Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế cấu hình DC-DC tăng áp cải thiện độ lợi điện áp - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế cấu hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp mới giúp cải thiện độ lợi điện áp. Tài liệu phân tích nguyên lý, mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm.

• Tác giả: Đặng Nhật Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Đức Trí
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế cấu hình DC-DC tăng áp với khả năng cải thiện độ lợi điện áp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhu cầu công nghiệp hóa và hiện đại hóa gắn liền với việc tiêu thụ năng lượng quy mô lớn. Việc phụ thuộc kéo dài vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí đốt) đã dẫn đến các hệ lụy môi trường nghiêm trọng như hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và nguy cơ cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Trước yêu cầu bảo đảm an ninh năng lượng và phát triển bền vững, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời (quang điện - Photovoltaic/PV), năng lượng gió, sinh khối và pin nhiên liệu (Fuel Cell/FC), cùng với các phương tiện giao thông thuần điện (Electric Vehicle/EV) đang trở thành giải pháp thay thế chủ đạo.

Tuy nhiên, đặc tính kỹ thuật cố hữu của các nguồn năng lượng tái tạo và pin nhiên liệu là điện áp một chiều (DC) đầu ra thường ở mức thấp và biến thiên liên tục theo điều kiện thời tiết cũng như nhiệt độ môi trường. Chẳng hạn, điện áp danh định của các hệ thống pin nhiên liệu dao động trong khoảng 22 V đến 48 V, trong khi đầu vào của các bộ nghịch lưu (DC-AC inverter) hòa lưới hoặc kết nối tải công nghiệp yêu cầu mức điện áp khoảng 200 V trở lên. Thực tế này đòi hỏi phải sử dụng các bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Step-Up Converter) đóng vai trò trung gian nâng áp trước khi cấp điện cho các tầng biến đổi tiếp theo.

Vấn đề kỹ thuật đặt ra là các cấu hình DC-DC hiện hữu bộc lộ nhiều nhược điểm khi vận hành ở độ lợi điện áp cao:

• Cấu hình DC-DC tăng áp cơ bản (Conventional Boost): Cấu trúc gồm 1 khóa bán dẫn, 1 cuộn cảm, 1 diode và 1 tụ điện với độ lợi $G = \frac{1}{1-D}$. Để đạt độ lợi lớn, bộ biến đổi phải hoạt động ở chu kỳ làm việc (duty cycle) cực cao ($D \to 1$), dẫn đến thời gian dẫn kéo dài, tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch tăng vọt, ứng suất điện áp và dòng điện trên linh kiện rất lớn, làm giảm nghiêm trọng hiệu suất và độ tin cậy.
• Bộ biến đổi có cách ly (Isolated DC-DC Converters): Sử dụng máy biến áp xung (Flyback, Forward, Push-Pull) có ưu điểm an toàn về điện nhờ cách ly galvanic, điều chỉnh độ lợi qua tỷ số vòng dây. Ngược lại, điện cảm rò rỉ (leakage inductance) sinh ra các xung gai điện áp cao trên khóa bán dẫn và diode, đòi hỏi mạch dập gai phụ trợ, làm tăng kích thước, khối lượng, chi phí chế tạo và phát sinh tổn hao từ tính trên lõi biến áp.
• Bộ biến đổi ghép tầng (Cascaded Converters): Nâng được áp nhưng nhân đôi số lượng linh kiện, mạch phức tạp, chi phí cao và tích lũy tổn thất qua từng tầng làm giảm hiệu suất tổng thể.
• Các cấu hình mạng trở kháng nâng cao (Z-Source, Quasi-Z-Source, Quadratic Boost): Mặc dù cải thiện tỷ số tăng áp nhưng một số cấu hình gặp hiện tượng dòng điện đầu vào không liên tục, không có điểm nối đất chung (non-common ground) giữa ngõ vào và ngõ ra gây dòng rò và nhiễu điện từ (EMI), hoặc ứng suất điện áp/dòng điện trên linh kiện bán dẫn vẫn ở mức cao.

Xuất phát từ các hạn chế trên, đề tài tập trung vào các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu, đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC-DC tăng áp mới không cách ly dựa trên sự tích hợp mạng Quasi-Z-Source (qZS) và mạng cuộn cảm chuyển mạch (Switched-Inductor/SL) nhằm nâng cao độ lợi điện áp và duy trì dòng vào liên tục.
2. Phân tích nguyên lý làm việc chi tiết, xây dựng mô hình toán học giải tích xác định trạng thái xác lập ở cả hai chế độ: dẫn liên tục (CCM) và dẫn gián đoạn (DCM).
3. Thiết lập phương pháp tính toán, lựa chọn thông số linh kiện thụ động (L, C) và linh kiện bán dẫn (MOSFET, Diode), đồng thời phân tích lý thuyết tổn thất công suất trên từng phần tử.
4. Thiết kế phần cứng hoàn chỉnh gồm mạch lực và mạch điều khiển/driver trên phần mềm Altium Designer, gia công bo mạch in (PCB) công suất bốn lớp.
5. Kiểm chứng tính đúng đắn của cấu hình thông qua mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình phần cứng tại phòng nghiên cứu Điện tử công suất nâng cao D405, so sánh với các nghiên cứu cùng lĩnh vực.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu hình bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp mới kết hợp mạng trở kháng Quasi-Z-Source và mạng cuộn cảm chuyển mạch ứng dụng cho các hệ thống năng lượng tái tạo và xe điện.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các chế độ chuyển mạch tĩnh, tính toán giải tích ở chế độ CCM và DCM, mô phỏng trên PSIM, chế tạo bo mạch PCB công suất và mạch phát xung driver thực tế; thực nghiệm kiểm chứng dạng sóng điện áp, dòng điện và đường đặc tính hiệu suất theo công suất tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình giải tích

Khóa luận vận dụng các quy luật cơ bản của kỹ thuật điện tử công suất:

• Định luật Kirchhoff về dòng điện (K1) và điện áp (K2): Ứng dụng để thiết lập các hệ phương trình vi phân và đại số mô tả điện áp tức thời trên cuộn cảm ($v_L$) và dòng điện tức thời qua tụ điện ($i_C$) trong từng khoảng thời gian đóng/ngắt của khóa bán dẫn.
• Nguyên lý cân bằng vôn-giây (Volt-Second Balance): Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên mỗi cuộn cảm trong một chu kỳ chuyển mạch $T$ bằng 0: $$\frac{1}{T} \int_{0}^{T} v_L(t) dt = 0$$
• Nguyên lý cân bằng ampe-giây (Amp-Second Balance): Ở trạng thái xác lập, dòng điện trung bình qua mỗi tụ điện trong một chu kỳ chuyển mạch $T$ bằng 0: $$\frac{1}{T} \int_{0}^{T} i_C(t) dt = 0$$
• Cân bằng công suất đầu vào - đầu ra lý tưởng: Phân tích dòng điện trung bình ngõ vào $I_{in}$ dựa trên giả thiết $P_{in} = P_o$.
• Lý thuyết phân chia ranh giới CCM/DCM: Xác định giá trị điện cảm tới hạn $L_{min}$ thông qua điều kiện biên dòng điện cực tiểu trên cuộn cảm $I_{Lmin} = I_L - \frac{\Delta I_L}{2} = 0$.

Phương pháp nghiên cứu

Khóa luận kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo cứu tổng quan các cấu hình kinh điển và cấu hình biến thể công bố trên các tạp chí và kỷ yếu chuyên ngành (IEEE). Xây dựng biểu thức toán học xác định độ lợi điện áp, ứng suất dòng/áp trên linh kiện bán dẫn và linh kiện thụ động.
• Phương pháp mô phỏng máy tính: Sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để lập trình sơ đồ nguyên lý mạch lực, thiết lập xung kích PWM và ghi nhận dạng sóng điện áp, dòng điện tại các nút mạch để đối chiếu với tính toán lý thuyết.
• Phương pháp thiết kế chế tạo phần cứng: Ứng dụng phần mềm Altium Designer để thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý (Schematic) và layout mạch in (PCB) 4 lớp chịu dòng công suất lớn, tích hợp mạch lọc ngõ vào/ngõ ra và khối điều khiển gate driver cách ly.
• Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Chế tạo mô hình phần cứng thực tế, vận hành với nguồn DC và tải trở, sử dụng máy hiện sóng (Oscilloscope) để quan sát dạng sóng chuyển mạch thực tế, đo đạc tổn hao và xây dựng đường cong hiệu suất.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong khóa luận bao gồm:

• Dữ liệu tham chiếu từ các công trình nghiên cứu quốc tế về bộ chuyển đổi QZS, Switched-Capacitor, Switched-Inductor và Quadratic Boost.
• Dữ liệu thông số kỹ thuật (Datasheet) của linh kiện bán dẫn (MOSFET, Diode công suất), lõi từ cuộn cảm và tụ điện.
• Dữ liệu chi phí tham khảo linh kiện thực tế từ nhà phân phối linh kiện điện tử Mouser Electronics.
• Tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm và kết quả xuất đồ thị từ phần mềm mô phỏng PSIM.

Thiết kế và triển khai

Cấu hình mạch DC-DC tăng áp đề xuất gồm 2 khóa bán dẫn chủ động ($S_1, S_2$), 4 diode công suất ($D_1, D_2, D_3, D_4$), 3 cuộn cảm ($L_1, L_2, L_3$) và 5 tụ điện ($C_1, C_2, C_3, C_4, C_5$). Việc thay thế các diode truyền thống trong mạng cuộn cảm chuyển mạch bằng khóa bán dẫn điều khiển đồng bộ giúp chủ động giảm tổn hao dẫn.

Hệ thống phần cứng hoàn chỉnh được phân chia thành các khối chức năng cụ thể:

• Mạch lọc ngõ vào và chống ngắn mạch: Tích hợp bộ lọc LC ngõ vào nhằm làm phẳng dòng điện từ nguồn cung cấp, triệt tiêu xung nhiễu cao tần và bố trí phần tử bảo vệ chống ngắn mạch đầu vào.
• Mạch công suất (Power Stage): Triển khai mạch in PCB 4 lớp (4-layer PCB) trên Altium Designer nhằm tối ưu hóa các đường dẫn dòng điện lớn, giảm thiểu điện cảm ký sinh trên đường mạch và bố trí linh kiện đối xứng ở cả hai mặt trước và sau (Top Layer và Bottom Layer).
• Mạch điều khiển và Driver: Sử dụng vi điều khiển để lập trình thuật toán phát xung điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số đóng ngắt $f_s$ ổn định; tích hợp mạch kích (gate driver) chuyên dụng cách ly tín hiệu để kích mở đồng thời hai khóa MOSFET $S_1$ và $S_2$.
• Mạch lọc ngõ ra: Bố trí các tụ điện lọc ngõ ra có nội trở tương đương (ESR) thấp để duy trì điện áp một chiều $V_o$ bằng phẳng trên tải trở $R$.
• Mô hình thực nghiệm: Hệ thống thử nghiệm được lắp đặt hoàn chỉnh tại phòng nghiên cứu D405, kết nối nguồn DC cấp dòng, bộ tải công suất, máy hiện sóng nhiều kênh để trích xuất tín hiệu xung kích $V_{gs}$, điện áp đánh thủng $V_{DS}$ trên MOSFET, dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên các diode.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa, khủng hoảng nhiên liệu hóa thạch và xu thế phát triển năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, pin nhiên liệu) cùng phương tiện xe điện. Tác giả chỉ ra nhược điểm lớn của nguồn năng lượng sạch là mức điện áp DC thấp và bất ổn định, đòi hỏi khâu tiền xử lý bằng bộ biến đổi DC-DC tăng áp. Chương 1 phân tích ưu - nhược điểm của các giải pháp biến đổi truyền thống: bộ chuyển đổi có cách ly (dễ bị gai áp do cảm ứng rò rỉ, cồng kềnh), bộ chuyển đổi ghép tầng (nhiều linh kiện, hiệu suất kém) và bộ chuyển đổi Boost kinh điển (hạn chế độ lợi điện áp do chu kỳ làm việc bị giới hạn). Tác giả xác định rõ mục tiêu thiết kế cấu hình DC-DC mới có độ lợi vượt trội, giảm ứng suất linh kiện, tối ưu hóa kích thước mạch, đồng thời công bố phương pháp nghiên cứu và bố cục tổng thể gồm 6 chương của đồ án.

Chương 2: Cấu hình mạch DC-DC tăng áp mới

Chương 2 là phần trọng tâm về mặt lý thuyết của đồ án, gồm hai nội dung chính:

• Khảo sát các cấu hình tiền nhiệm: Tác giả phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý, biểu thức độ lợi và hạn chế của 8 cấu hình nghiên cứu trước:
  1. Cấu hình Boost cơ bản: $G = \frac{1}{1-D}$.
  2. Cấu hình Z-Source DC-DC Converter: $G = \frac{1-D}{1-2D}$, dòng vào gián đoạn, không chung đất.
  3. Cấu hình quasi-Z-Source (qZS) network I: $G = \frac{1-D}{1-2D}$, dòng vào liên tục, chung đất, hoạt động qua 5 mode.
  4. Cấu hình Quadratic Boost Converter: $G = \frac{1}{(1-D)^2}$, điện áp trên tụ và dòng cuộn cảm không biến thiên đột ngột.
  5. Cấu hình Hybrid Three-QZS DC-DC Converter cải tiến: $G = \frac{1}{1-4D}$, dời vị trí nguồn $V_{in}$ nối tiếp cuộn $L_1$ để giữ dòng liên tục và chung đất.
  6. Cấu hình kết hợp QZS và Switched-Capacitor: $G = \frac{2}{1-4D}$, ứng suất linh kiện bán dẫn còn lớn.
  7. Cấu hình biến thể kết hợp QZS và SC: $G = \frac{3(1-D)}{1-3D}$, không chung điểm nối đất.
  8. Cấu hình High Step-Up Quasi-Z Source: $G = \frac{2+D}{1-2D}$, không giới hạn chu kỳ nhiệm vụ nhưng nhiều linh kiện thụ động.
• Phân tích cấu hình đề xuất ở chế độ CCM: Mạch vận hành qua hai trạng thái:
  • Chế độ 1 ($DT$): $S_1, S_2$ dẫn, $D_3$ dẫn, $D_1, D_2, D_4$ ngắt. Nguồn $V_{in}$ và tụ $C_1$ nạp cho cuộn $L_1$; tụ $C_3$ nạp cho cuộn $L_2, L_3$; tụ $C_2$ được nạp qua $D_3$; tải nhận năng lượng từ $C_4, C_5$. Hệ phương trình: $v_{L1} = v_{in} + v_{C1}$; $v_{L2} = v_{L3} = v_{C3} = v_{C2} - v_{C5} = v_o - 2v_{C5}$.
  • Chế độ 2 ($(1-D)T$): $S_1, S_2$ ngắt, $D_1, D_2, D_4$ dẫn, $D_3$ ngắt. Cuộn $L_1$ xả nạp cho $C_3$; cuộn $L_2, L_3$ xả nạp cho $C_1, C_5$ qua $D_2$; tụ $C_2$ xả nạp cho $C_4$ qua $D_4$ và cấp cho tải. Hệ phương trình: $v_{L1} = v_{in} - v_{C3}$; $v_{L2} = -v_{C1}$; $v_{L3} = v_{C5} - v_{C3} - v_{C1}$.
  • Biểu thức trạng thái xác lập: $$V_{C1} = \frac{D}{1-2D} V_{in}, \quad V_{C2} = \frac{2}{1-2D} V_{in}, \quad V_o = \frac{3+D}{1-2D} V_{in}, \quad G = \frac{3+D}{1-2D}$$ $$V_{S1} = V_{S2} = \frac{1}{1-2D} V_{in}, \quad V_{D3} = V_{D4} = \frac{2}{1-2D} V_{in}$$
• Phân tích chế độ dẫn gián đoạn (DCM): Khảo sát 3 mode hoạt động khi tải nhỏ hoặc độ tự cảm $L_1$ thấp khiến dòng cuộn cảm giảm về 0 trước khi kết thúc chu kỳ. Xác định giá trị tự cảm tới hạn $L_{min} = \frac{D(1-D)(1-2D)R}{2(3+D)^2 f_s}$ và độ lợi trong chế độ DCM: $G_{DCM} = \frac{D_X}{D_X - D} \frac{3+D}{1-D}$. Do DCM làm tăng tổn thất chuyển mạch và phát sinh nhiễu EMI, đồ án định hướng tập trung thiết kế ở chế độ CCM.
• Tính toán linh kiện và tổn thất: Đưa ra phương pháp tính toán tổn hao công suất trên cuộn cảm, tụ điện, diode và MOSFET ($S_1, S_2$), cùng thiết kế khối mạch driver.

Chương 3: Thiết kế mạch

Nội dung chương mô tả chi tiết quy trình thiết kế phần cứng:

• Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch lọc nguồn đầu vào nhằm triệt tiêu nhiễu và chống ngắn mạch.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất và mạch lọc điện áp đầu ra trên phần mềm Altium Designer.
• Thiết kế mạch tạo xung và cách ly driver điều khiển đóng ngắt cho 2 MOSFET công suất $S_1, S_2$.
• Thiết kế bố trí linh kiện và layout bo mạch in PCB 4 lớp, tối ưu hóa các đường dẫn dòng lớn ở mặt trước và mặt sau nhằm giảm cảm kháng ký sinh và tối ưu tản nhiệt.

Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương 4 đối chiếu dữ liệu giữa lý thuyết, mô phỏng và phần cứng thực tế:

• Kết quả mô phỏng PSIM: Kiểm chứng dạng sóng điện áp ngõ vào/ngõ ra; dạng sóng điện áp trên 5 tụ điện ($C_1$ đến $C_5$); dòng điện trên 3 cuộn cảm ($L_1, L_2, L_3$); điện áp đặt lên các diode ($D_1$ đến $D_4$) và hai khóa công suất $S_1, S_2$.
• Kết quả thực nghiệm: Trích xuất kết quả đo đạc từ mô hình thực nghiệm: dạng sóng điện áp vào/ra, dạng sóng xung kích $V_{gs}$ đồng pha với điện áp trên các tụ điện $C_1-C_5$, dạng sóng dòng điện và điện áp cuộn cảm, điện áp đặt trên diode và điện áp $V_{DS}$ trên MOSFET. Ghi nhận đồ thị đường cong hiệu suất thực tế biến thiên theo công suất tải.

Chương 5: Thảo luận, so sánh với các nghiên cứu trước

Chương này đánh giá hiệu năng của cấu hình đề xuất so với các công trình cùng lĩnh vực:

• So sánh định lượng và vẽ đồ thị độ lợi điện áp $G$ theo chu kỳ làm việc $D$.
• Khảo sát ứng suất điện áp đặt lên tụ điện và linh kiện bán dẫn theo độ lợi điện áp.
• So sánh dòng điện đặt lên linh kiện bán dẫn và tổng ứng suất điện áp linh kiện.
• Phân tích biểu đồ so sánh chi phí cấu thành giữa các cấu hình dựa trên cơ sở định giá linh kiện tham khảo từ Mouser Electronics.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết toàn bộ kết quả đạt được về mặt tính toán giải tích, thiết kế mô phỏng và chế tạo thực nghiệm; chỉ ra các điểm còn hạn chế của hệ thống và đề xuất các hướng hoàn thiện kỹ thuật trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán giải tích và kiểm chứng

Khóa luận đã thiết lập hoàn chỉnh hệ thống công thức giải tích cho cấu hình đề xuất ở chế độ CCM:

• Độ lợi điện áp: $G = \frac{V_o}{V_{in}} = \frac{3+D}{1-2D}$. Với $D = 0.3$, độ lợi đạt được là $G = 8.25$; với $D = 0.4$, độ lợi đạt mức $G = 17$, vượt trội hoàn toàn so với bộ chuyển đổi Boost truyền thống và các mạch QZS đơn tầng.
• Ứng suất điện áp trên khóa công suất: $V_{S1} = V_{S2} = \frac{1}{1-2D} V_{in} = \frac{V_o}{3+D}$. Mức điện áp đặt lên MOSFET chỉ bằng một phần nhỏ điện áp ngõ ra, cho phép lựa chọn linh kiện có nội trở dẫn $R_{DS(on)}$ thấp để giảm tổn thất dẫn.
• Ứng suất điện áp trên Diode: $V_{D3} = V_{D4} = \frac{2}{1-2D} V_{in} = \frac{2 V_o}{3+D}$.
• Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Cuộn $L_1$ mang dòng điện đầu vào liên tục $I_{L1} = I_{in} = \frac{(3+D)^2}{(1-2D)^2 R_L} V_{in}$; dòng điện qua cuộn $L_2, L_3$ là $I_{L2} = I_{L3} = \frac{D^2-D+2}{(1-D)(3+D)} I_{in}$.

Bảng tổng hợp dòng điện trung bình qua các linh kiện bán dẫn trong từng khoảng thời gian đóng ngắt:

Linh kiện	Dòng điện trong khoảng $DT$	Dòng điện trong khoảng $(1-D)T$
Diode $D_1$	$0$	$\frac{1}{1-D} I_{in}$
Diode $D_2$	$0$	$\frac{1-2D}{(1-D)(3+D)} I_{in}$
Diode $D_3$	$\frac{1-2D}{D(3+D)} I_{in}$	$0$
Diode $D_4$	$0$	$\frac{1-2D}{(1-D)(3+D)} I_{in}$
Khóa bán dẫn $S_1$	$\frac{-2D^2-D+1}{D(1-D)(3+D)} I_{in}$	$0$
Khóa bán dẫn $S_2$	$\frac{-D^2+2D+1}{D(1-D)(3+D)} I_{in}$	$0$

Bảng so sánh độ lợi điện áp giữa cấu hình đề xuất và các nghiên cứu trước:

Cấu hình nghiên cứu	Độ lợi điện áp ($G = V_o / V_{in}$)	Tính liên tục của dòng ngõ vào	Điểm nối đất chung (In/Out)
DC-DC Boost cơ bản	$\frac{1}{1-D}$	Liên tục	Có
Z-Source Converter [13]	$\frac{1-D}{1-2D}$	Gián đoạn	Không
quasi-Z-Source I [14]	$\frac{1-D}{1-2D}$	Liên tục	Có
Quadratic Boost [15]	$\frac{1}{(1-D)^2}$	Liên tục	Có
Hybrid Three-QZS [16]	$\frac{1}{1-4D}$	Liên tục (bản cải tiến)	Có
QZS + Switched-Capacitor [17]	$\frac{2}{1-4D}$	Liên tục	Không
High Step-Up QZS [20]	$\frac{2+D}{1-2D}$	Liên tục	Không
Cấu hình đề xuất	$\frac{3+D}{1-2D}$	Liên tục	Có

Đóng góp của đề tài

• Đóng góp về cấu trúc mạch: Đề xuất thành công cấu hình tăng áp kết hợp mạng trở kháng Quasi-Z-Source và mạng cuộn cảm chuyển mạch Switched-Inductor, thay thế các diode thụ động bằng khóa bán dẫn được kích đồng bộ, tạo ra bước cải thiện đáng kể về tỷ số tăng áp mà không cần vận hành ở chu kỳ làm việc cực hạn.
• Giảm thiểu ứng suất linh kiện: Mức điện áp và dòng điện đặt lên các khóa bán dẫn và diode được phân bổ đồng đều và duy trì ở giá trị thấp so với điện áp đầu ra, làm cơ sở giảm kích thước phiến tản nhiệt và kích thước tổng thể của bộ biến đổi.
• Đặc tính ngõ vào tối ưu: Duy trì dòng điện đầu vào liên tục giúp bảo vệ tuổi thọ của tấm pin PV/pin nhiên liệu, hạn chế dòng xung đỉnh và giảm yêu cầu dung lượng của tụ lọc ngõ vào.
• Hiện thực hóa phần cứng: Khóa luận không dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết mà hoàn thiện quy trình từ mô phỏng giải tích (PSIM), thiết kế mạch in chuyên nghiệp 4 lớp trên Altium Designer đến chế tạo và vận hành mô hình thực nghiệm, chứng minh tính khả thi kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Những vấn đề còn hạn chế

• Hoạt động ở chế độ tải nhẹ (DCM): Khi công suất tải giảm xuống thấp hoặc giá trị điện cảm $L_1$ không đủ lớn, mạch chuyển sang chế độ dẫn gián đoạn (DCM). Ở chế độ này, dòng điện qua cuộn cảm giảm về 0 làm gia tăng tổn thất chuyển mạch, tăng mức phát xạ nhiễu điện từ (EMI) và làm suy giảm hiệu suất biến đổi chung.
• Cách ly điện: Mạch thuộc nhóm cấu hình không cách ly (non-isolated), chia sẻ đường dẫn đất chung nên không phù hợp với các ứng dụng công nghiệp đặc thù đòi hỏi tiêu chuẩn an toàn cách ly galvanic tuyệt đối giữa ngõ vào và tải cao áp.
• Yêu cầu điều khiển: Việc sử dụng hai khóa bán dẫn $S_1$ và $S_2$ đòi hỏi khối mạch kích (driver) phải bảo đảm cấp xung đồng bộ chính xác, làm tăng độ phức tạp của mạch điều khiển so với cấu hình chỉ dùng một khóa duy nhất.

Hướng phát triển

• Nghiên cứu và tích hợp các giải pháp điều khiển vòng kín (closed-loop control) sử dụng các bộ điều khiển số (DSP hoặc vi điều khiển chuyên dụng) để tự động ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào và công suất tải thay đổi đột ngột.
• Ứng dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm (Soft-Switching) như ZVS (Zero Voltage Switching) hoặc ZCS (Zero Current Switching) nhằm triệt tiêu hoàn toàn tổn thất đóng ngắt trên hai khóa $S_1, S_2$, nâng cao hiệu suất vận hành ở dải công suất lớn.
• Thử nghiệm tích hợp trực tiếp bộ biến đổi vào hệ thống phần cứng pin mặt trời (PV) thực tế có tích hợp thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT) hoặc kết nối vào khâu tiền biến đổi của bộ sạc xe điện.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật cao, phù hợp với các đối tượng và mục đích sau:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Điện tử công suất: Tài liệu cung cấp quy trình mẫu mực về việc phân tích một cấu hình biến đổi DC-DC mới, từ việc lập phương trình Kirchhoff, áp dụng nguyên lý cân bằng vôn-giây/ampe-giây, phân tích ranh giới CCM/DCM đến tính toán tổn thất công suất.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần cứng (R&D): Phần thiết kế mạch tại Chương 3 và Chương 4 là tài liệu tham khảo trực tiếp cho việc thiết kế bo mạch in công suất (PCB 4 lớp), phương pháp bố trí linh kiện để giảm điện cảm ký sinh, kỹ thuật thiết kế tầng driver cách ly cho MOSFET và phương pháp đo đạc dạng sóng xung kích công suất cao.
• Người làm đề tài nghiên cứu về năng lượng tái tạo và xe điện: Cung cấp giải pháp biến đổi tăng áp không cách ly hiệu quả cao với dòng vào liên tục, có thể kế thừa biểu thức tính toán độ lợi và bảng thông số so sánh linh kiện để phát triển các cấu hình mở rộng nhiều tầng (multistage hoặc cascaded).

Câu hỏi thường gặp

Cấu hình mạch DC-DC đề xuất sử dụng bao nhiêu linh kiện và có cấu trúc thế nào?

Cấu hình đề xuất tích hợp 2 khóa bán dẫn MOSFET ($S_1, S_2$), 4 diode công suất ($D_1, D_2, D_3, D_4$), 3 cuộn cảm ($L_1, L_2, L_3$) và 5 tụ điện ($C_1, C_2, C_3, C_4, C_5$). Mạch được phát triển dựa trên sự kết hợp giữa mạng trở kháng Quasi-Z-Source và mạng cuộn cảm chuyển mạch (Switched-Inductor), trong đó các diode của mạng Switched-Inductor được thay thế bằng khóa bán dẫn để giảm thiểu tổn hao.

Biểu thức độ lợi điện áp và ứng suất điện áp trên khóa bán dẫn ở chế độ CCM là gì?

Ở chế độ dẫn liên tục (CCM), độ lợi điện áp của mạch được xác định qua công thức: $$G = \frac{V_o}{V_{in}} = \frac{3+D}{1-2D}$$ Ứng suất điện áp đặt lên hai khóa bán dẫn $S_1$ và $S_2$ bằng nhau và có giá trị: $$V_{S1} = V_{S2} = \frac{1}{1-2D} V_{in} = \frac{V_o}{3+D}$$ Mức ứng suất này thấp hơn đáng kể so với mức điện áp ngõ ra $V_o$.

Điều kiện để mạch duy trì hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM) là gì?

Mạch duy trì chế độ CCM khi dòng điện trung bình đầu vào qua cuộn cảm $L_1$ lớn hơn một nửa độ gợn dòng điện ($\Delta I_L / 2$). Giá trị độ tự cảm tới hạn $L_{min}$ làm ranh giới giữa CCM và DCM được xác định theo biểu thức: $$L_{min} = \frac{D(1-D)(1-2D)R}{2(3+D)^2 f_s}$$ Trong đó $R$ là điện trở tải và $f_s$ là tần số chuyển mạch.

Vì sao tác giả ưu tiên thiết kế mạch vận hành ở chế độ CCM thay vì DCM?

Khi hoạt động ở chế độ DCM, dòng điện qua cuộn cảm $L_1$ giảm về 0 trong một khoảng thời gian của chu kỳ, dẫn đến tổn thất chuyển mạch tăng cao và gia tăng nhiễu điện từ (EMI). Điều này làm suy giảm hiệu suất tổng thể, do đó chế độ DCM không phù hợp cho các bộ biến đổi DC-DC công suất trung bình đến lớn, khiến nhóm tác giả ưu tiên tối ưu hóa mạch ở chế độ CCM.

Điểm cải tiến chính của cấu hình này so với cấu hình Z-Source truyền thống là gì?

So với cấu hình Z-Source truyền thống (có dòng ngõ vào gián đoạn và không chung điểm nối đất), cấu hình đề xuất đạt được độ lợi điện áp cao hơn với cùng chu kỳ làm việc $D$, bảo đảm dòng điện ngõ vào liên tục (giúp bảo vệ nguồn năng lượng tái tạo) và có chung điểm nối đất giữa đầu vào và đầu ra, từ đó giảm thiểu dòng điện rò và ổn định tín hiệu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đặng Nhật Huy và Cao Quang Lộc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã đề xuất và hiện thực hóa thành công cấu hình DC-DC tăng áp mới kết hợp mạng Quasi-Z-Source và mạng cuộn cảm chuyển mạch. Công trình đã hoàn thành toàn diện việc xây dựng cơ sở toán học ở trạng thái xác lập, tính toán linh kiện, thiết kế bo mạch in công suất 4 lớp trên Altium Designer và kiểm chứng sự trùng khớp giữa mô phỏng PSIM với thực nghiệm phần cứng. Cấu hình đạt độ lợi điện áp cao $\frac{3+D}{1-2D}$, duy trì dòng ngõ vào liên tục và giảm ứng suất trên linh kiện bán dẫn, mang lại giải pháp kỹ thuật giàu tiềm năng cho các hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu và bộ sạc xe điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, với sự phát triển như vũ bão của các ngành công nghiệp hiện đại ở khắp nơi trên thế giới, để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhất là trong thời kỳ nước ta đang bước vào một kỷ nguyên mới – kỷ nguyên vươn mình của dân tộc, thì công nghiệp hóa được xem là một nhiệm vụ tất yếu mang tính chiến lược [1]. Việc đẩy mạnh công nghiệp hóa đất nước luôn gắn liền với nhu cầu năng lượng, tuy nhiên việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch, than đá, xăng dầu, khí đốt,. đã kéo theo một hệ lụy đã diễn ra suốt nhiều thập kỷ nay đó chính là vấn đề ô nhiễm môi trường, gây ra các hiện tượng hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu, thiên tai,.

gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống của con người. Ngoài ra, các nguồn năng lượng hóa thạch không có khả năng tái tạo, có thể bị cạn kiệt, đe dọa đến an ninh năng lượng của con người [2]. Do đó, bài toán đặt ra là chúng ta cần tìm một nguồn năng lượng mới, xanh, sạch và thân thiện với môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người. Để giải quyết bài toán này, nhiều nước trong đó có Việt Nam đã sử dụng các nguồn năng lượng có khả năng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, sinh khối,.

đây là những nguồn năng lượng xanh, sạch và thân thiện với môi trường, đặc biệt là không cạn kiệt như các nguồn năng lượng hóa thạch. Cùng với sự phát triển của các nguồn năng lượng mới là sự phát triển của các bộ chuyển đổi năng lượng ứng dụng cho năng lượng tái tạo. Bởi các nguồn năng lượng tái tạo có một nhược điểm đó chính là đầu vào phụ thuộc vào thời tiết, nhiệt độ môi trường nên sẽ cần có các bộ chuyển đổi công suất để đạt được đầu ra mong muốn. Các bộ chuyển đổi này có thể là bộ chuyển đổi DC-DC, DC-DC, AC-AC,.

Hiện nay, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo được xem là xu thế ở nước ta, được sự ưu tiên phát triển từ chính phủ [3]. Tuy nhiên, để sử dụng được nguồn năng lượng này cho sinh hoạt hằng ngày và trong công nghiệp, đòi hỏi ta cần phải có một bộ chuyển đổi điện áp DC-DC, bởi điện áp đầu ra của các tấm pin là điện áp DC thường rất thấp và không ổn định, phụ thuộc vào thời tiết, nhiệt độ môi trường. Do đó, cần có một bộ chuyển đổi để nâng cao điện áp ở đầu ra sau đó đưa qua các khâu tiếp theo để biến đổi phù hợp với nhu cầu sử dụng [4]. Ngoài ra, các bộ chuyển đổi DC-DC còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xe điện (EV), pin nhiên liệu (FC) [5], [6], [7].

Trong đồ án này, chúng sẽ tập trung nghiên cứu về các cấu hình, nguyên lý bộ chuyển đổi điện áp được thiết kế, đồng thời đánh giá và so sánh với các nghiên cứu khác cùng lĩnh vực. Các bộ chuyển đổi điện áp DC-DC thường có hai loại là cách ly (isolate) và không cách ly (non-isolate) với mỗi loại sẽ có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau tùy vào từng ứng dụng cụ thể. Ta thấy, mạch tăng áp DC-DC có cách ly thường dùng máy biến áp xung như Flyback, Forward, Push-Pull, đầu vào và đầu ra được cách ly 1 hoàn toàn do đó trở nên an toàn hơn, thích hợp cho các ứng dụng cần bảo vệ thiết bị hoặc người dùng khỏi điện áp cao, việc tăng áp có thể có được bằng cách thay đổi tỉ lệ vòng dây của máy biến áp. Tuy nhiên việc sử dụng máy biến áp xung gây ra điện cảm rò rỉ, gây ra các gai điện áp trên diode và khóa công suất do đó yêu cầu phải có các linh kiện phụ trợ để triệt tiêu các gai này, có thể gia tăng kích thước, khối lượng mạch, chi phí thi công mạch, tăng tổn hao trên máy biến áp, làm giảm hiệu suất của hệ thống [8], [9], [10].

Đối với bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp không cách ly, đầu vào và đầu ra dùng chung điểm nối đất nên sẽ ít an toàn hơn nếu có sự cố về điện, tuy nhiên, ta chỉ sử dụng các linh kiện điện tử thụ động và bán dẫn nên cấu trúc mạch đơn giản, nhỏ gọn hơn, tiết kiệm chi phí hơn và hiệu suất cũng cao hơn do tổn hao thấp hơn so với sử dụng máy biến áp cách ly [11]. Các bộ chuyển đổi DC-DC ghép tầng cũng đạt được độ lợi điện áp cao, tuy nhiên cần kết hợp nhiều tầng với nhau, số lượng linh kiện tăng, cấu trúc phức tạp, hiệu suất thấp và chi phí cao đã gây ra nhiều hạn chế [12]. Với các bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp cơ bản chỉ sử dụng một khóa bán dẫn, một diode, một tụ điện và một cuộn cảm như hình 1.1 bước đầu đã đáp ứng được yêu cầu tăng áp cơ bản, khi khóa bán dẫn được kích dẫn (ON), cuộn cảm tích trữ năng lượng, khi khóa bán dẫn ngắt (OFF), năng lượng trên cuộn cảm sẽ xả và điện áp đầu ra sẽ bằng điện áp nguồn cộng với điện áp xả từ cuộn cảm, do đó điện áp đầu ra sẽ tăng lên và được lọc phẳng nhờ tụ lọc đầu ra, mạch này được ứng dụng trong các mạch điện tử không yêu cầu tăng điện áp lên cao. Tuy nhiên, đối với một số ứng dụng đòi hỏi có độ lợi điện áp cao thì mạch DC-DC truyền thống sẽ bộc lộ nhiều hạn chế như khóa bán dẫn sẽ phải hoạt động ở chu kì làm việc (duty cycle) cao hơn dẫn đến thời gian dẫn của khóa sẽ lâu hơn, tăng tổn hao công suất và giảm hiệu suất hoạt động của mạch, độ lợi điện áp giới hạn, điện áp đặt lên linh kiện cao, dẫn đến dễ hỏng hốc, giảm độ tin cậy,.

L D Vin S C R Vo Hình 1. Cấu hình mạch DC-DC tăng áp truyền thống Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được đưa ra nhằm mục đích cải thiện độ lợi điện áp, khắc phục hạn chế từ mạch DC-DC tăng áp truyền thống. Nghiên cứu [13] đã đề xuất một cấu hình DC-DC tăng áp mới với độ lợi điện áp cao hơn so với bộ chuyển đổi truyền thống, cấu hình này được trình bày trong hình 1. Ở cấu hình này, diode S1 và khóa bán dẫn S2 hoạt động theo kiểu bổ sung, khi khóa S2 được 2 kích dẫn, diode S1 sẽ ngắt, cuộn dây L1, L2 được nạp năng lượng từ tụ C1, C2 tương ứng.

Khi khóa S2 ngắt, S1 sẽ dẫn và năng lượng trên cuộn dây sẽ được giải phóng, cấp sang tải. Độ lợi điện áp của cấu hình này là G = 1 − D cao hơn so với bộ chuyển 1 − 2D đổi truyền thống. Ta thấy, ngoài khả năng tăng áp, cấu hình còn có khả năng giảm áp, làm việc như một bộ chuyển đổi Buck-Boost tùy thuộc vào chu kì làm việc của khóa S được cấp bởi xung PWM được điều khiển từ các loại vi điều khiển. Tuy nhiên, cấu hình này cũng có một số điểm hạn chế như dòng điện đầu vào không liên tục và không có chung điểm nối đất với đầu ra có thể làm gia tăng nhiễu không mong muốn, dòng rò, độ tin cậy thấp và hạn chế trong ứng dụng cho một số mạch điện tử.

S1 L1 L Vin C1 C2 S2 C R Vo L2 Hình 1. Cấu hình Z-Source DC-DC Converter Ở một nghiên cứu khác, với cùng độ lợi điện áp như cấu hình được đề xuất ở nghiên cứu [13], nghiên cứu [14] đã đề xuất một cấu hình mới có chung điểm nối đất giữa đầu vào và đầu ra, điện áp đặt lên tụ điện, dòng điện qua khóa công suất và diode thấp hơn so với cấu hình Z-Source trước đó. Ngoài ra, dòng điện đầu vào và dòng điện qua tải liên tục, cấu trúc mạch đơn giản. Do đó, chi chí của mạch thấp và hiệu suất cao, cấu hình này dùng mạng trở kháng Quasi-Z-Source network I được trình bày như hình 1.

L1 C2 Lf C1 D L2 Vin S Cf R Vo Hình 1. Cấu hình bộ chuyển đổi DC-DC dùng mạng QZS network I 3 Một cấu hình QZS khác được đề xuất với dòng điện đầu vào liên tục, độ lợi điện áp cao hơn so với nghiên cứu [13] và [14] , tuy nhiên điện áp đặt lên tụ C2 lại cao hơn so với nghiên cứu [14] và cấu hình này cũng có chung điểm nối đất giữa đầu vào và đầu ra giúp ổn định tính hiệu, chống dòng rò. Cấu hình này dùng mạng trở kháng QZS network II được trình bày như hình 1. Cấu hình bộ chuyển đổi DC-DC dùng mạng QZS network II Nghiên cứu [15] trình bày một bộ chuyển đổi Quadratic Boost Converter mới với nhiều điểm nổi bật như không làm thay đổi đột ngột điện áp trên tụ và dòng điện qua cuộn cảm trong suốt chu kỳ chuyển mạch, đảm bảo không có quá dòng hoặc quá áp tức thời trên linh kiện lưu trữ năng lượng, từ đó giúp việc thiết kế bộ lọc dễ dàng hơn.

Ngoài ra độ lợi điện áp của cấu hình này cao hơn so với nghiên cứu trước, điện áp đặt lên khóa bán dẫn và diode thấp hơn. Cấu hình được trình bày như hình 1. IL1 L1 + IL2 + D1 S1 L2 + _ C1 + + Vin C2 R Vo _ _ D2 S2 Hình 1. Cấu hình Quadratic Boost Converter Ở các nghiên cứu trên, ta thấy độ lợi điện áp được cải thiện so với bộ chuyển đổi truyền thống.

Tuy nhiên, đối với một số ứng dụng đòi hỏi có độ lợi điện áp cao, chẳng hạn như hệ thống nghịch lưu nối lưới (PV), bộ sạc xe điện - nơi cần có một bộ chuyển đổi với độ lợi cao để tăng điện áp thấp từ các tấm PV để đưa qua khâu nghịch lưu và hòa vào lưới điện thì các nghiên cứu trên lại không đáp ứng được. Để cải thiện vấn đề này, nghiên cứu [16] đã đề xuất một loạt các cấu hình mạch DC-DC lai dựa vào các mạng Z-Source và QZS từ các nghiên cứu trước. Đầu tiên có thể kể đến đó chính là Hybrid Two-Quasi-Z-source Boost DC-DC Converter. Cấu hình này có được dựa trên sự kết hợp giữa hai mạng trở kháng là QZS network I và QZS network II được trình bày như hình 1.

4 Quasi- Z- source Network II C2 + Quasi- Z- source Network I C4 + L2 + L1 D1 D3 + D2 C3 + L3 + + Vi C1 S + C5 R Vo _ Hình 1.