Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất( Modeling and Control of Power Electronic Converter)

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP – VIỆN ĐIỆN

Mơ hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ
biến đổi Điện tử công suất
Modeling and Control of Power Electronic Converter
Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương
7/25/2017

0


CONTENTS
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ 7
1
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂNEquation Chapter 1 Section 1 ................................................................................................... 18
1.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử cơng suất ............................................. 18

1.2

Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn ....................................................... 19

1.2.1

Điều khiển mở cho Tiristor ................................................................................... 19

1.2.2

Điều khiển đóng cắt cho MOSFET ....................................................................... 21

1.2.3

Điều khiển đóng cắt cho IGBT ............................................................................. 23

1.2.4

Mạch driver cho MOSFET và IGBT .................................................................... 25

1.3

Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi ............................................. 26

1.4

Các loại hệ thống điều khiển ......................................................................................... 29
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWMEquation Chapter 2 Section 2
31

2
2.1

Các dạng sơ đồ điều chế................................................................................................ 31

2.1.1

Điều chế trích mẫu tự nhiên. ................................................................................. 31

2.1.2

Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu đều
34

2.2

Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM ............................................................... 36

2.2.1

Điều chế trích mẫu tự nhiên .................................................................................. 36

2.2.2

Điều chế PWM trích mẫu đều ............................................................................... 43

2.3

Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang khơng đổi ......................... 45

2.3.1

Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM trích mẫu tự nhiên ....................................... 45

2.4

Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi ............................ 48

2.5

Điều chế PWM cho các bộ nghịch lưu.......................................................................... 50

2.5.1

Điều chế PWM cho nghịch lưu một pha nửa cầu.................................................. 50

2.5.2

Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu một pha ........................................................ 51

2.5.3

Thời gian chết trong chu kỳ điều chế .................................................................... 54

2.6

Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha.......................................................... 54

2.6.1

Phương pháp sinPWM .......................................................................................... 54

2.6.2
PWM)

Điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha, có thêm vào thành phần thứ tự khơng (ZSS58

Lecture notes on modeling and design of control system for power electronic converter
1

2.7

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) ......................................................... 60

2.7.1

Khái niệm vector khơng gian ................................................................................ 60

2.7.2

Trạng thái đóng cắt của van và vector trạng thái .................................................. 61

2.7.3

Xác định hệ số điều chế ........................................................................................ 64

2.7.4

Mẫu xung tối ưu và thứ tự thực hiện các vector.................................................... 67

2.7.5

Mẫu xung tối ưu sẵn sàng cho cài đặt trên vi điều khiển ...................................... 68

2.7.6

Quá điều chế (Overmodulation) ............................................................................ 70

2.7.7

Mô phỏng phương pháp SVM .............................................................................. 71

3
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR
Equation Chapter 3 Section 3 ............................................................................................................... 77
3.1

Mạch tạo xung điều khiển các bộ biến đổi Tiristor ....................................................... 77

3.1.1

Nguyên lý tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi Tiristor ....................................... 77

3.1.2

Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha ................................................... 79

3.2

Mơ hình hóa và tổng hợp mạch vịng dịng điện cho chỉnh lưu Tiristor ....................... 82

3.2.1

Mơ hình hóa mạch vịng dịng điện sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu tiristor .......... 82

3.2.2

Chỉnh lưu tiristor đóng vai trị như một bộ biến đổi nguồn dịng ......................... 86

MƠ HÌNH HĨA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Chapter 4 Section 4 ............................. 90

4
4.1

Các phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi bán dẫn cơng suất ..................................... 90

4.2

Mơ hình đóng cắt .......................................................................................................... 91

4.2.1

Mơ hình tốn học .................................................................................................. 91

4.2.2

Mơ hình đóng cắt cho các bộ biến đổi DC-DC ..................................................... 92

4.3

Mơ hình trung bình cổ điển ........................................................................................... 96

4.3.1

Cơ sở tốn học của mơ hình trung bình ................................................................ 96

4.3.2

Tuyến tính hóa và mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ .............................................. 97

4.4

Mơ hình trung bình cho các bộ biến đổi DC-DC lý tưởng............................................ 98

4.4.1

Mơ hình trung bình cho Buck converter ............................................................... 98

4.4.2

Mơ hình trung bình cho Boost conveter ................................................................ 98

4.5

Mơ hình trung bình cho các bộ biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao .......................... 100

4.5.1

Mơ hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost có tổn hao ................ 102

4.5.2

Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck có tổn hao ................................. 103

4.5.3

Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost có tổn hao ..................... 105

4.6

Mơ phỏng kiểm chứng các mơ hình ............................................................................ 106

4.6.1

Mơ hình mơ phỏng bộ biến đổi kiểu buck .......................................................... 106

4.6.2

Mơ hình mơ phỏng boost converter .................................................................... 108
2


5
PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐĨNG CẮT
Equation Section (Next) ...................................................................................................................... 111
5.1

Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt .................................................................. 111

5.1.1

Sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt .............................................. 111

5.1.2

Mơ hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck ....................... 115

5.2

Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt............................................................... 116

5.2.1

Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost ...................... 116

5.2.2

Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost ....................................... 120

5.2.3

Hàm truyền cho bộ biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm rL và điện trở rESR của tụ
121

5.2.4

Hàm truyền có tính tới tổn hao trên van bán dẫn và điơt .................................... 123

5.2.5

Mơ hình trung bình tính tới tổn hao do q trình đóng cắt ................................. 125

6

MƠ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QT Equation Section (Next) ............................ 127
6.1

Mơ hình trạng thái trung bình tổng quát và vectơ động .............................................. 127

6.1.1

Khái niệm về phazor động .................................................................................. 127

6.1.2

Phương trình với các biến động tín hiệu nhỏ ...................................................... 129

6.1.3

Liên hệ giữa phazor động và dạng sóng thực...................................................... 130

6.2

Mơ hình trung bình tổng qt ..................................................................................... 131

6.3

Mơ hình trung bình tổng qt cho nghịch lưu nguồn áp một pha ............................... 132

6.3.1

Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha xung chữ nhật ................................. 132

6.3.2

Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha điều chế PWM ................................ 135

6.4

Mơ hình trung bình tổng qt cho nghịch lưu ba pha ................................................. 137

6.4.1

Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha ..................................................................... 137

6.4.2

Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp ...................................................................... 141

7

MƠ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC Equation Section (Next) ..................................... 145
7.1

Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái .......................................................... 145

7.2

Mơ hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost trong chế độ DCM............................. 146

7.3

Mơ hình trung bình giảm bậc của bộ biến đổi DC-AC nối lưới ................................. 148
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section (Next)
152

8
DC/DC
8.1

Thiết kế điều khiển dựa trên đáp ứng tần số ............................................................... 152

8.1.1

Đáp ứng tần số của hệ tuyến tính ........................................................................ 152

8.1.2

Đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển......................................................... 153

8.1.3

Các bộ bù tiêu biểu.............................................................................................. 157

8.2

Điều khiển trực tiếp đầu ra .......................................................................................... 160
3


8.2.1

Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra .............................................. 160

8.2.2

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck............................................... 163

8.2.3

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost .............................................. 167

8.3

Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vịng ................................................ 175

8.3.1

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck............................................... 176

8.3.2

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost .............................................. 180

8.3.3
đổi PFC

Ứng dụng cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Boost trong bộ biến
184

8.4

Điều khiển theo dịng điện lập trình được (Current-programmed Mode – CPM)....... 187

8.4.1

Sự mất ổn định khi D>0,5 ................................................................................... 189

8.4.2

Mơ hình bộ biến đổi điều khiển theo dòng điện.................................................. 192

8.4.3

Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck ................................. 194

8.4.4

Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Boost ................................ 196

8.5

Điều khiển bằng phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực ........................... 198

8.5.1

Khái niệm về phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực .............................................. 198

8.5.2

Bộ quan sát trạng thái.......................................................................................... 202

8.5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực
cho Boost converter .................................................................................................................... 203
8.6

Áp dụng cấu trúc điều khiển DC/DC trong thực tế ..................................................... 209

8.6.1

Kỹ thuật điều khiển tương tự .............................................................................. 209

8.6.2

Kỹ thuật điều khiển số ........................................................................................ 210

9
ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC
Equation Section (Next) ...................................................................................................................... 214
9.1

Đặc điểm và yêu cầu điều khiển cho các bộ biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp 214

9.2

Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq ............................................................... 215

9.2.1

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực ba pha .................................................... 215

9.2.2

Xác định thơng số các bộ điều chỉnh PI cho chỉnh lưu tích cực ba pha .............. 219

9.2.3

Mô phỏng hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực ba pha trên hệ tọa độ 0dq .... 221

9.2.4

Thiết kế điều khiển chỉnh lưu tích cực một pha trên hệ tọa độ 0dq .................... 224

9.2.5

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3 pha làm việc độc lập ...................................... 225

9.3

Các bộ điều chỉnh cộng hưởng.................................................................................... 232

9.3.1

Khái niệm về các bộ điều chỉnh cộng hưởng ...................................................... 232

9.3.2

Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PR .............................................................. 237

9.3.3

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 1 pha với bộ điều chỉnh PR ................... 244

9.3.4

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập 1 pha với bộ điều chỉnh PR .. 250
4


9.4

Thuật tốn vịng khóa pha ........................................................................................... 255

9.4.1

Thuật tốn vịng khóa pha PLL 3 pha ................................................................. 255

9.4.2

Thuật tốn vịng khóa pha 1 pha ......................................................................... 258

Triển khai hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong thực tế .............................. 261

9.5

10 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CƠNG
SUẤT Equation Section (Next) .......................................................................................................... 269
10.1

Một số cơ sở tốn học ............................................................................................. 269

10.2

Bậc tương đối và động học không .......................................................................... 271

10.3

Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử cơng suất
273

11 TUYẾN TÍNH HĨA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CƠNG
SUẤT Equation Section (Next) ......................................................................................................... 274
11.1

Khái niệm về tuyến tính hóa nhờ phản hồi ............................................................. 274

11.2
DC/DC

Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi
277

11.2.1 Xét ví dụ cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck ..................................................... 277
11.2.2 Xét ví dụ bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost ........................................................... 280
11.3
AC/DC.
12

Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi
284

ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .............. 285
12.1

Hệ phẳng và điều khiển tựa khiển phẳng ................................................................ 285

12.2

Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng ............................................. 287

12.3

Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho bộ biến đổi DC/DC ......................................... 289

12.3.1 Ví dụ cho bộ biến đổi Buck ................................................................................ 289
12.3.2 Ví dụ cho bộ biến đổi Boost ............................................................................... 292
12.4

Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới............... 296

12.4.1 Xác định mơ hình tựa phẳng ............................................................................... 296
12.4.2 Thiết kế trực tiếp................................................................................................. 298
12.4.3 Điều khiển nối cấp

.............................................................................................. 298

12.4.4 Mô phỏng............................................................................................................ 300
13

ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next)
301
13.1

Định nghĩa hệ thụ động ........................................................................................... 301

13.2

Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học ............................................................ 302

13.3

Mơ hình tổng qt dạng thụ động cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất ............. 303
5


13.4

Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange của các bộ biến đổi ..................................... 305

13.5

Điều khiển ổn định cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất .................................... 312

13.5.1 Cơ sở lý thuyết trong điều khiển ổn định ........................................................... 312
13.5.2 Tính tốn biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống ..................................... 313
13.5.3 Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số ....................................... 314
13.6

Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost ........................ 315

13.6.1 Tính tốn tín hiệu điều khiển .............................................................................. 315
13.6.2 Tính chọn các hệ số cho ma trận cản dịu ............................................................ 317
13.6.3 Phân tích tính ổn định của hệ kín ....................................................................... 318
13.6.4 Thích nghi ước lượng tham số ............................................................................ 319
13.6.5 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham số
cho Bộ biến đổi kiểu boost.......................................................................................................... 320
14

ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI Equation Section (Next) ................... 321
14.1

Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le................................................................................ 321

14.2

Chế độ trượt trong VSS........................................................................................... 322

14.2.1 Ví dụ một hệ VSS đơn giản ................................................................................ 322
14.2.2 Chế độ trượt trong VSS ...................................................................................... 325
14.2.3 Tính ổn định của chế độ trượt............................................................................. 325
14.2.4 Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck ....................................................... 326
14.2.5 Mô phỏng hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck ................................. 328
14.3

Điều kiện tồn tại chế độ trượt.................................................................................. 330

14.4

Điều khiển tương đương ......................................................................................... 331

14.4.1 Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vơ hướng ................. 332
14.4.2 Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vector ...................... 333
14.4.3 Điều khiển tương đương đối với hệ phi tuyến tính dạng affin ........................... 334
14.5

Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt .................................................. 334

14.5.1 Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu buck .......................................... 335
14.5.2 Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu boost ......................................... 339
14.5.3 Thiết kế điều khiển trượt cho các BBĐ DC-DC ................................................. 345

14.6
15

Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC............................................................ 347

Tài liệu tham khảo........................................................................................................... 349

6


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

PAF

Bộ lọc tích cực (Power Active Filter)

CCM

Chế độ dòng điện liên tục (Continuous-conduction mode)

DCM

Chế độ dòng điện gián đoạn (Discontinuous-conduction mode)

SISO

Một đầu vào – một đầu ra (Single Input Single Output)

CF PWM

Bộ điều chế với tần số không đổi

MIMO

Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra (Multiple-Input-Multiple-Output)

PWM

Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation)

SWM

Điều chế vector không gian (Space vector modulation)

ZOH

Khâu trích mẫu và giữ bậc khơng (Zero-Order Hold)

PFC

Hiệu chỉnh hệ số công suất (Power factor correction)

PM

Dự trữ pha (Phase Margin)

GM

Dự trữ biên độ (Gain Margin)

ADC

Chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter)

DAC

Chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter)

PLL

Vịng khóa pha (Phase Locked Loop)

PI

Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (Proportional Integral)

PR

Bộ điều chỉnh cộng hưởng tần số (Proportional Resonant)

DSP

Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor)

VOC

Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control)

EMI

Nhiễu điện từ (Electromagnetic interference)

UPS

Thiết bị cấp nguồn liên tục (Uninterruptible power supplier)

RHP

Điểm zero nằm bên phải mặt phẳng phức (Right half plane)

ESR

Nội trở nối tiếp tụ điện (Equivalent series resistance)

PV

Pin mặt trời (Photovoltaics)

FPGA

Field-programmable gate array

MBA

Máy biến áp

SMC

Điều khiển trượt (Sliding mode control)

Các ký hiệu
7


Ký hiệu

Ý nghĩa

Thứ nguyên

td

s

Thời gian trễ

iT

A

Dòng qua tiristor

ID

A

Dòng qua tiristor tăng đến ID

vT

V

Điện áp giữa ca-tôt và a-nốt

Von

V

Điện áp giữa ca-tôt và a-nốt giảm xuống đến Von

tgt

s

Thời gian mở van.
Tốc độ giảm dịng qua van về khơng

diT/dt
Irr

A

Giá trị đỉnh của dịng qua van

trr

s

Thời gian dịng có giá trị âm,thời gian phục hồi

Qrr

C

Điện tích phục hồi

tq

s

Thời gian khóa van,lớn hơn thời gian phục hồi khoảng
2 lần

dvT/dt

V/s

Tốc độ tăng điện áp

Uco

V

Điện áp ngắn mạch khi van bị khóa

RGint

Ω

Điện trở nội của cực điều khiển

RGext

Ω

Điện trở mắc nối tiếp ở cực điều khiển

VP

V

Giá trị đỉnh xung điều khiển đưa ra từ Driver

UGS, VGS

V

UDS, VDS

V

CGS

F

Tụ CGS

CDS

F

Tụ CDS

T, T1, T2

s

Hằng số thời gian

CDSl

F

Tụ CDS ở mức thấp

UGS(th)

V

Giá trị ngưỡng của UGS khi tụ (CGS + CDSl) được nạp

td(on) = t1

s

Thời gian trễ khi mở

VDD

V

Giá trị điện áp nguồn

t1,t2, t3, t4

s

Các khoảng thời gian đặc trưng

A1

Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD)

A2

Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD trong khoảng
t2 đến t4

td(off)

s

Thời gian trễ khi khóa

RDS(on)

Ω

Điện trở DS khi dẫn
8


RG

Ω

Điện trở với cực điều khiển G

Cgc, Cge

F

Thể hiện các tụ ký sinh giữa cực điều khiển và
collector, emitter.

VGE(th)

V

Điện áp giữa cực điều khiển và emitter đạt đến giá trị
ngưỡng (khoảng 3 – 5V)

I0

A

Giá trị dòng qua collector

tr

s

Thời gian dòng điện giữa collector-emitter tăng theo
quy luật tuyến tính từ khơng đến dòng tải I0

VGE,Io

V

Điện áp giữa cực điều khiển và emitter

VCE

V

Điện áp giữa collector-emitter

Vdc

V

Điện áp nguồn 1 chiều

tfv1, tfv2

s

Hai giai đoạn của q trình mở

Ron

Ω

Điện trở giữa collector-emitter khi khóa bão hịa hồn
tồn

VCE,on

V

Khi bão hịa hồn tồn,VCE,on = I0Ron

VG

V

Điện áp giữa cực điều khiển và emittertăng đến giá trị
cuối cùng.

tfi1,tfi2

s

Hai giai đoạn giảm dòng qua collector

i1, i2

A

Dòng của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT ở 2
giai đoạn tfi1 và tfi2

UCE(sat)

A

Điện áp khi IGBT dẫn

dUCE/dt
∆UGE

V

IG,max

A

Dòng điện được dòng điều khiển đầu cung cấp.

P

W

Tổn hao cơng suất trung bình do mạch phát xung

QG

nC

điện tích nạp cho tụ đầu vào

fsw

Hz

tần số đóng cắt của IGBT

d

Hệ số lấp đầy xung (hê số điều chế)

r(t)

Tín hiệu đặ mong muốn

c(t)

tín hiệu sóng mang dạng răng cưa

bpwm(t)

Tín hiệu logic

sign

Hàm dấu

vcontrol(t)

V

tín hiệu từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp

vr(t)

V

tín hiệu đặt dịng điện có dạng sin
9


vg(t)

V

Điện áp khâu nhân

Rs

Ω

Giá trị điện trở Shunt

va(t)

V

Tín hiệu đo được

vr(t)

V

Tín hiệu đặt
hàm truyền của bộ điều chỉnh điện áp

H(s)
r(t)
c(t)

Tín hiệu răng cưa

R1

biên độ của thành phần sóng sin cơ bản mong muốn

f1

Hz

tần số

1

Rad

góc pha của sóng mong muốn

fc

Hz

tần số sóng mang răng cưa

f1

Hz

tần số sóng cơ bản

D

Hệ số lấp đầy xung ở chế độ xác lập

M

Hệ số điều chế.

Cm

biên độ sóng răng cưa

Jn(z)

Hàm Bessel

iL

A

dịng điện qua cuộn cảm

vC

V

điện áp trên tụ

io

A

Dòng tải

h(t)
Ts

Chu kỳ điều chế

m0

độ nghiêng của răng cưa

Toff

thời gian khóa van khơng đổi

Ton

Thời gian mở van tại chế độ xác lập

fc

Tần số đóng cắt tại chế độ xác lập

G1(s)

hệ số khuếch đại của bộ điều chế

G0

gọi là hệ số khuếch đại DC

G2(s)

Hệ số khuếch đại của khâu điều chế

VOC(t)

V

Điện áp đầu ra nghịch lưu
Tín hiệu điều chế

m(t)

vAN(t)

V

điện áp ra của nửa cầu vAN(t) từ đầu ra A so với điểm
âm N

vBN(t)

V

điện áp ra của nửa cầu vBN(t) từ đầu ra B so với điểm
âm N
10


vo(t)

V

Điện áp ra nghịch lưu



s

Thời gian trễ

vAn, vBn, vCn

V

Điện áp giữa các pha đầu ra so với điểm giữa nguồn
một chiều n

vpn

V

điện áp giữa điểm trung tính của tải với điểm giữa
nguồn một chiều

VA,VB,VC

V

Điện áp ra tải
Hệ số điều chế cho mỗi pha

da,db,dc
𝜔

Rad/s

Tốc độ góc

( u a , ub , u c )

V

Điện áp pha trong hệ tọa độ abc

Um

V

Điện áp 3 pha được biểu diễn trong hệ tọa độ αβ

u p , un

V

Thành phần thuận nghịch của vector không gian điện
áp 3 pha

uS

V

Vector điện áp
Hệ số điều chế

d1, d2
fh

Hz

Tần số của các thành phần hài sau phép điều chế



rad

Góc chậm pha so với điểm chuyển mạch tự nhiên của
các tiristo được điều khiển mở bởi các xung tại các
thời điểm

udpA

V

Điện áp đồng bộ

udk

V

điện áp điều khiển

Vdα

V

điện áp trung bình của đầu ra chỉnh lưu Tiristor loại p
xung
độ đập mạch điện áp chỉnh lưu đầu ra

P
V2m

V

giá trị đỉnh của điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu

ud

V

Điện áp đầu ra chỉnh lưu

rL

Ω

Điện trở cuộn cảm

Gr(S)

Hàm truyền giữa tín hiệu điều khiển và điện áp ra

e

Thành phần sức điện động

Toc

s

hằng số thời gian

Kpc

Tham số

Ai

ma trận trạng thái 𝑛 × 𝑛

Bi

ma trận đầu vào 𝑛 × 𝑝

x(t)

vector biến trạng thái n phần tử
11


e(t)

vector p phần tử của các nguồn độc lập

hi

hàm chứng nhận

uk(t)

Hàm đóng cắt

bk, d

Vector cột n phần tử

Bk

ma trận 𝑛 × 𝑛

x

vector biến trạng thái tín hiệu nhỏ

h1,h2
f (t )
x

Phép lấy trung bình trượt

0

Biến trạng thái trung bình

0

uk

0

xe

0

Biến điều khiển trung bình

xi , uk

Tín hiệu xoay chiều AC

H(s)

Ma trận hàm truyền

I

Ma trận đơn vị 𝑛 × 𝑛

x2

Biến đầu ra,điện áp trên tụ C

Ts

s

Chu kì điều chế

rC

Ω

Điện trở trên tụ

VD,0

V

Sụt áp trên diode

x
u

biến trạng thái trung bình

0

0

biến điều khiển trung bình

=d

Giá trị tại điểm làm việc cân bằng

xe
vap

V

Điện áp 1 chiều

vcp

V

Điện áp dạng xung

Vc-p

V

Điện áp giữa 2 cực c và p

vcp(t), vap(t)

V

các giá trị tức thời của điện áp giữa c-p và giữa a-p

Ia

A

Thành phần dòng điện xác lập DC

Vcp

V

Thành phần điện áp xác lập DC

Ĩa (t)

A

Thành phần dòng điện biến động nhỏ AC

ṽcp

A

Thành phần điện áp biến động nhỏ AC

12


ia(t)

A

ZLc

Ω

trở kháng song song giữa mạch tụ lọc C và tải R

ZL

Ω

là trở kháng mạch điện cảm L

vˆin

V

biến động điện áp đầu vào

d̃

Biến động điều khiển

ṽ0 (s)

V

ṽg

V

i1(t)

A

điện áp đầu ra bị tác động
dòng qua cuộn cảm

p

điểm cực bội

z

điểm zero dương

0

Hz

tr

s

Tần số dao động tự do
Thời gian phục hồi

ak, bk

biên độ của các thành phần sóng hài bậc k có trong
x(t).

 x k ( t )

hệ số phức của chuỗi Fourie

X k , , X k , , X k

thành phần thực, ảo và mođul của giá trị xác lập của
phazơ thứ k.

vou 1 , iLu

0

e

vector với độ dài E, quay với tốc độ góc 𝜔

id,iq

2 thành của dịng điện trong hệ trục 0dq

 (t )

tín hiệu sin chuẩn, tần số bằng tần số điện áp nguồn e

 (t )

tín hiệu dạng răng cưa với tần số cao fpwm

d , q

2 biến điều khiển đầu vào

ik

A

Dòng qua cuộn cảm

vo

V

Điện áp 1 chiều trên tụ

uk

1

= k ( t )

ek 1 , uk

ik uk

ek
iS

0

thành phần bậc nhất của các tín hiệu điều khiển
Tín hiệu điều khiển

1

0

V

sức điện động phía xoay chiều

A

dịng một chiều trung bình qua các thành phần dịng
xoay chiều

13


Ma trận T

T

u , uβ

V

tín hiệu điều khiển đến từ khâu điều chế

e, e

V

Sức điện động điện áp đầu ra xoay chiều

 (t )

Tín hiệu điều khiển

e

điểm làm việc cân bằng tại đầu vào điều khiển



Hệ số với tín hiệu vào điều khiển 

L2

Lưới qua điện cảm liên kết

Pin_DC

W

Công suất đưa vào tụ DC-link

Z out ( s )

Ω

Trở kháng đầu ra
Hệ số truyền đạt khâu PWM

Vm
,fc

Hz

Hệ số khuếch đại

Kc

fRPH

Tần số cắt

HZ

tần số tại điểm zero nằm bên phải trục ảo



Hệ số tắt dần

Hid(S)

hàm truyền giữa dòng điện qua cuộn cảm và hệ số
điều chế

Hvi(S)

Hàm truyền giữa điện áp ra và lượng đặt dòng điện
qua cuộn cảm
Đại lượng đặt cho dòng điện

iL*

A

ĨL

A

Re

Ω

Điện trở tải

Tqd

s

Thời gian quá độ

fci

Hz

tần số cắt cho mạch vòng dòng điện

n

Hz

Tần số dao động riêng

H oi ( s )

Hco(S)
iL

độ đập mạch dòng điện

isd, isq

A

id , iq

A

d

T0v

Biến động của hệ số lấp đầy xung
s

Chu kì mạch vịng điện áp
14


T0c

s

Hệ số khuếch đại

Kpc
uAC(t)

Chu kì mạch vịng dịng điện

V

Tín hiệu điều khiển

hDC(t)

Hàm trọng lượng

HAC(S)

Bộ điều chỉnh cộng hưởng

wi

hoành độ điểm các đường thẳng cắt nhau

αi

khoảng cách giữa các điểm cắt này theo trục hoành

H0(s)

Hàm truyền

w0

độ đập mạch

𝜔CL

Hz

hệ số của bộ điều chỉnh PR

Kp, Ki
Td

Tần số cắt

s

Thời gian trễ

e

V

Điện áp lưới

Ti

s

Hằng số thời gian tích phân

GPI+, GPIise , me

En

modul của vector điện áp

𝜃e

tín hiệu sai lệch pha giữa góc pha thực và góc pha tính
tốn của vector điện áp

ts

s

Thời gian xác lập

en

V

Điện áp en ảo

U s _ max

V

Điện áp pha lưới lớn nhất

Tpll

s

Chu kỳ trích mẫu thực hiện thuật tốn PLL

Is_Max

A

giá trị dịng điện pha lớn nhất

Tcs

s

Chu kì thực hiện thuật toán

UC_max

V

Điện áp trên tụ lớn nhất

f(x)

Hàm f(x) gọi là trường vector

g(x)

hàm g(x) là một ma trận n  p phần tử của các trường

vector

yref

Lượng đặt

X1_ref , x2 _ ref
Rank

V

Điện áp mong muốn
Hạng của ma trận
15


end

V

iload

A

điện áp end được coi là nhiễu

Ln2

L2e
δi

w ( u,y ) = uT y

Dịng cơng suất đầu vào

q

vector của hệ tọa độ tổng quát

M(q)

ma trận quán tính tổng quát

C(q, q˙)

ma trận lực ly tâm và lực Coriolis

g(q)

trọng lực

τ

vector lực tác động vào hệ thống

H

ma trận xác định dương gọi là hàm tích trữ

F(u)

ma trận biểu diễn phần năng lượng nội tại trong hệ
thống

K(u)

ma trận xác định không âm thể hiện tốc độ tổn hao của
năng lượng

RLi(u)

Ω

điện trở tương đương trong mạch

xTF(u)x
xd.

giá trị cân bằng xác lập

xdc

quỹ đạo trạng thái mong muốn ở chế độ xác lập

xdf

quỹ đạo trạng thái tương ứng của biến tự do

F(.)

quan hệ hàm số nào đó.

Kic, Kif
Pr và Pest

tham số thật và tham số được ước lượng tương ứng



ma trận đường chéo xác định nửa dương dùng để xác
định tốc độ hội tụ của ước lượng tham số

τf

s

hằng số thời gian của biến tự do xf

τc

s

Hằng số thời gian của biến điều khiển được

E

V

Điện áp đầu vào

γ1, γ2

hai số dương, xác định tốc độ hội tụ của sai lệch ước
lượng tham số E, Y tới không

ωo2Vg

thành phần cưỡng bức
16


Si(x)

Hàm đóng cắt

ueq

Tín hiệu điều khiển tương đương

vo = Vo*

điểm làm việc cân bằng của hệ quá độ bậc nhất với
hằng số thời gian 

iˆ, vˆo

A,V

một hệ số của các tọa độ trên mặt phẳng pha

Kv

Rs

sai lệch của dòng điện qua cuộn cảm và điện áp đầu ra
trên tụ tương ứng

Ω

xác định độ nghiêng của đường thẳng trượt, có thể là
điện trở của mạch đo dòng điện.

Hz

Tần số cắt của khâu lọc bậc nhất


1
M

fM

băng thơng lớn nhất có thể đạt được của đáp ứng sai
lệch đầu ra vˆo trong miền thời gian
Hz

Tần số băng thông

17


1

TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN

Các bộ biến đổi bán dẫn đóng vai trị là một khâu biến đổi với hiệu suất cao nguồn điện phía đầu
vào tới đầu ra với các thông số thay đổi như mong muốn. Yêu cầu đầu tiên đối với quá trình biến đổi là
hiệu suất cao nhất có thể. Để đạt hiệu suất cao các bộ biến đổi sử dụng các phần tử bán dẫn cơng suất
như các khố điện tử, dùng để nối tải vào nguồn theo những quy luật nhất định, trong những khoảng
thời gian nhất định, nhờ đó mà biến đổi được các thông số của nguồn điện, đáp ứng các yêu cầu khác
nhau của phụ tải cũng như các yêu cầu về điều chỉnh khác nhau. Các quy luật đóng cắt van bán dẫn
được thực hiện bởi các khâu điều chế độ rộng xung (PWM). Các phần tử cơng suất đóng cắt các dịng
điện, có thể rất lớn, hàng trăm đến hàng nghìn A, dưới điện áp có thể rất cao, từ vài chục đến vài trăm
V, tuy nhiên lại được điều khiển bởi những dòng điện, điện áp rất nhỏ, tạo ra bởi những mạch điện tử
công suất nhỏ thông thường, gọi là các mạch phát xung.
Các mạch phát xung phải tạo ra xung điều khiển trực tiếp đóng cắt các van bán dẫn, được xây
dựng từ các phần tử rời rạc. Các khâu điều chế có thể xây dựng từ các phần tử rời rạc, nghĩa là hoàn
toàn bằng phần cứng, nhưng cũng có thể thực hiện bằng phần mềm. Khi đó quy luật điều chế có thể
thực hiện bằng chương trình trên các vi điều khiển hoặc bộ xử lý tín hiệu số DSP. Cùng với khâu phát
xung, khâu điều chế được coi là mức điều khiển thấp nhất.
Để có được những thơng số nguồn điện ở đầu ra mong muốn, như giá trị và dạng sóng của điện
áp, dịng điện, trong điều kiện các thơng số của nguồn và các biến động của tải tác động, có thể phải áp
dụng các hệ thống điều khiển có phản hồi. Trong đa số trường hợp bộ biến đổi không thể làm việc được
nếu thiếu các mạch vòng điều chỉnh kín. Việc áp dụng các cơng cụ của Lý thuyết điều khiển tự động
trong các ứng dụng của Điện tử công suất gọi là điều khiển Điện tử công suất.
Các mạch vòng điều chỉnh bao gồm các mạch đo lường dòng điện, điện áp, bộ xử lý sai lệch, đưa
ra tín hiệu điều khiển tới mạch điều khiển ở mức thấp hơn. Trước đây mạch vòng điều chỉnh chủ yếu
được xây dựng bởi các phần tử tương tự rời rạc vì bản chất nó phải làm việc với các tín hiệu tương tự.
Tuy nhiên ngày nay do tiến bộ vượt bậc của vi điều khiển và DSP các hệ thống điều khiển hoàn toàn số
đã được áp dụng rộng rãi. Do đó các hệ thống điều chỉnh chủ yếu được thực hiện bằng phần mềm.

1.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất

Trong xu hướng phát triển hiện nay phần lớn các bộ biến đổi Điện tử công suất là một hệ thống
điều khiển số. Về mặt cấu tạo hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm mạch
lực, các khâu phát xung được xây dựng từ các phần tử rời rạc. Các khâu đo lường các tín hiệu điện như
dịng điện, điện áp, cũng dùng những mạch tương tự để phối hợp trở kháng, chuẩn hóa, lọc nhiễu, trước
khi đưa tín hiệu đến các khâu A/D để chuyển thành tín hiệu số. Phần mềm sẽ chịu trách nhiệm xử lý
các tín hiệu trong môi trường số. Bản chất các hệ thống điều khiển số là các hệ trích mẫu, trong đó các
tín hiệu vào ra được cập nhật ở đầu mỗi chu kỳ, q trình tính tốn phải hồn thành trong chu kỳ trích
mẫu và cập nhật trên đầu ra ở đầu chu kỳ tiếp theo. Những quá trình nhanh như mạch vòng dòng điện
phải được cập nhật với chu kỳ ngắn hơn nhiều so với các quá trình chậm, như mạch vịng điện áp hoặc
các mạch vịng bên ngồi của bộ biến đổi. Mối quan hệ giữa các khâu và quá trình xử lý trong hệ thống
điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất được minh họa như trên 0.

18


Power layer

Controll layer

Power input

10 µs

Filters

Process

Data bus

Slow controller

Fast controller

Gate
drivers

I/U

1 ms
10 ms

0.1-1 µs
PE
switches

100 µs

Sensors

Pulse modulation

U/I

Control bus

Filters

100 ms

Master
Controller
(supervision)

Sensors
....

Sensors
Hardware

Software

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu.

Trên 0 thể hiện vị trí của các thành phần trong hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn nói chung,
trong đó chỉ ra mối quan hệ giữa phần cứng và phần mềm thông qua khoảng thời gian trích mẫu tương
ứng. Phần cứng bao gồm mạch van bán dẫn và mạch phát xung với thi gian tỏc ng ngn nht, c 0,1
ữ 1 às. Mạch điều khiển ở cấp thấp nhất bao gồm khâu điều chế, mạch đo các đại lượng điện như điện
áp, dòng điện ở đầu vào, đầu ra bộ biến đổi hoạt động với chu kỳ trích mẫu cập nhật tín hiệu vào, ra cỡ
10 µs. Mạch vịng tác động nhanh như mạch vịng dịng điện, mạch vịng mơ men, cùng với khâu đo
lường các biến q trình (có thể là tốc độ, áp suất, nhiệt độ, ...) thường cập nhật với chu kỳ cỡ 100 µs.
Mạch vịng ngồi cùng liên quan đến công nghệ như tốc độ, độ dịch chuyển, vị trí, cập nhật ở tần số
thấp, chu kỳ cỡ 1 ms. Các quá trình theo dõi, giám sát, trao đổi thông tin với hệ thống điều khiển cấp
cao hơn được trích mẫu với thời gian cỡ 100 ms.
0 thể hiện một hệ thống điều khiển số. Tuy nhiên một hệ thống điều khiển tương tự cũng có thể
được hình dung với việc sắp đặt các mạch vòng tương tự như vậy, trong đó thời gian trích mẫu được
hiểu là các hằng số thời gian nhanh chậm tương ứng.

1.2

Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn

1.2.1

Điều khiển mở cho Tiristor

Tiristor là phần tử khóa bán dẫn cơ bản, mở dẫn dịng bằng tín hiệu điều khiển nhưng khóa lại
do tác dụng bên ngồi. Tiristor khóa lại khi bị đặt điện áp ngược lên giữa ca-tốt và a-nốt hoặc do dịng
qua nó về bằng khơng. Nói cách khác thì tiristor là phần tử điều khiển khơng hồn tồn. Đặc tính đóng
cắt của tiristor cho trên 0.
Trên 0 tiristor được điều khiển mở bởi một xung dòng điện đưa vào giữa cực điều khiển và catốt iG. Sau một khoảng thời gian trễ td dòng qua tiristor iT bắt đầu tăng lên đến giá trị ID và điện áp giữa
ca-tôt, a-nốt vT giảm xuống đến giá trị Von là sụt áp nhỏ rơi trên van khi mở. Khi tiristor đã dẫn dịng
xung điều khiển khơng cịn cần thiết nữa. Thời gian từ lúc có xung điều khiển đến khi van mở dẫn hoàn
toàn như trên đồ thị tgt là thời gian mở van.

19


iG
iT
IGM

0.1IGM

+
vT

t

~

-

iG
iT

~

0.9ID

trr

ID

0.1ID

t

~
Irr

Qrr

0.1Irr

vT

VD
Von

0.1VD

~

t

tr

t1

~

td

tgt
tq

Hình 1.2 Dạng điện áp và dịng điện của Tiristor trong q trình đóng cắt.

Giả sử tại thời điểm t1, điện áp trên van đảo cực tính, van bắt đầu khóa lại. Dịng qua van giảm
về khơng với một tốc độ giảm diT/dt do mạch bên ngồi quyết định. Dịng tiếp tục đảo chiều qua không
đến giá trị đỉnh Irr sau đó mới giảm dần về khơng. Thời gian dịng có giá trị âm trr là khoảng thời gian
phục hồi tính chất khóa của van, thiết lập giá trị điện áp âm cho tiếp giáp bán dẫn p-n. Lượng điện tích
đi vào cấu trúc bán dẫn để xác lập điện áp trên các tiếp giáp phân cực ngược, bằng phần diện tích dưới
đường cong dịng điện, Qrr gọi là điện tích phục hồi. Cho đến khi dịng ngược chưa đạt giá trị đỉnh Irr
van vẫn trong trạng thái phân cực thuận, điện áp giữa a-nốt, ca-tốt vẫn có giá trị dương nhỏ Von. Từ thời
điểm dòng ngược bắt đầu giảm van mới thực sự bị phân cực ngược, điện áp trên van mới tăng lên đến

giá trị điện áp âm như từ ngồi đặt vào. Trên đồ thị có thể thấy điện áp trên van có một giá trị đỉnh trong
một thời gian ngắn do dòng ngược biến động nhanh sinh ra trên các điện cảm ký sinh trong mạch. Thời
gian van khóa lại coi là khoảng thời gian bắt đầu từ khi dịng qua khơng và lớn hơn thời gian phục hồi
khoảng 2 lần, tq. Sau thời gian tq điện áp trên van có thể dương trở lại mà van không bị tự mở ra. Đối
với tiristor thời gian khóa của van quyết định bởi thời gian phục hồi trr. Với các tiristor nhanh trr cỡ từ
5 đến 30 µs, với các van chậm trr có thể đến 100 µs.
+24V

V

D2

~U

G
D3

D1
R3

1500 ...
2000V

R1

K

C

G

T
R2

(a)

V

(b)
K

Hình 1.3 Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor; (a) Dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly.

Ngồi thời gian đóng mở, các thơng số quan trọng liên quan đến đặc tính động của van cịn là
các giới hạn cho phép về tốc độ tăng dòng điện diT/dt và tốc độ tăng điện áp dvT/dt.
20


Sơ đồ tiêu biểu của một mạch khuếch đại xung điều khiển tiristor được cho trên 0. Trên sơ đồ 0
(a) khóa transistor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp
biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của tiristor ở phía bên cuộn thứ cấp. Mạch lực
được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R3 hạn chế dòng qua transistor
và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Điôt D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi
transistor T khóa lại để chống quá áp trên tranzito T. Điôt D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển. Điôt
D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên tiếp
giáp G-K khi tiristor bị phân cực ngược. Trên 0 (b) tiristor được điều khiển bởi mạch phát xung cách ly
nhờ optocoupler, trong đó cần có nguồn cách ly bên phía cực điều khiển.
1.2.2

Điều khiển đóng cắt cho MOSFET

Q trình điều khiển đóng cắt một khóa MOSFET được mơ tả qua sơ đồ trên 0. Trên 0, MOSFET
được thay thế bằng mạch tương đương với các tụ ký sinh giữa các cực máng D, cực gốc S, và cực điều
khiển G. Van đóng cắt một phụ tải nguồn dòng giữa cực máng và cực gốc, song song với điôt D để
ngắn mạch khi van bị khóa, dưới điện áp +Uco, được điều khiển bởi mạch phát xung DRIVER. Đây là
loại phụ tải tiêu biểu cho van trong sơ đồ các bộ biến đổi bán dẫn. Trên cực điều khiển ngoài điện trở
nội tại RGint ta xét đến ảnh hưởng của điện trở mắc thêm RGext.

Hình 1.4 Mạch điều khiển mở MOSFET.

Khi có xung dương ở đầu vào của DRIVER ở đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ VP đưa đến
trở RGext. Điện áp UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl),
trong đó tụ CGD đang ở mức thấp CGDl do điện áp UDS đang ở mức cao. Dạng sóng của quá trình mở van
thể hiện trên 0 (a). Theo đồ thị, trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, tụ (CGS + CDSl) được nạp theo quy
luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th). Trong khoảng này cả điện áp UDS lẫn dòng ID đều chưa thay đổi.
td(on) = t1 gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt đầu từ thời điểm t1 khi UGS đã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng
cực máng ID bắt đầu tăng, tuy nhiên điện áp UDS vẫn giữ nguyên ở giá trị điện áp nguồn VDD. Tới thời
điểm t2 điện áp UDS bắt đầu giảm nên tụ CGD bắt đầu phóng điện, như vậy dòng đi vào RGin sẽ chủ yếu
là dòng của tụ CGD nên điện áp UGS bị găm ở một mức điện áp không đổi, gọi là mức Miller. Cho đến
thời điểm t3 điện áp UDS đã giảm xuống còn một giá trị nhỏ U DS ,on = RDS ,on I D , tụ CGD đã phóng hết nên
dịng điều khiển sẽ đẩy điện áp UGS lên mức cao cuối cùng U GS = U P .
Trên đồ thị 0 (a), A1 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) trong khoảng t1 đến t2, A2
đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD trong khoảng t2 đến t4.

21


Nếu coi điôt không D không phải là lý tưởng thì q trình phục hồi của điơt sẽ ảnh hưởng đến
dạng sóng của sơ đồ như được chỉ ra trong 0 (a), theo đó dịng ID có đỉnh nhơ cao ở thời điểm t2 tương
ứng với dòng ngược của quá trình phục hồi điơt D.

Up

Up

Udr

Udr
t

(

uGS (t ) = U p 1 − e − t / T1

UGS

)

(

uGS (t ) = U p 1 − e

t
− t / T2

uGS (t ) = U p e − t / T2

)

Mức Miller

UGS
Uth

Mức Miller

IG
A1

A2

uGS (t ) = U p e − t / T1
t
t

t UGS(th)

IG

iG(t)

iG(t)

t

uDS(t)

UDS

uDS(t)

UDS
UDS(on)

t UDS(on)

t

iD(t)
ID

iD(t)

ID

t

t
0

t1

t2

t3 t4
(a)

0

t1 t2 t3

t4
(b)

Hình 1.5 Đồ thị dạng xung dịng điện, điện áp trên MOSFET (a) Q trình điều khiển mở,
điều khiển khóa.

(b) Q trình

Dạng sóng của q trình khóa thể hiện trên 0 (b). Khi đầu ra của vi mạch điều khiển DRIVER
xuống đến mức không VGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS
+ CGDh) từ 0 đến t1, tuy nhiên sau thời điểm t3 thì hằng số thời gian lại là T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS
+ CGDl). Từ 0 đến t1 là thời gian trễ khi khóa td(off), dịng điều khiển phóng điện cho tụ CGS và tụ CGD.
Sau thời điểm t1 điện áp VSD bắt đầu tăng từ ID.RDS(on) đến giá trị cuối cùng tại t3, trong khi đó dịng ID
vẫn giữ ngun mức cũ. Khoảng thời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển và
điện áp trên cực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi. Sau thời điểm t3 dịng ID bắt đầu giảm về đến
khơng ở thời điểm t4. Từ t4 MOSFET bị khóa hẳn.
Cả q trình mở và khóa của MOSFET đều phụ thuộc vào hằng số thời gian phóng nạp tụ CGS
và CGD, với sự tham gia của điện trở RGext. Thay đổi giá trị điện trở này có thể làm tăng, giảm thời gian
đóng mở của van, điều này là cần thiết để giảm bớt tốc độ thay đổi của dòng qua van, nhờ đó tránh được
các dao động điện áp do các thành phần điện cảm ký sinh trong mạch gây ra.
Khi dẫn MOSFET thể hiện bởi tham số RDS(on) (điện trở DS khi dẫn).

22


1.2.3

Điều khiển đóng cắt cho IGBT

Xét q trình mở và khóa một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho trên hình 1.6. Trên sơ đồ IGBT

đóng cắt một tải cảm có điơt khơng D0 mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn tín hiệu với
biên độ VG, nối với cực điều khiển G qua điện trở RG. Cgc, Cge thể hiện các tụ ký sinh giữa cực điều
khiển và collector, emitter.

D0

I0

Udc
Cgc
D
UG

RG

Cge

Hình 1.6 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT.

Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển đầu
vào tăng từ khơng đến giá trị VG. Dạng sóng của quá trình mở IGBT cho trên 0. Trong thời gian trễ khi
mở td(on) tín hiều điều khiển nạp điện cho tụ Cge làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo
quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng VGE(th) (khoảng 3 – 5V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET trong
cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa collector-emitter tăng theo quy luật tuyến tính
từ khơng đến dịng tải I0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp gữa cực điều khiển và emitter tăng
đến giá trị VGE,Io, xác định giá trị dịng I0 qua collector. Do điơt D0 cịn đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp
VCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều Vdc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo hai giai đoạn,
tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức VGE,Io (mức
Miller), để duy trì dịng I0, do dịng điều khiển hồn tồn là dịng phóng của tụ Cgc, IGBT vẫn làm việc
trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra q trình khóa và phục hồi của điơt D0. Dịng phục

hồi của điơt D0 tạo nên xung dịng trên mức dòng I0 của IGBT. Điện áp VCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển
điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm
điện trở trong vùng thuần trở của collector, dẫn đến điện trở giữa collector-emitter về đến giá trị Ron khi
khóa bão hịa hồn tồn, VCE,on = I0Ron.
Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong điện áp giữa cực điều khiển và emitter tiếp
tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng CgeRG, đến giá trị cuối cùng VG.
Dạng điện áp, dịng điện của q trình khóa thể hiện trên 0. Q trình khóa bắt đầu khi điện áp
điều khiển giảm từ VG xuống –VG. Trong thời gian thời gian trễ khi khóa td(off), chỉ có tụ đầu vào Cge
phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng CgeRG, tới mức điện áp Miller. Bắt
đầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện áp Vce bắt đầu tăng
lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạp điện. Dịng điều khiển bây giờ sẽ hồn tồn là dòng nạp cho tụ Cgc
nên điện áp VGE được giữ không đổi.

23


UG

UGE
UG

UGE,Io
UGE(th)

UGE,Io
UGE(th)
t

t
Điơt D0 phục hồi

IC

0

I0

Udc

i1

I0

t
td(on)

td(off)

-UG
IC

i2

tr

t
tfi1

tfi2

UCE

UCEon
tfv1
Tổn hao
khi mở

t

Udc

UCEon

tfv2

t
trv

t
ton

Tổn hao
khi khố

t
toff

Hình 1.7 Đồ thị dạng xung khi điều khiển mở
IGBT.

Hình 1.8 Đồ thị dạng xung khi điều khiển khóa
IGBT.

Điện áp Vce tăng từ giá trị bão hòa Vce,on tới giá trị điện áp nguồn Vdc sau khoảng thời gian trV. Từ
cuối khoảng trV điơt D0 bắt đầu mở ra cho dịng tải I0 ngắn mạch qua, do đó dịng collector bắt đầu
giảm. Q trình giảm dịng diễn ra theo hai giai đoạn, tfi1 và tfi2. Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng
i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về khơng. Điện áp Vge ra khỏi
mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiển ở đầu vào –VG với hằng số thời gian RG(Cge + Cgc). Ở
cuối khoảng tfi1, Vge đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET, VGE(th), tương ứng với việc MOSFET bị khóa
hồn tồn. Trong giai đoạn hai, thành phần dòng i2 của transistor p-n-p bắt đầu suy giảm. Q trình
giảm dịng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong lớp n- chỉ bị mất đi do q trình tự trung hịa
điện tích tại chỗ. Đó là vấn đề đi dịng điện đặc trưng cho IGBT mà khơng có ở MOSFET.
Lớp n- trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn vì khi đó số lượng các
điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy nhiên các điện tích tích
tụ này lại khơng có cách gì di tản ra ngoài một cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần
tử. Ở đây cơng nghệ chế tạo bắt buộc phải thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương
đương nhưng thời gian khóa thì dài hơn.
Khi dẫn IGBT dẫn dùng tham số UCE(sat) tương tự như ở transitor. Cũng có hãng chế tạo đưa ra
điện áp trên IGBT khi dẫn bão hòa, bao gồm cả hai thành phần cấu tạo transitor và MOS trong IGBT
là:

UCE ( sat ) = UCE ( p −n) + RCE (on ) I c

(1.1)

Điện áp U CE ( sat ) của IGBT thường nhỏ hơn MOSFET, và đây cũng là ưu điểm IGBT so với
MOSFET.
Đối với MOSFET, xung điều khiển mở UGS-on = 6÷10V, xung khóa thường chỉ u cầu UGS-off =
0V. Đối với IGBT, xung mở UGE-on = 15V, xung khóa phải có giá trị âm UGE-off = - 5V.

24