Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC mới cho hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời

ất 
thiết kế và giảm nhanh nếu công suất qua nó càng nhỏ [5]. 
Tuy nhiên, ở các tấm pin mặt trời, công suất đầu ra không 
cố định, công suất đạt định mức ở khoảng thời gian gần trưa 
và công suất đầu ra nhỏ vào lúc sáng và chiều [6], thời gian 
công suất bé hơn 40% có thể đạt vài giờ trong ngày, chưa 
kể đến hiện tượng bóng che và ngày ít nắng. Như vậy, trong 
trường hợp này, công suất chạy qua DC/DC converter sẽ 
khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên hiệu suất của bộ chuyển đổi 
DC/DC rất thấp và phần lớn công suất bị tiêu hao trong bộ 
chuyển đổi. Vì vậy, việc thiết kế một bộ chuyển đổi DC/DC 
có hiệu suất cao là cực kỳ cần thiết. 
Nhiều tác giả đã đưa ra cấu trúc của bộ chuyển đổi DC/DC 
với hiệu suất cao [7], [8]. Hầu hết các nghiên cứu này đều 
nhằm giảm tổn thất trong bộ chuyển đổi và từ đó nâng cao 
hiệu suất của bộ chuyển đổi. Hiệu suất của nó vẫn phụ thuộc 
vào công suất đi qua nó. Điều đó có nghĩa rằng, trong khoảng 
thời gian công suất đầu ra của tấm pin mặt trời (PV: 
photovoltaic) rất thấp thì hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC 
vẫn rất thấp. Do vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC có 
cấu trúc sao cho chúng ta có thể duy trì được công suất đi qua 
bộ DC/DC gần với công suất làm việc bình thường (hiệu suất 
cao) dù cho công suất đầu ra của PV thấp là rất cần thiết. 
Bài báo giới thiệu cách thiết kế mộ bộ chuyển đổi 
DC/DC áp dụng vào hệ thống điện mặt trời nhằm cải thiện 
hiệu suất của cả hệ thệ thống điện mặt trời. Ở đây, bộ 
chuyển đổi DC/DC được cấu tạo từ nhiều bộ chuyển đổi 
DC/DC có công suất nhỏ để tạo ra công suất đủ lớn và một 
số trong các bộ chuyển đổi DC/DC nhỏ đó có thể được 
ngừng làm việc trong suốt thời gian công suất đầu ra của 
PV nhỏ. Bộ chuyển đổi DC/DC này sẽ được chế tạo thực 
tế và được kiểm chứng. 
2. Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC 
2.1. Hiệu suất bộ chuyển đổi DC/DC 
Bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng trong hệ thống điện mặt 
trời như Hình 1. Mục tiêu chính của bộ DC/DC là để biến 
đổi điện áp đầu cực của PV (Vdc_i) đến giá trị Vdc_o phù 
hợp với tải một chiều hoặc với bộ chuyển đổi DC/AC kết 
nối lưới điện xoay chiều. Trong quá trình làm việc, một 
phần công suất bị tiêu hao trên bộ chuyển đổi DC/DC [9] 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 19 
làm giảm hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Hiệu suất 
của bộ chuyển đổi DC/DC được tính 
𝜂 =
𝑃𝑜
𝑃𝑖
=
𝑃𝑖−∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑃𝑖
 = 1 −
∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑃𝑖
 (1) 
ở đó, 𝑃𝑖 và 𝑃𝑜 là công suất đầu vào và ra của bộ chuyển đổi 
DC/DC; ∆𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 là tổn hao công suất trong bộ chuyển đổi 
DC/DC. Hiệu suất của bộ chuyển đổi này phụ thuộc vào công 
suất đi qua nó 𝑃𝑖 . Thông thường, hiệu suất của bộ chuyển đổi 
DC/DC đạt giá trị lớn nhất khi công suất truyền qua nó có giá 
trị bằng công suất thiết kế. Khi công suất truyền qua bộ chuyển 
đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất định mức của nó thì hiệu 
suất của bộ chuyển đổi sẽ suy giảm đáng kể - Hình 1b. Trong 
thực tế, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời thay đổi tuỳ 
thuộc vào điều kiện thời tiết, trong khi công suất của bộ 
chuyển đổi được thiết kế với công suất lớn nhất của tấm pin. 
Vì vậy, hiệu suất của bộ chuyển đổi ở một số thời điểm, khi 
công suất nhỏ truyền qua nó, sẽ có giá trị không tốt. 
(a) 
(b) 
Hình 1. (a) Hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ chuyển đổi 
DC/DC và (b) đặc tính hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC 
Hình 2. Cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC được thiết kế 
Để cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC, ta cần 
phải thiết kế bộ chuyển đổi mới có cấu trúc như Hình 2. Bộ 
chuyển đổi này được cấu tạo từ nhiều bộ chuyển đổi 
DC/DC có công suất nhỏ (SCM: Small DC/DC Converter 
Module) để đạt được công suất lớn. Các SCM này được nối 
nối song song ở đầu vào và nối nối tiếp ở đầu ra. Tại mỗi 
phía của SCM, có 2 van điện tử, ví dụ tại SCM thứ 𝑛 có 
2 van (Si
n, So
n) đặt như Hình 2. Với cấu trúc này, khi công 
suất đầu ra PV nhỏ, nếu để tất cả các SCM làm việc thì 
công suất đi qua mỗi SCM bé và hiệu suất của SCM giảm. 
Trong trường hợp này, bằng cách mở Si
n và đóng So
n, ta có 
thể cô lập SCM thứ 𝑛. Tương tự như vậy, ta có thể cô lập 
nhiều SCM để công suất đi qua các SCM còn lại đủ lớn 
nhằm đảm bảo hiệu suất của các SCM đó cao. Kết quả là, 
hiệu suất của cả bộ chuyển đổi DC/DC sẽ duy trì được hiệu 
suất cao. Tuy nhiên, số lượng SCM cần cô lập còn phụ 
thuộc vào dải điện áp làm việc của bộ chuyển đổi DC/AC. 
2.2. Lựa chọn cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC 
Có rất nhiều loại mạch chuyển đổi DC/DC khác nhau 
như Buck, Boost, Dual active Bridge Tuy nhiên, qua phân 
tích ưu nhược điểm của từng mạch và khả năng tích hợp 
chúng vào tấm pin, cấu trúc mạch DC/DC như Hình 3 được 
nhóm nghiên cứu lựa chọn. Cấu trúc này sử dụng 4 Mosfet 
ở phía nghịch lưu, 4 diode để chỉnh lưu và 1 máy biến áp làm 
nhiệm vụ cách ly phía sơ cấp và thứu cấp [10]-[12]. Với cấu 
trúc này mức chịu đựng điện áp của các mosfet và diode là 
cùng giá trị do đó ta có thể sử dụng cùng công nghệ chế tạo, 
dễ dàng tích hợp bộ chuyển đổi vào tấm pin. Máy biến áp 
làm nhiệm vụ cách ly đảm bảo an toàn giữa tấm pin và tải, 
phù hợp đối với những tải DC quan trọng. 
Hình 3. Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi SCM 
2.3. Thiết kế bộ điều khiển 
Trong quá trình làm việc, do cường độ bức xạ thay đổi, 
để đảm bảo pin mặt trời phát được công suất cực đại, điện 
áp đầu ra của PV phải thay đổi theothuật toán MPPT 
(Maximum Power Point Tracking). Nếu điện áp đầu ra của 
SCM 𝑉𝑜 được giữ cố định nhờ vào bộ chuyển đổi DC/AC, 
ta cần phải thay đổi độ rộng xung đưa vào chân G của 
Mosfet trong SCM để điện áp đặt lên PV thay đổi theo yêu 
cầu của thuật toán MPPT. Sơ đồ bộ điều khiển như Hình 4. 
Ở đây điện áp đưa vào bộ phát xung được tính 
𝑉𝑥 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 − 𝑘𝐺(𝑠)𝑒 (2) 
𝑒 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 − 𝑉𝑑𝑐−𝑖 (3) 
𝐺(𝑠) = 𝑘𝑝 +
𝑘𝑖
𝑠
+ 𝑘𝑑𝑠 (4) 
với, 𝑉𝑟𝑒𝑓 , 𝑉𝑑𝑐−𝑖 lần lượt là điện áp tham chiếu và điện áp 
thực tế đầu vào của SCM; k, kp, ki và kd là các hằng số của 
bộ điều khiển; s là toán tử laplace. Điện áp Vref được xác 
định từ bộ MPPT. Đầu ra của bộ phát xung là các xung có 
độ rộng D và được cung cấp đến các Mosfet. Chú ý, các 
xung đưa đến cặp Mosfet (Q1,Q3) ngược so với xung đưa 
đến cặp Mosfet (Q2, Q4). Ở bài báo này tác giả không đi 
nghiên cứu về thuật toán MPPT. 
20 Trịnh Trung Hiếu, Đoàn Anh Tuấn, Lê Thị Tịnh Minh 
(a) 
(b) 
Hình 4. (a) tổng quan về bộ điều khiển và (b) cấu trúc bộ điều khiển 
3. Lắp mạch thực tế 
Bảng 1. Các thông số của tấm pin mặt trời PEPV-48-200 
Thông số Giá trị 
Công suất định mức 200W 
Điện áp hở mạch 30,1V 
Dòng điện ngắn mạch 8,84A 
Dòng điện khi đạt MPPT 8,37A 
Điện áp khi đạt MPPT 23,89V 
Hiệu suất của tấm pin 15,22% 
Để thiết kế và thử nghiệm bộ chuyển đổi DC/DC 
như Hình 2, ở đây tác giả sử dụng tấm pin mặt trời loại 
PEPV-48-200 có các thông số như Bảng 1 và đặc tính công 
suất P-V như Hình 5. 
Ở điều kiện tự nhiên tại khu I - Trường Đại học Bách 
khoa - Đại học Đà Nẵng, ta có được công suất phát của tấm 
pin PEPV-48-200W vào ngày 17/02/2019 như Bảng 2. 
Hình 5. Đặc tính P-V của tấm pin PEPV_48 200W tại 
 điều kiện chuẩn (1000W/m², 25 °C) 
Bảng 2. Công suất phát của tấm pin PEPV-48-200W vào 
ngày 17/02/2019 
Thời gian 
Nhiệt độ 
(°C) 
Cường độ bức xạ 
(Wh/m²) 
Công suất 
(W) 
07:00 26,15 204,27 30,437 
08:00 31,34 335,97 57,462 
09:00 35,68 446,8 78,642 
10:00 43,97 702,2 121,93 
11:00 43,95 648,89 113,01 
12:00 43,96 633,33 110,12 
13:00 45,97 697,07 119,74 
14:00 44,08 619,12 105,47 
15:00 37,41 385,19 64,304 
16:00 33,01 276,38 40,458 
17:00 26,66 28,67 4,002 
Từ Bảng 2 ta thấy, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời 
trước 9:00am và sau 15:00pm, công suất chỉ đạt bé hơn 50% 
công suất định mức. Nếu chúng ta sử dụng bộ chuyển đổi 
DC/DC có công suất 200W thì trong các khoảng thời gian 
đó, hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC rất bé. Vì vậy ở đây, 
tác giả đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC bằng cách lắp ghép 
10 bộ SCM, mỗi SCM có công suất 20W như Hình 2. 
Một bộ SCM có công suất nhỏ 20W được lắp ráp từ các 
Mosfet và Diode, các thông số của các Mosfet và Diodes 
được lựa chọn như Bảng 3. 
Bảng 3. Thông số của các linh kiện điện tử trong một SCM 
Linh kiện điện tử Thông số 
Diode (loại1N5822) VFM = 0,39V 
Máy biến áp 
Số vòng dây: n1=n2=24 vòng 
Điện trở 2 cuộn dây: 
R1 = R2 =0,021 
Mosfet(loạiIRF3205) RDS(on)=8 m; Ciss=3247 pF 
Hình 6. Sơ đồ khối thực tế của một bộ SCM 
Thực hiện lắp mạch thực tế cho mỗi SCM theo sơ đồ 
khối Hình 6. Ở đây chức năng của các khối trong mạch điều 
khiển như sau: 
a. Khối Micro Controller: Sử dụng vi điều khiển 
Aruino Nano. 
b. Khối DAC Converter: Đây là mô đun chuyển đổi 
tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. Ở đây tác giả sử dụng 
IC MCP4921. IC này sẽ giao tiếp với vi điều khiển thông 
qua chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface). 
Vi điều khiển sẽ đưa tín hiệu đến MCP4921 để đặt điện áp 
điều khiển cho khối Pulse Width Modulator. 
c. Khối Pulse Width Modulator: Đây là khối điều chế 
độ rộng xung, có chức năng thay đổi độ rộng xung điều 
khiển, độ rộng xung điều khiển thay đổi từ (0-49) % tương 
ứng với điện áp điều khiển 0-3,6 Volts. Ngõ ra của khối 
điều chế độ rộng xung gồm 2 ngõ ra tạo xung A và B lệch 
pha nhau góc 900, đồng thời có thời gian chết để tránh 
trường hợp trùng dẫn khi thực hiện điều khiển cầu H. 
C
ô
n
g
su
ất
(W
)
100
150
200
50
0
4 8 12 16 20 24 28 32 36
Điện áp (V)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 21 
d. Khối High and low side Driver: Khối thực hiện chức 
năng điều khiển đóng cắt 4 Mosfet của cầu nghịch lưu. 
(a) 
(b) 
(c) 
Hình 7. Bộ chuyển đổi DC/DC thực tế: (a) SCM, 
(b) mặt trước, và (c) mặt sau 
Mạch thực tế của một SCM được chụp lại như Hình 7a. 
Hiệu suất của một bộ SCM như Hình 8. 
Bộ chuyển đổi DC/DC có công suất 200W được ghép 
nối từ 10 bộ SCM như Hình 7b và 7c. Ở đây, 10 bộ SCM 
được chia thành 2 khối, mỗi khối có 5 bộ SCM. 
Hình 8. Hiệu suất của 1 bộ SCM 
(a) 
(b) 
(c) 
(d) 
Hình 9. (a) Công suất đầu ra tấm pin mặt trời, (b) số bộ SCM bị 
cô lập, (c) phần trăm công suất đi qua bộ chuyển đổi, và 
(d) hiệu suất của bộ chuyển đổi 
Với bộ chuyển đổi DC/DC đã được thiết kế, hiệu suất 
của bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng với pin mặt trời 
PEPV-48-200W như Hình 9. Từ Hình 9 cho thấy, trong 
giai đoạn bức xạ mặt trời thấp, trước 9:00am và sau 
14:00pm, một số bộ SCM phải bị cô lập và nhờ vào đó phần 
trăm công suất đi qua các bộ SCM còn lại tăng lên. Kết quả 
là hiệu suất của SCM đã được cải thiện hơn hẳn so với sử 
dụng 1 bộ chuyển đổi DC/DC cố định. Ví dụ, trong giai 
đoạn từ 7:00am đến 8:am, bằng cách cô lập bớt 3 bộ SCM, 
hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC đã cải thiện từ 58,12% 
lên đến 82,2%. Ở giai đoạn công suất đầu ra của PV lớn, từ 
9:00am đến 15:00pm, bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế được 
vận hành với 10 bộ SCM; nên hiệu suất của bộ chuyển đổi 
DC/DC thiết kế (gồm 10 bộ SCM 20W) vẫn duy trì giống 
như một bộ DC/DC 200W. 
Điện áp trước máy biến áp và đầu ra của SCM như Hình 
10. Kết quả này cho thấy bộ chuyển đổi làm việc ổn định. 
H
iệ
u
su
ất
(%
)
100
80
60
40
20
0
Dòng điện (A)
0.6 1.2 1.8 2.4 3
Thời điểm (h)
C
ô
n
g
su
ất
(W
)
Thời điểm (h)
S
C
M
 b
ịc
ô
lậ
p
(b
ộ
)
M
ật
đ
ộ
cô
n
g
su
ất
(%
)
Thời điểm (h)
Thời điểm (h)
H
iệ
u
su
ất
(%
)
22 Trịnh Trung Hiếu, Đoàn Anh Tuấn, Lê Thị Tịnh Minh 
(a) 
(b) 
Hình 10. Điện áp đo lường từ bộ chuyển đổi DC/DC thiết kế: 
(a) điện áp phía trước máy biến áp và (b) đầu ra của SCM 
4. Kết luận 
Bài báo đã thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC gồm nhiều 
bộ chuyển đổi nhỏ sử dụng cho hệ thống điện mặt trời nhằm 
nâng cao hiệu suất của nhà máy điện mặt trời. Các bộ 
chuyển đổi nhỏ này được nối song song ở đầu vào và nối 
nối tiếp ở đầu ra nhằm đạt được điện áp đầu ra mong muốn. 
Bộ chuyển đổi DC/DC này đã được lắp mạch thực tế và 
kiểm tra. Kết quả cho thấy bộ chuyển đổi DC/DC làm việc 
tốt và hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC được cải thiện 
trong giai đoạn cường độ bức xạ mặt trời thấp. 
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát 
triển Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài 
có mã số B2016-ĐN02-08 cấp ĐHĐN. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] 
8652_GSR2018_FullReport_web_-1.pdf 
[2] M. Arunkumar, Mr. K. Palanivelrajan, “PV FED DC-DC converter 
with two input boost stages”, International Journal of Engineering 
and Applied Sciences (IJEAS), vol.4, Iss.4, pp.24-38, April 2017. 
[3] S. Jain, V. Agarwal, “A single-stage grid connected inverter 
topology for Solar PV systems with maximum power point 
tracking”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.22, no.5, 
pp.1928 -1940, 2007. 
[4] T. F. Wu, C. H. Chang, L. C. Lin, and C. L. Kuo, “Power loss 
comparison of single- and two-stage grid-connected photovoltaic 
systems”, IEEE Trans. Eenergy Conver., vol.26, no.2, pp.707-715, 
JUNE 2011. 
[5] P. Riccardo, Z. Zhe, A. Michael A. E., “Analysis of DC/DC converter 
efficiency for energy storage system based on bidirectional fuel cells”, 
4th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT 
Europe), October 6-9, Copenhagen, 2013. 
[6] B. Parsons, “Variability of power from largescale solar photovoltaic 
scenarios in the State of Gujarat”, Technical report, 
https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60991.pdf (access on June 2018). 
[7] M. S. Agamy, M. H. Todorovic, A. Elasser, R. L. Steigerwald, J. A. 
Sabate, S. Chi, A. J. McCann, L. Zhang, and F. Mueller, “A high 
efficiency dc-dc converter topology suitable for distributed large 
commercial and utility scale PV systems.” 15th International Power 
Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012 
ECCE Europe, Novi Sad, Serbia 
[8] D. Huang, D. Gilham, W. Feng, P. Kong, Dianbo, F. C. Lee”,High 
power density high efficiency DC/DC converter”, IEEE Energy 
Conversion Congress and Exposition International Conference 
[9] G. Sizikov, A. Kolodny,E. G. Fridman, M. Zelikson, “Efficiency 
optimization of integrated DC-DC buck converters”, 17th IEEE 
International Conference on Electronics, Circuits and Systems, pp. 
1215-1218, 2010. 
[10] N. George, E. Sebastian, R. George, “Practical evaluation of a full-bridge 
phase-shift-modulated ZVS DC-DC converter”, International Journal of 
Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation 
Engineering, vol. 3, Iss. 5, pp. 717-723, December 2014. 
[11] K. P. Kathirvelu and R. Balasubramanian, “Design and 
implementation of PS-ZVS full bridge converter. Journal of Applied 
Sciences, vol. 14, pp. 1588-1593, 2014. 
[12] O. A. Ahmed,J. A. M. Bleijs, “Modelling and experimental 
verification of the effect of parasitic elements on the performance of 
an active-clamped current-fed DC–DC converter”, Simulation 
Modelling Practice and Theory, vol. 59, pp. 71-88, December 2015.
(BBT nhận bài: 01/3/2019, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/3/2019)