Hiện nay vấn đề năng lượng và môi trường là vấn đề rất quan trọng trong đời sống sản xuất và phát triển kinh tế xã hội trên toàn cầu. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã sử dụng được những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như năng lượng gió, mặt trời, thuỷ chiều… Ở Việt Nam hiện nay cũng đã bắt đầu sử dụng những nguồn năng lượng này trong việc giải quyết bài toán năng lượng quốc gia. Những nguồn năng lượng trên đã cung cấp một lượng năng lượng lớn đáp ứng nhu cầu của con người. Nhưng chúng ta mới sử dụng một phần rất nhỏ, chưa khai thác triệt để tiềm năng sẵn có của nó. Nguồn điện tạo ra là nguồn có biên độ cố định, không được điều khiển. Vì thế gặp rất nhiều khó khăn trong việc cung cấp nguồn điện cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, truyền thông.

Trong kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn điện áp cao và nhỏ gọn là cần thiết. Vì những lý do đó mà bộ biến đổi nguồn DC-DC đang được sử dụng ngày càng rộng rãi. Bộ biến đổi nguồn DC-DC là một thiết bị công suất, biến điện áp một chiều thành điện áp một chiều với các mức điện áp mong muốn nhằm cung cấp điện cho các thiết bị sử dụng nguồn một chiều. Bộ biến đổi nguồn DC-DC còn là một phần quan trọng của bộ lƣu điện UPS. Bộ biến đổi DC – DC giảm áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện nâng công suất vừa và nhỏ, đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo.

Cấu trúc

Mạch bộ chuyển đổi DC-DC nửa cầu có một số yếu tố chung xuất hiện trong hệ thống thực hiện việc lái, chỉnh lưu, lọc, giảm EMI và điều khiển:

• Yếu tố ghép nối: Điều này đề cập rộng rãi đến một máy biến áp xung/công suất. Sự lựa chọn của yếu tố chuyển mạch phụ thuộc vào công suất đầu ra và vị trí đặt yếu tố ghép nối và tín hiệu nào được ghép nối với đầu ra. Lưu ý rằng cơ chế ghép nối có thể được tích hợp vào trình điều khiển cổng.
• Yếu tố chuyển mạch: Trong quá khứ, đây sẽ là các transistor Si bipolar, nhưng các hệ thống mới hơn đang sử dụng FETs GaN hoặc SiC làm yếu tố chuyển mạch để đảm bảo chuyển đổi công suất hiệu quả cao.
• Mạch điều khiển cổng: Trình điều khiển thường là một bộ tạo PWM tích hợp cao, có thể hoạt động ở mức logic tùy thuộc vào đặc tính điều khiển cổng của các FETs chuyển mạch. Những linh kiện này đôi khi có một chân cảm biến dòng tích hợp, và trình điều khiển sẽ điều chỉnh đầu ra nếu có bất kỳ biến động nào.
• Diode: Những yếu tố chỉnh lưu này thường được tìm thấy ở phía đầu ra khi mạch lái/FETs được đặt ở phía đầu vào, hoặc ngược lại. Chúng sẽ buộc dòng đầu ra luôn chảy theo cùng một hướng bất kể hướng của dòng đầu vào.

Một số thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC cô lập nửa cầu ví dụ được hiển thị dưới đây. Bạn sẽ nhận thấy rằng yếu tố ghép nối có thể ghép nối tín hiệu điều khiển cổng hoặc công suất với đầu ra.

Sơ đồ

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được chia thành 2 nhóm:

• Sơ đồ biến đổi DC-DC không có cách ly

Với nhóm sơ đồ này, chúng tôi tạo ra điện áp một chiều nhờ việc phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:

• Sơ đồ biến đổi Buck
• Sơ đồ biến đổi Boost
• Sơ đồ biến đổi Buck-Boost

Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly có ưu điểm là mạch đơn giản, và giá thành thấp, thường được ứng dụng trong các bộ DC-DC công suất nhỏ, không cần chất lượng cao.

Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly

Với nhóm sơ đồ này, chúng tôi biến đổi điện áp một chiều đầu vào thành điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung, sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mong muốn. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:

• Sơ đồ biến đổi FlyBlack
• Sơ đồ biến đổi Push-Pull
• Sơ đồ biến đổi Half-Bridge
• Sơ đồ biến đổi Full-Bridge

Do nguồn vào và nguồn đầu ra có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên có ưu điểm là hạn chế được nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào và các thiết bị trong mạch, có thể điều chỉnh mức điện áp đầu ra một cách dễ dàng, công suất lớn. Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm là làm tăng kích thước mạch, tăng giá thành, khiến cho vấn đề trở nên khó khăn hơn. Sơ đồ biến đổi DCDC có cách ly được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn, chất lượng cao, yêu cầu phải có cách ly.

Chọn Loại FET Nào?

Việc chọn FET cũng quan trọng trong các cấu trúc trên vì điều này sẽ quyết định giới hạn hoạt động của bộ chuyển đổi như một thiết bị cung cấp năng lượng. Trong các triển khai trên, loại FET được sử dụng không ảnh hưởng đến thiết kế tổng thể của mạch, ít nhất là về mặt cấu trúc của nó. Thay vào đó, FET (GaN, GaAs, SiC, v.v.) nên được chọn dựa trên điện áp hoặc tốc độ chuyển mạch cần thiết, đặc biệt nếu năng lượng sẽ được rút trực tiếp qua đầu ra. Tổng năng lượng cần cung cấp cho thiết bị cũng quan trọng vì các thành phần này có thể nhanh chóng quá nhiệt khi được sử dụng để cung cấp điện áp quá mức.

Bộ Chuyển Đổi DC-DC Nửa Cầu so với Cầu Đầy Đủ

Một cấu trúc cầu đầy đủ tuân theo cùng một ý tưởng khái niệm về chuyển mạch và chỉnh lưu trong một bộ chuyển đổi nửa cầu, nhưng nó sử dụng một sắp xếp H-bridge trong MOSFET để thực hiện chuyển mạch. Nói cách khác, điều này đòi hỏi ít nhất 4 transistor với một mạch điều khiển phối hợp. Giống như trong một bộ chuyển đổi DC-DC nửa cầu, việc điều khiển có thể được thực hiện thông qua một vòng phản hồi bằng cách đưa đầu ra trở lại mạch điều khiển thông qua một điện trở cảm biến dòng. Tín hiệu PWM của trình điều khiển sau đó có thể được điều chỉnh để bù cho sự biến đổi pha của đầu ra hoặc sự sụt giảm trong điện áp đầu ra.

Thông thường, bộ chuyển đổi DC-DC cầu đầy đủ sẽ được sử dụng trong một cấu trú LLC cộng hưởng với MOSFET ở phía bên kia của một máy biến áp xung. Tuy nhiên, bạn hoàn toàn có thể đặt MOSFET ở phía bên đầu ra của hệ thống. Bảng dưới đây cung cấp sự so sánh giữa các lựa chọn bộ chuyển đổi DC-DC cầu đầy đủ và cầu nửa với một số ưu và nhược điểm của chúng.

Từ bảng trên, chúng ta có thể tóm tắt ngắn gọn các sự đánh đổi khi sử dụng cấu trúc bộ chuyển đổi DC-DC cầu đầy đủ so với cầu nửa. Cấu trúc cầu đầy đủ có thể tiếp cận công suất đầu ra cao hơn so với cấu trúc cầu nửa; để hai cái bằng nhau, bạn có thể cần sử dụng FET song song trong bố trí cầu nửa với các MOSFETS đặt ở phía đầu ra. Tuy nhiên, sự đánh đổi cho công suất cao hơn và dao động thấp hơn là tiếng ồn chuyển mạch gấp đôi tiềm năng và nhu cầu về các thành phần cảm ứng lớn hơn về mặt vật lý bất cứ khi nào chúng được triển khai trên nút đầu ra công suất trong hệ thống.

Chọn Linh Kiện cho Bộ Chuyển Đổi

Rõ ràng, có rất nhiều linh kiện cần xem xét khi chọn phần cho thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC. Nhiều công ty bán dẫn đã phát triển danh mục sản phẩm nhắm mục tiêu cụ thể vào cấu trúc cầu nửa và cầu đầy đủ với FET hiệu suất cao và mạch điều khiển/tích hợp động cơ để đảm bảo điều chỉnh rất chính xác, ngay cả khi có sự giảm điện áp đầu vào.