Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật điện tử công suất hiện đại, các bộ chuyển đổi điện áp một chiều (DC-DC converter) đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị công nghiệp, động cơ điện, hệ thống phát điện cũng như các ứng dụng khai thác năng lượng tái tạo (pin mặt trời, năng lượng gió). Nhiều thiết bị công nghiệp và hệ thống truyền động xe điện yêu cầu mức điện áp một chiều cao (lên đến hàng trăm volt) cùng công suất lớn, vượt quá khả năng cung cấp trực tiếp từ các nguồn lưu trữ như pin hay ắc-quy thông thường. Việc ghép nối nối tiếp nhiều khối ắc-quy để đạt điện áp cao làm tăng đáng kể thể tích và trọng lượng của hệ thống, đồng thời điện áp đầu ra của pin/ắc-quy thường suy giảm theo thời gian phóng điện. Do đó, nhu cầu thiết kế các bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) công suất lớn, vận hành tin cậy và có khả năng ổn định điện áp ngõ ra là một đòi hỏi kỹ thuật cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng bộ nguồn DC công suất 1.6kW (320V/ 5A)" được thực hiện bởi sinh viên Thạch Cảnh Thi và Huỳnh Tấn Phụng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Đức Trí tại Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 03/2017 đến tháng 07/2017. Đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tế của cơ sở bên ngoài (đặt hàng thiết bị cung cấp nguồn 320V công suất 1,6kW phục vụ hoạt động của máy phát điện tại TP. Thủ Dầu Một, Bình Dương).

Mục tiêu chính của đề tài là tính toán, thiết kế và thi công hoàn chỉnh một bộ nguồn DC tăng áp công suất 1,6kW, tạo ra điện áp ngõ ra định mức 320V và dòng điện định mức 5A với độ ổn định điện áp cao. Để đạt được mục tiêu này, 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể đã được xác lập và thực hiện:

  1. Nhiệm vụ 1: Thiết kế và chế tạo khối nguồn DC đầu vào thông qua chỉnh lưu nguồn lưới xoay chiều.
  2. Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu cấu hình và nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp một chiều (DC-DC Boost converter) dạng nhiều tầng ghép nối.
  3. Nhiệm vụ 3: Ứng dụng vi điều khiển trên nền tảng Arduino Uno R3 để thu thập tín hiệu và phát xung điều khiển PWM.
  4. Nhiệm vụ 4: Xây dựng và cài đặt giải thuật điều khiển tự động PID nhằm duy trì điện áp ngõ ra hoạt động ổn định trước sự biến thiên của nguồn cấp và tải tiêu thụ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu hình mạch boost cải tiến (xếp chồng 3 tầng chuyển đổi), mạch kích cách ly van bán dẫn công suất IGBT, mạch hồi tiếp dòng điện - điện áp, bo mạch điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega328P) và giải thuật điều khiển hồi tiếp PID.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát chuyển đổi nguồn DC đầu vào (chỉnh lưu từ lưới 180VAC - 220VAC tạo ra dải điện áp $V_{in}$ từ 250V đến 310V) lên mức điện áp ngõ ra cố định 320V; dòng tải cực đại 5A; sử dụng cảm biến dòng hiệu ứng Hall thương mại; giới hạn sai số điện áp xác lập ở mức $\pm 2\text{V}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình chuyển đổi

Bộ biến đổi tăng áp Boost converter truyền thống bao gồm một khóa chuyển mạch bán dẫn, một diode xung, một cuộn cảm lưu trữ năng lượng và tụ lọc ngõ ra. Khi van công suất đóng ("Switch on"), cuộn cảm nạp năng lượng từ nguồn $V_{in}$; khi van ngắt ("Switch off"), năng lượng tích lũy trong cuộn cảm kết hợp cùng nguồn đầu vào xả qua diode để cấp cho tải và nạp cho tụ điện, tạo ra điện áp ngõ ra $V_o > V_{in}$. Tuy nhiên, mạch boost cổ điển chịu hạn chế lớn về ứng suất điện áp đặt lên các phần tử chuyển mạch khi yêu cầu tỉ số tăng áp và công suất cao.

Để khắc phục nhược điểm trên, đề tài áp dụng cấu hình mạch boost hiện đại được đề xuất bởi Moises Tanca V. và Ivo Barbi. Cấu hình này xếp chồng 3 tầng chuyển đổi cơ bản (gồm 3 van IGBT ký hiệu S1, S2, S3; 3 diode công suất D1, D2, D3; 3 cuộn cảm L1, L2, L3 và 3 tụ điện C1, C2, C3). Hệ thống vận hành đồng thời theo hai chế độ chuyển mạch:

  • Chế độ 1: Cả 3 van S1, S2, S3 đồng thời được kích dẫn. Năng lượng từ nguồn $V_{in}$ và các tụ điện C1, C2 nạp vào các cuộn cảm L1, L2, L3; điện năng cung cấp cho tải được duy trì bởi tụ C3.
  • Chế độ 2: Các van S1, S2, S3 đồng thời ngắt. Các diode D1, D2, D3 chuyển sang trạng thái phân cực thuận dẫn dòng. Năng lượng tích lũy trong L1, L2, L3 được giải phóng để cung cấp cho tải và đồng thời nạp lại cho C1, C2, C3.

Quan hệ giữa điện áp ngõ ra ($V_o$), điện áp ngõ vào ($V_{in}$) và hệ số chu kỳ đóng cắt ($D$) ở chế độ dẫn liên tục được xác lập qua công thức: $$\frac{V_o}{V_{in}} = 1 + \frac{D}{1 - D} + \frac{D^2}{(1 - D)^2} + \frac{D^3}{(1 - D)^3}$$

Hệ thống điều khiển áp dụng giải thuật PID số (Proportional - Integral - Derivative). Tín hiệu điều khiển $MV(t)$ là tổng hợp của ba thành phần:

  • Khâu tỉ lệ (P): $P_{out} = K_p \cdot e(t)$, phản ứng tỉ lệ thuận với sai số tức thời giữa điện áp đặt (SP) và điện áp đo được (PV).
  • Khâu tích phân (I): $I_{out} = K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau$, triệt tiêu sai số xác lập dựa trên tích lũy sai số theo thời gian.
  • Khâu vi phân (D): $D_{out} = K_d \frac{de(t)}{dt}$, dự báo xu hướng biến thiên của sai số để giảm độ vọt lố và tăng tốc độ đáp ứng.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng

  • Phương pháp giải tích và tính toán thông số kỹ thuật: Tính toán dải biến thiên duty cycle $D$ (từ xấp xỉ 0,03 đến 0,22 tương ứng với dải $V_{in} = 250\text{V} - 310\text{V}$), tính toán phân áp mạch hồi tiếp và định mức điện áp/dòng điện cho van bán dẫn.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm PSIM để xây dựng mô hình mạch công suất, thiết lập giải thuật điều khiển và khảo sát đáp ứng quá độ của hệ thống trong 4 kịch bản: cấu hình chưa có điều khiển vòng kín, có điều khiển PID khi điện áp ngõ vào thay đổi, có điều khiển PID khi tải thay đổi, và khi thay đổi đồng thời cả nguồn cấp lẫn tải.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in (PCB), gia công bo mạch, lắp ráp linh kiện, hiệu chỉnh tần số phát xung 20kHz trên nền tảng vi điều khiển ATmega328P và tiến hành đo đạc thực tế.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu được từ kết quả đo đạc dạng sóng xung kích, dòng điện và điện áp ngõ vào/ngõ ra thông qua máy hiện sóng (Oscilloscope) trên mô hình phần cứng thực tế đối sánh cùng kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng hệ thống

Hệ thống bộ nguồn DC 1.6kW được tổ chức thành 6 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ với nhau:

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị chính Thông số kỹ thuật danh định Chức năng hoạt động
Nguồn DC đầu vào Diode cầu chỉnh lưu, 6 tụ hóa mắc song song Tụ hóa $400\text{V} - 2200\mu\text{F}$ Chỉnh lưu điện áp lưới 220VAC thành điện áp DC ($250\text{V} - 310\text{V}$), lọc phẳng gợn sóng đầu vào
Mạch công suất (Boost) 3 IGBT G40N150D, 3 Diode DSEI60-06A, 3 cuộn cảm, 3 tụ hóa IGBT: $1500\text{V} / 40\text{A}$; Diode: $600\text{V} / 60\text{A}$; Tụ: C1 ($400\text{V}$), C2-C3 ($250\text{V}$) Đóng ngắt nâng áp theo cấu hình xếp chồng 3 tầng; các van được gắn nhôm tản nhiệt công suất
Mạch kích (Gate Driver) 3 IC cách ly quang TLP250, 3 IC nguồn DC-DC G1215S-1W TLP250: Cách ly $2500\text{V}{rms}$, $I{out} = \pm 2.5\text{A}$; G1215S-1W: Vào 12VDC, ra $\pm 15\text{VDC}$ Nhận xung điều khiển từ Arduino, tạo điện áp $\pm 15\text{V}$ cách ly độc lập để đóng/ngắt an toàn cho 3 van IGBT
Mạch nguồn nuôi Biến áp hạ áp $220\text{V}/18\text{V}$, LM7812, LM7805, 2 Transistor B688 LM78xx: Dòng 1A; Transistor PNP B688: $V_{CEO} = -180\text{V}, I_C = -8\text{A}, P_C = 80\text{W}$ Cung cấp nguồn 12VDC cho mạch kích/Arduino và nguồn 5VDC cho IC đệm, màn hình LCD
Mạch hồi tiếp tín hiệu Module dòng ACS712ELC-20B, mạch phân áp điện trở, Op-amp LM358, Zener 5V ACS712: Dải đo 20A, độ nhạy $63-190\text{mV/A}$, đáp ứng $5\mu\text{s}$; LM358: Độ lợi DC 100dB Chuyển đổi dòng điện ngõ ra và hạ áp $V_o$ (320V) về dải dưới 5V, đệm khuếch đại và lọc nhiễu trước khi đưa vào chân ADC Arduino
Mạch điều khiển Bo mạch Arduino Uno R3 (Microchip ATmega328P) Vi điều khiển 8-bit, 16MHz, 32KB Flash, 2KB SRAM, PWM tần số 20kHz Đọc giá trị điện áp/dòng điện hồi tiếp, thực thi thuật toán PID và phát xung PWM điều chế độ rộng cho mạch kích

Triển khai cơ khí và đóng gói

Toàn bộ hệ thống được thi công và lắp đặt trong khung vỏ bảo vệ phân thành 2 tầng riêng biệt:

  • Tầng dưới: Bố trí các phần tử công suất tỏa nhiệt và có kích thước lớn bao gồm bộ biến áp nguồn, khối cầu diode chỉnh lưu đầu vào, dàn 6 tụ lọc nguồn $400\text{V}/2200\mu\text{F}$, 3 cuộn cảm kháng dòng lớn và cụm 3 van IGBT G40N150D gắn liền với khối nhôm tản nhiệt cưỡng bức.
  • Tầng trên: Bố trí các bo mạch điều khiển mức logic, bao gồm bo mạch nguồn ổn áp 12V/5V, bo mạch kích xung TLP250, bo mạch xử lý trung tâm Arduino Uno R3, mạch cảm biến dòng ACS712, mạch chia áp hồi tiếp LM358 và giao diện nút bấm, đèn LED hiển thị trạng thái làm việc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày tính cấp thiết của thiết bị điện tử công suất trong công nghiệp và truyền động điện; giới thiệu mục tiêu chế tạo bộ nguồn DC 320V/1.6kW. Tác giả liệt kê đối tượng nghiên cứu (mạch boost cổ điển và hiện đại, Arduino, PID), tổng quan tình hình trong nước (nhu cầu thực tế cấp nguồn máy phát điện tại Bình Dương) và ngoài nước (nghiên cứu mạch boost từ 100V lên 400V phục vụ nghịch lưu hòa lưới), đồng thời xác lập các giới hạn kỹ thuật của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp bức tranh tổng thể về lý thuyết biến đổi điện áp DC-DC:

  • Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp truyền thống trong 2 trạng thái khóa van ("Switch on" và "Switch off").
  • Trình bày chi tiết cấu hình mạch boost hiện đại 3 tầng của Moises Tanca V. và Ivo Barbi, giải thích cơ chế phân chia điện áp giúp giảm ứng suất trên từng van bán dẫn so với điện áp tổng ngõ ra.
  • Trình bày lý thuyết chỉnh lưu dòng điện xoay chiều (nửa sóng, toàn sóng dùng cầu diode và biến áp điểm giữa).
  • Phân tích cấu trúc phần cứng của vi điều khiển ATmega328P và bo mạch Arduino Uno R3 (tần số 16MHz, bộ nhớ, cấu trúc các cổng I/O và kênh PWM).
  • Trình bày toán học giải thuật điều khiển tự động PID, phân tích vai trò cụ thể của khâu tỉ lệ $K_p$, khâu tích phân $K_i$ và khâu vi phân $K_d$ trong việc ổn định hệ thống.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống và tính toán thông số cụ thể cho từng khối mạch:

  • Thiết lập công thức hàm truyền điện áp của cấu hình boost 3 tầng; tính toán dải biến thiên duty cycle xung kích $D \approx 0,03 - 0,22$ tương ứng với điện áp ngõ vào dao động $V_{in} = 250\text{V} - 310\text{V}$ để giữ áp ra cố định $V_o = 320\text{V}$.
  • Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp: sử dụng cầu phân áp hạ mức điện áp từ 320V xuống mức an toàn dưới 5V (tính toán điện trở $R_2 = 4,7\text{k}\Omega$), kết hợp diode Zener ghim áp bảo vệ và IC khuếch đại thuật toán LM358.
  • Lựa chọn linh kiện khối nguồn nuôi: biến áp hạ áp 18VAC, IC ổn áp LM7805, LM7812 và cặp transistor công suất PNP B688 hỗ trợ nâng dòng cấp tải.
  • Lựa chọn linh kiện khối động lực: diode cầu chỉnh lưu ngõ vào, 6 tụ lọc $400\text{V}/2200\mu\text{F}$, 3 van IGBT G40N150D ($1500\text{V}/40\text{A}$), 3 diode xung DSEI60-06A ($600\text{V}/60\text{A}$), 3 cuộn cảm và 3 tụ hóa (C1 chịu áp 400V, C2 và C3 chịu áp 250V).
  • Lựa chọn linh kiện khối kích: IC nguồn DC-DC G1215S-1W (tạo điện áp kép $\pm 15\text{V}$) và IC Optocoupler TLP250.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình hiện thực hóa mô hình từ sơ đồ nguyên lý đến sản phẩm vật lý và kiểm nghiệm mô phỏng:

  • Vẽ sơ đồ mạch in và thi công hoàn thiện 5 bo mạch: bo mạch nguồn nuôi 12V-5V, bo mạch kích van IGBT, bo mạch chỉnh lưu, bo mạch động lực công suất và bo mạch điều khiển trung tâm.
  • Lắp ráp chi tiết các module, đấu nối dây tín hiệu cách ly và đóng gói phần cứng theo kết cấu khung vỏ 2 tầng.
  • Thiết lập chương trình nhúng trên môi trường Arduino IDE, lập trình giải thuật PID với tần số băm xung PWM đạt 20kHz.
  • Thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm PSIM qua 4 kịch bản vận hành:
    1. Mô phỏng cấu hình ban đầu vòng hở khi chưa có bộ điều khiển PID.
    2. Mô phỏng hệ thống vòng kín có điều khiển PID khi điện áp ngõ vào $V_{in}$ thay đổi đột ngột.
    3. Mô phỏng hệ thống khi dòng tải ngõ ra biến thiên.
    4. Mô phỏng hệ thống khi đồng thời thay đổi cả điện áp vào $V_{in}$ và tải tiêu thụ ngõ ra.
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành và thao tác an toàn cho thiết bị.

Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá

Thu thập và đối sánh các kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng:

  • Ghi nhận dạng sóng xung kích điều khiển PWM xuất từ mạch driver TLP250 đặt lên cực cổng (Gate) của IGBT đảm bảo mức điện áp đóng mở chuẩn $+15\text{V}$ và $-15\text{V}$.
  • Ghi nhận dạng sóng dòng điện và điện áp ngõ vào/ngõ ra trong điều kiện làm việc thực tế, đối chiếu dạng sóng thực tế khớp với đáp ứng mô phỏng trên phần mềm PSIM.
  • Đánh giá khả năng ổn định điện áp đầu ra ở mức 320V khi tải và nguồn cấp thay đổi, xác nhận hệ thống đáp ứng tốt chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo đề cương:

  • Tổng kết phương pháp và phương tiện nghiên cứu đã sử dụng.
  • Nêu rõ các vấn đề kỹ thuật còn tồn tại trên mô hình thử nghiệm.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển và mở rộng đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và thông số kỹ thuật thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công bộ nguồn DC-DC tăng áp hoạt động ổn định với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm:

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế / Thực nghiệm đạt được Ghi chú kỹ thuật
Điện áp nguồn xoay chiều đầu vào ($V_{AC}$) $180\text{V} - 220\text{V}$ (AC) Lưới điện 1 pha qua chỉnh lưu toàn kỳ
Điện áp DC đầu vào ($V_{in}$) $250\text{V} - 310\text{V}$ (DC) Lọc phẳng bằng 6 tụ $400\text{V} - 2200\mu\text{F}$
Điện áp định mức ngõ ra ($V_o$) $320\text{V}$ (DC) Điều khiển ổn định qua giải thuật PID
Dòng điện ngõ ra cực đại ($I_o$) $5\text{A}$ Tương ứng công suất định mức $1,6\text{kW}$
Công suất ngõ ra cực đại ($P_{out}$) $1,6\text{kW}$ ($1600\text{W}$) Tải tiêu thụ công suất lớn
Tần số băm xung đóng cắt PWM $20\text{kHz}$ Phát từ vi điều khiển ATmega328P
Điện áp kích đóng/ngắt IGBT $+15\text{V} / -15\text{V}$ (cách ly) Tạo bởi G1215S-1W và driver TLP250
Dải chu kỳ nhiệm vụ ($D$) $\approx 0,03 - 0,22$ Tính toán theo hàm truyền boost 3 tầng
Độ ổn định điện áp ngõ ra Sai số trong khoảng $\pm 2\text{V}$ Đáp ứng yêu cầu giới hạn đề ra

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

  • Chuyển giao ứng dụng cấu hình mạch boost xếp chồng 3 tầng vào thực tế chế tạo, giúp giảm thiểu ứng suất điện áp đặt lên các phần tử bán dẫn (IGBT G40N150D và Diode DSEI60-06A), nâng cao tuổi thọ linh kiện và hiệu quả kinh tế so với mạch boost 1 tầng truyền thống cùng mức công suất.
  • Thiết kế hoàn chỉnh mạch kích cách ly quang tốc độ cao sử dụng TLP250 kết hợp bộ biến đổi nguồn DC-DC G1215S-1W cấp áp đối xứng $\pm 15\text{V}$, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu vòng lặp nối đất giữa khối công suất cao áp và khối vi điều khiển 5V.
  • Ứng dụng thành công nền tảng vi điều khiển phổ thông Arduino Uno R3 (ATmega328P) kết hợp module cảm biến dòng Hall ACS712ELC-20B và mạch đệm LM358 để thực thi thuật toán điều khiển PID số, kiểm soát điện áp đầu ra chính xác với sai số chỉ $\pm 2\text{V}$.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên PSIM hỗ trợ kiểm chứng trực quan đáp ứng động học của bộ nguồn trước khi thi công phần cứng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế còn tồn tại

  • Mạch đo dòng điện vẫn phụ thuộc vào module cảm biến thương mại tích hợp sẵn ACS712ELC-20B, chưa thiết kế khối đo dòng chuyên dụng riêng biệt tích hợp trên bo mạch chính để tối ưu hóa không gian.
  • Thuật toán điều khiển PID cài đặt trên nền vi điều khiển 8-bit ATmega328P hoạt động tốt ở trạng thái xác lập nhưng còn giới hạn về tốc độ tính toán khi cần xử lý các kịch bản quá độ cực nhanh hoặc khi áp dụng các giải thuật điều khiển hiện đại phức tạp hơn.
  • Mô hình chưa tích hợp màn hình hiển thị trực tiếp các thông số dòng điện, điện áp và công suất thời gian thực một cách toàn diện cho người vận hành.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nghiên cứu nâng cao công suất định mức của bộ nguồn lên các mức cao hơn ($>1,6\text{kW}$) phục vụ đa dạng các tải công nghiệp nặng.
  • Mở rộng chức năng biến đổi kết hợp tầng nghịch lưu DC-AC tạo nguồn điện xoay chiều sóng sin chuẩn hòa lưới từ các nguồn năng lượng tái tạo (pin mặt trời, máy phát điện gió).
  • Nâng cấp phần cứng điều khiển lên các dòng vi điều khiển 32-bit hoặc chip xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP/ARM Cortex-M) để tăng tần số đóng cắt PWM, giảm kích thước cuộn cảm/tụ lọc và ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi hiện đại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Điện tử Công nghiệp và Tự động hóa.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng nguồn xung (SMPS), bộ biến đổi DC-DC công suất lớn và hệ thống trạm sạc, nghịch lưu năng lượng tái tạo.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu trong tài liệu bao gồm:

  • Phương pháp phân tích giải tích và thiết lập công thức toán học cho cấu hình mạch boost xếp chồng nhiều tầng (Multi-stage stacked boost converter).
  • Thiết kế chi tiết mạch kích van IGBT sử dụng IC Optocoupler TLP250 kết hợp nguồn cách ly đối xứng G1215S-1W.
  • Phương pháp phối hợp mạch phân áp, diode Zener và IC khuếch đại thuật toán LM358 để trích xuất tín hiệu đo lường cao áp an toàn đưa vào bộ biến đổi ADC của vi điều khiển.
  • Quy trình xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng đáp ứng hệ thống nguồn công suất trên phần mềm chuyên dụng PSIM.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình mạch boost 3 tầng xếp chồng mang lại ưu điểm kỹ thuật gì nổi bật so với mạch boost cổ điển?

So với mạch boost 1 tầng truyền thống, cấu hình boost 3 tầng xếp chồng giúp phân chia điện áp làm việc, làm cho mức điện áp đặt trên các thiết bị chuyển mạch (IGBT S1, S2, S3) và diode (D1, D2, D3) thấp hơn đáng kể so với mức điện áp tổng ngõ ra ($V_o = 320\text{V}$). Điều này giúp giảm ứng suất điện áp trên linh kiện bán dẫn, nâng cao độ bền, giảm yêu cầu điện áp đánh thủng của van và tăng hiệu quả kinh tế cho hệ thống công suất lớn.

2. Quan hệ giữa điện áp ngõ ra $V_o$, điện áp ngõ vào $V_{in}$ và hệ số chu kỳ $D$ của mạch boost 3 tầng được xác định như thế nào?

Theo công thức giải tích được xác lập trong đồ án, tỷ số truyền đạt điện áp của mạch boost 3 tầng ở chế độ dẫn liên tục là: $$\frac{V_o}{V_{in}} = 1 + \frac{D}{1 - D} + \frac{D^2}{(1 - D)^2} + \frac{D^3}{(1 - D)^3}$$ Khi điện áp đầu vào dao động trong dải $V_{in} = 250\text{V} - 310\text{V}$, hệ số chu kỳ $D$ được tính toán và điều chỉnh tự động trong dải $D \approx 0,03 - 0,22$ để duy trì điện áp ngõ ra cố định ở mức $320\text{V}$.

3. Mạch kích van công suất IGBT sử dụng những linh kiện chính nào và nguyên lý cấp điện áp kích ra sao?

Mạch kích sử dụng IC nguồn cách ly DC-DC G1215S-1W và IC cách ly quang chuyên dụng TLP250. G1215S-1W nhận nguồn 12VDC từ khối nguồn nuôi để tạo ra nguồn đối xứng $\pm 15\text{V}$ cách ly hoàn toàn với đất tín hiệu. Khi vi điều khiển phát xung mức cao (5V), TLP250 kích mở transistor NPN bên trong để cấp điện áp $+15\text{V}$ vào cực Gate kích dẫn IGBT; khi xung ở mức thấp (0V), transistor PNP dẫn cấp điện áp $-15\text{V}$ giúp khóa ngắt IGBT nhanh chóng và chống kích dẫn sai do nhiễu.

4. Khối hồi tiếp điện áp cao áp (320V) được xử lý an toàn như thế nào trước khi đưa vào chân ADC của Arduino?

Điện áp ngõ ra 320V từ mạch động lực trước tiên được đưa qua cầu phân áp điện trở ($R_2 = 4,7\text{k}\Omega$) để hạ biên độ xuống dưới 5V, đồng thời được bảo vệ bằng diode Zener 5V chống quá áp. Tín hiệu điện áp thấp này tiếp tục đi qua IC khuếch đại thuật toán LM358 (độ lợi DC 100dB) đóng vai trò mạch đệm và lọc nhiễu trước khi kết nối trực tiếp vào chân ngõ vào tương tự (Analog pin) của vi điều khiển ATmega328P.

5. Bo mạch vi điều khiển trung tâm được cấu hình với tần số băm xung PWM là bao nhiêu và đạt độ ổn định điện áp ra mức nào?

Bo mạch Arduino Uno R3 (vi điều khiển 8-bit ATmega328P, thạch anh 16MHz) được lập trình để phát xung điều chế độ rộng PWM ở tần số $20\text{kHz}$. Nhờ thuật toán điều khiển PID tự động điều chỉnh độ rộng xung $D$ theo điện áp phản hồi, bộ nguồn duy trì điện áp ngõ ra $320\text{V}$ ổn định với sai số đo đạc thực tế chỉ nằm trong phạm vi $\pm 2\text{V}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng bộ nguồn DC công suất 1.6kW (320V/ 5A)" của sinh viên Thạch Cảnh Thi và Huỳnh Tấn Phụng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết, mô phỏng lẫn chế tạo phần cứng. Nhóm tác giả đã ứng dụng thành công cấu hình mạch boost xếp chồng 3 tầng hiện đại nhằm giảm ứng suất điện áp trên van bán dẫn, kết hợp cùng mạch kích cách ly quang $\pm 15\text{V}$ và giải thuật điều khiển PID trên nền vi điều khiển ATmega328P. Kết quả thực nghiệm xác nhận hệ thống vận hành ổn định tại công suất định mức 1,6kW, chuyển đổi nguồn DC đầu vào $250\text{V} - 310\text{V}$ thành nguồn DC $320\text{V}/5\text{A}$ với sai số điện áp khống chế chặt chẽ trong phạm vi $\pm 2\text{V}$. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về quy trình tính toán, thiết kế mạch in và triển khai các bộ biến đổi công suất lớn phục vụ công nghiệp.