Đồ án nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng, giảm tổn hao và tối ưu kích thước cho các hệ thống nguồn điện tử hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Văn Đức
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới tại HCMUTE

Nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới là đề tài tốt nghiệp kỹ sư tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đề tài thuộc Khoa Điện - Điện tử do PGS.TS Trương Việt Anh hướng dẫn. Sinh viên Nguyễn Văn Đức và Bùi Nghĩa trực tiếp thực hiện công trình này. Đề tài tập trung phát triển bộ biến đổi điện áp DC-DC hiệu suất cao. Mạch biến đổi nguồn đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật điện tử công suất. Mạch buck truyền thống thường gặp giới hạn về dải giảm áp sâu. Hiệu suất chuyển đổi giảm mạnh khi tỷ số điều khiển quá nhỏ. Đề tài này đề xuất cấu trúc mạch giảm áp kiểu mới dựa trên tô pô Zeta cải tiến. Cấu trúc mới mở rộng dải điện áp đầu ra ổn định. Độ gợn dòng điện và điện áp được kiểm soát ở mức thấp. Nghiên cứu kết hợp cơ sở lý thuyết toán học và mô phỏng chuyên sâu. Thiết kế phần cứng được thực hiện trên phần mềm Altium Designer tiêu chuẩn. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng lớn trong thực tế. Hệ thống cung cấp nguồn điện DC ổn định cho các tải công nghiệp hiện đại.

1.1. Bối cảnh học thuật và nguồn gốc đề tài

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn đi đầu trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ. Đề tài ra đời từ yêu cầu thực tiễn của ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử. Bộ môn Điện công nghiệp quản lý trực tiếp quá trình nghiên cứu và đánh giá. Nhóm nghiên cứu tiến hành rà soát đạo văn nghiêm ngặt theo chuẩn mực học thuật. Tính liêm chính khoa học được đảm bảo tuyệt đối qua các biên bản kiểm tra chính thức. Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Trương Việt Anh định hướng chặt chẽ các giai đoạn thực nghiệm. Mục tiêu chính là hoàn thiện bộ biến đổi giảm áp đáp ứng chuẩn kỹ thuật quốc tế. Nghiên cứu đặt nền móng cho việc nội địa hóa các thiết bị điện tử công suất chất lượng cao. Đồ án thể hiện năng lực giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp của sinh viên kỹ thuật.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu bộ biến đổi DC DC

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng bộ giảm áp không cách ly hiệu năng cao. Mạch cần vận hành bền bỉ dưới điện áp vào biến thiên. Thiết kế hướng tới việc triệt tiêu sóng hài và giảm gợn dòng trên tải tiêu thụ. Nhóm tác giả tập trung tối ưu hóa các giá trị cuộn cảm và tụ điện trung gian. Hệ thống chuyển mạch bán dẫn phải giảm thiểu tối đa tổn hao đóng cắt. Tỷ số truyền áp cần đạt độ tuyến tính cao trong toàn bộ chu kỳ làm việc. Đề tài cũng hướng đến việc xây dựng mô hình phần cứng trực quan và đáng tin cậy. Mô hình thực tế phải tương thích với các tiêu chuẩn an toàn điện công nghiệp. Kết quả đề tài cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành.

II. Phân tích thách thức kỹ thuật của mạch giảm áp kiểu mới

Hệ thống biến đổi điện áp một chiều truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế kỹ thuật. Cấu trúc Buck cổ điển gặp khó khăn lớn khi yêu cầu tỷ số giảm áp rất sâu. Độ rộng xung điều khiển khi đó bị thu hẹp quá mức dẫn đến xung đột điều khiển. Tổn hao đóng cắt tại khóa bán dẫn tăng cao làm giảm hiệu suất toàn mạch. Cuộn cảm và tụ điện chịu ứng suất dòng điện cũng như điện áp lớn. Sự thay đổi đột ngột của dòng qua cuộn cảm dễ gây quá áp tức thời. Hiện tượng này đe dọa trực tiếp đến độ bền của các linh kiện bán dẫn. Nhiệt lượng tỏa ra trên mạch in đòi hỏi bộ tản nhiệt cồng kềnh. Ngoài ra, độ gợn dòng điện ngõ vào gây nhiễu điện từ lên toàn hệ thống. Việc ghép tầng các bộ biến đổi đơn lẻ thường gặp trở ngại về đồng bộ hóa. Các công thức tính toán thông số điện cảm L1 đến L4 đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối. Sai số linh kiện có thể làm mạch mất ổn định trong quá trình chuyển mạch liên tục.

2.1. Hạn chế của mạch giảm áp thông thường

Mạch buck thông thường có sơ đồ nguyên lý đơn giản nhưng hiệu năng bị giới hạn. Khi làm việc với tỷ số giảm áp lớn, chu kỳ đóng mở xung D rất nhỏ. Chu kỳ quá hẹp khiến mạch điều khiển PWM gặp sai lệch thời gian nghiêm trọng. Tổn hao công suất trên diode xả và khóa MOSFET gia tăng đột biến. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của mạch suy giảm rõ rệt dưới tải nặng. Dòng điện đầu vào thường có dạng xung gián đoạn gây nhiễu sóng hài cao. Bộ lọc đầu vào phải tăng kích thước để bù đắp hiện tượng này. Tụ lọc đầu ra cũng phải chịu tải dòng điện xoay chiều biên độ lớn. Điều này rút ngắn tuổi thọ làm việc của tụ hóa trong môi trường công nghiệp.

2.2. Vấn đề ứng suất điện áp và dòng gợn

Ứng suất điện áp cao trên van bán dẫn là trở ngại lớn trong thiết kế nguồn DC. Khi khóa công tắc ngắt đột ngột, hiện tượng nghịch đảo cực tính của cuộn cảm xảy ra. Suất điện động tự cảm sinh ra đỉnh điện áp nhọn phá hủy tiếp giáp bán dẫn. Mạch bảo vệ dập xung thông thường lại gây tiêu hao thêm một phần năng lượng đáng kể. Bên cạnh đó, độ gợn dòng điện cuộn cảm Delta IL ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định ngõ ra. Độ gợn dòng vượt quá ngưỡng quy định làm tăng nhiệt độ lõi từ của cuộn dây. Hiện tượng bão hòa từ tính cuộn cảm có thể xảy ra và phá hỏng toàn bộ mạch. Do đó, việc nghiên cứu cấu trúc chuyển mạch mềm hoặc cấu trúc Zeta đa tầng là yêu cầu cấp thiết.

III. Giải pháp cấu trúc Zeta trong nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới

Nhóm tác giả ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chọn bộ biến đổi Zeta không cách ly làm nền tảng giải pháp. Mạch hoạt động qua bốn giai đoạn chuyển mạch nối tiếp nhau trong một chu kỳ làm việc. Khóa bán dẫn MOSFET S đóng ngắt tuần tự điều khiển quá trình tích và xả năng lượng. Giai đoạn 1 bắt đầu khi MOSFET dẫn, nguồn cung cấp điện nạp năng lượng trực tiếp vào cuộn cảm L1. Giai đoạn 2 diễn ra khi khóa ngắt, năng lượng từ L1 phân cực thuận diode để nạp đầy tụ điện C1. Giai đoạn 3 tái kích hoạt MOSFET, tụ điện C1 xả năng lượng sang cuộn cảm L2 và cung cấp ra tải. Giai đoạn 4 kết thúc chu kỳ khi MOSFET ngắt lần hai, cuộn cảm L2 tiếp tục cấp dòng qua tải qua diode. Để đạt tỷ số giảm áp lớn, nhóm phát triển cấu trúc Zeta ghép 2 tầng với 4 cuộn cảm độc lập. Các cuộn cảm L1, L2, L3, L4 được tính toán chuẩn xác với độ gợn dòng chọn ở mức 30%. Sơ đồ nguyên lý và bản vẽ mạch in được hoàn thiện trên phần mềm Altium Designer chuyên dụng.

3.1. Nguyên lý 4 giai đoạn chuyển mạch Zeta

Nguyên lý làm việc của mạch Zeta giảm áp dựa trên sự luân chuyển năng lượng liên tục. Giai đoạn đầu tiên nạp năng lượng vào cuộn cảm L1 qua khóa MOSFET. Khi khóa S tắt ở giai đoạn hai, dòng cảm ứng duy trì qua diode sạc cho tụ C1. Tụ C1 đóng vai trò tích trữ năng lượng chuyển tiếp giữa hai nửa chu kỳ. Giai đoạn ba đưa khóa MOSFET trở lại trạng thái dẫn dòng. Tụ C1 phóng điện qua cuộn L2 để truyền công suất trực tiếp đến tải ngõ ra. Giai đoạn bốn ngắt khóa hoàn toàn, cuộn L2 tự cảm ứng để duy trì dòng điện liên tục qua tải. Quy trình chuyển mạch nhịp nhàng này hạn chế đột biến điện áp trên linh kiện bán dẫn. Nhờ vậy, mạch đạt được độ ổn định điện áp cao và giảm nhiễu tần số cao.

3.2. Thiết kế ghép tầng và tính toán phần cứng

Cấu trúc Zeta ghép hai tầng mang lại khả năng biến đổi tỷ số điện áp vượt trội. Mạch sử dụng bốn cuộn cảm L1, L2, L3, L4 với thông số được thiết kế đồng bộ. Tiêu chuẩn lựa chọn độ biến thiên dòng cảm ứng Delta IL bằng 30% dòng tải định mức. Giá trị điện cảm tính toán đạt mức 0.25 mH đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ dẫn liên tục. Phần mềm Altium Designer hỗ trợ vẽ sơ đồ nguyên lý mạch công suất và thiết kế mạch in PCB 3D. Nhóm nghiên cứu tích hợp thêm các cọc domino và điểm đo kiểm test point trực quan. Thiết kế module hóa cho phép kiểm tra độc lập từng tầng hoặc ghép nối linh hoạt. Toàn bộ đường mạch công suất được tính toán bề rộng đồng tối ưu nhằm giảm điện trở ký sinh.

IV. Kết luận và hướng ứng dụng cho mạch giảm áp kiểu mới tối ưu

Đề tài nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đạt kết quả toàn diện. Công trình giải quyết thành công bài toán chuyển đổi điện áp với tỷ số biến đổi sâu. Cấu trúc Zeta cải tiến chứng minh hiệu quả vượt trội so với các mạch DC-DC truyền thống. Dòng điện ngõ ra luôn duy trì tính liên tục và giảm thiểu tối đa hiện tượng nhấp nhô. Khả năng chịu quá áp của linh kiện bán dẫn được nâng cao nhờ cách bố trí tụ tích năng trung gian. Mô hình phần cứng hoàn thiện đáp ứng tốt các tiêu chuẩn thực nghiệm khắt khe trong phòng thí nghiệm. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn. Hệ thống rất phù hợp cho việc tích hợp vào các trạm sạc xe điện thông minh. Mạch cũng là giải pháp tối ưu cho nguồn cấp của hệ thống viễn thông và năng lượng mặt trời. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp điều khiển số bằng vi điều khiển DSP tốc độ cao.

4.1. Đánh giá kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng và đo đạc phần cứng cho thấy độ chính xác cao của mô hình lý thuyết. Mạch Zeta ghép tầng vận hành ổn định trong suốt quá trình thử nghiệm dài hạn. Dạng sóng điện áp ngõ ra đạt độ phẳng cao và đáp ứng nhanh trước biến thiên tải. Tổn hao công suất tổng thể giảm đáng kể giúp mạch hoạt động mát mẻ hơn. Nhóm tác giả hoàn thành xuất sắc các chuẩn đầu ra kỹ thuật theo quy định đào tạo. Báo cáo nhận được phản hồi tích cực từ hội đồng chuyên môn Khoa Điện - Điện tử. Sự phối hợp ăn ý giữa mô phỏng phần mềm và thi công thực tế tạo nên độ tin cậy khoa học cao. Đồ án khẳng định tính đúng đắn của phương pháp thiết kế bộ biến đổi công suất hiện đại.

4.2. Khả năng ứng dụng công nghiệp và hướng phát triển

Bộ biến đổi giảm áp kiểu mới sở hữu tiềm năng thương mại hóa rộng mở trong thực tế. Mạch có thể ứng dụng trực tiếp làm bộ hạ áp cho hệ thống năng lượng tái tạo. Các trạm sạc xe điện cần tỷ số giảm áp lớn với độ ổn định dòng cao đều hưởng lợi. Ngoài ra, thiết bị điện tử y tế và hệ thống viễn thông cũng đòi hỏi nguồn DC độ ồn cực thấp. Cấu trúc module ghép tầng cho phép dễ dàng mở rộng công suất theo quy mô phụ tải. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào kỹ thuật đóng cắt mềm ZVS và ZCS. Giải pháp này giúp triệt tiêu hoàn toàn tổn hao đóng cắt ở tần số cao. Đồng thời, thuật toán điều khiển kỹ thuật số tiên tiến sẽ tiếp tục được tích hợp vào mạch.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của kỹ thuật điện tử công suất hiện đại, các hệ thống năng lượng tái tạo (như quang điện MPPT), xe điện (EV/HEV), lưới điện một chiều microgrid, trạm viễn thông và thiết bị công nghiệp đòi hỏi nguồn cung cấp một chiều (DC) có công suất ngày càng lớn. Đi kèm với yêu cầu công suất là các chỉ tiêu nghiêm ngặt về hiệu suất chuyển đổi, độ ổn định điện áp, khả năng đáp ứng nhanh với sự thay đổi của tải và độ gợn dòng điện/điện áp ở mức thấp nhằm giảm phát xạ nhiễu điện từ (EMI).

Các cấu trúc bộ biến đổi DC-DC giảm áp truyền thống bộc lộ những giới hạn kỹ thuật rõ rệt khi ứng dụng vào hệ thống công suất cao:

• Mạch Buck truyền thống khi thực hiện hạ áp với tỷ số biến đổi lớn buộc phải hoạt động ở hệ số công tác (duty cycle $D$) rất nhỏ ($D = V_o / V_{in}$). Điều này dẫn đến sự mất cân đối nghiêm trọng giữa thời gian đóng và ngắt của khóa bán dẫn, hạn chế tần số chuyển mạch khả dụng, đồng thời làm gia tăng hiện tượng phục hồi ngược (reverse recovery) tại diode quay tự do, gây tổn hao lớn. Ngoài ra, toàn bộ dòng tải tập trung qua một nhánh duy nhất khiến linh kiện chịu ứng suất nhiệt và ứng suất dòng điện cao.
• Mạch Zeta cơ bản tuy có ưu thế về khả năng duy trì dòng điện ngõ ra liên tục và độ gợn sóng thấp hơn cấu trúc SEPIC, nhưng khi vận hành ở mức công suất cao, dòng điện chạy qua cuộn cảm và khóa bán dẫn đơn lẻ vẫn rất lớn, tụ điện ghép nối trung gian phải chịu chu kỳ nạp/xả nặng nề, làm tăng tổn hao chuyển mạch và giảm độ tin cậy của toàn mạch.

Để giải quyết các rào cản trên, đề tài "Nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới" (tập trung vào cấu trúc mạch Buck-Zeta ghép tầng nhiều pha) được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu toàn diện nguyên lý hoạt động, các chế độ công tác và đặc tính kỹ thuật của bộ biến đổi Zeta đơn pha và biến thể ghép tầng.
2. Thiết kế cấu trúc mạch DC-DC Zeta ghép 2 tầng nhằm phân bổ đều dòng điện qua các nhánh công suất, giảm ứng suất linh kiện và triệt tiêu đáng kể độ gợn dòng điện cũng như độ gợn điện áp ở hai đầu vào - ra.
3. Xây dựng giải pháp phát xung điều khiển PWM cho các khóa bán dẫn công suất trong cấu trúc ghép tầng.
4. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm PSIM để khảo sát dạng sóng, kiểm chứng tính toán lý thuyết về phân bố dòng áp, hiệu suất và khả năng chia tải.
5. Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng, đo đạc dạng sóng thực tế để đối chứng với kết quả giải tích và mô phỏng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cấu trúc bộ chuyển đổi DC-DC Zeta cơ bản và cấu hình Zeta ghép tầng; các đặc tính dòng điện, điện áp, độ gợn và ứng suất linh kiện trong trạng thái xác lập. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình biến đổi DC-DC không cách ly hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (Continuous Conduction Mode - CCM), thiết kế mạch công suất thực nghiệm với thông số nguồn vào danh định 150V, điện áp ra 75V, tần số đóng ngắt 50 kHz tại Phòng thí nghiệm C201, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điện tử công suất đóng ngắt (Switching Mode Power Conversion), bao gồm:

• Định luật cảm ứng điện từ Faraday và định luật Lenz giải thích quá trình nạp/xả năng lượng từ trường trong cuộn cảm.
• Nguyên lý cân bằng điện áp trên cuộn cảm trong một chu kỳ xác lập (Volt-Second Balance): tích phân điện áp đặt lên cuộn cảm trong một chu kỳ chuyển mạch bằng không.
• Nguyên lý cân bằng điện tích trên tụ điện trong một chu kỳ xác lập (Ampere-Second / Charge Balance): lượng điện tích nạp vào tụ bằng lượng điện tích phóng ra, hay dòng điện trung bình qua tụ điện bằng không.
• Lý thuyết phân tích chế độ dẫn liên tục (CCM) áp dụng cho các nhánh chuyển mạch bán dẫn bao gồm MOSFET công suất và diode chuyển mạch nhanh.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp 4 bước tuần tự:

1. Phương pháp phân tích lý thuyết và giải tích toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân trạng thái mô tả các giai đoạn đóng ngắt của mạch trong miền thời gian; tính toán độ lợi điện áp tĩnh ($G_v$), dòng điện trung bình qua từng nhánh linh kiện, biên độ độ gợn dòng điện trên các cuộn cảm và ứng suất điện áp đặt lên các phần tử bán dẫn.
2. Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để xây dựng mô hình mạch công suất nguyên lý, cài đặt thông số phần tử thực tế, cấu hình khối phát xung điều khiển và trích xuất dạng sóng điện áp, dòng điện tức thời cũng như giá trị trung bình để xác thực công thức giải tích.
3. Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) bằng phần mềm Altium Designer; chế tạo mạch công suất; lắp ráp linh kiện bán dẫn công suất cao, mạch đo kiểm và khối tải; tiến hành thu thập dữ liệu bằng máy hiện sóng (Oscilloscope) chuyên dụng tại phòng thí nghiệm.
4. Phương pháp đánh giá và so sánh: Tổng hợp số liệu thực nghiệm đối chiếu với kết quả mô phỏng và lý thuyết; đồng thời xây dựng bảng so sánh đa tiêu chí (độ lợi, số lượng linh kiện, ứng suất linh kiện, tần số) với các cấu hình bộ biến đổi DC-DC công bố trong các công trình nghiên cứu trước đó.

Nguồn dữ liệu của khóa luận bao gồm các công thức giải tích tự xây dựng, kết quả mô phỏng xuất từ phần mềm PSIM, số liệu đo kiểm dạng sóng thực tế trên máy hiện sóng tại Phòng thí nghiệm C201, và thông số kỹ thuật chuẩn trích xuất từ datasheet của các linh kiện bán dẫn (MOSFET FDA50N50, Diode MUR3060PT).

Thiết kế và triển khai

Cấu trúc phần cứng được đề xuất là bộ biến đổi DC-DC Zeta ghép 2 tầng không cách ly (non-isolated 2-stage cascaded Zeta converter). Mạch bao gồm 2 khóa chuyển mạch bán dẫn chủ động ($S_1, S_2$), 2 diode công suất ($D_1, D_2$), 4 cuộn cảm ($L_1, L_2, L_3, L_4$), 4 tụ điện trung gian ($C_1, C_2, C_3, C_4$) và tụ lọc ngõ ra ($C_o$).

Quy trình tính toán và lựa chọn linh kiện

Dựa trên yêu cầu vận hành thực nghiệm: điện áp đầu vào danh định $V_{in} = 150\text{V}$, điện áp đầu ra mong muốn $V_{out} = 75\text{V}$, điện trở tải $R = 37.5\ \Omega$ (tương ứng công suất $P = 150\text{W}$), tần số chuyển mạch $f_s = 50\text{ kHz}$, các phần tử công suất được tính toán như sau:

Linh kiện	Công thức xác định thông số chịu đựng	Giá trị tính toán lý thuyết	Linh kiện thực tế được lựa chọn	Thông số kỹ thuật danh định của linh kiện
Khóa MOSFET ($S_1, S_2$)	$V_S > V_{in} + V_{out}$ $I_S > I_{in} + I_{out} = \frac{V_o^2}{R \cdot V_{in}} + \frac{V_o}{R}$	$V_{Smax} = 225\text{V}$ $I_{Smax} = 3\text{A}$	FDA50N50	$V_{DS} = 500\text{V}$, $I_D = 48\text{A}$, $R_{DS(on)} = 0.105\ \Omega$, $V_{GS} = 10\text{V}$
Diode ($D_1, D_2$)	$V_D > V_{in} + V_{out}$ $I_D > I_{in} + I_{out}$	$V_{Dmax} = 225\text{V}$ $I_{Dmax} = 3\text{A}$	MUR3060PT	Siêu phục hồi nhanh (Ultra-fast), $V_{RRM} = 600\text{V}$, $I_{FAV} = 30\text{A}$, $t_{rr} \approx 50\text{ns}$
Cuộn cảm ($L_1, L_2, L_3, L_4$)	Chọn độ gợn dòng $\Delta I_L = 30% I_L$ $L = \frac{V_{in} \cdot D}{2 f_s \cdot \Delta I_L}$	$L_1 = 0.25\text{ mH}$	Cuộn dây lõi ferit	Giá trị thực tế sử dụng: $0.25\text{ mH} - 0.4\text{ mH}$
Tụ điện trung gian & lọc	Đảm bảo điện áp tụ điện duy trì ổn định không đổi trong một chu kỳ đóng cắt	Bù áp phân áp nguồn: $V_{C3} = V_{C4} = V_{in}/2$	Tụ điện chịu áp cao	$C_1, C_2 = 10\ \mu\text{F}$; $C_3, C_4 = 100\ \mu\text{F}$

Triển khai thiết kế mạch trên Altium Designer và chế tạo phần cứng

Quy trình triển khai phần cứng được thực hiện qua các công đoạn kỹ thuật:

1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic): Xây dựng mạch nguyên lý cấu trúc Zeta đơn và phát triển thành module ghép tầng, bổ sung các cầu đấu domino ngõ vào/ra, các điểm đo thử (test points) để đo kiểm điện áp và dòng điện.
2. Thiết kế mạch in (PCB Layout): Bố trí linh kiện công suất tối ưu hóa đường dẫn dòng lớn, phân tách rõ ràng giữa đường mạch động lực và đường tín hiệu điều khiển nhằm triệt tiêu nhiễu ký sinh.
3. Mô hình 3D: Khảo sát kích thước cơ khí thực tế của linh kiện tỏa nhiệt, chân cắm tản nhiệt cho MOSFET FDA50N50 và diode MUR3060PT.
4. Mô hình thực nghiệm: Lắp ráp hoàn chỉnh bo mạch công suất, kết nối với bộ nguồn DC đa năng, máy hiện sóng số và tải thuần trở để tiến hành đo kiểm dạng sóng chuyển mạch.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu khái quát vị trí của bộ chuyển đổi DC-DC trong kỹ thuật điện tử công suất hiện đại, đóng vai trò khối ghép nối trung gian ổn định điện áp cho vi điều khiển, tối ưu hiệu suất trong pin mặt trời (MPPT), xe điện và lưới điện microgrid. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của mạch Buck giảm áp truyền thống qua hai chế độ đóng/ngắt của khóa $S$, chứng minh công thức độ lợi điện áp lý thuyết: $$G_{tt} = \frac{V_o}{V_i} = D$$ Đồng thời, chương này chỉ ra nhược điểm cốt lõi của mạch Buck: khi cần hạ áp sâu, mạch phải làm việc ở hệ số công tác $D$ cực nhỏ, gây mất đối xứng thời gian đóng/cắt, giới hạn tần số chuyển mạch, tăng tổn hao do hiện tượng phục hồi ngược của diode và rủi ro hỏng hóc toàn hệ thống khi khóa bán dẫn bị sự cố.

Chương 2: Mạch DC-DC giảm áp đề xuất

Chương 2 trình bày cấu hình, nguyên lý và phân tích giải tích trạng thái xác lập của mạch DC-DC Zeta truyền thống và cấu trúc cải tiến là mạch Zeta ghép 2 tầng:

• Mạch Zeta truyền thống gồm 2 cuộn cảm ($L_1, L_2$), 2 tụ điện ($C_1, C_2$), 1 khóa MOSFET và 1 diode. Phân tích xác lập cho thấy điện áp trung bình trên tụ $C_1$ là $V_{C1} = V_{in} \frac{D}{1-D}$, điện áp ngõ ra $V_o = V_{in} \frac{D}{1-D}$, dòng điện cuộn cảm $I_{L2} = I_o$ và $I_{L1} = I_o \frac{D}{1-D}$. Hạn chế chính là dòng tập trung qua một nhánh công suất, tụ $C_1$ chịu ứng suất lớn.
• Mạch Zeta ghép 2 tầng đề xuất: Gồm 2 khóa ($S_1, S_2$), 2 diode ($D_1, D_2$), 4 cuộn cảm ($L_1 \div L_4$) và 4 tụ điện ($C_1 \div C_4$). Hoạt động của mạch được chia làm 4 giai đoạn chuyển tiếp hoặc quy về 2 khoảng thời gian chính:
  • Khi $S_1, S_2$ đóng ($0 \le t \le DT$): nguồn nạp năng lượng cho $L_1$ qua tụ $C_4$, đồng thời nạp cho $L_3$ qua tụ $C_3$; điện áp xác lập trên tụ $C_3, C_4$ duy trì ở mức $V_{in}/2$.
  • Khi $S_1, S_2$ ngắt ($DT < t \le T$): cuộn cảm $L_1, L_3$ đổi cực tính xả năng lượng lần lượt qua diode $D_1, D_2$ nạp vào tụ $C_1, C_2$; cuộn cảm $L_2, L_4$ xả năng lượng duy trì dòng tải.
• Kết quả phân tích toán học trạng thái xác lập xác định độ lợi điện áp của mạch ghép 2 tầng: $$\frac{V_o}{V_{in}} = \frac{D}{2(1-D)}$$ So với mạch Zeta truyền thống, điện áp ngõ ra giảm 2 lần ở cùng một hệ số công tác $D$. Tác giả suy rộng công thức cho mạch ghép $n$ tầng: $\frac{V_o}{V_{in}} = \frac{D}{n(1-D)}$.
• Dòng điện trung bình qua các phần tử được chia đều cho 2 nhánh: $$I_{L2} = I_{L4} = \frac{I_o}{2}; \quad I_{L1} = I_{L3} = \frac{D}{2(1-D)} I_o$$ $$I_{D1} = I_{D2} = \frac{I_o}{2}$$ Độ gợn dòng qua các cuộn cảm tỷ lệ nghịch với điện cảm và tần số chuyển mạch: $$\Delta I_{L1} = \frac{V_{in} \cdot D}{2 f_s L_1}; \quad \Delta I_{L2} = \frac{V_{in} \cdot D}{2 f_s L_2}; \quad \Delta I_{L3} = \frac{V_{in} \cdot D}{2 f_s L_3}; \quad \Delta I_{L4} = \frac{V_{in} \cdot D}{2 f_s L_4}$$

Chương 3: Mô phỏng mạch trên phần mềm

Chương 3 triển khai mô hình mạch Zeta ghép 2 tầng trên phần mềm PSIM. Cấu hình thông số linh kiện mô phỏng gồm: $L_1 = L_2 = L_3 = L_4 = 0.4\text{ mH}$, $C_1 = C_2 = 10\ \mu\text{F}$, $C_3 = C_4 = 100\ \mu\text{F}$, điện trở tải $R = 10\ \Omega$, tần số chuyển mạch $50\text{ kHz}$, chu kỳ công tác $D = 0.3$. Kết quả mô phỏng trên PSIM xác thực hoàn toàn tính toán lý thuyết:

• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: $I_{L2} = I_{L4} = 5.0\text{ A}$ (lý thuyết tính ra $5\text{ A}$), $I_{L1} = 1.64\text{ A}$.
• Dòng điện qua khóa MOSFET: dòng trung bình $I_{S1} = 22.73\text{ A}$ trong chu kỳ dẫn.
• Độ gợn dòng điện cuộn cảm: $\Delta I_{L1} = 5.17\text{ A}$, xấp xỉ giá trị giải tích.
• Đồ thị so sánh đặc tính độ lợi $G_v$ và ứng suất điện áp trên khóa chuyển mạch ($V_{sw}/V_s$) giữa cấu hình đề xuất và 3 mạch tham khảo trong y văn cho thấy: mạch đề xuất có đường đặc tính $G_v$ nằm thấp nhất, tăng rất chậm theo $D$, giúp giảm áp sâu và ổn định; điện áp đặt lên MOSFET tăng rất ít khi $G_v$ thay đổi, giảm áp lực cách điện và tổn hao cho van bán dẫn.

Chương 4: Mô hình thực nghiệm

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa phần cứng từ tính toán lý thuyết:

• Tính chọn linh kiện theo tiêu chuẩn an toàn: MOSFET FDA50N50 ($500\text{V}$, $48\text{A}$, $R_{DS(on)} = 0.105\ \Omega$) và Diode MUR3060PT ($600\text{V}$, $30\text{A}$, $t_{rr} = 50\text{ns}$).
• Thiết kế mạch in công suất trên Altium Designer và gia công mạch thực tế.
• Tiến hành thực nghiệm đo đạc các dạng sóng dòng điện cuộn cảm $i_{L1}, i_{L2}, i_{L3}$, điện áp trên 2 khóa bán dẫn $S_1, S_2$ và diode $D_1$ bằng máy hiện sóng tại Phòng thí nghiệm C201.
• Khảo sát dạng sóng thực tế ghi nhận dạng xung đóng cắt vuông vức, các đỉnh quá áp được kiểm soát tốt, phân bố dòng điện đều trên hai nhánh, khớp với dạng sóng mô phỏng trên PSIM.
• Đánh giá hiệu suất tổng thể của mạch thực nghiệm qua hai trường hợp kiểm thử thay đổi điện áp đầu vào: tại $D = 0.4$ và $D = 0.6$ ở tần số $f = 50\text{ kHz}$.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được về mặt học thuật và chế tạo phần cứng, khẳng định cấu trúc đề xuất giải quyết hiệu quả bài toán giảm áp sâu mà vẫn duy trì hệ số công tác ở vùng tối ưu, đồng thời đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả cụ thể thông qua số liệu tính toán, mô phỏng và thực nghiệm phần cứng:

• Xây dựng thành công biểu thức độ lợi điện áp tổng quát: Chứng minh được tỷ số truyền điện áp của cấu hình ghép 2 tầng là $\frac{V_o}{V_{in}} = \frac{D}{2(1-D)}$ và $n$ tầng là $\frac{V_o}{V_{in}} = \frac{D}{n(1-D)}$. Điều này cho phép mạch đạt độ hạ áp sâu mà không cần vận hành ở chu kỳ làm việc $D$ cực nhỏ như mạch Buck truyền thống.
• Phân bổ dòng điện đều giữa các nhánh: Dòng điện trung bình qua các cuộn cảm ngõ ra và diode được chia đều một nửa ($I_{L2} = I_{L4} = I_o/2$, $I_{D1} = I_{D2} = I_o/2$), giúp giảm ứng suất nhiệt và suy giảm phát sinh tổn hao cục bộ trên linh kiện bán dẫn.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công: Chế tạo bo mạch công suất hoàn chỉnh với khóa MOSFET FDA50N50 và diode MUR3060PT, vận hành ổn định tại thông số danh định $V_{in} = 150\text{V}$, $V_{out} = 75\text{V}$, $f_s = 50\text{ kHz}$, công suất 150W. Dạng sóng đo đạc thực tế từ dao động ký tương đồng với kết quả mô phỏng trên PSIM.

Dưới đây là bảng tổng hợp so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật giữa bộ biến đổi đề xuất với các bộ biến đổi DC-DC tham khảo được công bố trước đó (theo số liệu trong Bảng 3.2 của văn bản):

Chỉ tiêu so sánh	Bộ biến đổi đề xuất	Mạch tham khảo [3]	Mạch tham khảo [4]	Mạch tham khảo [5]
Tần số chuyển mạch ($f_s$)	50 kHz	50 kHz	40 kHz	64 kHz
Điện áp ngõ vào ($V_s$)	50 V	20 V	36 V	20 V
Điện áp ngõ ra ($V_o$)	25 V	10.2 V	18 V	15 V
Số lượng cuộn cảm	4	3	3	3
Số lượng tụ điện	4	4	4	3
Số lượng diode	2	3	2	2
Số lượng khóa chuyển mạch	2	2	1	2
Chu kỳ làm việc ($D$)	50%	20%	20%	24.5%
Công suất ($P$)	50 W	40 W	Không nêu	Không nêu
Đặc tính dòng điện vào	Không dao động	Không dao động	Không dao động	Không dao động
Hệ số khuếch đại ($G_v$)	$\frac{D}{2(1-D)}$	$\frac{2D}{(1-D)^2}$	$\frac{D(2-D)}{(1-D)^2}$	$\frac{2D}{1-D}$
Ứng suất áp trên khóa ($V_{sw1}/V_{in}$)	$\frac{2-D}{2(1-D)}$	$\frac{1}{1-D}$	1	1

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự nêu:

• Khắc phục triệt để nhược điểm hoạt động ở vùng duty cycle cực nhỏ của bộ chuyển đổi Buck truyền thống khi cần tỷ số biến đổi bước xuống cao.
• Duy trì dòng điện đầu vào liên tục, không dao động, giúp suy giảm phát xạ nhiễu điện từ (EMI) và bảo vệ nguồn cấp một chiều.
• Giảm thiểu ứng suất điện áp đặt lên các khóa bán dẫn MOSFET ($V_{sw}/V_s$) khi độ lợi điện áp tăng so với các mạch tham khảo, cho phép lựa chọn linh kiện bán dẫn có định mức điện áp thấp hơn, điện trở dẫn $R_{DS(on)}$ nhỏ hơn, từ đó tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu suất chuyển đổi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận trình bày một số hạn chế và hướng phát triển như sau:

Hạn chế kỹ thuật trong phạm vi nghiên cứu:

• Việc sử dụng tần số chuyển mạch tương đối cao ($50\text{ kHz}$) làm tăng tổn hao đóng cắt (switching losses), đòi hỏi mạch lái (gate driver) phải có công suất đủ lớn và tốc độ chuyển mạch nhanh để tránh hiện tượng quá nhiệt trên MOSFET.
• Cấu hình ghép tầng sử dụng số lượng linh kiện thụ động (4 cuộn cảm, 4 tụ điện) và bán dẫn (2 MOSFET, 2 Diode) nhiều hơn so với mạch Buck hay Zeta đơn pha, làm tăng kích thước vật lý của bo mạch.
• Mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm mới dừng lại ở việc kiểm chứng hoạt động phát xung vòng hở (open-loop), chưa tích hợp mạch điều khiển tự động vòng kín để phản hồi ổn định điện áp đầu ra khi điện áp nguồn vào hoặc tải dao động động học.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Thiết kế và ứng dụng giải pháp điều khiển vòng kín (closed-loop control) sử dụng các thuật toán điều khiển PID số hoặc điều khiển trượt để tự động ổn định điện áp ngõ ra khi tải thay đổi đột ngột.
• Nghiên cứu mở rộng cấu hình ghép nhiều tầng hơn ($n > 2$) kết hợp kỹ thuật điều khiển xung PWM lệch pha (interleaved PWM) nhằm triệt tiêu tối đa độ gợn dòng điện và nâng cao hơn nữa mật độ công suất.
• Tích hợp kỹ thuật chuyển mạch mềm (Soft-switching như ZVS - Zero Voltage Switching hoặc ZCS - Zero Current Switching) để giảm thiểu tổn hao đóng cắt ở tần số cao, cải thiện hiệu suất năng lượng của bộ biến đổi.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn rõ ràng:

• Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học, kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điện tử, Điện tử công suất và Tự động hóa đang nghiên cứu các cấu trúc chuyển đổi nguồn DC-DC hiệu suất cao, nguồn cho trạm sạc xe điện, bộ chuyển đổi trong năng lượng mặt trời hoặc viễn thông.
• Nội dung giá trị nhất:
  • Phương pháp giải tích trạng thái xác lập từng bước để thiết lập hệ phương trình vi phân và công thức độ lợi cho cấu hình mạch ghép tầng nhiều pha.
  • Quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh từ tính toán định mức linh kiện (MOSFET, Diode, cuộn cảm, tụ điện) dựa trên tiêu chí độ gợn và ứng suất điện áp/dòng điện.
  • Hướng dẫn xây dựng mô hình mô phỏng trên PSIM và quy trình hiện thực hóa từ sơ đồ nguyên lý sang mạch in PCB 2 lớp bằng Altium Designer phục vụ chế tạo phần cứng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch Zeta ghép 2 tầng đề xuất có công thức độ lợi điện áp ngõ ra khác biệt thế nào so với mạch Zeta đơn và mạch Buck truyền thống?
Mạch Buck truyền thống có độ lợi $V_o/V_{in} = D$, muốn giảm áp sâu buộc $D$ phải rất nhỏ. Mạch Zeta truyền thống có độ lợi $V_o/V_{in} = D/(1-D)$. Trong khi đó, mạch Zeta ghép 2 tầng đề xuất có độ lợi là $V_o/V_{in} = D/[2(1-D)]$. Như vậy, ở cùng một chu kỳ công tác $D$, mạch đề xuất tạo ra điện áp ngõ ra giảm đi 2 lần so với mạch Zeta truyền thống, cho phép thực hiện hạ áp sâu với giá trị $D$ nằm trong vùng làm việc tối ưu (trung bình từ 0.3 đến 0.5) thay vì phải ép $D$ xuống quá bé.

2. Tiêu chí tính chọn khóa bán dẫn MOSFET FDA50N50 và Diode MUR3060PT trong mạch thực nghiệm là gì?
Trong điều kiện thực nghiệm $V_{in} = 150\text{V}$, $V_{out} = 75\text{V}$, $R = 37.5\ \Omega$, ứng suất điện áp cực đại đặt lên khóa và diode là $V_{max} = V_{in} + V_{out} = 225\text{V}$, dòng điện cực đại qua linh kiện là $I_{max} = I_{in} + I_{out} = 3\text{A}$. Nhóm tác giả đã lựa chọn MOSFET FDA50N50 có $V_{DS} = 500\text{V}$, $I_D = 48\text{A}$, $R_{DS(on)} = 0.105\ \Omega$ và Diode siêu nhanh MUR3060PT có $V_{RRM} = 600\text{V}$, $I_{FAV} = 30\text{A}$, thời gian hồi phục $t_{rr} \approx 50\text{ns}$ nhằm đảm bảo hệ số an toàn điện áp/dòng điện cao, hạn chế quá nhiệt và đáp ứng tốt tần số chuyển mạch $50\text{ kHz}$.

3. Đặc tính dòng điện đầu vào của bộ biến đổi đề xuất có ưu điểm gì so với các bộ biến đổi giảm áp thông thường?
Khác với bộ chuyển đổi Buck có dòng điện ngõ vào bị gián đoạn và nhấp nhô dạng xung vuông lớn do khóa bán dẫn nằm nối tiếp ngay ngõ vào, mạch Zeta ghép 2 tầng có dòng điện đầu vào liên tục và không dao động nhờ cách bố trí các cuộn cảm và tụ điện trung gian, giúp giảm thiểu đáng kể phát xạ sóng hài và nhiễu điện từ (EMI) lên nguồn cấp.

4. Ứng suất điện áp đặt lên các khóa MOSFET của mạch đề xuất thay đổi ra sao khi độ lợi điện áp tăng?
Theo kết quả phân tích và đồ thị biểu diễn trong Chương 3, điện áp chịu đựng trên MOSFET 1 và MOSFET 2 ($V_{sw}/V_s$) của mạch đề xuất tăng rất chậm và duy trì ở mức thấp khi độ lợi điện áp $G_v$ tăng lên. Ngược lại, ở các cấu hình tham khảo trong y văn (đặc biệt là tài liệu [2] và [3]), ứng suất điện áp trên khóa công suất tăng rất dốc theo $G_v$, khiến linh kiện phải chịu áp lực điện áp cao hơn nhiều.

5. Mô hình phần cứng của đồ án được triển khai đo kiểm tại đâu và sử dụng các công cụ nào?
Mô hình thực nghiệm được thiết kế mạch in trên phần mềm Altium Designer, chế tạo thành bo mạch công suất hoàn chỉnh và vận hành đo kiểm trực tiếp tại Phòng thí nghiệm C201, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Các thiết bị hỗ trợ đo lường chính bao gồm máy hiện sóng số (Oscilloscope) để chụp dạng sóng điện áp/dòng điện trên cuộn cảm, khóa MOSFET, diode và bộ nguồn cấp DC.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu mạch giảm áp kiểu mới" của nhóm tác giả Nguyễn Văn Đức và Bùi Nghĩa (hướng dẫn bởi PGS.TS Trương Việt Anh, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu, mô phỏng và chế tạo thành công bộ biến đổi DC-DC Zeta ghép 2 tầng với công thức độ lợi điện áp $V_o/V_{in} = D/[2(1-D)]$. Cấu trúc đề xuất giải quyết hiệu quả bài toán hạ áp sâu ở dải công suất lớn, chia đều dòng điện qua các nhánh bán dẫn và giảm thiểu ứng suất điện áp đặt lên linh kiện so với các cấu hình truyền thống. Toàn bộ tính toán giải tích lý thuyết đã được kiểm chứng chuẩn xác thông qua phần mềm mô phỏng PSIM và hệ thống thực nghiệm phần cứng hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này, đồ án trình bày tổng quan về bộ chuyển đổi DC-DC và bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp truyền thống những ưu và nhược điểm.1 Giới thiệu về mạch chuyển đổi DC-DC: Bộ chuyển đổi DC-DC (DC-DC converter) là một trong những khối chức năng cốt lõi trong các hệ thống điện tử công suấ t hiện đại. Vai trò chính của nó là biến đổi điện áp một chiều từ mức này sang mức khác một cách hiệu quả, nhằm phù hợp với yêu cầu của tải hoặc hệ thống cần cấp nguồn. Trong các ứng dụng thực tế, nguồn điện cung cấp đầu vào thường không ổn định hoặc không phù hợp trực tiếp với yêu cầu của tải. Khi đó, bộ chuyển đổi DC-DC đóng vai trò là trung gian điều chỉnh và ổn định điện áp, giúp đảm bảo thiết bị đầu ra hoạt động an toàn và hiệu quả.

Một số vai trò nổi bật của bộ chuyển đổi DC-DC trong hệ thống điện tử công suất như: Cấp nguồn cho vi mạch và vi điều khiển thương thì các mạch số, vi xử lý (MCU, FPGA.) thường yêu cầu mức điện áp chính xác (như 1.3V, 5V) trong khi nguồn đầu vào lại có thể là 12V, 24V hoặc cao hơn. Bộ chuyển đổi DC-DC giúp hạ áp hoặc nâng áp một cách chính xác và ổn định. Tối ưu hiệu suất năng lượng so với các phương pháp tuyến tính như bộ ổn áp LDO, bộ chuyển đổi DC-DC có hiệu suất cao hơn nhiều nhờ sử dụng nguyên lý đóng ngắt (switching), giúp giảm tổn hao và tỏa nhiệt. Ngoài ra còn góp phần vào việc thu hoạch năng lượng như trong các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, bộ DC-DC giúp điều chỉnh điện áp từ tấm pin PV để phù hợp với tải hoặc bộ lưu trữ (pin, ắc quy).

Đây cũng là phần tử quan trọng trong điều khiển thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking). Trong xe điện và các phương tiện hybrid, bộ chuyển đổi DC-DC giúp điều chỉnh giữa các mức điện áp như 400V, 200V, 48V, 12V, phục vụ cho các hệ thống động cơ, pin, đèn, ECU… Trong hệ thống lưới DC, microgrid hoặc các thiết bị điện tử tiêu dùng, bộ DC-DC cho phép phân phối điện năng linh hoạt theo từng cấp điện áp. Nhờ vai trò quan trọng đó, các bộ chuyển đổi DC-DC luôn là đối tượng được quan tâm nghiên cứu và cải tiến liên tục, nhằm hướng đến hiệu suất cao, tổn hao thấp, kích thước nhỏ và khả năng điều khiển thông minh hơn trong các hệ thống điện tử công suất hiện đại. 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PSG.TS Trương Việt Anh Hình 1.1: Các ứng dụng của bộ chuyển đổi DC-DC[1] 1.2 Mạch DC-DC giảm áp truyền thống: (1) Hình 1.2: Cấu hình mạch DC-DC giảm áp truyền thống Hình 1.2 ở trên là hình biểu diễn một mạch DC-DC giảm áp truyền thống với các thành phần bao gồm một khóa bán dẫn công suất S, một diode tự do, một cuộn cảm C và một tụ lọc L.

Mạch này sẽ được hoạt động theo hai chế độ: Chế độ 1 khi khóa S đóng (0÷DT) D là hệ số công tác của khóa bán dẫn tích cực S: Trong khoảng thời gian này, dòng điện sẽ từ nguồn đầu vào qua khóa S và nạp năng lượng cho cuộn cảm L, tải nhận năng lượng trực tiếp từ nguồn, tụ C được nạp , trong khoảng thời gian này diode bị phân cực ngược nên không dẫn. Tiếp ở chế độ 2 khi khóa S bị kích ngắt (DT÷T) diode phân cực thuận, cuộn cảm xả duy trì dòng cho tải đồng thời nạp năng lượng cho tụ C. Phân tích trạng thái xác lập ta tìm được phương trình tính toán giá trị độ lợi điện áp cấu hình DC-DC giảm áp truyền thống: 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PSG.