Hcmute xây dựng bộ chuyển đổi dc dc 1 6kw (320v 5a)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC 1.6KW
(320V/5A)

MÃ SỐ: T2018-42TĐ

SKC 0 0 6 5 2 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2017

Luan van


MỤC LỤC
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................viii
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 1
1. Thông tin chung ................................................................................................... 1
2. Mục tiêu ............................................................................................................... 1
3. Tính mới và sáng tạo ............................................................................................ 1
4. Kết quả nghiên cứu .............................................................................................. 1
5. Sản phẩm .............................................................................................................. 2
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng .. 2
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ............................................................. 3
1. General information ............................................................................................. 3

2. Objective(s) .......................................................................................................... 3
3. Creativeness and innovativeness.......................................................................... 3
4. Research results.................................................................................................... 3
5. Products ................................................................................................................ 3
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability ...................... 4
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 5
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 5
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 5
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................ 5
4. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài ................................................................. 6
5. Những đóng góp của đề tài .................................................................................. 6
6. Cấu trúc của đề tài................................................................................................ 6
i

Luan van


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 8
Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước .................. 8
1.1. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở nước ngoài............................................... 8
1.2. Nghiên cứu bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở Việt Nam .............................. 9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC ... 10
2.1. Tổng quan về mạch tăng áp ............................................................................ 10
2.1.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................. 10
2.1.3 Nguyên lý hoạt động................................................................................. 11
2.1.4 Các ứng dụng ............................................................................................ 12
2.2 Giới thiệu cấu hình mạch tăng áp hiện đại ...................................................... 12
2.2.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................. 12
2.2.2 Ưu điểm .................................................................................................... 13
2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ chuyển đổi DC-DC ................ 14

2.3.1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM truyền thống cho bộ bộ chuyển đổi
DC-DC .............................................................................................................. 14
2.3.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM đề xuất ...................................... 14
2.4 Bộ điều khiển PID ............................................................................................ 14
2.4.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................. 14
2.4.2 Khâu tỉ lệ................................................................................................... 15
2.4.3 Khâu tích phân .......................................................................................... 15
2.4.4 Khâu vi phân ............................................................................................. 16
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC ..................................... 17
3.1. Mơ hình tốn học, phương trình tốn bộ chuyển đổi DC-DC ........................ 17
3.1.1. Mơ hình hóa bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ........................................... 17
3.1.2 Nguyên lý hoạt động................................................................................. 18
ii

Luan van


3.2. Phương trình tốn học bộ chuyển đổi DC-DC ........................................... 19
3.3. Phương pháp điều khiển PWM cho bộ tăng áp DC-DC ................................. 21
3.4. Phương pháp điều khiển PWM cho bộ chuyển đổi DC-DC ........................... 21
3.4.1 Tính tốn và thiết kế mạch ....................................................................... 21
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ................. 23
4.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm ..................................................................... 23
4.1.1 Giới thiệu .................................................................................................. 23
4.1.2 Thi công hệ thống ..................................................................................... 23
4.1.2.1 Mơ hình tổng thể .................................................................................. 23
4.1.2.2 Mơ tả chi tiết mơ hình thực nghiệm ..................................................... 23
4.2. Sơ đồ chi tiết từng khối ................................................................................... 24
4.2.1 Nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển ............................................... 24
4.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển ........ 24

4.2.1.2 Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển .......... 24
4.2.1.3 Sơ đồ thực tế mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển ............ 25
4.2.2. Nguồn DC cung cấp cho mạch công suất ................................................ 25
4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC cung cấp cho mạch công suất ........ 25
4.2.2.2 Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch công suất............ 25
4.2.2.3 Sơ đồ mạch nguồn DC thực tế cung cấp cho mạch cơng suất. ............ 26
4.2.3. Thi cơng mạch kích ................................................................................. 26
4.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch kích .................................................................. 26
4.2.3.2 Mạch khuếch đại và cách ly .................................................................. 27
4.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch kích và cách ly ................................................. 27
4.2.3.4 Sơ đồ mạch in mạch kích và cách ly. ................................................... 28
4.2.3.5 Sơ đồ mạch kích và cách ly. ................................................................. 28
iii

Luan van


4.2.4 Mạch công suất ………………………………………………………… 29
4.2.4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất .......................................................... 29
4.2.4.2 Sơ đồ mạch in mạch công suất. ............................................................ 29
4.2.4.3 Sơ đồ mạch công suất thực tế. .............................................................. 30
4.2.5 Mạch điều khiển ....................................................................................... 30
4.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ........................................................ 30
4.2.5.2 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển............................................................ 31
4.2.5.3 Sơ đồ mạch điều khiển thực tế. ............................................................ 31
4.2.7. Mơ hình hồn thiện .................................................................................. 32
4.3. Lập trình hệ thống ........................................................................................... 33
4.3.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ....................................................... 33
4.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình con .......................................................... 35
4.4 Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm .................................................................. 36

4.4.1 Kết quả mô phỏng..................................................................................... 36
4.4.2 Kết quả thực nghiệm................................................................................. 37
4.5. Kết luận ........................................................................................................... 39
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................... 40
5.1. Những đóng góp của đề tài ............................................................................. 40
5.2. Hạn chế của đề tài ........................................................................................... 40
5.3. Hướng phát triển đề tài ................................................................................... 40
LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 41
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 42
Chương trình ................................................................................................................. 42

iv

Luan van


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
Vg: Nguồn áp vào
VC1, VC2: Điện áp trên tụ
S: Các khóa đóng ngắt.
V0: Điện áp trên tải.
C: Tụ điện
R: Điện trở tải.
L: Cuộn cảm.
fc: Tần số sóng mang.
PWM: Pulse width modulation.
Buck converter: Chuyển đổi giảm áp.
Boost converter: Chuyển đổi tăng áp.
PID: Proportional Integral Derivative.

v

Luan van


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ mạch tăng áp truyền thống ................................................................. 11
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp .............................................................. 11
Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC-DC đề xuất thực hiện ............................................. 13
Hình 2.4 Sơ đồ phát xung cho khóa chuyển mạch của bộ tăng áp truyền thống. ........ 14
Hình 2.5 Sơ đồ phát xung cho các khóa chuyển mạch của bộ tăng áp đề xuất. ........... 14
Hình 3.1 Sơ đồ mạch tăng áp đề xuất. .......................................................................... 17
Hình 3.2 Mạch tăng áp hoạt động ở trạng thái 1 .......................................................... 18
Hình 3.3 Mạch tăng áp hoạt động ở trạng thái 2 .......................................................... 18
Hình 3.4 Phương pháp PWM điều khiển cho bộ chuyển đổi DC-DC ......................... 19
Hình 4.1 Sơ đồ tổng thể mơ hình thực nghiệm. ........................................................... 23
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển......................... 24
Hình 4.3: Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển .................. 24
Hình 4.4: Sơ đồ thực tế nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển ............................. 25
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý nguồn DC cung cấp cho mạch cơng suất .......................... 25
Hình 4.6: Sơ đồ mạch in nguồn DC cung cấp cho mạch cơng suất ............................. 25
Hình 4.7: Sơ đồ mạch nguồn DC thực tế cung cấp cho mạch cơng suất ..................... 26
Hình 4.8: Sơ đồ thực tế IC tăng áp và cách ly G1215S-1W ........................................ 26
Hình 4.9: Sơ đồ chân IC tăng áp và cách ly G1215S-1W ............................................ 26
Hình. 4.10: IC TLP 250 và chức năng các chân ........................................................... 27
Hình 4.11: Sơ đồ ngun lý mạch kích ........................................................................ 27
Hình 4.12: Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên) ........................................................... 28
Hình 4.13: Mạch PCB mạch kích ( mạch in lớp dưới) ................................................. 28
Hình 4.14: Sơ đồ mạch kích và cách ly thực tế ............................................................ 28
Hình 4.15: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất ................................................................ 29

Hình 4.16: Sơ đồ mạch in mạch cơng suất ................................................................... 29
Hình 4.17: Sơ đồ mạch cơng suất thực tế ..................................................................... 30
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .............................................................. 31
Hình 4.19: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển ................................................................. 31
vi

Luan van


Hình 4.20: Sơ đồ mạch điều khiển thực tế ................................................................... 31
Hình 4.21: Mơ hình hồn thiện..................................................................................... 32
Hình 4.22 lưu đồ giải thuật cho hệ thống chuyển đổi DC-DC ..................................... 34
Hình 4.23 lưu đồ giải thuật chương trình con cho bộ chuyển đổi DC-DC .................. 35
Hình 4.24: Kết quả mơ phỏng dòng điện các cuộn dây IL1, IL2, dòng điện ngõ ra I0 và
điện áp ngõ ra V0, điện áp ngõ vào Vg.......................................................................... 36
Hình 4.25: Kết quả mơ phỏng điện áp trên các tụ điện VC1, VC2, tỷ số ngắn mạch Vcon
và điện áp điều khiển của VS1 và VS2. .......................................................................... 37
Hình 4.26: Kết quả thực nghiệm tỷ số ngắn mạch D. .................................................. 37
Hình 4.27: Kết quả thực nghiệm dịng điện các cuộn dây IL1, IL2. ............................... 38
Hình 4.28: Kết quả thực nghiệm điện áp ngõ ra V0, điện áp ngõ vào Vg..................... 38
Hình 4.29: Kết quả thực nghiệm điện áp trên các tụ điện VC1, VC2, dòng điện ngõ ra I0.
...................................................................................................................................... 38

vii

Luan van


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Trạng thái đóng ngắt của bộ chuyển đổi DC-DC ......................................... 17

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện mạch nguồn DC............................................................ 24
Bảng 4.2: Chức năng và thông số kỹ thuật của IC tăng áp và cách ly G1215S-1W .... 26
Bảng 4.3: Thơng số chính của IC TLP250 ................................................................... 27
Bảng 4.4 Danh sách linh kiện board mạch động lực .................................................... 30
Bảng 4.5 Danh sách linh kiện board điều khiển ........................................................... 31
Bảng 4.6 Những thông số được sử dụng trong mô phỏng và thực nghiệm.................. 36

viii

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Tp. HCM, Ngày 03 tháng 3 năm 2017

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: “Xây dựng bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW (320V/5A)”
- Mã số: T2018-42TĐ
- Chủ nhiệm: Trương Thị Bích Ngà
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2. Mục tiêu
 Cơ sở lý thuyết về bộ biến đổi DC-DC 1.6KW;
 Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC 1.6KW bằng phần mềm PSIM;
 Nhúng phần mềm mô phỏng vào Card Arduino cấu hình biến đổi DC-DC
1.6KW.
3. Tính mới và sáng tạo
 Về lý thuyết:
- Xây dựng phương trình tốn, mơ hình tốn, giải thuật điều khiển cho bộ biến đổi
DC-DC 1.6KW.
- Luật điều khiển hiện đại.
 Về thực tiễn:
- Điều khiển cuộn kích từ cho máy phát.
- Ứng dụng Arduino điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC 1.6KW.
4. Kết quả nghiên cứu
− Xây dựng mơ hình tốn, phương trình tốn, luật điều khiển cho bộ biến đổi DCDC 1.6KW.
− Xây dựng file mô phỏng hệ thống cho bộ biến đổi DC-DC 1.6KW.

1

Luan van


− Xây dựng mơ hình thực để so với kết quả mô phỏng.
5. Sản phẩm
− 01 file mô phỏng cho 1.6KW.
− 01 file nhúng mơ hình thực.
− 01 bài báo.
− 01 đĩa CD của bộ biến đổi DC-DC 1.6KW.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng
-

Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu.

-

Bộ biến đổi DC-DC 1.6KW được điều khiển bởi card Arduino.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

2

Luan van


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information
- Project title: “Constructing a 1.6-KW DC-DC boost converter”
- Code number: T2018-42TĐ
- Author: Master Bich-Nga Truong Thi
- Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education.
- Duration: from 03-2018 to 12-2018
2. Objective(s)
-

Modeling for a 1.6-KW DC-DC boost converter.

-

Simulation for the 1.6-KW DC-DC boost converter using PSIM.

-

Embedded program simulation for a 1.6-KW DC-DC boost converter.

3. Creativeness and innovativeness
 Theory
- Constructing math equations, mathematical models and control algorithms for a
1.6-KW DC-DC boost converter.
- Modern control


Applied

- Controlling the for coil excited generator.
- Applied Arduino control for a 1.6-KW DC-DC boost converter.
4. Research results
− Constructing math equations, mathematical models and control algorithms for a
1.6-KW DC-DC boost converter.
− Constructing a simulation file for the 1.6-KW DC-DC boost converter.
− A prototype is constructed to compare with simulation results.
5. Products
− 01 simulation file for the 1.6-KW DC-DC boost converter.
− 01 file embedded for model.
− 01 article.

3

Luan van


− 01 CD simulation file of a 1.6-KW DC-DC boost converter.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability
-

The theoretical basis for teaching and research.

-

A 1.6-KW DC-DC boost converter is controlled embedded by Arduino card.

4

Luan van


PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay việc sử dụng các bộ chuyển đổi DC-DC rất phổ biến trong công nghiệp
cũng như trong đời sống. Đối với bộ chuyển đổi DC giảm áp (Buck converter) tương
đối đơn giản và phổ biến, việc sử dụng bộ chuyển đổi DC tăng áp (boost converter) rất
phức tạp và chi phí đắt. Nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội Tác giả đề xuất đề tài “Xây dựng
bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW (320V/5A)”.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của Khoa học – Kỹ thuật, lĩnh
vực điện tử ngày càng phát triển nhanh chóng, chúng được ứng dụng vào các ngành
công nghiệp cũng như trong cuộc sống hằng ngày. Các thiết bị điện tử công suất lớn

được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó trong các dây chuyền
sản xuất hay các thiết bị chuyên dụng. Chính vì thế, u cầu về sự hiểu biết và thiết
kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên kỹ thuật nói chung và kỹ
sư ngành điện nói riêng.
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều được coi là một loại máy quan
trọng. Ví dụ như động cơ điện, máy phát điện và rất nhiều mấy điện một chiều khác
được sử dụng trong cơng nghiệp. Vì vậy, các loại máy điện yêu cầu sử dụng một bộ
nguồn phù hợp đặc biệt có cơng suất lớn để có thể đáp ứng cho nhu cầu tiêu thụ của các
thiết bị sử dụng trong công nghiệp.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Cơ sở lý thuyết về cấu hình biến đổi DC-DC 1.6KW.
 Mơ phỏng cấu hình biến đổi DC-DC 1.6KW bằng phần mềm PSIM.
 Nhúng phần mềm mơ phỏng vào Card Arduino cấu hình biến đổi DC-DC
1.6KW.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu:
- PSIM;
- Card Arduino;
- Mơ hình thực cấu hình biến đổi DC-DC 1.6KW;
3.2 Phạm vi nghiên cứu:

5

Luan van


- Xây dựng file mơ phỏng cấu hình biến đổi DC-DC 1.6KW.
- Xây dựng mơ hình cho cấu hình biến đổi DC-DC 1.6KW.
- So sánh kết quả của mô phỏng và kết quả trên mơ hình thực của cấu hình biến
đổi DC-DC 1.6KW.

4. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài
Hiện nay các phịng thực tập điện tử cơng suất D504, D505 với các mơ hình kín nên
khó phát triển. Mặt khác công nghệ phần mềm, phần cứng rất phát triển cho phép ta
điều khiển nhiều đối tượng khác nhau bằng cách thay đổi giải thuật mà phần cứng không
thay đổi. Với nhiệm vụ đặt ra như trên rõ ràng đề tài sẽ bổ sung thêm phương pháp
giảng dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan, đề tài cho thấy việc giảng dạy phải đi đôi với
chuyển giao công nghệ, một mặt nâng cao tay nghề, mặt khác cập nhật kiến thức để đưa
vào đề cương giảng dạy phù hợp với thực tế, sinh viên khi tốt nghiệp có tự tin trong
cơng việc.
5. Những đóng góp của đề tài
Đề tài có những đóng góp sau:
 Về lý thuyết:
 Xây dựng phương trình tốn, mơ hình tốn theo cơ sở lý thuyết, mơ phỏng kiểm
chứng cơ sở lý thuyết có phù hợp hay khơng.
 Đề xuất cấu hình mới trong lĩnh vực chuyển đổi DC-DC.
 Về thực tiễn:
 Điều khiển cuộn kích từ cho máy phát đã đáp ứng nhu cầu thực tế của xã hội.
 Từ cơ sở lý thuyết và mơ phỏng, chế tạo mơ hình thực sau đó nhúng chương
trình mơ phỏng vào mơ hình thực, từ đó cải tiến mơ hình và chuyển giao cơng
nghệ cho các cơ sở có nhu cầu sử dụng . . .
6. Cấu trúc của đề tài
Cấu trúc của đề tài được mô tả ở phần mục lục.
Cụ thể là:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Nội dung đề tài.

6

Luan van

Chương 4: Xây dựng mơ hình thực nghiệm.
Chương 5: Kết luận.

7

Luan van


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi
nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là
hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp một chiều khác
gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một bộ biến đổi DC-DC có
điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng
ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là
các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời). Cấu trúc mạch
của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất
biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các cơng trình nghiên cứu. Thêm
vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mơ hình có tính phi
tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Xây dựng bộ
chuyển đổi DC-DC 1.6KW (320V/5A)” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra

bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suất biến
đổi cao và ổn định.
Gần đây, nhiều bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC đã đề xuất để có được hệ số tăng áp
cao trong cấu trúc cách ly và khơng cách ly. Ở cấu hình không cách ly, cấu trúc nâng
áp qua nhiều chặng, cấu trúc chuyển cuộn cảm, cấu trúc chuyển tụ điện hay kết hợp cả

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

Các cơng trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm

của các nước Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc…cũng chỉ theo hai hướng trên. Các cơng
trình tiêu biểu cho hướng nghiên cứu có thể kể đến là cơng trình của các tác giả sau:

8

Luan van


Theo [3] các Tác giả S. M. Chen, T. J. Liang, L. S. Yang, and J. F. Chen “A cascaded
high step-up dc-dc converter with single-switch for micro-source applications,” IEEE
Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 4, pp. 1146-1153, Apr. 2011. Tác giả
giảm điện áp stress trên tụ và các khóa bán dẫn nên ghép tầng để chia các áp đặt trên
bán dẫn.
Để đạt điện áp cao và giảm điện áp stress the bán dẫn các tác giả [5] Y.R. Novaes,
A. Rufer, and I. Barbi, “A new quadratic, three-level, DC-DC converter suitable for fuel
cell application”. IEEE Power Conversion Conference – Nagoya, 2007, pp. 601 -607.
Để phân nhiều cell nhằm giảm điện áp trên các bán dẫn các Tác giả [7] K.C. Tseng
and T.J. Liang, “Novel high-efficiency step-up converter”. IEEE Proceedings Electric

Power Applications, United Kingdom, vol. 151, 2004, pp. 182 – 190.
1.2. Nghiên cứu bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ở Việt Nam
Bộ biến đổi DC-DC đã được nhiều Tiến sỹ đầu ngành thực hiện nghiên cứu nhưng
trong thực nghiệm chỉ nghiên cứu biến đổi DC-DC ở dạng giảm áp, còn thực nghiệm ở
dạng tăng áp thì áp cao, dịng nhỏ, qua biến áp tăng áp, điều khiển vòng hở nên điện áp
ra bị sụt áp khi tăng tải.
Nhóm sinh viên thực hiện luận văn tốt nghiệp.
- Nguyễn Khanh Vương – Nguyễn Quốc Dương ”Nghịch lưu 3 pha 2 bậc điều
khiển máy bơm nước bằng năng lượng mặt trời“ Nhóm sinh viên sử dụng tăng áp với 2
IGBT xen kẽ và sử dụng biến áp cách ly để tăng áp. Tuy nhiên với phương pháp trên
làm tăng dòng đầu vào rất lớn.
− Cao Nhật Tân “Bộ chuyển đổi DC-DC giảm tỷ số máy biến áp cách ly” bài báo
đăng trên tạp chí tự động hóa ngày nay số 14 tháng 12/2015. Tác giả chuyển đổi tăng
áp DC-DC thông qua máy biến áp để cách ly nhằm giảm tỷ số của máy biến áp bằng
cách điều chỉnh chỉ số ngắn mạch.

9

Luan van


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI
TĂNG ÁP DC-DC
2.1.

Tổng quan về mạch tăng áp

2.1.1 Giới thiệu tổng qt
Thơng thường, nguồn điện DC có thể cung cấp trực tiếp cho các thiết bị như
pin, ác-quy…. Nhưng với một số trường hợp, các nguồn cung cấp này không thể cung

cấp đủ mức điện áp mà thiết bị cần để hoạt động. Ví dụ, động cơ dùng để lái xe ô tô
điện yêu cầu điện áp cao hơn nhiều, trong vùng 500V, mức mà pin hoặc ắc-quy thông
thường không thể đạt đến được. Ngay cả khi có thể cung cấp được nguồn pin như thế
thì trọng lượng và khơng gian chiếm dụng sẽ là quá lớn. Câu trả lời cho vấn đề này
chính là tăng điện áp với nguồn điện áp có sẵn từ các bộ lưu năng lượng,
Một vấn đề khác với pin dù lớn hay nhỏ, đó là điện áp cung cấp của nó thường
sẽ bị tổn hao một phần nên tại một số thời điểm, điện áp cung cấp của pin sẽ là quá
thấp để có thể sử dụng được. Nguồn cho bộ chuyển đổi điện áp một chiều (boost
converter) có thể là bất kì nguồn một chiều (DC) thích hợp nào, có thể là ắc-quy, pin,
các tấm pin năng lượng mặt trời, bộ chỉnh lưu.... Quá trình chuyển đổi điện áp một chiều
từ một giá trị nhỏ hơn lên một giá trị lớn hơn được gọi là boost converter DC-DC. Quá
trình chuyển đổi điện áp này dựa trên định luật bảo toàn năng lượng P = U*I, tức là
dịng điện ngõ ra sau khi boost có giá trị nhỏ hơn giá trị dòng điện đầu vào
2.1.2 Tổng quan về các mạch tăng áp DC-DC truyền thống
Trong những năm gần đây, những nhà nghiên cứu về hệ thống năng lượng tái tạo
được trình bày trong [1], [2] sử dụng năng lượng điện áp thấp đơn cử như pin nhiên liệu,
solar cell bởi vì độ lợi và hiệu suất cao. Nhiều nhà nghiên cứu đã nổ lực phát triển bộ
chuyển đổi DC-DC với hiệu suất cao được trình bày [3]. Các bộ chuyển đổi tăng áp DCDC truyền thống không thể đạt được điện áp cao khi độ lợi điện áp nhỏ. Bởi vì tổn hao
đóng ngắt cho các khóa tích cực và tổn hao trên diode trong bộ chuyển đổi. Đó là diode
cao áp gây ra vấn đề khơi phục phân cực ngược và khi đó u cầu bổ sung mạch snubber.
Mặt khác, vấn đề các khóa tích cực gia tăng tổn hao dẫn như trình bày trong [4].

10

Luan van


L

+

DC
Input
Vg
-

D

C

Q

Load

+
DC
Output
Vout>Vg
-

IGBT Switch

Hình 2.1: Sơ đồ mạch tăng áp truyền thống
2.1.3 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp
Khi khóa S "ON" được đóng thì dịng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất
nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua khóa S về nguồn. Dịng điện khơng qua diode
và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ
điện. Chiều của dịng điện như hình 2.2.
Khi khóa S "OFF" được mở ra thì lúc này trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện

động. Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua diode cấp
cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện. Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu
vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào. Chiều dịng điện được đi như hình 2.2.
Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều biến độ
rộng xung (điều khiển thời gian ON/OFF). Tần số đóng cắt van là khá cao hàng kHz để
triệt nhiễu công suất và tăng cơng suất đầu ra. Dịng qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng

11

Luan van


đầu ra. Van công suất thường là các transistor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT... (ở đây ta
sử dụng IGBT). Diode được sử dụng là diode xung với công suất cao.

v0 
Trong đó D 

vg
1 D

.

(2.1)

ton
là hệ số đặc trưng cho khoảng thời gian dẫn dịng qua khóa S.
T

Để đạt được độ lợi điện áp cao và giảm các điện áp stress trên thiết bị, khá nhiều dạng

chuyển đổi tăng áp DC-DC được đề xuất dựa trên các bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC
truyền thống. Đơn cử như cấu hình cascaded trong [5], cấu trúc liên kết các cuộn cảm [6]
hoặc ghép các bộ chuyển đổi tăng áp với nhau được sử dụng trong [7]. Tuy nhiên những
yêu cầu bổ sung các khóa tích cực làm cho cấu trúc phức tạp, kích thước nặng và giá
thành tăng độ tin cậy khơng cao. Để cải tiến những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đưa ra
cấu hình chuyển đổi DC-DC tăng áp cho mục đích ứng dụng thực tế. Cấu hình chuyển
đổi cao áp DC-DC đạt được từ việc ghép tầng các phần tử cơ bản như hình 2.2 và được
cải tiến như hình 2.3. Với cấu hình này phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu công suất
và hiệu suất cao. Mặt khác ưu điểm của cấu hình này sử dụng với tần số đóng ngắt cao
hơn các bộ chuyển đổi tăng áp truyền thống và giảm điện áp stress trên bán dẫn cho phép
bán dẫn hoạt động nhanh hơn.
2.1.4 Các ứng dụng
Ngày nay, boost converter được ứng dụng rộng rải trong đời sống hàng ngày. Các
bộ chuyển đổi với công suất nhỏ thường thấy đó là các mạch tăng điện áp từ 3.3V lên
thành 5V, hay từ 5V lên 9V. Với những loại có mức điện áp và cơng suất cao hơn có
thể kể đến ứng dụng trong các hệ thống xe hơi chạy điện, tiêu biểu là các dòng xe của
Tesla Motors.
2.2 Giới thiệu cấu hình mạch tăng áp hiện đại
2.2.1 Giới thiệu tổng quát
Cấu hình mới này được tạo ra bằng cách xếp chồng các yếu tố cơ
bản của mạch boost truyền thống như thiết bị chuyển mạch, diode, tụ điện và cuộn
dây nhưng được lựa chọn để phù hợp với những hệ thống yêu cầu công suất cao.

12

Luan van


D2

C2

L2

IL2
S2
Iin

C1 L1

D1

Rload

IL1

Vg

S1

Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC-DC đề xuất thực hiện
2.2.2 Ưu điểm
So sánh với cấu hình của mạch boost truyền thống, điện áp đặt trên các thiết bị
chuyển mạch thấp hơn so với mức điện áp ngõ ra của toàn mạch, đảm bảo tuổi thọ
của các linh kiện. Điều đó làm tăng chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của mơ hình này cũng dựa trên ngun lý chung của mạch
tăng áp truyền thống. Điện áp ngõ ra được xác định như sau:



D
D2 
v0  1 

v .
 1  D 1  D 2  g



(2.2)

Nhận xét:
Trong cấu hình bộ chuyển đổi DC-DC dựa vào ghép tầng vừa nêu trên có những ưu
và nhược điểm riêng nhưng trong một số ứng dụng địi hỏi về kích thước phải nhỏ gọn
thì cấu hình bộ chuyển đổi DC-DC dựa vào chuyển đổi cao áp đòi hỏi điện áp, dịng
điện đặt trên các linh kiện rất lớn. Vì vậy, trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu sẽ
thực hiện bộ bộ chuyển đổi DC-DC dựa trên cấu hình ghép tầng tăng áp.

13

Luan van


2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ chuyển đổi DC-DC
2.3.1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM truyền thống cho bộ bộ chuyển đổi
DC-DC
Để tạo ra giản đồ xung kích đóng ngắt các linh kiện trong một chu kỳ, người ta so
sánh một sóng mang tam giác và một tín hiệu điều khiển dạng hằng số. Giao điểm của
sóng điều khiển và sóng mang là thời điểm phát xung như trình bày ở hình.
T

vramp
vcontrol

1

t
0

t
0

Hình 2.4 Sơ đồ phát xung cho khóa chuyển mạch của bộ tăng áp truyền thống.
2.3.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM đề xuất
Sóng điều khiển Vcontrol được so sánh với sóng mang tần số cao Vtri để phát ra tín
hiệu điều khiển các khóa bán dẫn S1 và S2.
T
1

vTri

vcontrol

0

t

S1, S2
0

t

Hình 2.5 Sơ đồ phát xung cho các khóa chuyển mạch của bộ tăng áp đề xuất.
2.4 Bộ điều khiển PID
2.4.1 Giới thiệu tổng quát
PID [4] là một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional
Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát
được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID

14

Luan van


là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều
khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và
giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều
chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thơng số riêng biệt, do đó
đơi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm,
viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân
xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của
tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh q trình
thơng qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần
tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ
thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán
các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên
theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển
(MV).
Ta có: MV(t) = Pout + Iout + Dout Trong đó Pout, Iout và Dout là các thành phần đầu

ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID.
2.4.2 Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (đơi khi cịn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với
giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó
với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ. Khâu tỉ lệ được cho bởi: Pout = Kp*e(t)
Trong đó:
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra
Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e: sai số = SP – PV (PV giá trị đầu ra, SP giá trị đặt mong muốn ngõ ra)
t: thời gian tại điểm đang xét hiện tại.
2.4.3 Khâu tích phân
Phân phối của khâu tích phân (đơi khi cịn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên
độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích
phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó

15

Luan van


được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ
phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi
tích phân, Ki
Thừa số tích phân được cho bởi:
t

I 0  Ki  e  d

(2.3)

0

Trong đó:
Iout: thừa số tích phân của đầu ra Ki: độ lợi tích phân, 1 thơng số điều chỉnh
e: sao số = SP – PV
t: thời gian tại thời điểm hiện tại đang xét
τ: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá
trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều
khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong q khứ, nó
có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ
lệch với các hướng khác).
2.4.4 Khâu vi phân
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn bằng cách xác định độ dốc
của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này
với độ lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ)
trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd.
Thừa số vi phân được cho bởi:

Dout  K d

d
e t .
dt

Trong đó:
Dout: thừa số vi phân của đầu ra
Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

16

Luan van

(2.4)