Bộ chuyển đổi DC-DC (50V-400V) sử dụng máy biến áp tần số cao

Nội dung text: Bộ chuyển đổi DC-DC (50V-400V) sử dụng máy biến áp tần số cao

1. BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC (50V-400V) SỬ DỤNG MÁY BIẾN ÁP TẦN SỐ CAO A ISOLATED STEP-UP DC-DC CONVERTER (50V-400V) USING ISOLATED HIGH FREQUENCY TRANSFORMER 1Cao Nhật Tân, 1Nguyễn Minh Khai 1Đại học sư phạm kỹ thuật TPHCM TÓM TẮT Một bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly mới dựa trên cấu hình nghịch lưu tăng áp (Switched boost inverter) được đề xuất trong bài báo này. Bằng việc điều chỉnh tỉ số ngắn mạch trong mỗi chu kỳ ta sẽ được các hệ số tăng áp của mạch khác nhau cũng giống như bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC dựa vào nghịch lưu nguồn Z (Z-source inverter). Tỉ số của máy biến áp cách ly được đề xuất trong bộ chuyển đổi này được giảm xuống. Bài báo này trình bày các nguyên lý hoạt động, phân tích, mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Các thông số thiết kế được đưa ra. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC này có thể ứng dụng cho các nguồn phân phối nơi mà điện áp đầu vào thấp và không ổn định được chuyển đổi thành điện áp đầu ra cao, ổn định và cách ly với điện áp đầu vào. Từ khóa: Nghịch lưu nguồn-Z, tăng áp dc-dc cách ly, biến áp tần số cao, tỉ số ngắn mạch. ABSTRACT. The new isolated step-up dc-dc converters based on the switched boost inverter networks are proposed in this paper to reduce turn-ratio of the isolated transformer. By adjusting the shoot-through duty in each cycle, the boost factor is variable like the isolated step-up dc-dc converters based on Z-source inverter. The turn ratio of the isolated transformer in the proposed converter could be reduced. This paper presents the operating principles, analysis, simulation and experimental results. The parameter design is provided. The proposed isolated step-up dc-dc converters are suitable for distributed power generation applications where a varying low dc input voltage is converted to a high stabilized dc output voltage with the galvanic separation requirement. Keywords: Z-source inverter, isolated dc-dc converter, high-frequency transformer, shoot-through. I. GIỚI THIỆU Nguồn pin năng lượng mặt trời (PV) và pin nhiên liệu (FC) là những nguồn năng lượng DC có điện áp thấp trong hệ thống điều hòa năng lượng (PCS). Để liên kết nó tới nguồn một pha 230 VAC hoặc 3x400 VAC cho tải dân cư thì cần qua 2 giai đoạn đó là DC-DC-AC. Giai đoạn đầu tiên là chuyển đổi DC-DC có nhiệm vụ chuyển đổi những giá trị điện áp DC thấp thành một bus điện áp DC cố định (tiêu chuẩn là 400V cho một pha và 600V cho ba pha). Giai đoạn hai là chuyển đổi DC-AC có nhiệm vụ nghịch lưu điện áp DC bus thành điện áp AC một pha hoặc ba pha. 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 không cách ly. Ở cấu hình không cách ly, cấu trúc chuyển cuộn cảm, chuyển tụ điện hay kết hợp cả chuyển cuộn cảm và chuyển tụ điện đã được đề xuất trong [1] và [2] để chuyển đổi DC-DC. Tuy cấu hình này cho hệ số tăng áp cao và hiệu suất chuyển đổi cao nhưng nó không có sự cách ly giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra nên nó không đáp ứng được tiêu chuẩn an toàn. Chính vì vậy, một số bộ chuyển đổi DC-DC cách ly đã được đề xuất trong [3]-[5]. Những bộ 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 đóng mạch hoặc hở mạch cùng lúc.
2. Nghịch lưu Z-source [6] thực hiện việc chuyển đổi với khả năng buck-boost chỉ qua một giai đoạn. Trong nghịch lưu nguồn Z thì hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh có thể đóng cùng một lúc nên có thể loại bỏ được thời gian chết. Điều này làm tăng độ tin cậy của mạch và giảm độ méo dạng áp. Cũng chính vì điều này nên nghịch lưu nguồn Z đã được đưa vào bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC [7]-[9] kết hợp với biến áp tần số cao. Bằng việc thay đổi tỉ số ngắn mạch trong một chu kỳ ta sẽ được các điện áp cao DC-link đồng thời làm giảm tỉ số quấn máy biến áp xuống so với các cấu hình chuyển đổi truyền thống. Tuy nhiên, việc sử dụng hai cuộn cảm và hai tụ điện trong cấu hình nghịch lưu nguồn Z làm tăng kích thước và giá thành của bộ nghịch lưu. Gần đây cấu hình nghịch lưu tăng áp được sử dụng thay thế cấu hình nghịch lưu nguồn Z. Trong cấu hình nghịch lưu tăng áp dùng ít hơn một tụ điện và một cuộn cảm nhưng nhiều hơn một khóa bán dẫn và một diode so với cấu hình nghịch lưu nguồn Z. Trong cấu hình nghịch lưu tăng áp vẫn cho phép hoạt động ở chế độ ngắn mạch nên đảm bảo tính bền vững và an toàn. Vì thế trong bài báo này đề xuất cấu hình chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dựa vào cấu hình nghịch lưu tăng áp với các ưu điểm: - Giảm số lượng cuộn dây và tụ điện. - Giảm tỉ số máy biến áp. - Tăng tính bền vững. Phân tích lý thuyết các trạng thái hoạt động được chỉ ra để kiểm chứng kết quả dựa trên mô phỏng bằng phần mềm Psim và thực hiện thực nghiệm dùng kit DSPF28355. II. NỘI DUNG CHÍNH 1. Cấu hình nghịch lưu tăng áp Để khắc phục những hạn chế của các cấu hình nghịch lưu nguồn Z đối với một số trường hợp nơi mà kích thước, trọng lượng và giá thành là tiêu chí ưu tiên thì cấu hình nghịch lưu tăng áp [10] chỉ ra trong H. 1(a) có thể thay thế nó. Như chỉ ra trong H. 1(a) thì trong mạch lúc này chỉ có 1 cặp LC ít hơn so với nguồn Z nên kích thước của mạch được giảm đi đáng kể. Nguồn một chiều được mắc trực tiếp với cuộn cảm nên dòng nguồn cũng chính là dòng qua cuộn cảm nên có tính liên tục. Cái cuối cùng là điện áp đỉnh DC-link (VPN) của hai cấu hình này giống nhau: 1 VVVPN c dc 1 2D (1) trong đó T0 là khoảng thời gian ngắn mạch trong suốt chu kỳ đóng ngắt T và D = T0/T là tỷ số ngắn mạch trong mỗi chu kỳ. H. 1(a) Cấu hình nghịch lưu nguồn Z. (b) Cấu hình nghịch lưu tăng áp. Giống như bộ nghịch lưu nguồn Z, nghịch lưu tăng áp cũng có các trạng thái ngắn mạch bên cạnh
3. hai trạng thái tích cực và hai trạng thái vectơ không. Vì thế những trạng thái hoạt động này có thể tương đương thành hai trạng thái chính: ngắn mạch và không ngắn mạch H. 2. H. 2(a) Trạng thái không ngắn mạch . (b) Trạng thái ngắn mạch. Trong trạng thái ngắn mạch H. 2(b) bộ nghịch lưu bị ngắn mạch bởi 2 khóa bán dẫn trên cùng một nhánh. Trong suốt quá trình này, khóa bán dẫn S0 được kích đóng làm cho các diode Da và Db không dẫn điện. Cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong khi tụ điện xã năng lượng. Trong trạng thái không ngắn mạch H. 2(a) có hai trạng thái tích cực và hai trạng thái không. Trong suốt quá trình này, khóa bán dẫn S0 được kích ngắt, các diode Da và Db dẫn điện. Tụ điện được nạp năng lượng từ nguồn trong khi đó cuộn cảm chuyển năng lượng từ nguồn đến tải. Giá trị đỉnh của điện áp đặt lên thanh cái DC [10] của nghịch lưu tăng áp: 1 VVVPN c dc 1 2D (2) 2. Đề xuất cấu hình chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dựa vào nghịch lưu tăng áp H. 3 Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dựa trên nghịch lưu tăng áp. H. 3 đưa ra cấu hình chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dựa trên nghịch lưu tăng áp. Nó bao gồm mạch nghịch lưu tăng áp nguyên lý hoạt động đã giải thích ở 2.1, biến áp tần số cao cách ly, bộ chỉnh lưu toàn cầu. Giống như bộ chuyển đổi DC-DC dùng nguồn Z thì bộ này cũng có hai trạng thái ngắn mạch và không ngắn mạch. Ta có khi S1 và S4 đóng thì điện áp phía sơ cấp máy biến áp được nối với điện áp dương DC-link, khi S2 và S3 đóng thì điện áp phía sơ cấp máy biến áp được nối với điện áp âm DC-link. H. 4 Nguyên lý hoạt động bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dựa trên nghịch lưu tăng áp. H. 4 sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của mạch boost DC-DC ở trên: với điện áp DC ở đầu vào từ 40-80Vdc sau khi qua bộ nghịch lưu tăng áp cải biên nó sẽ tạo ra điện áp đỉnh AC: 1 UPr () Peak Udc 1 2D Điện áp này được đưa qua biến áp tần số cao để cách ly với đầu vào đồng thời nâng giá trị điện áp lên
4. U()() Peak n U Peak Se Pr với n là tỉ số biến áp. Sau đó, nó sẽ được chỉnh lưu toàn cầu thành điện áp DC 400V. Bảng 1. Bảng các thông số của cấu hình chuyển đổi này: Thông số Giá trị Công suất 500W Điện áp đầu vào, Vdc 40-80V Điện áp DC-link, VPN 200V Điện áp đầu ra, Vout 400V Tần số đóng cắt, fsw 10Khz Độ ripple của dòng điện ≤ 20% Độ ripple của điện áp trên tụ ≤ 1% * Tính toán các giá trị linh kiện cho mạch: Ta có trạng thái ngắn mạch: Điện áp trên cuộn dây: d VLVV i Ld dc c t VLVV i L dc c t (3) VVdc c L t (4) i Ta có ripple() I I i L (5) Với IL là dòng điện trung bình chạy qua cuộn dây IL= (HxP)/Vdc (6)với H(%) là hiệu suất chuyển đổi của mạch, P(W) là công suất của mạch. t DT (7) Dựa vào độ ripple của dòng điện (5), (2), (6) và (7) ta tính được: 1 VVdc dc L 1 2D DT ripple() I I L (8) Dòng điện qua tụ lúc ngắn mạch: d ICI v cd in t V ICI c T in T CI in V (9) Với Iin=IL, Vc là điện áp trung bình trên tụ. Ta có V ripple() Vc (10) Vc T DT (11) Kết hợp (2), (6), (9), (10), (11) ta được điện dung của tụ điện:
5. DT CI L 1 ripple() Vc V dc 1 2D (12) Từ công thức (8) và (12) ta sẽ tính được giá trị của cặp LC. Bảng 2. Bảng các linh kiện dùng trong mô hình thí nghiệm của mạch chuyển đổi này: STT Linh kiện Tên/Giá trị 1 Cuộn dây L 2mH;20A 2 Tụ C1 22uF;400V 3 Diode Da, Db DSET30-06A 4 Diode dùng trong RHRP860 mạch chỉnh lưu 5 S1, S2, S3, S4 SKM75GD123D 6 S0 SKM75GD123D * Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ chuyển đổi này: H. 5 Giản đồ xung lần lượt cho bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly Hai sóng điều khiển Vđk1 và Vđk2 được so sánh với sóng mang tần số cao Vtr2 và Vtr3 để phát ra tín hiệu điều khiển các khóa bán dẫn S1 đến S4. Một đường thẳng có giá trị điện áp không đổi được so sánh với một sóng mang tần số cao khác (Vtr1 – với tần số gấp đôi và biên độ bằng một nữa Vtri2 và Vtr3) để phát ra tín hiệu điều khiển cho S0. Tín hiệu S0 này sau đó được chèn vào S1 đến S4 thông qua cổng OR logic để phát ra trạng thái ngắn mạch trong cầu nghịch lưu. III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 1. Kết quả mô phỏng Để kiểm chứng tính năng hoạt động của bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dùng nghịch lưu tăng áp cải biên, chúng tôi đã xây dựng mô hình mô phỏng trên Psim với các thông số như bảng 2. Tần số đóng ngắt của bán dẫn S1 đến S4 là 10 KHz; tần số đóng ngắt của bán dẫn S0 là 20 KHz và tần số hoạt động của biến áp tần số cao là 10 KHz.
6. H. 6 Dạng sóng điện áp trên thanh cái DC: Vpn với D=0,4 và Vdc=28V. H. 7 Dạng sóng điện áp sơ cấp Upr và thứ cấp Use của biến áp với D=0,4 và Vdc=28V. H. 8 Dạng sóng điện áp trên tải với D=0,4 và Vdc=28V. H. 9 Dạng sóng dòng điện đầu vào với D=0,4 và Vdc=28V. 2. Experimental Studies Mô hình thí nghiệm dựa trên vi điều khiển DSP TMS320F28335 với các thông số sau như mô hình mô phỏng. Các linh kiện bán dẫn IGBT của S0 đến S4, diode Da và Db được dùng như trong bảng 2.
7. H. 10 Mô hình thí nghiệm H. 11 Dạng sóng điện áp trên thanh cái DC: Vpn với D=0,4 và Vdc=28V. H. 12 Dạng sóng điện áp sơ cấp Upr và thứ cấp Use của biến áp với D=0,4 và Vdc=28V. H. 13 Dạng sóng dòng điện đầu vào với D=0,4 và Vdc=28V.
8. IV. Kết luận Bài báo đã phân tích bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC cách ly dựa trên cấu hình nghịch lưu tăng áp với các tính năng hoạt động giống với bộ chuyển đổi DC-DC dựa vào nghịch lưu nguồn-Z. So với cấu hình nghịch lưu nguồn-Z, cấu hình này sử dụng thêm một khóa bán dẫn và một diode nhưng lại giảm được một tụ điện và một cuộn cảm. Do vậy cấu hình nghịch lưu tăng áp này có thể được dùng để thay thế nghịch lưu nguồn-Z trong các ứng công suất thấp, khi mà kích thước và trọng lượng của bộ nghịch lưu là yếu tố quyết định.Bài báo đã phân tích cấu hình chuyển đổi DC-DC và đã đạt được điện áp ngõ ra 400Vdc trên mô phỏng, còn trên mô hình thí nghiệm chỉ mới thí nghiệm với điện áp đầu vào là 28VDC nên giá trị điện áp trên tải đầu ra đã đạt được khoảng 250VDC. Tác giả xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Psim chứng minh được sự tối ưu của phương pháp.Từ những kết quả đạt được sau khi mô phỏng tác giả đã tiến hành xây dựng và hoàn thiện mô hình thực tế. Để kiểm chứng lại kết quả đã mô phỏng trên Psim tác giả đã xây dựng lại các thuật toán và viết chương trình trực tiếp trên kit DSP F28355. Những kết quả nghiên cứu xa hơn sẽ được tác giả công bố trong các số báo tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B. Axelrod, Y. Berkovich, and A. Ioinovici, “Switched-capacitor/switched-inductor structures for getting transformerless hybrid dc-dc PWM converters,” IEEE Trans. Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 55, no. 2, pp. 687-696, March 2008. [2] M. Prudente, L.L. Pfitscher, G. Emmendoerfer, E.F. Romaneli, and R. Gules, “Voltage multiplier cells applied to non-isolated dc-dc converters,” IEEE Trans. Power Electron. , vol. 23, no. 2, pp. 871 -887, Mar. 2008. [3] A. Emrani, E. Adib, and H. Farzanehfard, “Single-switch soft-switched isolated dc–dc converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 4, April 2012. [4] R. Huang, and S. K. Mazumder, “A soft-switching scheme for an isolated dc/dc converter with pulsating dc output for a three-phase highfrequency-link PWM converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 10, Oct. 2009. [5] P. H. Kuo, T. J. Liang, K. C. Tseng, J. F. Chen, and, S. M. Chen; “An isolated high step-up forward/flyback active-clamp converter with output voltage lift,” in Proc. IEEE ECCE, pp. 542-548, 2010. [6] Peng F. Z., "Z-source inverter," IEEE Trans. On industry applications, vol. 39, no. 2, pp. 504-510, March/April 2003 [7] Mohamad Reza Banaei, Ali Reza Dehghanzadeh, Aida Baghbany Oskouei. Boost DC-DC Converter Based Z-source Inverter with High Frequency Link. Gazi University Journal of Science, 27(1):693-699, 2014. [8] D. Vinnikov, and I. Roasto, “Quasi-Z-source-based isolated dc/dc converters for distributed power generation,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 1, pp. 192–201, Jan. 2011. [9] Nguyen, M. K., Phan, Q. D., Nguyen, V. N., Lim, Y. C., & Park, J. K. (2013, May). Trans-Z-source-based isolated DC-DC converters. In Industrial Electronics (ISIE), 2013 IEEE International Symposium on (pp. 1-6). IEEE. [10] Nguyen Minh Khai, Le Tuan Vu, Park Sung Jun, and Lim Young Cheol , "A Class of Quasi-Switched Boost Inverters," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 62, no. 3, pp. 1526-1536, MARCH 2015.
9. Thông tin liên hệ tác giả chính: Họ tên: Cao Nhật Tân Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Điện thoại: 01689932144 Email: nhattanspkt.08@gmail.com Giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Minh Khai
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.