Tài liệu luận văn Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Theo Tiếp Cận Đại Số Gia Tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGÔ THỊ HUẾ

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO TIẾP CẬN
ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN TIẾN DUY
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2020


i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Ngô Thị Huế
Đề tài luận văn: Ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử

cho bộ biến đổi DC-DC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số:

................................................................................................................. ………
……Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày....../....../20......với các nội dung sau:

................................................................................................................. ………
................................................................................................................. ………
................................................................................................................. ………
................................................................................................................. ………
................................................................................................................. ………
................................................................................................................. ………
Thái Nguyên, ngày

tháng

Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Nguyễn Tiến Duy

Ngô Thị Huế

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

năm 2020

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Ngô Thị Huế học viên lớp cao học khóa 20 chuyên ngành Kỹ
thuật điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số
1 - BQP.
Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia
tử cho bộ biến đổi DC-DC” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Duy là
cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều được ghi
trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu nào khác mà không được ghi
trong danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong
đề cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tơi xin hồn tồn
chịu trách nhiệm.


iii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng
dẫn tận tình của thầy TS. Nguyễn Tiến Duy, luận văn với đề tài “Ứng dụng
bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho bộ biến đổi DC-DC” đã được
hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Tiến Duy đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện tử - Trường
đại học Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt

quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp
đỡ trong suốt quá trình học tập.

Tác giả

Ngô Thị Huế


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ .............................................................. viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. MƠ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC ............................................ 4
1.1. Tổng quan về các bộ biến đổi bán dẫn............................................... 4
1.2. Các bộ biến đổi DC-DC ..................................................................... 7
1.2.1. Bộ biến đổi giảm áp – buck converter ...................................... 9
1.2.2. Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic - Quadratic buck
converter .......................................................................................................... 12
1.2.3. Bộ biến đổi đảo áo – buck-boost converter ............................ 15
1.2.4. Bộ biến đổi tăng áp – boost converter .................................... 17
1.3. Các phương pháp điều khiển ........................................................... 22
1.4. Kết luận chương ............................................................................... 23
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO NGUỒN

DC-DC ............................................................................................................ 24
2.1. Tổng quan về đại số gia tử và suy luận xấp xỉ ................................. 24
2.1.1. Cấu trúc đại số gia tử .............................................................. 24
2.1.2. Một số tính chất trong đại số gia tử ........................................ 26
2.1.3. Các hàm đo trên đại số gia tử ................................................. 28
2.1.4. Suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử..................................... 30
2.2. Thiết kế bộ điều khiển đại số gia tử cho bộ nguồn DC-DC ............ 34
2.2.1. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển................................................... 34


v

2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển ............................................................ 35
2.3. Kết luận chương ............................................................................... 37
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU HỐ THAM SỐ ..... 39
3.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng .......................................................... 39
3.2. Tối ưu hố tham số bộ điều khiển bằng thuật toán tiến hoá ............ 40
3.2.1. Thuật toán tiến hoá ................................................................. 40
3.2.2. Các tham số cần tối ưu ............................................................ 42
3.2.3. Tiêu chuẩn tối ưu .................................................................... 42
3.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 43
3.4. Kết luận chương ............................................................................... 46
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 47
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 49
PHỤ LỤC: CÁC MODUL CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU
KHIỂN ............................................................................................................ 54
1. Mã nguồn của bộ điều khiển ....................................................................... 54
2. Mã nguồn của hàm tính tốn giá trị định lượng ngữ nghĩa......................... 58
3. Mã nguồn của hàm nội suy tuyến tính 2 bước ............................................ 58

4. Mã nguồn của hàm nội suy theo trọng số khoảng cách ngữ nghĩa ............. 59


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

DC

Direct Current

GA

Genetic Algorithm

HAC

Hedge Algebra Controller

IAE

Integral of the Absolute Magnitude of the Error

IRMd

Interpolation Reasioning Method

ISDMd

Interpolation based on Semantic Distance Weighting
method

LRBS

Linguistic Rule Base System

MOSFET

Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

PSO

Particle Swarm Optimization

PWM

Pulse-width modulation

QRBS

Quantified Rule Base System

SQM

Semantically Quantifying Mapping

ZCS

Zero-Current-Switching

ZVS

Zero-Voltage-Switching


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Giá trị các phần tử của mạch Buck-Boots [16] .......................................35
Bảng 2. 2. Hệ luật điều khiển – LRBS ......................................................................36
Bảng 2. 3. Mối quan hệ dấu của các gia tử và phần tử sinh ......................................37
Bảng 3. 1. Các tham số tối ưu của HAC theo GA ....................................................43


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi ...................................................7
Hình 1. 2. Mơ hình một bộ biến đổi DC-AC ..............................................................7
Hình 1. 3. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển ..........................................8
Hình 1. 4. Sơ đồ một bộ biến đổi DC-DC và giản đồ điện áp ..................................9
Hình 1. 5. Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn. .......12
Hình 1. 6. Lý tưởng đóng cắt cho mạch giảm áp quadratic ......................................13
Hình 1. 7. Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi giảm áp kiểu Quadratic .....................15
Hình 1. 8. Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn .................................17
Hình 1. 9. Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp ....................................................18
Hình 1. 10. Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp .....................................................18

Hình 1. 11. Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp.............................................22
Hình 2. 1. Bộ suy luận xấp xỉ theo tiếp cận đại số gia tử..........................................31
Hình 2. 2. Sơ đồ bộ biến đổi Buck-Boots [16]..........................................................34
Hình 2. 3. Bộ biến đổi Buck-Boots với bộ điều khiển HAC ....................................35
Hình 3. 1. Sơ đồ mơ phỏng trên Matlab Simulink của bộ Buck-Boots ....................39
Hình 3. 2. Mặt quan hệ vào/ra S 3 của HAC tối ưu ...................................................44
Hình 3. 3. Đáp ứng với bộ điều khiển ‘hac’ ..............................................................45


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ về thiết bị điện –
điện tử, tất cả các thiết bị đều có một thành phần quan trọng, khơng thể thiếu trong
nó đó là bộ nguồn điện. Bộ nguồn ngày càng địi hỏi cần có chất lượng cao và
thơng minh.
Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp 1 chiều này thành một điện áp
1 chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Tuỳ vào mức điện áp giữa đầu vào và
đầu ra mà ta có các bộ giảm áp, tăng áp, v.v. Các bộ biến đổi này có thể là nguồn
cung cấp trực tiếp năng lượng điện cho thiết bị, nhưng cũng có thể là thành phần trung
gian trong quá trình biến đổi năng lượng. Trong các hệ thống năng lượng tái tạo (năng
lượng gió, năng lượng mặt trời, v.v.) ln cần thiết có các bộ biến đổi DC-DC.
Ngoài việc thiết kế cấu trúc mạch tốt, thì chất lượng điện áp cịn phụ thuộc
nhiều vào bộ điều khiển. Mặc dù cấu trúc mạch của bộ biến đổi nguồn là khá đơn
giản nhưng do mơ hình của nó có tính phi tuyến nên cần phải thiết kế bộ điều khiển
phù hợp.
Đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu và công bố các phương pháp điều
khiển khác nhau (như trong phần tài liệu tham khảo). Tuy nhiên, việc nghiên cứu tìm
kiếm các phương pháp mới hiệu quả hơn ln là địi hỏi của q trình phát triển.
Vì vậy, dưới sự định hướng của và hướng dẫn của thầy Nguyễn Tiến Duy, tôi

lựa chọn đề tài “Ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho bộ biến đổi
DC-DC” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện
tử.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục tiêu: Thiết kế thành công bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử và
mô phỏng sự làm việc của. Áp dụng thuật toán tiến hoá để tối ưu các tham số mờ của
bộ điều khiển.
- Đối tượng nghiên cứu là: Bộ biến đổi nguồn DC-DC.
- Về phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển theo tiếp cận đại
số gia tử cho bộ nguồn DC-DC và thực hiện tối ưu hoá tham số của bộ điều khiển
bằng thuật toán tiến hoá.


2

- Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, nghiên cứu các tài liệu về
các loại bộ biến đổi nguồn DC-DC như Buck converter, Boost converter, Buck Boost
converter. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cho nguồn DC-DC như điều khiển
có phản hồi, PI, điều khiển mờ, điều khiển trượt. Phân tích đánh giá ưu nhược điểm
của các phương pháp.
+ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế và lập trình phần mềm
cho bộ điều khiển. Xây dựng mơ hình mơ phỏng sự làm việc của một bộ nguồn DCDC với các thông số cụ thể. Thực hiện tối ưu hoá tham số.
+ Phương pháp trao đổi khoa học: Trao đổi thảo luận nhóm, seminar, lấy ý
kiến chuyên gia, công bố các kết quả nghiên cứu trên tạp chí khoa học.
Những nội dung nghiên cứu chính và bố cục luận văn
Nội dung báo cáo của luận văn gồm các phần chính sau: phần mở đầu, 3
chương chính, phần kết luận, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài và tài liệu tham
khảo. Bố cục được trình bày như sau:
Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu

chính.
Chương 1. Mơ hình bộ biến đổi DC-DC
Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu về cấu trúc, mơ hình hoá các bộ
điều khiển DC-DC. Đặc điểm, yêu cầu về điều khiển và các phương pháp điều nguồn
DC-DC.
Chương 2. Thiết kế bộ điều khiển đại số gia tử cho nguồn DC-DC
Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu tổng quan về lý thuyết đại số gia
tử, suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử và ứng dụng trong điều khiển. Thiết kế bộ suy
luận xấp xỉ làm việc như bộ điều khiển cho nguồn DC-DC.
Chương 3. Mô phỏng hệ thống và tối ưu hoá tham số
Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu mô phỏng bộ biến đổi nguồn
DC-DC với bộ điều khiển đại số gia tử trên mơi trường Matlab-simulink. Tìm hiểu


3

về các phương pháp tối ưu dựa trên thuật toán tiến hoá. Thực hiện cài đặt thuật toán
tiến hoá để tối ưu tham số bộ điều khiển.
Kết luận
Nội dung phần kết luận đánh giá những công việc đã thực hiện được của luận
văn trên cơ sở các nhiệm vụ đề tài đặt ra. Những vấn đề dự kiến nghiên cứu tiếp theo
của đề tài.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đánh giá những kết quả mang tính học thuật và tính ứng dụng của nghiên
cứu. Những vấn đề cần hồn thiện để tổng qt hố về mặt lý thuyết. Những yêu
cầu về thiết bị phần cứng để có thể áp dụng cho thực tế một cách hoàn chỉnh và
hiệu quả.


4

CHƯƠNG 1. MƠ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu về cấu trúc, mô hình hố
các bộ điều khiển DC-DC. Đặc điểm, u cầu về điều khiển và các phương
pháp điều nguồn DC-DC. Nội dung được thể hiện bằng các mục sau:
1.1. Tổng quan về các bộ biến đổi bán dẫn
Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công
suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn cơng suất được sử dụng như
những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dịng thì nối tải vào
nguồn, khi khóa thì khơng cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có
tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dịng điện mà khơng gây nên tia
lửa điện, khơng bị mài mịn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dịng điện
lớn nhưng các phần tử bán dẫn cơng suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu
điện cơng suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải
vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức
điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng
được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên
các khóa điện tử, khơng đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Không
những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho
phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình
điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp
trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến
đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ khơng thể có được.
Các mạch điện tử cơng suất nói chung hoạt động ở một trong hai chế độ
sau: tuyến tính (linear) và chuyển mạch (switching).
Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại của linh kiện tích cực,
trong khi chế độ xung chỉ sử dụng linh kiện tích cực như một khóa (van) với hai
trạng thái đóng (bão hịa) và ngắt. Chế độ tuyến tính cho phép mạch có thể được

5

điều chỉnh một cách liên tục nhằm đáp ứng một yêu cầu điều khiển nào đó. Tuy
nhiên, chế độ tuyến tính thường sinh ra tổn thất cơng suất tương đối cao so với
cơng suất của tồn mạch và dẫn đến hiệu suất của mạch không cao. Hiệu suất
không cao không phải là vấn đề được quan tâm đối với các mạch công suất nhỏ
và đặc biệt là các mạch điều khiển có yêu cầu về chất lượng, về đáp ứng được
đặt lên hàng đầu. Nhưng vấn đề hiệu suất được đặc biệt quan tâm đối với các
mạch công suất lớn, với các lý do khá hiển nhiên. Chế độ chuyển mạch cho phép
giảm khá nhiều các tổn thất công suất trên các linh kiện tích cực, đặc biệt là các
linh kiện cơng suất, do đó được ưa thích hơn trong các mạch cơng suất lớn.
Ví dụ cụ thể để minh họa. Giả sử ta cần thực hiện một bộ biến đổi điện
áp từ 12 VDC sang 5 VDC, dòng tải tối đa là 1 A. Với giải pháp tuyến tính,
dùng một vi mạch ổn áp 7805. Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất của mạch một
cách lý tưởng sẽ là η = Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng vì chúng
ta coi như bản thân vi mạch ổn áp khơng tiêu thụ dịng điện). Với giải pháp
chuyển mạch, ta có thể dùng mạch giảm áp có tên gọi buck converter để thực
hiện việc này và có thể đạt được hiệu suất trên 90% với mạch này một cách dễ
dàng. Nhưng cần chú ý rằng chất lượng điện áp tại ngõ ra của giải pháp tuyến
tính tốt hơn so với giải pháp chuyển mạch. Do đó, điều quan trọng ở đây là
chúng ta chọn giải pháp thích hợp cho từng bài toán.
Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hardswitching) và chuyển mạch mềm (soft-switching). Với kỹ thuật chuyển mạch
cứng, các khóa (van) được yêu cầu đóng (hay ngắt) khi điện áp đặt vào (hay
dịng điện chảy qua) linh kiện đang có giá trị lớn (định mức). Linh kiện sẽ phải
trải qua một giai đoạn chuyển mạch để đi đến trạng thái đóng (hay ngắt) và giai
đoạn này sẽ sinh ra tổn thất công suất trên linh kiện tương tự như ở chế độ tuyến
tính. Tổn thất công suất trong giai đoạn này được gọi là tổn thất (tổn hao)
chuyển mạch. Điều này có nghĩa là khi tần số làm việc càng lớn (càng có nhiều

6

lần đóng/ngắt linh kiện trong một đơn vị thời gian) thì tổn thất chuyển mạch
càng lớn và đó là một trong những lý do khiến tần số làm việc của mạch bị giới
hạn. Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số của các bộ
biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) ở điện áp bằng 0 (ZVS:
zero-voltage-switching) và/hoặc ở dòng điện bằng 0 (ZCS: zero-currentswitching). Nhưng tại sao cần nâng cao tần số làm việc của các bộ biến đổi
chuyển mạch? Việc nâng cao tần số làm việc sẽ giúp giảm kích thước và khối
lượng của các linh kiện, và tăng mật độ công suất.
Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn
Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi chuyển mạch trong điện tử cơng
suất, nhưng có lẽ cách thơng dụng nhất là dựa vào tính chất dịng điện ngõ vào
và ngõ ra. Về ngun tắc, chúng ta chỉ có dịng điện một chiều (DC) hay xoay
chiều (AC), do vậy có 4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đơi dịng điện ngõ vào và
ngõ ra (theo quy ước thông thường, tôi viết ngõ vào trước, sau đó đến ngõ ra):
DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-AC. Bộ biến đổi AC-DC chính là bộ chỉnh
lưu (rectifier) mà chúng ta đã khá quen thuộc, còn bộ biến đổi DC-AC được
gọi là bộ nghịch lưu (inverter). Hai loại còn lại được gọi chung là bộ biến đổi
(converter).


7

Hình 1.1. Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi
Bộ biến đổi AC-AC thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ biến
đổi AC-DC tạo nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi DC-AC. Thời gian gần
đây có một số bộ biến đổi AC-AC thực hiện việc biến đổi giữa 2 nguồn AC
một cách trực tiếp, khơng có tầng liên kết DC (DC-link) và chúng được gọi là
các bộ biến đổi ma trận (matrix converter) hay các bộ biến đổi trực tiếp (direct
converter). Tên gọi bộ biến đổi ma trận xuất phát từ thực tế là bộ biến đổi sử

dụng một ma trận các khóa (van) 2 chiều để kết nối trực tiếp một pha ngõ ra
bất kỳ với một pha ngõ vào bất kỳ (tất nhiên theo một quy luật nào đó để đảm
bảo yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi).

Hình 1.2. Mơ hình một bộ biến đổi DC-AC
1.2. Các bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi cơng suất bán dẫn, có hai cách để thực
hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch
và dùng các điện cảm chuyển mạch. Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có
ưu thế hơn ở các mạch cơng suất lớn.
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm:
buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp).
Hình 1.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này.


8

Hình 1.3. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau,
các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc
hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dịng điện đi qua điện cảm.


9

Hình 1. 4. Sơ đồ một bộ biến đổi DC-DC và giản đồ điện áp
1.2.1. Bộ biến đổi giảm áp – buck converter
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng,
điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện
trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có

khuynh hướng duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode


10

phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van)
đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến
cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị
đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép. Ở trạng thái
xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hồn, với giá trị của dịng
điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét
trường hợp dịng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục.
Vì điện cảm khơng tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay cơng suất
trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dịng điện trung bình của điện cảm là
khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển
mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt
khóa (van). Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động
điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra. Khi đó,
điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×(Vin −
Vout), cịn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là
−(T2/T)×Vout.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu
diễn là:
(T1/T) × (Vin − Vout) − (T2/T) × Vout = 0
hay
(T1/T) × Vin − ((T1 + T2)/T) × Vout = 0, (T1/T) × Vin = Vout
Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như
vậy, Vout = Vin×D. D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1),
do đó 0 < Vout < Vin.
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết

phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao
động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị


11

của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ
nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định
phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax =
Vout/Vin,min.
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện
liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ
thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện
cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn
độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D =
Dmin (vì thời gian giảm dịng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là
Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − Dmin) × T × Vout = Lmin × 2 × Iout,min
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T. Nếu chúng ta chọn
tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì
Lmin cũng cần phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ
ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ
là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch).
Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dịng điện qua điện cảm lớn hơn dịng
điện trung bình sẽ là ΔI×T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ
điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành
phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp
trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta

có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
ΔI × T/2 = C × ΔV


12

ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã
được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho
phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.
1.2.2. Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic - Quadratic buck converter
Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic thường được sử dụng ở mạch một
chiều trung gian thiết bị biến đổi điện năng công suất nhỏ. Bộ biến đổi có tên
gọi như vậy là do tính chất bậc hai của của hàm truyền tĩnh phụ thuộc theo hằng
số giá trị điều khiển vào trung bình. Yếu tố bậc hai làm gia tăng tính hiệu chỉnh
của trạng thái bền vững cân bằng khi đầu vào tiến đến giới hạn giới hạn bão
hoà. Ta tổng hợp và biểu thị mơ hình của bộ biến đổi quadratic trên hình 1.5

Hình 1. 5. Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic đóng cắt bằng thiết bị
bán dẫn.
1.2.2.1. Mơ hình của bộ biến đổi
 di1
 L1 dt  v1  uE

C dv1  i  ui
1
2
 1 dt

 L di2  uv  v
1

2
 2 dt

dv2
v
C 2
 i2  2
dt
R


(1.1)

Mạch bao gồm hai điện cảm L1, L2 và hai Tụ C1, C2 và các điơt, khóa Q
thực hiện bằng tranzitor trường với 2 trạng thái đóng (0) và mở (1). Với hai


13

trạng thái đóng mở lý tưởng của Q, kết hợp hai trường hợp cụ thể cho mạch ở
dạng khai triển:

Hình 1. 6. Lý tưởng đóng cắt cho mạch giảm áp quadratic
1.2.2.2. Mơ hình dạng chuẩn
Từ hệ phương trình vi phân mô tả mạch

 di1
 L1 dt  v1  uE

C dv1  i  ui

1
2
 1 dt

 L di2  uv  v
1
2
 2 dt

dv2
v
C 2
 i2  2
dt
R


Đặt:

L1i1

x

,
1

E L1C1


 x2  v1 / E ,


 x  i2 L1 ,
 3 E C
1


 x4  v2 / E

(1.2)

(1.3)


14

t   L1C1 ,dt  L1C1 d

Hệ được viết lại thành:

 x1   x2  u
 x  x  ux
2
1
3


1 x3  ux2  x4

 2 x4  x3  x4
Q




(1.4)

với: 1  L2 / L1 , 2  C2 / C1 , Q  R C1 / L1

(1.5)

1.2.2.3. Điểm cân bằng
Tại điểm cân bằng, ở trạng thái này, đạo hàm theo thời gian của các biến
trạng thái của hệ phương trình vi phân bằng khơng. Với giá trị điện áp ra mong
muốn Vd, Các giá trị cân bằng của hệ phụ thuộc vào hằng số điều khiển U , Giá
trị điện áp trên tụ C1, Giải hệ phương trình vi phân (1.2) với điều kiện vừa nói
trên ta có:

0   x2  u
0  x  ux
1
3


0  ux2  x4

0  x3  x4
Q



(1.6)

Giải ra ta được:

1
1
x1  U 3 ,x2  U ,x3  U 2 ,x4  U 2
Q
Q

(1.7)

Tại các điểm cân bằng này, thông số trạng thái phụ thuộc theo hằng số
điện áp ra

x4 , chúng được viết là:


15

x1 

1
1
( x4 )3/ 2 , x2  ( x4 )1/ 2 , x3  x4
Q
Q

(1.8)

1.2.2.4. Hàm truyền tĩnh

Hàm truyền tĩnh của bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic được thể hiện
trên hình 1.5.
Hàm truyền là: H (U )  x4  U 2

(1.9)

Hình 1. 7. Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi giảm áp kiểu Quadratic
1.2.3. Bộ biến đổi đảo áo – buck-boost converter
Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van)
đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần
theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dịng
điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ
giữa thời gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể
nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu
của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dịng điện đi qua điện
cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện
qua điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0.


16

Với cách ký hiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện
cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T) × Vin, cịn điện áp rơi trung bình trên điện
cảm khi ngắt khóa (van) là − (T2/T) × Vout.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T1/T) × Vin − (T2/T) × Vout = 0
Như vậy:
(T1/T) × Vin = (T2/T) × Vout ⇔ D × Vin = (1 − D) × Vout
Khi D = 0.5, Vin = Vout. Với những trường hợp khác, 0 < Vout < Vin

khi 0 < D < 0.5, và 0 < Vin < Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về
độ lớn, vì chúng ta đã biết Vin và Vout là ngược dấu). Như vậy, bộ biến đổi
này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi
buck-boost.
Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức
là: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra
Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min,
xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi
của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định
phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), và
Dmax = Vout/(Vin,min + Vout).
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho
phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn
của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất,
tức là khi D = Dmin. Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển
mạch và điện cảm L giống như của bộ biến đổi buck:
(1 − Dmin) × T × Vout = Lmin × 2 × Iout,min
Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng khơng khác gì so với
những trường hợp trên.