CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 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. 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 1 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]. L D IL IC Vin S C Rload 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. IC2 C2 D2 L2 IL2 IC1 S2 C1 D1 Rload L1 IL1 Vin S1 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 với giá trị bằng VIN+VC1 +VC2. Với cấu trúc mạch ghép tầng này, độ lợi điện áp đạt được VO D D2 là G 1 .
Trong khi đó, độ lợi điện áp của mạch thông thường chỉ VI 1 D (1 D) 2 VO 1 bằng G . Như vậy, với cùng một giá trị độ rộng xung D, cấu hình đề xuất VI 1 D 2 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 VO 1 đáp ứng được. Đồ án này đề xuất một cấu hình mới với độ lợi điện áp G VI (1 D) 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. 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).
VDS, IDS v VDS, IDS v i i t 0 t PTổn hao PTổn hao t 0 t t1 t2 t1 t2 a) b) 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 3 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.
Trong khi đó, khóa bán dẫn được kích ngắt với giá trị dòng điện bằng không với kỹ thuật ZCS như hình 1. VDS, IDS v VDS, IDS v i i t 0 t PTổn hao PTổn hao t 0 t t1 t2 t1 t2 a) b) Hình 1.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện của khóa bán dẫn ở trạng thái chuyển mạch mềm. Cả hai kỹ thuật chuyển mạch ZVS và ZCS đều có những ưu điểm hơn so với kỹ thuật chuyển mạch cứng. Tuy nhiên, hai kỹ thuật này vẫn còn một số nhược điểm và giới hạn riêng cần được xem xét.
Kỹ thuật chuyển mạch ZVS yêu cầu dòng điện qua tải tối thiểu để duy trì điện áp cộng hưởng trên các khóa bán dẫn. Do đó, bộ chuyển đổi sẽ không hoạt động tốt ở điều kiện tải nhỏ hoặc không tải. Kỹ thuật này cũng đòi hỏi khoảng thời gian dead time giữa hai khóa bán dẫn để hạn chế việc trùng dẫn của hai khóa trong một chu kỳ [9]. Bên cạnh đó, kỹ thuật ZVS đạt được chuyển mạch mềm tại thời điểm kích dẫn, ở thời điểm kích ngắt khóa bán dẫn chỉ đạt được trạng thái chuyển mạch Quasi- ZVS như hình 1.
4 ZVS Quasi-ZVS VG VG t t VS VS iS iS t t0 t a) b) 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. Quasi-ZCS ZCS VG VG t t VS VS iS iS a) t t0 b) t 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 5 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].
Trong đồ án này đề xuất một cấu hình DC-DC tăng áp sử dụng kỹ thuật ZVS. Đồng thời, độ lợi điện áp cũng được cải thiện so với các cấu hình trước đó.2 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.