biến áp bằng cách điều chỉnh chỉ số ngắn mạch.

9 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC 2. Tổng quan về mạch tăng áp 2.1 Giới thiệu tổng quát Thông thường, nguồn điện DC có thể cung cấp trực tiếp cho các thiết bị như pin, ác-quy…. Nhưng với một số trường hợp, các nguồn cung cấp này không thể cung cấp đủ mức điện áp mà thiết bị cần để hoạt động. Ví dụ, động cơ dùng để lái xe ô tô điện yêu cầu điện áp cao hơn nhiều, trong vùng 500V, mức mà pin hoặc ắc-quy thông thường không thể đạt đến được.

Ngay cả khi có thể cung cấp được nguồn pin như thế thì trọng lượng và không gian chiếm dụng sẽ là quá lớn. Câu trả lời cho vấn đề này chính là tăng điện áp với nguồn điện áp có sẵn từ các bộ lưu năng lượng, Một vấn đề khác với pin dù lớn hay nhỏ, đó là điện áp cung cấp của nó thường sẽ bị tổn hao một phần nên tại một số thời điểm, điện áp cung cấp của pin sẽ là quá thấp để có thể sử dụng được. Nguồn cho bộ chuyển đổi điện áp một chiều (boost converter) có thể là bất kì nguồn một chiều (DC) thích hợp nào, có thể là ắc-quy, pin, các tấm pin năng lượng mặt trời, bộ chỉnh lưu. Quá trình chuyển đổi điện áp một chiều từ một giá trị nhỏ hơn lên một giá trị lớn hơn được gọi là boost converter DC-DC.

Quá trình chuyển đổi điện áp này dựa trên định luật bảo toàn năng lượng P = U*I, tức là dòng điện ngõ ra sau khi boost có giá trị nhỏ hơn giá trị dòng điện đầu vào 2.2 Tổng quan về các mạch tăng áp DC-DC truyền thống Trong những năm gần đây, những nhà nghiên cứu về hệ thống năng lượng tái tạo được trình bày trong [1], [2] sử dụng năng lượng điện áp thấp đơn cử như pin nhiên liệu, solar cell bởi vì độ lợi và hiệu suất cao. Nhiều nhà nghiên cứu đã nổ lực phát triển bộ chuyển đổi DC-DC với hiệu suất cao được trình bày [3]. Các bộ chuyển đổi tăng áp DC- DC truyền thống không thể đạt được điện áp cao khi độ lợi điện áp nhỏ. Bởi vì tổn hao đóng ngắt cho các khóa tích cực và tổn hao trên diode trong bộ chuyển đổi.

Đó là diode cao áp gây ra vấn đề khôi phục phân cực ngược và khi đó yêu cầu bổ sung mạch snubber. Mặt khác, vấn đề các khóa tích cực gia tăng tổn hao dẫn như trình bày trong [4]. 10 Luan van L D + + DC DC Input Q C Load Output Vg Vout>Vg - - IGBT Switch Hình 2.1: Sơ đồ mạch tăng áp truyền thống 2.3 Nguyên lý hoạt động Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp Khi khóa S "ON" được đóng thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua khóa S về nguồn. Dòng điện không qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải.

Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện. Chiều của dòng điện như hình 2. Khi khóa S "OFF" được mở ra thì lúc này trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động. Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện.

Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào. Chiều dòng điện được đi như hình 2. Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều biến độ rộng xung (điều khiển thời gian ON/OFF). Tần số đóng cắt van là khá cao hàng kHz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất đầu ra.

Dòng qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng 11 Luan van đầu ra. Van công suất thường là các transistor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT. Diode được sử dụng là diode xung với công suất cao.1) 1 D t Trong đó D  on là hệ số đặc trưng cho khoảng thời gian dẫn dòng qua khóa S. T Để đạt được độ lợi điện áp cao và giảm các điện áp stress trên thiết bị, khá nhiều dạng chuyển đổi tăng áp DC-DC được đề xuất dựa trên các bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC truyền thống.

Đơn cử như cấu hình cascaded trong [5], cấu trúc liên kết các cuộn cảm [6] hoặc ghép các bộ chuyển đổi tăng áp với nhau được sử dụng trong [7]. Tuy nhiên những yêu cầu bổ sung các khóa tích cực làm cho cấu trúc phức tạp, kích thước nặng và giá thành tăng độ tin cậy không cao. Để cải tiến những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đưa ra cấu hình chuyển đổi DC-DC tăng áp cho mục đích ứng dụng thực tế. Cấu hình chuyển đổi cao áp DC-DC đạt được từ việc ghép tầng các phần tử cơ bản như hình 2.2 và được cải tiến như hình 2.

Với cấu hình này phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu công suất và hiệu suất cao. Mặt khác ưu điểm của cấu hình này sử dụng với tần số đóng ngắt cao hơn các bộ chuyển đổi tăng áp truyền thống và giảm điện áp stress trên bán dẫn cho phép bán dẫn hoạt động nhanh hơn.4 Các ứng dụng Ngày nay, boost converter được ứng dụng rộng rải trong đời sống hàng ngày. Các bộ chuyển đổi với công suất nhỏ thường thấy đó là các mạch tăng điện áp từ 3.3V lên thành 5V, hay từ 5V lên 9V. Với những loại có mức điện áp và công suất cao hơn có thể kể đến ứng dụng trong các hệ thống xe hơi chạy điện, tiêu biểu là các dòng xe của Tesla Motors.2 Giới thiệu cấu hình mạch tăng áp hiện đại 2.1 Giới thiệu tổng quát Cấu hình mới này được tạo ra bằng cách xếp chồng các yếu tố cơ bản của mạch boost truyền thống như thiết bị chuyển mạch, diode, tụ điện và cuộn dây nhưng được lựa chọn để phù hợp với những hệ thống yêu cầu công suất cao.

12 Luan van D2 C2 L2 IL2 S2 C1 L1 D1 Rload Iin IL1 Vg S1 Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC-DC đề xuất thực hiện 2.2 Ưu điểm So sánh với cấu hình của mạch boost truyền thống, điện áp đặt trên các thiết bị chuyển mạch thấp hơn so với mức điện áp ngõ ra của toàn mạch, đảm bảo tuổi thọ của các linh kiện.