Bộ Biến đổi điện áp Một Chiều Tăng áp - Boost Converter - Điện Tử Việt

Các bộ nguồn hoạt động với chế độ xung có thể được sử dụng cho nhiều mục đích bao gồm các bộ biến đổi điện áp một chiều. Mặc dù chúng ta có thể sử dụng pin hoặc ắc quy làm nguồn điện một chiều, nhưng điện áp khả dụng của nó không phù hợp với hệ thống được cung cấp. Ví dụ, động cơ được sử dụng để điều khiển ô tô điện yêu cầu điện áp cao hơn nhiều (khoảng 500V) so với mức điện áp có thể được cung cấp bởi một ắc quy. Ngay cả khi sử dụng nhiều ắc quy thì trọng lượng và không gian tăng thêm sẽ quá lớn để có thể thực hiện được. Câu trả lời cho vấn đề này là sử dụng ít ắc quy hơn và tăng điện áp DC có sẵn lên mức cần thiết bằng cách sử dụng bộ biến đổi một chiều tăng áp (boost converter). Một vấn đề khác đối với ắc quy, dù lớn hay nhỏ, là điện áp đầu ra của ắc quy sẽ thay đổi khi lượng điện tích có sẵn được sử dụng hết và đôi khi, điện áp ắc quy trở nên quá thấp để cung cấp năng lượng cho mạch. Tuy nhiên, nếu mức đầu ra thấp này có thể được tăng trở lại mức hữu ích một lần nữa, bằng cách sử dụng bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp, thì tuổi thọ của ắc quy có thể được kéo dài.

Hình 1-1

Điện áp một chiều ở ngõ vào của bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp có thể được cấp từ nhiều nguồn khác nhau chẳng hạn như ắc quy, điện áp DC từ ngõ ra của mạch chỉnh lưu, điện áp DC từ các tấm pin mặt trời, pin nhiên liệu, máy phát điện một chiều, .v.v. Bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp khác với bộ biến đổi điện áp một chiều giảm áp ở chỗ điện áp ngõ ra của nó luôn luôn bằng hoặc lớn hơn điện áp ngõ vào. Tuy nhiên, điều quan trọng mà chúng ta cần phải nhớ là công suất (P) = điện áp (V) x dòng điện (I), nếu điện áp ngõ ra tăng lên thì dòng điện ngõ ra khả dụng phải giảm.

Hình 1-1 ở trên minh họa mạch cơ bản của bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp. Mạch này gồm có 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn cảm L, chuyển mạch bán dẫn S (có thể MOSFET, BJT hoặc IGBT), diode D và tụ điện C. Nguồn điện áp DC ngõ vào được nối với cuộn cảm. Linh kiện bán dẫn MOSFET hoạt động như một công tắc có khả năng đóng mở: đóng khi MOSFET được kích dẫn (sóng vuông đưa vào cực cửa ở mức cao) và mở khi MOSFET không được kích dẫn (sóng vuông đưa vào cực cửa ở mức thấp). 

Cuộn cảm được kết nối với nguồn điện ngõ vào dẫn đến dòng điện ngõ vào không đổi, và do đó bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp được xem như nguồn dòng điện ngõ vào không đổi. Và tải có thể được xem như một nguồn điện áp không đổi. Chuyển mạch bán dẫn S được điều khiển tắt và dẫn bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). PWM có thể dựa trên thời gian hoặc tần số. Điều chế dựa trên tần số có nhược điểm là để có được điện áp đầu ra như mong muốn thì cần phải có một dải tần số rộng để điều khiển chuyển mạch bán dẫn. Điều chế dựa trên thời gian thường được sử dụng cho bộ chuyển đổi điện áp một chiều. Phương pháp này rất đơn giản để xây dựng và sử dụng. Tần số không đổi đối với loại điều chế độ rộng xung này. 

Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp

Hình 1-2 minh họa hoạt động của mạch trong khoảng thời gian sóng vuông tần số cao ở mức cao được đưa vào cực cửa của MOSFET. Trong khoảng thời gian này MOSFET dẫn điện, làm cho đầu bên phải của cuộn cảm L được nối với cực âm của nguồn điện. Do đó, sẽ có một dòng điện chạy giữa cực dương và âm của nguồn điện qua cuộn dây L và tăng dần từ giá trị ban đầu nào đó. Cuộn dây tích lũy năng lượng dưới dạng từ trường. Hầu như không có dòng điện chạy trong phần còn lại của mạch vì sự kết hợp của D, C và tải biểu thị trở kháng cao hơn nhiều so với đường dẫn trực tiếp qua MOSFET dẫn điện mạnh.

Hình 1-2

Hình 1-3 cho thấy đường đi của dòng điện trong khoảng thời gian sóng vuông đưa vào cực cửa của MOSFET ở mức thấp. Vì MOSFET bị tắt nhanh chóng nên dòng điện giảm đột ngột làm cho cuộn dây L tạo ra một sức điện động ngược. Cực tính điện áp trên cuộn dây L ngược chiều so với khoảng thời gian MOSFET dẫn, để dòng điện chạy qua. Điều này dẫn đến hai điện áp, điện áp cung cấp VIN và điện áp VL trên cuộn dây nối tiếp với nhau.

Hình 1-3

Điện áp cao hơn này (VIN + VL) phân cực thuận cho diode D. Dòng điện tạo ra chạy qua D và nạp điện cho tụ điện C đến giá trị VIN + VL trừ đi một ít điện áp trên D, đồng thời cung cấp cho tải.

Hình 1-4

Hình 1-4 cho thấy hoạt động của mạch khi MOSFET dẫn điện trở lại sau giai đoạn khởi động ban đầu. Mỗi khi MOSFET dẫn, điện thế tại cực cathode của diode D dương hơn điện thế tại cực anode, do điện áp trên C. Do đó, diode D tắt nên ngõ ra của mạch bị cách ly với ngõ vào, tuy nhiên tải vẫn tiếp tục được cung cấp điện áp VIN + VL từ điện áp trên tụ điện C. Mặc dù tụ điện C xả điện qua tải làm cho điện áp trên tụ giảm trong thời gian này, tụ điện C được sạc điện trở lại mỗi khi MOSFET dẫn, do đó duy trì điện áp ngõ ra trên tải gần như ổn định.

Điện áp DC ngõ ra theo lý thuyết được xác định theo công thức dưới đây.

Trong đó, D là chu kỳ làm việc, có giá trị thay đổi từ 0 đến 1 (tương ứng với 0 đến 100%). Vì D có giá trị thay đổi từ 0 đến 1 nên điện áp ở ngõ ra của mạch luôn luôn lớn hơn hoặc bằng điện áp ở ngõ vào.

Thí dụ:

Nếu sóng vuông điều khiển bán dẫn chuyển mạch có chu kỳ là 10µs, điện áp DC ở ngõ vào của mạch là 9V và MOSFET dẫn điện với chu kỳ làm việc là 50%, tức là MOSFET dẫn điện trong khoảng thời gian 5µs và ngưng dẫn điện trong khoảng thời gian 5µs, thì điện áp ở ngõ ra của mạch sẽ là:

VOUT = 9 / (1- 0,5) = 9 / 0,5 = 18V 

Vì điện áp ngõ ra phụ thuộc vào chu kỳ làm việc nên điều quan trọng là phải điều khiển được chính xác giá trị của thông số này. Ví dụ: nếu chu kỳ làm việc tăng từ 0,5 đến 0,99 thì điện áp ngõ ra sẽ là:

VOUT = 9 / (1- 0,99) = 9 / 0,01 = 900V

Tuy nhiên, trước khi đạt đến mức điện áp đầu ra này, tất nhiên sẽ có một số hư hỏng mạch nghiêm trọng xảy ra, vì vậy trong thực tế, trừ khi mạch được thiết kế đặc biệt cho điện áp rất cao, các thay đổi trong chu kỳ làm việc được giữ thấp hơn nhiều so với giá trị trong ví dụ này.

Mô phỏng hoạt động của mạch

Để hiểu rõ hơn hoạt động một của bộ biến đổi điện áp một chiều tăng áp thông qua các dạng sóng được mô phỏng bằng phần mềm PSIM. Giá trị của các linh kiện trong mạch mô phỏng: cuộn dây L là 20mH, tụ điện C là 100µF và tải điện trở là 20Ω. Tần số chuyển mạch là 1 kHz. Điện áp đầu vào là 100V DC và chu kỳ làm việc là 0,5.

Kết quả mô phỏng

Dạng sóng điện áp

Dạng sóng dòng điện