1. Đặt vấn đề

Trong các ứng dụng năng lượng tái tạo như hệ thống điện mặt trời hoặc pin nhiên liệu, điện áp đầu vào thường khá thấp (12V – 48V) nhưng cần nâng lên mức điện áp Bus DC cao (300V – 400V). Mạch tăng áp Boost truyền thống không thể đáp ứng vì khi hệ số đóng cắt D tiến gần đến 1, hiệu suất giảm mạnh do tổn hao trên điện trở ký sinh và van bán dẫn chịu ứng suất điện áp quá lớn. Sơ đồ mạch trong hình nghiên cứu giải quyết bài toán này bằng cách kết hợp cuộn cảm đầu vào L₁, khối tích năng lượng tụ điện và cuộn cảm ghép N_p:N_s.

2. Cấu trúc và Nguyên lý vận hành

Mạch được chia thành 3 khối chính:

• Khối đầu vào & Chuyển mạch: Cuộn cảm L₁, hai van điều khiển chính S₁, S₂ vận hành đồng bộ, cùng các diode D₁, D₂ và tụ điện trung gian C₁, C₂.

• Khối cuộn cảm ghép: Cuộn sơ cấp N_p (tích hợp cảm kháng từ hóa L_m và cảm kháng rò L_k) kết hợp với cuộn thứ cấp N_s theo tỷ số vòng dây n = N_s/N_p.

• Khối ngõ ra (Voltage Multiplier): Chuỗi 3 tụ điện ngõ ra (C_o1, C_o2, C_o3) nối tiếp nhau cùng hệ thống diode (D_o1, D_o2, D_o3) cung cấp điện áp tổng V_o cho tải R.

Các trạng thái vận hành cơ bản:

• Trạng thái S₁, S₂ DẪN (ON): Cuộn cảm L₁ nạp năng lượng từ nguồn V_in. Dòng điện qua cuộn sơ cấp N_p tăng lên nhờ tụ C₁ xả, năng lượng được tích lũy vào cảm kháng từ hóa Lm, tụ C_o1, C_o2 xả năng lượng qua diode D_o3 cấp năng lượng cho tải R và nạp cho tụ C_o3.

• Trạng thái S₁, S₂ NGẮT (OFF): Cuộn cảm L₁ xả năng lượng qua D₁ để nạp cho C₁. Năng lượng tích lũy trong cuộn cảm ghép giải phóng qua cuộn thứ cấp N_s, kích hoạt các diode D_o1, D_o2 nạp điện cho C_o1 và C_o2, trong khi C_o3 xả cung cấp năng lượng cho tải R.

3. Phân tích Toán học và Tỷ số Tăng áp

Điện áp ngõ ra V_o là tổng điện áp trên 3 tụ ngõ ra:

V_o = V_Co1 + V_Co2 + V_Co3

Giả thiết các linh kiện lý tưởng và hai van S₁, S₂ đóng cắt cùng hệ số D, tỷ số tăng áp lý thuyết M = V_o/V_in của mạch được tính theo công thức:

M = V_o/V_in = (2n + 1 + D)/(1 - D)² với n là tỉ số cuộn dây thứ cấp và sơ cấp, D là tỷ số chu kỳ (Duty cycle).

4. Ưu điểm kỹ thuật nổi bật

• Tỷ số tăng áp siêu cao: Nhờ sự cộng hưởng giữa tầng tăng áp tụ điện trung gian và hệ số biến áp n của cuộn cảm ghép.

• Ứng suất điện áp trên van thấp: Điện áp đặt lên S₁, S₂ chỉ bằng một phần nhỏ của điện áp ngõ ra V_o, cho phép sử dụng van MOSFET chịu áp thấp với điện trở nội nhỏ để giảm tổn hao dẫn.

• Dòng ngõ vào liên tục: Nhờ cuộn cảm L₁ ở đầu vào, dòng điện i_L1 không bị đứt đoạn, giúp giảm nhiễu vô tuyến (EMI) và kéo dài tuổi thọ cho nguồn cấp (tấm pin PV/Accu).

• Tự thu hồi năng lượng cuộn rò: Năng lượng lưu trữ trong cảm kháng rò L_k được dập hoàn toàn sang các tụ điện trung gian, loại bỏ hiện tượng quá áp đỉnh nguy hiểm trên van bán dẫn.

5. Kết luận

Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC tích hợp cuộn cảm ghép và tầng tụ điện ngõ ra nối tiếp là giải pháp tối ưu cho các hệ thống yêu cầu tỷ số biến đổi điện áp lớn. Mạch vừa đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao, vừa giảm thiểu nhiễu và ứng suất trên linh kiện, rất phù hợp ứng dụng trong các bộ biến đổi năng lượng mặt trời hòa lưới và hệ thống lưu trữ điện năng.